土地整理中的水资源供需分析与低压管道灌溉设计

'山西农业科学2010，38(9)：35—39，44JournalofShanxiAgricultura!Sciencesdoi：10．3969~．issn．1002-2481．2010．09．11土地整理中的水资源供需分析与低压管道灌溉设计杨健，张小侠，王秀茹，王红雷，孙艳，刘曦(北京林业大学水土保持学院，北京100083)摘要：土地整理在一定程度上改变了天然的水循环过程和水量、水质状况，而水资源平衡分析是进行土地整理的前提和基础。以河北省南和县闫里乡基本农田土地整理项目为例，分析了项目区的需水量、供水量及水量平衡，详细介绍了低压管道灌溉系统的规划设计方法以及相关水力计算。结果表明，采用合理的灌溉规划设计可以改善区域用水状7兄和农业水环境，优化区域灌溉系统。关键词：土地整理；水量平衡；低压管道；水力计算中图分类号：$27l；$275文献标识码：A文章编号：1002—2481(2010)09—0035—05WaterResourcesSupplyandDemandAnalysisandLow—-pressurePipeIrrigationDesigninLandConsolidationYANGJian，ZHANGXiao—xia，WANGXiu—ru，WANGHong-lei，SUNYan，LIUXi(CollegeofSoilandWaterConservation，BeijingForestryUniversity，Beijing100083，China)Abstract：Thenaturalwatercycleprocessandwaterqualityconditionscouldbechangedtosomeextentbylandconsolida-tion．Waterbalanceanalysisisthebasisforlandconsolidation．ThelandconsolidationprojectinYanlitownofNanhecountyinHebeiprovincewastakenasanexampleinthisarticle，waterrequirement，watersupplyandwaterbalancewereanalyzed，andlow—pressurepipelineirrigationsystemplanninganddesigningmethodsandassociatedhydrauliccalculationwereintroducedindetail．Theresultsshowedthatthewatersituationintheregionandagriculturalwaterenvironmentcouldheimproved，andtheirri—gationsystemcouldbeoptimizedwiththerationalplanning．Keywords：I且ndeonsolidation；Waterbalance；[~w-pressurepipe；Hydraulicealculation土地整理是在一定区域内，按照土地利用规制宜地对项目区进行科学规划，全面提高土地利划或城市规划确定的目标和用途，采取行政、经用效率，确保经济效益、社会效益和生态效益达济、法律和工程手段，对土地利用现状进行调整到合理的协调统一和效益的最大化I～01。改造、综合整治，促进土地的合理利用，提高土地低压管道输水灌溉，简称“管灌”，是以低压利用效率，改善生产、生活条件和生态环境的活输水管道代替明渠输水灌溉的一种有效的节水、动lI_2I。通过对田、水、路、林、村实施综合整治，建节能型灌溉技术。其中，“低压”是指田问末级水成“田成方、林成网、沟相通、路相连、渠系配套、管出水口T作压力与喷灌、滴灌系统相比，远低设施齐全、旱能浇、涝能排”的农田生态系统，提于其灌水器的工作压力，一般低于3kPaI“I。与传高了农田抵御灾害的能力，使得农业生态环境得统灌溉渠道相比，它具有节水效益显著、土地利到整体优化13卅。用率高、输水速度快、灌溉效率高、作物增产增收作为改变土地利用方式重要手段之一的土效果明显、投资相对较低等优点，被广泛应用于地整理，它在一定程度上改变了天然的水循环过土地开发整理项目中1。程和水量、水质状况，进而影响了灌溉水的可获1项目区概况取性及获取量、灌溉水的利用系数、水文结构和灌溉水质量以及区域水资源的分配l。只有清楚项目区位于河北省南和县闫里乡境内，地理地了解土地整理项目区的水资源状况，才能因地位置为东经114。4306一114。4729”，北收稿日期：2010—05—18基金项目：2006年国家投资河北省南和县问里乡基本农田整理项目作者简介：杨健(1985一)，男，内蒙古呼和沽特人，在读硕十，研究方向：水土保持与土地整理。王秀茹为通讯作者。o·35· 山西农业科学2010年第38卷第9期纬36。5530～36。5855”，涉及宋台等9据《中国可持续发展水资源战略研究报告集》中个村的集体土地。该项目为2006年国家投资重“中国农业需水与节水高效农业建设”和“中国主点项目，项目区总面积1932．36hm，建设规模要作物需水量与灌溉定额”可知，项目区灌溉设1842．02hm，新增耕地72．34hm，新增耕地率计保证率为75％时主要作物净灌溉定额，小麦为为3．93％。2250m3／hm，玉米为2100m3／hr13，则年作物生产该区地貌类型为平原，地势平坦开阔，属暖周期平均净灌溉定额M净=4350m3／hm。温带半湿润区，年平均气温13℃，多年平均降水毛灌溉定额：M毛=净=4350／0．9=4833．33量475．11Tim，年平均蒸发量1284．53mm；全年南m3／hm(根据当地实际经验确定叼=0．9)。整理风较多，平均风速为2．5m／s；光照资源充足，年平后，项目区耕地面积为1797．04hm，则项目区总均日照时数2461．7h，年平均无霜期196d；土壤需灌溉水量为需=868．56X104m。项目区所属沙壤质潮土，熟化程度较高，耕作层厚度一般需用水全部为农业灌溉用水，生活用水和牲畜用在30em左右。全县地下水储存于第四系松散岩水另外采集(项目区需水量中不再计算)。层中，矿化度小于1g／L，水质良好，水量丰富，适2．2项目区供水量计算宜农作物长期灌溉。项目区的可供水量从地表水、有效降水和地下水3个方面进行分析。2水资源供需平衡分析2．2．1地表水项目区内没有河流经过，无地表水量平衡是一个相对的概念，是指在一定的水可利用。本规划考虑采用地下水作为灌溉水保证率下的水量供需平衡。因此，在进行水资源源，地表径流不计入可供水量范畴。即地表水水平衡分析之前，首先确定灌溉设计保证率。项目量1：0。区属于大陆性季风气候，水资源较为紧缺，经常2．2．2降水量根据1952d1985年系列降水量发生干旱灾害。项目区以种植小麦、玉米等大田资料和经验频率公式计算，结果列于表1。作物为主，据《土地开发整理标准》和《灌溉与排P：×100％n+J水工程设计规范》，确定灌溉设计保证率为75％。式中，P为经验频率，m为序号，为样本系2．1项目区需水量计算项目区主要种植小麦和玉米，一年两熟。根列的总次数。表11952—1985年平均降水量和经验频率序号年份降水量／mm经验频率／％序号年份降水量／ram经验频率，％l1973842．82．86181968461．651．4321964828．45．7l191980457．354．2931956787．78．57201966452．257．1441976705．81l_4321l985447．560．oo51958665．514_29221959431362．8661954596．017．1423l977430．165．7l71961588．920．OO241957428．568．5781983580．922．8625l975428．171．4391969565．925．7126l952425．974．29101982555．I28．5727l98I414．277．14l11971545．331．4328l962405．980．00l21974509．834．29291970402．282．86l31967506．637．1430l965395．385．71·141955498．640．003Jl978369．688．57151960488．342．86321979365．491．43161953471．445．71331972246．994．29171984470．948．57341963111．897．14注：降水量数据来自南和县水利志。根据1952--1985年系列降水量资料，经经验经验频率为25％左右时的降水量为565．9mm。频率公式计算，按项目区34年降水量推求，可得降水量在年际间和季节上的变化差别，对农业生出经验频率为75％左右时的降水量为425．9mm，产影响很大，要满足农作物生育期各阶段的需水经验频率为50％左右时的降水量为461．6mm，要求，必须做好补充灌溉。·36· 杨健等：土地整理中的水资源供需分析与低压管道灌溉设计因计算项目区年需灌溉水量时采用净灌定取0．9；卵。为干扰抽水的水量消减系数，取0．10；额已扣除有效降水量，所以此处不再重复计算，m为综合净灌水定额(m3／hm)，根据地方提供的即有效降水量=0。资料取600m3／hm。2．2．3地下水可开采量项目区地下水丰富，根经计算，每眼机井的控制面积为21．06hmz，据南和县水文地质资料，浅层地下水按其地下埋但考虑到项目区地下水资源的可持续利用，经计藏深度垂直计算可分为2个含水小组，第Ⅱ含水算确定每眼机井的控制面积为20hm左右。组含水层埋深较浅，水质良好，水量丰富，属一级3．1．2井距计算水，适宜农作物长期灌溉，为当前主要开采层段。=、／丽石_-446．87m采用调节量法计算地下水供水量。一般而言，为了便于管理，机井应布置在道W3=／x‘Ah。F=0．05×10×1932．36=966．18×路旁边；为了减少输水管道内的水压，机井应布104m置在地势较高处。根据上述计算结果并考虑到这式中，，为地下水供水量(m)；／z为给水度，2项布井原则，结合机井实际灌溉情况，确定本沙壤土取0．05；Ah为地下水允许变化幅度(m)，项目最小井距为450m。取10m；F为项目区总面积(1932．36hm)。3．1．3井深与井径设计根据相关技术规范和2．2．4项目区供水总量项目区总供水量：供=南和县所提供的资料，确定成井深度为120m。l+2+3=966．18×10m。。经计算，选用的潜水泵适宜的最小井管内径为2．3水资源平衡分析200mm。安装泵段井管内径，应根据设计出水量根据2．1和2．2计算，项目区可供水量供=及测量动水位仪器的需要确定，并且应比选用的966．18×10m，需水量需=868．56×10m，水抽水设备标定的最小值大50mm。因此，确定安资源供需比例为1．11：1，项目区内水资源供给装泵段井管内径为250mm。能够满足需求。同时在项目工程设计中，采取节3．2输水工程设计水措施并设计科学合理的灌溉制度和适当的种依据地形、地块、道路等情况，结合机井布置植结构，营造防护林网体系，可提高水资源利用布设管道系统，要求线路最短，控制面积最大，便率。因而水资源的供给完全能满足项目区的灌溉于机耕，管理方便。输水管道采用PVC管，低压需要。软管选用薄膜塑料软管。按照农业节水标准，防●渗PVC管道埋设在最大冻土层以下。当地最大3低压管道灌溉工程设计冻土深度为49cm，考虑到当地实际生产状况，设由于项目区内以种植大田作物为主，需综合计管道埋深在0．7m以下。考虑水资源状况、自然条件、当地农业生产水平3．2．1管道设计流量计算管道设计流量是水及农作物种植结构，经专家与当地有关部门领导力计算的依据，由灌溉设计流量决定。灌溉规模讨论，项目区内选择地下水作为灌溉水源，并确确定之后，根据水源条件、灌水定额、作物灌溉制定采用机井取水、PVC管道输水、低压软管畦灌度和灌水周期计算灌溉设计流量。的灌溉方式。(1)设计灌水定额3．1水源工程设计m=lO00rh(fi。)根据水量平衡分析结果，在项目区按基本农式中，m为设计灌水定额(mm)；h为计划湿田整理规划田块，按地块面积和单井控制面积为润层深度(m)，一般大田作物取0．4～0．6rn；fl为依据布置机井。土壤适宜含水量上限，取田问持水量的60％～3．1．1单井控制面积计算75％；fi：为土壤适宜含水量下限，取田间持水量一Q：：：!!二j2的45％～60％；3／为计划湿润层土壤干容重(t／m。)。‘”m这里仅以需水量较大的大田作物小麦为对式中，为单井控制灌溉面积(hm)；p为单象进行计算。项目区为沙壤质潮土，计划湿润层井出水量(m3／h)，根据水务局提供资料为60深度h取0．6m；田间持水量为22％～30％，取m3／h；T为轮灌1次所需要的时问，取13d；t为灌28％；卢取75％，卢2取50％；为1．4t／m。经计溉期每天开机时间(20h)；为灌溉水利用系数，算，m=58．8mm。·7· 山西农业科学2010年第38卷第9期(2)设计灌水周期单井控制灌溉面积m)；T为轮灌1次所需要的时间，取13d；t为灌溉期每天灌水时间，取20h；理?7为灌溉水利用系数，取0．9。式中，理为理论灌水周期(d)；m为设计灌通过计算，确定设计流量Q设为50m。水定额(mm)；为作物最大日平均耗水量3．2．2管道水力计算管道水力计算是在管道(mm／d)。根据项目区的自然条件，设计典型年冬布置和各级管道流量已经确定的前提和满足约小麦等作物最大日平均耗水量为4．5mm／d，则束条件下，计算各级管道的经济管径。由于管道理==13．07d首位水压未知，管道水力计算的目的就在于根据拟订的管径、流量、管道长度和管件等计算水考虑到项目区面积较大和作物生长期的降头损失，确定首端工作压力。再根据机井动水位水情况，将设计灌水周期定为13d，即弹=13d。埋深、进出水泵管道水头损失等，计算水泵设计(3)灌溉设计流量扬程，从而选择适宜机泵。管道水力计算一般按Q设=：50．28m3／h<单井出水量60m如下步骤进行，下面以典型田块13为例加以说式中，Q设为灌溉设计流量(m3／h)；为作物明(图1)种植图1典型田块13管道输水灌溉设计(1)确定管道水力计算的控制点。管道水力·(4)各管段管径的确定。采用经济流速法，其计算的控制点是指管道运行时所需最大扬程的公式如下。出流点，即最不利灌水点，一般应选取离管道首端较远且地面高程较高的地点。捌ooo、／=8．8、／(2)确定管道水力计算的线路。对于不同的式中，为经济流速，PVC管在1．0～1．5m／s轮灌组，水力计算的线路长度和走向不同，应确之间。设计干管内经济流速千=1．5m／s，支管内定各轮灌组的水力计算线路。通过计算比较，加经济流速奇=1．5rn／s。以确定。经计算，d干=108．54mm，d支=76．75mm。结(3)确定管段流量。根据井区面积灌水定额合市场情况，确定经济管径(公称外径)为计算出干管设计流量，再根据轮灌分组，确定出125，90mlTl。选择管道型号为PVC—U125×支管流量，此典型区干管流量为50m3／h，各支管3．9／0．63和PVC—U90×2．8／0．63。人口管段流量均为25m3／h。(5)管道水头损失计算。水头损失包括沿程．38． 杨健等：土地整理中的水资源供需分析与低压管道灌溉设计水头损失和局部水头损失。式中，为水泵扬程(m)；日为管道人口设管道沿程水头损失：计压力(rn)；日为机井动水位(m)；hp为水泵进出水管总水头损失(m)。=管道入口设计压力计算公式如下。式中，为管道沿程水头损失(In)；厂为摩阻Hhi+△Z+Hg系数；p为流量(m3／h)；m为流量指数；d为管道内径(mm)；b为管径指数；为管道长度(m)。式中，∑为计算管线沿程水头损失(m)；PVC管的各种参数为：0．948×104，m=1．77，b=4．77。为计算管线局部水头损失(In)；AZ为设计单个给水栓预留软管长度为50m，由于土地地面平整，灌溉时能做到软管布置顺直，其沿控制点与管道入口地面高程差(Il1)；为设计控程水头损失可用PVC管参数进行计算，求得其制点给水栓工作水头，一般取0．2～0．3(ITI)。水泵进出水管沿程水头损失根据公式，==沿程水头损失为：==3．260m。为简化计，’计算。当设计流量为50m3／h时，水泵进出算，可取局部水头损失为沿程水头损失的．口10％～15％，故本计算中取系数为10％，即：水管沿程损失为1．187I"ll。由于水泵径向直径较hj=lO％hfo大，从动水位到管道入口的管道局部水头损失很(6)水泵扬程计算与水泵选择。由于项目区小，对水泵扬程的选择影响不大，故在计算中未内井深为120ITI，因此使用潜水泵。水泵扬程计予考虑。水泵进出水管总水头损失就是水泵进出算公式如下。水管沿程水头损失(1．187m)。Op=Oin+HhB田块13水泵扬程计算结果列于表2。表2田块13水泵设计扬程计算结果一览m由表2可知，水泵的动力扬程为52．1m，综可选择型号为200QJ5O一65／5的潜水泵(其规格合考虑生产实际情况以及当地农业的长远发展，性能如表3所示)。表3200QJ50—65／5潜水泵规格性能况和农业水环境，优化区域灌溉系统，为进一步4结论提高土地整理质量提供借鉴。经计算，项目区在继续利用原有79眼机井的基础上，新规划1201TI深的机井66眼，同时为参考文献：原有机井和新机井配套功率15kW潜水泵共[1]高向军．土地整理理论与实践[M1．北京：地质出版社，2003．[2]杜娟，孙鹏举．土地整理研究概述【JI．山西农业科学，145台，建机井房145座。共布置125PVC干管2010．38(3)：83—87．35407．91m，90PVC支管152815．69m，每个[3]牛传军，贾芳芳，马好霞．土地整理对区域生态环境的影响出水口配软管100ITI，共需软管34100m。分析IJ1．水土保持研究，2008，15(1)：193—196．本研究结合国家重点投资土地整理项目，讨[4]张正峰，赵伟．土地整理的生态环境效应分析『Ji．农业工程论了土地整理规划中水资源供需分析及低压管学报，2007，23(8)：281—285．[5]王建群，卢志华．土地利用变化对水文系统的影响研究．道输水灌溉丁程设计的基本方法及相关水力计地球科学进展，2003，18(2)：293—298．算，分析认为，项目区的水资源供给完全能满足[6]胡利梅，杨珊，高瑞．土地整理对农业水环境的影响fJ】．甘项目区的灌溉需要。通过采用合理的灌溉规划设肃农业，2006(10)：118—119．计，能够提高水资源的利用率，改善区域用水状(下转第44页)·39· 山西农业科学2010年第38卷第9期2．3不同处理对花生经济效益的影响位面积产值为25914．0元／hm，比对照产值增加由表5可知，施用锌肥处理比对照不施锌肥1352．25元／hm。然而，从纯收益方面分析，则以处理的单位面积花生产值有显著增加，但是，随处理1新增纯收入最高，为1262．25元／hm2，其着锌肥用量的增加，产值并没有明显增加。在施新增纯收入与新增投人比达到l4．03，比处理用锌肥的5个处理中，处理5的产值最高，折合2，3，4，5分别高出7．10，9．6O，10．86和11．44。因单位面积产值为26176．5元／hm，比对照产值增此，从新增纯收入与新增投入比考虑，花生施用加1614．75元／hm；处理1的产值较低，折合单锌肥，以公顷施用15妇硫酸锌最为经济有效。表5经济效益分析·注：花生荚果5．0元，kg，锌肥6．0元，kg。3小结与讨论参考文献：平衡施肥是作物优质高产栽培重要技术措[1]浙江农业大学．植物营养与肥料【M】．北京：农业出版社，1995：161—164．施之一。采用平衡施肥技术不仅能增加产量，还[2]张君，张润生，张胜．锌肥对向日葵干物质积累和籽粒灌浆能获得较高的产投比嘲，这项技术在一些作物推的影响．华北农学报．2009，24(1)：189—193．广应用中取得了良好的增产效果和经济效益。[3]孙彦浩．花生高产种植新技术【M】．北京：金盾出版社，因此，在重视氮磷钾肥施用的基础上，配施适量2001：139．的锌肥，可以进一步提高花生平衡施肥技术水[4]万书波．中国花生生产与科研动态IJ]．花生学报，2001(4)：l1—13．平，以达到增产增效的目的。[5]封海胜，张思苏，万书波．氮、磷、钾配施对花生产量和品质通过上述试验结果分析，可以得出以下结的影响【J】．花生科技，1992(4)：12—14．论：(1)施用锌肥能明显改善花生植株的产量性[6]杜应琼，廖新荣，何江华，等．施用硼钼对花生生长发育和状，增加单株有效荚果数和果质量，提高荚果产产量的影响【J]．植物营养与肥料学报，2002(2)：229—233．量和经济效益，增产幅度为5．51％～6．57％，增加[7]山东省花生研究所．中国花生栽培学IM1．上海：上海科学技术出版社，1982：147—148．纯收人1142．25～1262．25元／hm；(2)锌肥作[8]余常兵，李志玉，廖伯寿，等．平衡施肥对花生产量和经济为基肥施用，以每公顷施15硫酸锌最为经济效益的影响『J1．湖北农业科学，2010(6)：1307—1309．有效。施用方法最好采取春季耕耙时和有机肥混[9]卫春智．平衡施肥试验与应用山西农业科学，1998，26拌铺施㈣；(3)2E生增施锌肥，投入少、增效大，在(2)：54—57．生产上有着广阔的推广应用前景。[10]苏兴智，徐军．优质花生高产高效种植技术【M】．南京：东南大学出版社，2009：93—94．(上接第39页)江，2009．40(11)：51—53．[7]廖要明，潘学标，张强，等．逐日降水量的模拟及其在作物[10]刘军芳．土地开发整理与粮食安全的关系探析山西农气候风险分析中的应用lJJ_华北农学报，2006，21(增刊)：业科学，2008，36(9)：3-6．206-212．[11]邢华超，陈知送，王秀茹，等．低压管道输水灌溉技术在土[8]何芳军，张建华，索赞．浅谈土地整理规划设计中的水资源地整理工程中的应用【JJl安徽农业科学，2009，37(29)：平衡分析——以辽宁省某土地整理项目为例fJ]．安徽农业14368—14369．科学，2007，35(24)：7548—7550．[12]王恩宝，庞玉俊，李占华．低压管道输水灌溉技术在农业[9]刘增进，张钰婧．土地整理中的水资源平衡分析【JJ．人民长综合开发中的应用『J1．地下水，2005，27(5)：95—96．·44·'