渭南市澗峪水庫灌區高標準農田建設噴灌工程設計

許王寧

(渭南市水利水電勘測設計院,陜西 渭南 714000)

1 工程概況

澗峪水庫灌區地處渭南市華州區高塘鎮,南北長約13 km,東西寬1.0～7.0 km,耕地面積6.93萬畝,設施灌溉面積5.24萬畝。

1.1 水源

灌區水源為澗峪水庫水。壩址以上流域多年平均徑流量由西澗峪自身徑流量2 485萬 m3及東澗峪外調水量1 558萬 m3組成,水庫設計城區年供水量1 300萬 m3(供水保證率不低于90%),水庫灌區設計灌溉保證率不低于75%,年灌溉供水量955萬 m3。水庫水質評價為Ⅱ類水質,滿足噴灌水質要求。

1.2 地形地貌及土壤

灌區地貌為秦嶺北麓山前洪積扇及黃土臺塬區,地形南高北低,海拔高程714.0～403.0 m,高差311 m,南北長約13 km,東西寬7.0～1.0 km,東西向地形較為平坦。灌區地表為黃土狀壤土和洪積壤土覆蓋。因此灌區地形高差大,利于重力輸水,土地集中連片,晝夜溫差大,光熱資源充沛,具備實施高標準農田建設。

1.3 高標準建設概況

通過大力實施農田水利建設、田間道路、提升土壤肥力、農技推廣等綜合措施,實現“田地平整肥沃、水利設施配套、田間道路暢通、科技集成適用、優質高產高效”的總體目標。結合灌區渠系布置,高標準農田建設示范區分布為7個獨立片區,建設規模2萬畝。

2 噴灌工程設計

2.1 項目區概況

本文選擇具有代表性的地塊江村進行噴灌典型設計,采用“低壓暗管輸水+田間噴灌”的節水灌溉技術,實施固定式噴灌面積245 畝,種植冬小麥和夏玉米。

2.1.1 地形

江村位于澗峪河的東邊,地塊呈窄長形。南北長550 m,東西寬約350 m。地形高程在550.00～545.00 m之間,相對高差不足5 m。

2.1.2 土壤

項目區土壤為壤土,土壤肥沃,土層厚約1 m,酸堿適中,土壤容重1.45 g/cm3,田間持水量22.0%,滲透水條件一般,允許噴灌強度12 mm/h。

2.1.3 水力計算

根據示范區的灌溉輪灌制度,確定各級管道設計流量及管徑,并對江村最不利管段進行水力復核,水壓滿足要求。

2.2 噴灌型式的選擇

噴灌類型包括固定式、半固定式和移動式三種。其中固定管道噴灌系統中主管、支管均埋置于地下,豎桿立于地上;半固定管道噴灌系統中主管埋于地下,支管、豎桿在地面上移動;移動式管道噴灌系統中主管、支管噴頭均位于地面,灌溉時來回移動?？紤]到管理及操作方便,本設計選擇固定式噴灌。

2.3 噴頭及其組合型式的選定

根據項目區種植物作物特征及土壤條件,以及各種噴頭的特性和適用范圍,選擇搖臂式PY1-20型噴頭,其優點是結構簡單,運行可靠,質量穩定,在國內使用較為廣泛。噴嘴直徑7.0 mm,流量2.96 m3/h,射程19.0 m,噴頭壓力0.3 MPa,按最不利的垂直于風速布置,采用正方形組合形式,噴頭橫向、縱向間距均為18 m。

2.4 管材的選擇

地埋管道按材質可分為鋼管、鑄鐵管、塑料管、薄壁鋁合金管、薄壁鍍鋅鋼管及涂塑軟管等。鋼管、鑄鐵管等金屬管能承受動荷載和較高的工作壓力,使用壽命長,但投資較高,重量大。塑料管重量輕,便于搬運,施工容易,能適應一定的不均勻沉降,不生銹,水頭損失小;缺點是存在老化脆裂問題,但埋在地下可減緩老化。為保證管道使用壽命,同時考慮投資限制,地埋管道均采用PVC-U管道。

2.5 田間管網布置

2.5.1 設計參數的選定

根據江村土壤情況等資料以及相關設計規范,確定設計噴灑強度為12 mm/h,霧化指標W=4 286>4 000,管道系統水利用系數取0.95,田間噴灑水利用系數等參數取0.9。

2.5.2 灌溉制度的確定

項目區種植冬小麥和夏玉米,土壤為壤土,據此計算以下參數:

1)設計灌水定額

(1)最大凈灌水定額計算:

m=0.1γ h(β1-β2)θ

(1)

式中:m為凈灌水定額(mm);h為計劃濕潤層深度(m),取0.6 m;γ為土壤干容重(g/cm3),取 1.45 g/cm3;β1為土壤適宜含水量上限,取田間持水量的 90%;β2為土壤適宜含水量下限,取田間持水量的 60%;θ為田間土壤持水量(%),以重量百分率計,取 22%。

將上述公式計算得到m=57.42 mm

(2)灌溉水利用系數

η=ηG×ηp

(2)

式中:η為灌溉水利用系數;ηG為管道系統水利用系數,取 0.95;ηp為田間噴灑水利用系數,取 0.9。

經計算得η=0.85。

2)灌水周期T

T=mmax/Ia

式中:T為設計灌水周期,d;mmax為設計最大灌水定額,計算值為57.42 mm;Ia為作物最大日平均耗水量,糧食作物取 6 mm;計算灌水周期 T=9.6 d,設計灌水周期取 9 d。

3)設計凈灌水定額

設計凈灌水定額計算公式為:

md=T×Ea =36 m3/畝

(3)

式中:md為設計凈灌水定額(mm)

4)噴頭在一個位置上的工作時間

(4)

式中:a、b為噴頭、支管間距,均為18 m;m為設計凈灌溉定額,54 mm;qp為噴頭設計流量,為2.96 m3/h;ηp為田間噴灑水利用系數,取0.9。

通過計算,噴頭在一個位置上的工作時間為6.6 h,作物噴灑時間見表1。

表1 作物噴頭噴灑時間表

5)噴頭每日工作位置數

n=t日/t

(5)

式中:n為噴頭每日工作位置數(次);t日為日噴灌作業小時數(小時),取21 h;t為噴頭在一個位置上的工作時間。

經計算,典型地塊噴頭每日工作位置數為 3個。

6)同時工作噴頭數

(6)

式中:np為同時工作的噴頭數;T為設計灌水周期9 d,Np為灌區噴頭總數;根據項目區管網布置,江村布置490個噴頭。

計算得:同時工作的噴頭數為18個。

7)管網總體布置

根據地形特點和干管分布情況,管網布置成豐字形,灌溉面積245畝。管道按干管、支管、斗管三級管道控制,支管沿田間路一側鋪設,斗管垂直于支管布置,江村布置支管9條,斗管72條。本次噴灌采用全固定式噴灌,每條斗管布置3～12個噴頭,布置490個噴頭。

2.5.3 管徑的確定及校核

根據經濟流速法確定各級管道直徑,計算如下:

(7)

式中:Q為管道流量,m3/h;v為管內流速,m/s。

按照支管首末兩個噴頭之間的沿程損失應小于0.2倍噴頭工作壓力的原則校核所選管徑。

2.5.4 管道布置

根據作物種植方向及地塊形狀田間地塊采用支管和斗管二級管道,地埋支、斗管均采用PVC-U管材,斗管沿作物種植方向布置,支管垂直于斗管布置。在支斗管連接處設置閥門,支管末端設置泄水井。

2.5.5 江村噴灌設計成果

根據地形特點和干管分布情況,管網布置成豐字形。支管沿田間路一側鋪設,斗管垂直于支管布置,江村布置支管9條長1 960 m,管徑為DN110;斗管72條長8 940 m,管徑為DN75。每條斗管布置3～12個噴頭,共布置490個噴頭。

3 結語

澗峪水庫灌區水源有保證,水清無砂、灌區高差大利于重力輸水、土地集中連片,光熱資源充沛,具有建設高效節水灌溉、發展高標準農田項目的獨特優勢;項目區以優質無公害農作物基地為中心,著力加強農業基礎設施建設,改善農業生產條件,對優化項目區農業生產結構發揮重要作用,規劃科學合理,方案可行。

項目區建成后,灌溉水利用系數將由現狀的0.54提高到0.85,年節水量159萬 m3,不但促進當地農民增產增收,同時可有效減少當地水土流失、促進水資源可持續發展,具有重要的經濟效益、生態效益和社會效益。