水肥一体化地面灌溉系统规划设计及实例.doc

中国水肥一体化地面灌溉系统规划设计及实例刘玉春1,3，姜红安2，吴现兵1，李存东3*（1. 河北农业大学城乡建设学院，河北 保定 071001；510152025303540452. 保定中法供水有限公司，河北 保定 071501；3. 河北农业大学农学院，河北 保定 071001）摘要：田间水肥一体化地面灌溉通过无压施肥器和地面灌溉灌水器实现地面灌溉的水肥一体化，克服了地面灌溉存在的田间灌水施肥设施贫乏的问题，发挥了地面灌溉供水压力低、灌水流量大，灌水速度快，更适宜与农业机械化生产相结合的优点，能够提高地面灌溉的田间水肥利用效率、降低地面灌溉的劳动强度。本文根据我国现有灌溉工程的设计规范和规程，结合灌区实例论述说明了田间水肥一体化地面灌溉系统的规划设计内容与方法，包括畦灌或沟灌灌水技术参数确定、地面灌溉灌水器的布置、田间输水管道、供水管道和施肥器的规划布置，水肥一体化地面灌溉系统灌溉制度、工作制度、管道流量和管径设计、施肥器容量设计和系统的水力设计等设计内容，以便为田间水肥一体化地面灌溉系统的推广和应用提供技术支撑。关键词：农业水土工程；地面灌溉水肥一体化；综述；规划设计中图分类号：S27Planning and design of surface fertigation systemLiu Yuchun1,3, Jiang Hongan2, Wu Xianbing1, Li Cundong3(1. Urban and Rural Construction Institute, Agricultural University of Hebei,HeBei BaoDing 071001;2. Baoding Sino French Water Supply Co.Ltd, HeBei BaoDing 071501;3. Agriculture Colledge, Agricultural University of Hebei, HeBei BaoDing 071001)Abstract: The surface fertigation system realizes fertigation by adopting the pressure-less fertilizerapplicator and the surface irrigation watering device, overcomes the problem of poor facilities insurface irrigation, has the advantage of low water pressure, high irrigation speed, and moresuitable for combined with agricultural mechanization production. The promotion and applicationof surface fertigation system can increase field water and fertilizer use efficiency and decreaselabour intensity in surface irrigation. The planning and design of surface fertigation system wasdiscussed and explained in this paper according to the existing rules and regulations on irrigationand combined with an instance of irrigated area. The planning of surface fertigation systemincludes determining the technical parameters of border irrigation or furrow irrigation, planninglayout of surface irrigation watering device, water delivery pipe, intake pipe and fertilizerapplicator. The design of surface fertigation system includes determining the irrigation program,working system and water flow and diameter of pipes, designing volume and water-head offertilizer applicator, water-head of surface fertigation system. The planning and design of surfacefertigation system can provide technical support for the promotion and application of surfacefertigation system.Keywords: Agricultural civil engineering; surface fertigation; review; planning and design0 引言目前水肥一体化技术多针对微灌和喷灌系统而言，需要的压力大，灌水器对水质要求高，田间灌水器密集不便于田间机械化作业，系统投资也较高，多应用于经济效益较高的花卉、蔬菜和果树的生产，在西北内陆地区和黄河中上游的常年灌溉地带大田作物生产中应用较多。但在黄淮海地区和东北地区等不稳定灌溉地带、长江中下游地区、珠江和闽江地区以及基金项目：高校博士点基金项目（2012302110001）；河北省自然科学基金项目（E2012204079）作者简介：刘玉春，（1971-），女，副教授，博士，从事农业水利、水利水电和水土保持工程的教学与科研工作，研究方向节水灌溉理论与技术。 E-mail: liuyuchun5163.com-1-中国西南等水稻灌溉地带，大田作物生产中地面灌溉技术依然是主要的灌水方式，在这些地区的大田作物生产中大面积推广水肥一体化技术，将有助于提高我国农业生产的水肥利用效率、对防治农业面源污染、改善农业生环境具有重要意义。针对地面灌溉存在的田间灌水施肥设505560施贫乏、灌水劳动强度大用工多、田间水肥利用效率较低等问题，为发挥地面灌溉供水压力低、灌水流量大，灌水速度快，更适宜与农业机械化生产相结合的优点，笔者提出了田间水肥一体化地面灌溉系统1，通过无压施肥器和地面灌溉灌水器实现地面灌溉的水肥一体化，本文结合灌区实例论述说明田间水肥一体化地面灌溉系统的规划设计内容与方法，以便为田间水肥一体化地面灌溉系统的推广和应用提供技术支撑。1 田间水肥一体化地面灌溉系统的规划设计田间水肥一体化地面灌溉系统的规划内容一般包括灌区调查、畦灌或沟灌灌水技术参数确定、地面灌溉灌水器的布置、田间输水管道、供水管道和施肥器的规划布置；设计内容一般包括水肥一体化地面灌溉系统灌溉制度、工作制度、系统流量和管径设计、施肥器设计和系统的水力设计等。根据灌溉与排水工程设计规范2、低压管道输水灌溉工程技术规范3、地面灌溉工程技术管理规程4等技术规范、规程，参考喷灌和滴灌系统的规划设计规范、规程5,6进行田间水肥一体化地面灌溉系统的规划设计。1.1灌区基本情况调查进行灌水田块水源、地形、土壤、作物种植情况的调查，了解水源的位置、出水流量；了解灌水田块地形坡度、坡向，质地、厚度、田间持水量等土壤物理和水力特性参数；了解65作物种植模式、种植方向、作物需水量情况。1.21.2.1田间水肥一体化地面灌溉系统的规划布置确定灌水田块的水源了解灌水田块的水源位置、水源的出水流量情况和水头大小。田间水肥一体化地面灌溉系统可直接从低压输水灌溉管道出水口取水，可通过渠道取水设备从引渠道引水，也可通过70地形高差或水泵加压与田间的坑塘、水窖和水池等小水源相连使用。1.2.2畦灌和沟灌灌水技术参数的确定根据地形坡度和坡向，考虑灌区土壤特性，结合灌区规格、作物的种植模式、种植方向等情况，确定作物畦灌或沟灌的灌水方向和灌水技术要素。畦灌的灌水技术参数包括畦田的长度和宽度，入畦单宽流量，畦埂的设计；沟灌的灌水技术参数包括沟长、沟间距和灌水沟75断面设计，可参考地面灌溉的相关文献7,8,9 确定。1.2.3地面灌溉灌水器的布置地面灌溉灌水器为分水软管和出水口为一体、在生产过程中一次性成型的塑料软管，在田间应用时展平与输水管出水口连接，将出水口放在畦田首部或灌水沟沟头即可灌水，灌水结束后将灌水器卷起带走即可，地面灌溉灌水器出水口长度以 5080cm 为宜，加工时宜在80上面设置 23 道折痕以便于田间灌水期间方便容易的折叠固定出水口，起到阀门的作用。地面灌溉灌水器应与灌水畦田或灌水沟垂直，一般与地面坡度方向垂直或斜交，规划布置时应结合灌水田块的地形条件，以便于田间操作为原则确定地面灌溉灌水器的长度和间距，应尽量使各条灌水器控制的灌溉面积相等，同时应结合地面灌溉系统工作制度的设计对-2-中国灌水器的长度进行调整，以便于灌水计划的安排。851.2.4田间输水管道、供水管道和施肥器布置根据灌水田块地面灌溉灌水器的布置情况进行田间输水管道、田间供水管道的规划布置。田间输水管出水口与畦灌或沟灌灌水器连接，设置阀门，以方便控制灌水，有计量要求时可以安装水表。地面灌溉灌水器和输水管道，为防止日晒老化，采用移动式即可，因此应方便移动，同时可以节约田间地面灌溉系统的投资成本，全灌区备 2 套即可，一套使用、一90套备用。根据灌水田块的面积大小、以便于操作为原则进行施肥器安装位置的规划布置。1.31.3.1田间水肥一体化地面灌溉系统设计地面灌溉系统灌溉制度设计灌水定额 m、灌水周期 T 和一次灌水延续时间 tm 根据式（1）计算7,10：m = 0.1(1 2 ) H s / w=mS S校核：Q0 =10mA/Ttw（1）95100式中：m 为灌水定额，mm；1 和2 分别为土壤适宜含水率的上限和下限，以干土重%计，1 可取为田间持水量的 85%90%,2 可取为田间持水量的 60%65%；H 为计划湿润层深度，m；s 和 w 分别为土壤干容重和水的容重，g/cm3；T 为灌水周期，d；e 为作物日需水量，mm/d；tm 为一次灌水延续时间，h；Sr 和 Se 分别为地面灌溉灌水器间距和灌水器上的出水口间距，m；q 为地面灌溉灌水器出水口流量，L/h； 为地面灌溉灌溉水利用系数，取为 0.850.9；A 为设计灌溉面积，hm2；tw 为系统日工作小时数，h；Q0 为灌溉系统设计流量，m3/h，设计流量 Q0 应接近并小于水源或水泵流量，否则需要重新修正地面灌溉系统的规划布置。1.3.2地面灌溉系统工作制度设计考虑到灌区水井流量有限，为避免老化、并节约系统的投资成本，田间地面灌溉系统多105为移动式，并且地面灌溉灌水器出水口流量较大，因此采用灌水器出水口轮灌的工作制度。根据灌区水井出水流量、灌水器出水口流量计算同时工作的出水口个数 n、第 i 条灌水器上的轮灌组数目 Ni 条和灌区轮灌组数目 N 区：n = int（Q / q）N i条 =int（ni条总 /n）mi=1（2）式中：n 为同时工作的出水口个数；Q 为灌区水井出水流量，L/h；q 为设计灌水器出水110口流量，L/h；m 为灌区灌水器总条数；ni 条总和 n区总分别为第 i 条灌水器上出水口的数目和灌溉系统出水口总个数；Ni 条为第 i 条灌水器的轮灌组数目；N 区为灌区轮灌组总个数。 据以上分析可以确定灌溉系统实际运行时出水口的实际出水流量 q 实、一次灌水实际延续时间tm 实、第 i 条灌水器的灌水延续时间 Ti 条和灌区的灌水延续时间 T 区：q实 =Q/int（Q/q）STi条 =tm实 Ni条T区 =tm实 N区（3）115式中：q 实为实际灌水器出水口流量，L/h；Q 为灌区水井出水流量，L/h；q 为设计灌水-3-T = m / etm e r / qN区 = N i条 =int(n区总 /n)tm实 =mSe r / q实校核：T区 T中国器出水口流量，L/h；tm 实为一次灌水实际延续时间，h；Ti 条为第 i 条灌水器的灌水延续时间，h；T 区为灌区的实际灌水延续时间，应与灌溉系统的灌水周期接近。1.3.3地面灌溉系统流量和管道设计根据水源的出水流量灌溉系统的规划布置确定地面灌溉系统各级管道的出水流量。地面120灌溉多采用轮灌，灌溉系统供水管、配水管和灌水器的流量均等于水源的出水流量，出水口流量根据系统的规划布置情况确定。根据灌溉系统各级管道的流量利用式（4）确定各级管道的管径7,10：d = 1.13 =18.8（4）式中：d 为管道内径，m；Q 和 Q为管道设计流量，单位分别为 m3/s 和 m3/h；v 为管125道内的适宜流速，m/s，地面灌溉系统用各级管道为易于折叠搬运的软塑料管，输水的适宜流速为 0.51.2 m/s10。1.3.4地面灌溉系统施肥器设计施肥器是水肥一体化地面灌溉系统的重要设备，依据田间输水管道的流量和管径大小、选择容量适宜、管径适宜的施肥器。依据灌区面积大小确定施肥器安装的位置，面积小时可130以安装在供水管道上，多条田间输水管道共用一个施肥器，面积较大时、或田块分属不同的农户时可以将施肥器安装在田间输水管道或灌水器的进水端。目前可以选用卧式农用桶改装而成施肥器，根据控制面积大小施肥器容量为几升几百升，进水端根据施肥器高度确定进水水头，一般为 0.41.5m。1351.3.5地面灌溉系统水力设计根据离水源最远、地面又较高的轮灌组灌水时的水位要求，考虑地面灌溉田间管道系统灌水器、输水管道和供水管道的水力损失，以及水流通过闸阀等控制设备时的局部水头损失自下而上按式（5）校核和确定水源出水口应达到的水位2,5：z = h + Lni n +（5）式中：z 为水源出水口应达到的水位，m；h 为离水源最远、地面又较高的轮灌组灌水140145150时地面灌水器出水口应具有的水头，m，一般取 0.10.2m；Ln 分别为田间灌水器、输水管道、供水管道长度，m；in 分别为田间灌水器、输水管道、供水管道的相应比降； 为通过管道建筑物的相应水头损失，m。田间水肥一体化地面灌溉系统可从低压输水灌溉管道给水栓或从渠道的农门等渠系建筑物处引水，田间采用管道输配水，水头损失较传统的地面灌溉系统小得多，目前我国采用的低压管灌溉系统工作压力一般为 0.20.4Mpa10，渠道灌溉系统规划设计时已经考虑了田间灌水的水位要求7，因此从低压输水灌溉管道系统或从渠道引水完全能够满足田间水肥一体化地面灌溉系统的压力需求，因此可以不进行水肥一体化地面灌溉系统的水力设计。田间水肥一体化地面灌溉系统通过地形高差或水泵加压与田间的坑塘、水窖和蓄水池等小水源相连使用时，可根据地形的具体田间确定系统的水头大小，选择扬程 520m 的可满足大多数田间水肥一体化地面灌溉系统的水力要求。2 田间水肥一体化地面灌溉系统规划设计实例灌区基本资料：华北平原某井灌区，土壤为中壤土，土壤容重为 1.5g/cm3，田间持水率-4-4Q Q Q中国=25%（以占干土重的百分比计）。以种植冬小麦为主，生育期最大日耗水强度 ed=7.0mm/d。单井出水量 40m3/h，单井设计灌溉面积 6.67hm2，位于灌区东南角，灌区东西长 667m，南155北宽 100 米。华北平原冬小麦多采用畦灌的灌水方法，目前甘肃等省份也在推广垄作沟灌等冬小麦沟灌灌水技术，本文分别采用畦灌和沟灌两种灌水方法进行灌区冬小麦田间水肥一体化地面灌溉系统的规划设计。2.12.1.1灌区水肥一体化地面灌溉系统规划布置畦灌和沟灌灌水技术参数的确定160165华北平原地形坡度较小，约 1/4000，考虑灌区的土壤特性，结合灌区规格、冬小麦的种植模式，确定冬小麦畦灌和沟灌的技术要素。畦灌：畦长 33.3m，灌区南北方向设置 3 条畦灌灌水器；冬小麦南北向种植行距 20cm，每个畦田种植 9 行作物，畦宽 2m；畦埂为三角形，采用开沟培土机或筑埂机筑埂，畦埂为高 0.25m、底宽 0.4m；入畦单宽流量 1.2L/（sm）。沟灌：沟长 50m，灌区南北方向设置 2 条沟灌灌水器；冬小麦南北向三密一疏种植，15cm-15cm-30cm，在疏行内开沟，灌水沟间距 60cm；开沟机开沟，灌水沟断面为三角形，沟深 10cm，上口宽 25cm，灌水时水深为沟深的 1/32/3；入沟流量 0.6L/s。2.1.2地面灌溉灌水器的布置畦灌：结合灌区长度、以便于田间操作为原则确定灌区东西方向设置 4 组畦灌灌水器，170175180其中 2 组计 6 条灌水器长度 168m，另 2 组计 6 条灌水器长度为 163.5m，灌区共设置 12 条畦灌灌水器，见图 1，每条灌水器控制的灌溉面积是 8.08.3 亩；灌水器出水口间距 2.4m，每条 168m 长的灌水器上出水口 70 个，每条 163m 长的灌水器上出水口 68 个，系统出水口总数为 828 个。沟灌：结合灌区长度、以便于田间操作为原则确定沟灌灌水器长度，灌区自东向西设置4 组沟灌灌水器，前 3 组长 173m，最后一组 148m，灌区共设置 8 条沟灌灌水器，见图 2，每条灌水器控制的灌溉面积是 1113 亩；沟灌灌水器出水口间距 0.6m，每条 173m 长的灌水器上出水口 288 个，每条 148m 长的灌水器上出水口 246 个，系统出水口总数为 2220 个。图 1 实例灌区水肥一体化畦灌系统规划布置图Fig. 1 Planning and layout of border fertigation system for instance irrigated area-5-中国图 2 实例灌区水肥一体化沟灌系统规划布置图Fig. 2 Planning and layout of furrow fertigation system for instance irrigated area1852.1.3田间输水管道、供水管道和施肥器布置根据灌区灌水器的规划，田间输水管沿灌区南北向布置。畦灌时田间输水管长度 67m，设置 3 个出水口，出水口间距 33m，东西方向共设 4 条田间输水管，间距 167m。沟灌时田间输水管长度 51m，设置 2 个出水口，出水口间距 50m，东西方向共设 4 条田间输水管，间距 167m。田间输水管出水口与畦灌或沟灌灌水器连接，设置阀门，以方便控制灌水，有计190量要求时可以安装水表。田间地面灌溉灌水器和输水管，方便移动，为防止日晒老化，采用移动式即可，同时可以节约田间地面灌溉系统的投资成本，全灌区备 2 套即可，一套使用、一套备用。在灌区南面沿东西方向布置供水管，长度 501m，设置 4 个出水口与输水管连接，间距 167m，出水口设置阀门进行灌水控制。考虑到本灌区面积较大，为方便田间灌水施肥操作，将施肥器安装在每条灌水器的进水端。1952.22.2.1灌区水肥一体化地面灌溉系统设计灌区灌溉制度结合灌区的基本资料，土壤适宜含水率的上限1 和下限2 分别取为田间持水量的90%和 65%，计划湿润层深度 H 取为 0.8m，地面灌溉灌溉水利用系数 取为 0.87，灌溉系统每天工作时间 tw 取为 16h，据此计算得灌水定额 m=75mm，灌水周期 T=10.7d、取 T=10d，200畦灌时一次灌水延续时间 tm=0.38h，沟灌时一次灌水延续时间 tm=1.2h，灌溉系统设计流量Q0 =35.94 m3/h，小于单井出水量 40 m3/h，说明灌溉系统规划布置合理可行。2.2.2灌区工作制度结合本文中灌区的基本资料、灌溉系统的规划布置情况确定灌溉系统工作制度。计算结果表明，畦灌时，同时工作的出水口为 2 个， 168m 长畦灌灌水器的轮灌组数目为 35 个，205163m 长畦灌灌水器的轮灌组数目为 34 个，本灌区畦灌系统轮灌组总数 414 个；灌水期间出水口实际出水流量为 5.6L/s，一次灌水实际延续时间为 0.34h，168m 长畦灌灌水器的灌水延续时间为 11.9h，168m 长畦灌灌水器的灌水延续时间为 11.6h，灌区的实际灌水延续时间为8.8d，小于灌溉系统的灌水周期，设计合理。沟灌时，同时工作的出水口为 18 个，173m 长-6-中国沟灌灌水器的轮灌组数目为 16 个，148m 长沟灌灌水器的轮灌组数目为 14 个，本灌区沟灌210系统轮灌组总数 124 个；灌水期间出水口实际出水流量为 0.62L/s，一次灌水实际延续时间为 1.2h，168m 长畦灌灌水器的灌水延续时间为 19.2h，168m 长畦灌灌水器的灌水延续时间为 16.8h，灌区的实际灌水延续时间为 9.3d，小于灌溉系统的灌水周期，设计合理。2.2.3灌区地面灌溉系统管道流量和管径本文灌区地面灌溉系统供水管、配水管和灌水器的流量均等于水源的出水流量 40m3/h，215据此选择与水源井出水口相同的管径尺寸，适宜管道内径 97119mm，本设计中选择 110mm；畦灌时灌水器出水口流量 5.6L/s，出水口内径 6985mm，本设计中选 75mm；沟灌时灌水器出水口流量 0.62 L/s，出水口内径 2328mm，本设计中选 25mm。2.2.4施肥器本文所述灌区面积较大，将施肥器安装在灌水器的进水端，以便于田操作，选用容量220100L 的卧式农用桶改装而成，进水口距地面 50cm，需要进水水头 60cm。2.2.5地面灌溉系统水力计算本灌区离水源最远、地面又较高的轮灌组灌水时地面灌水器出水口应具有的水头 h 取为0.2m。畦灌离水源最远、地面又较高的轮灌组灌水时灌水器、输水管道和供水管道的工作长度分别为 161.3、67 和 500m；沟灌离水源最远、地面又较高的轮灌组灌水时灌水器、输水225230管道和供水管道的的工作长度分别为 146、50 和 519m。灌水器和供水管道与地形坡方向垂直，比降很小，输水管道沿地面坡度方向布置，比降为 1/4000；灌水时水流通过三通、弯头、施肥器等管道建筑物，综合水头损失取为 0.4m；施肥器进水口要求的水位为 0.51m，由此确定水肥一体化畦灌和沟灌系统的水源出水口应达到的水位为 1.52m。表 1 给出了示例灌区水肥一体化畦灌和沟灌系统灌水器长度、输水和供水管道长度、田间占地和灌水周期的比较结果。分析可见，畦灌和沟灌系统的灌水器长度、输水和供水管道长度相差不大，沟灌灌水器的出水口间距小成本应该高于畦灌灌水器，因此沟灌系统的投资要高于畦灌系统。沟灌灌水沟占地较畦田畦埂占地多 36%，沟灌灌水周期较畦灌长 6%。表 1 实例灌区水肥一体化畦灌和沟灌系统比较比较项目畦灌沟灌灌水器长度（m）输水和供水管道总长（m）田间占地（亩）灌水周期（d）168 173567 56918.2 24.78.8 9.32353 结论本文结合灌区实例论述说明了水肥一体化地面灌溉系统的规划设计内容与方法。水肥一体化地面灌溉系统的规划内容包括畦灌或沟灌灌水技术参数的确定、地面灌溉灌水器的布置、田间输水管道、供水管道和施肥器的规划布置；设计内容包括地面灌溉系统灌溉制度、240工作制度、系统流量和管径的设计、施肥器设计和系统的水力设计等。实例灌区冬小麦地面灌溉系统的规划设计结果表明水肥一体化畦灌和沟灌系统灌水器和管道长度相差不多，就投资、田间占地和灌水周期而言，畦灌优于沟灌。-7-中国245250255参考文献 (References)1 刘玉春,姜红安,夏辉.田间水肥一体化地面灌溉系统介绍OL.2013-01-30.中国，http：/www.paper.edu.cn/releasepaper/content/201301-11712 SL 558-2011. 地面灌溉工程技术管理规程S3 GB50288-99. 灌溉排水工程技术规范S.4 SL/T153-95 低压管道输水灌溉工程技术规范S.5 SL 103-95. 微灌工程技术规范S.6 SL 207-98. 节水灌溉技术规范S.7 郭元裕. 农田水利学(第三版)(M).北京:水利水电出版社,19978 李文斌等.地面灌溉优化灌水技术研究及实用手册M.北京:中国水利水电出版社,20079 蔡守华等.旱作物地面灌溉节水技术M.郑州:黄河水利出版社,201210 王留运,杨路华等.低压管道输水灌溉工程技术M.郑州:黄河水利出版社,2011-8-