包头市小型农田节水灌溉工程中喷灌技术的应用设计及效果分析

苗兴乐，马俊青

（内蒙古自治区黄河镫口灌区管理中心，内蒙古包头 014010）

合理的农田灌溉是保证农业生产与种植的基本工作。在现阶段工作中，如何实现农田灌溉用水的均衡性，保证农业生产与农耕行为不受水资源与自然降水等外界环境因素的影响等问题日益受到人们的重视。目前，有关单位采用健全农田灌溉技术的方式优化相关工作[1]。尽管当前大部分农村地区已在此项工作中做出了较大的投入与努力，并取得了阶段性工作成果，但农业建设中的水利工程开发模式仍存在一定的问题。在深入相关工作的市场中调研发现，目前制约我国农业发展的主要原因集中在农业灌溉方面，主要体现在农田灌溉对水资源的利用率低、灌溉时常出现河道淤泥堆积、地区水资源分布不均导致的农田灌溉综合水平不达标等[2]。为满足农田作业的基本需求，有关单位提出了农田漫灌工作方式，即加大对农田灌溉中水资源的供应量，以确保农作物的量产需求[3]。但该灌溉方式会浪费大量的水资源，甚至会增加农田量产的风险。因此，在本研究中，引进一种喷灌节水技术，以内蒙古包头市的小型农田为例，开展新技术在农田水利工程中的应用分析。通过引进喷灌节水技术，以期为提高农田灌溉水平与综合灌溉效率、节约水资源、保证农作物在生产中的养分需求等方面提供一定帮助。

1 项目区概况

1.1 项目区农业产业发展现状

本文选择位于内蒙古包头市土右旗的某个农业生产个体户作为此次研究对象。该旗是我国粮食生产中心之一，全旗粮食作物面积9.24 万hm2，产量81.89 万t，连续十次荣获“全国产粮大县”称号。2021 年，该旗春灌引水任务完成春灌引水316 万m3，灌溉面积约为1 133.33 hm2，为夏粮丰产丰收打下了坚实基础。

1.2 项目区农田灌溉基础设施建设现状

1）为满足地区农业灌溉与农作物生产需求，农户在耕地范围内设置了多组农机井眼。2）在与包头市土右旗农户进行交涉过程中了解到包头市土右旗不同农户在农田灌溉时选择的灌溉技术差异较大，主要灌溉方式为喷灌、管灌、微灌、防渗灌等。其中，小水塘、水窖、水池等可用于集水的基础设施较多的地区，根据不同设施的有效存储量可知道包头市土右旗在大规模降水时集水基础设施的有效容积大于10 万m3。3）为避免农业生产对地区生态环境造成影响，地区环境综合管理单位设置了多条排水渠道，用于排出灌溉用水，排水管道全长105.78 km 左右，可实现对1 980 m2污水的排出与调控。本文选择的灌溉区域位于整个项目区的西部，灌溉农田坡度较小，地块大致呈长方形分布，东西长1 210 m，南北宽450 m，合计面积36.33 hm2左右，其主要作物为小麦、玉米、马铃薯等生育期对水分要求较高，不能缺水的作物类型。

2 灌溉方式

目前主要的灌溉方式包括渗灌、喷灌、漫灌、滴灌等。1）渗灌即将灌溉水引入田面以下一定深度后，通过土壤的毛细管作用，湿润农田根区土壤，以满足作物生长需要的灌溉方式。2）喷灌指的是利用折射、旋转或辐射式微型喷头将水均匀喷洒到农作物的灌溉方式，在利用喷灌技术对小型农田进行大规模灌溉时，需使用喷灌设备，利用自然水在设备中的下降势能，将水泵中的水体压缩到管道中，此时管道喷嘴会对管道中的水体进行压缩，并以喷射的方式喷洒到农作物种植环境中，实现农田节水灌溉[4]。喷灌还能实现对用水的控制与保持，及对农田小型气候的综合调节。3）漫灌为不在田间做任何沟埂，任由灌溉水在地面漫流，借助重力作用浸润土壤的灌溉方式，较为粗放且水资源利用率低。4）滴灌指的是利用塑料管道将水通过直径约10 mm 毛管上的孔口或滴头进行局部灌溉的浇水方式，经常用于干旱缺水地区，节水效果较好，可使水的利用率达95%。一般来说，渗灌与微喷灌的灌溉方式更适用于蔬果的灌溉，漫灌与滴灌更适用于水稻类农作物的灌溉。考虑到灌区地块坡度较小，且喷灌技术具有将水均匀喷洒到农作物上、有效节约水资源、用于坡度较小的农田的优势，本研究引进喷灌技术对该地区的农田进行灌溉。

3 小型农田节水灌溉工程中喷灌技术的应用方法设计

3.1 计算小型农田最大净灌水定额

为提高我国小型农田水利工程建设效果，实现小型农田节水灌溉，本研究根据个体农户农田占地面积、占地规模与灌溉基础设施构成，布置小型农田水利工程灌溉管网。根据种植农作物对水资源的需求，基于节水灌溉角度，进行基本条件计算，即根据公式（1）计算小型农田最大净灌水定额与灌水周期、小型农田灌水定额最大净灌水定额。

式中：mmax为最大净灌水定额，单位为mm；γ为土壤容重，单位为g·cm-3；z为土壤计划湿润层深度，单位为cm；P为设计土壤湿润比，单位为%；θmax为适宜土壤含水量上限，单位为%；θmin为适宜土壤含水量下限，单位为%。

根据公式（2）计算灌水周期。

式中：T为灌水周期，单位为d；r为水利用系数，取值范围为0.7～0.9；e为日耗水强度，单位为mm·d-1。

在此基础上布置水利工程中的可控放水器进行灌溉过程中水源与水量的调节。

3.2 布置小型农田水利工程灌溉管网

1）为实现内蒙古包头市小型农田水利工程的规范化建设，在引进喷灌技术前，需在小型农田中进行灌溉管网的规范化布置。为实现灌溉的集约化利用，选择管网输水管，设计输水管的输水压力在0.5～0.7 MPa[5]。布置灌溉管网中的出水管口、主干灌水线路、分支灌水线路与分干灌水线路，将所选择的输水管埋入灌溉农田中，设计管道埋深在60～80 cm。同时，由于包头市设置了较多的隔水沟，可将管网中的高压输水管线布置在隔水沟处，根据农田灌溉用水需求，在隔水沟中设计增压循环泵，通过调节泵管压力保证农田灌溉效果[6]。

2）包头市农田中的小麦、玉米、马铃薯等主要作物在生育期内不能缺水，且需均匀喷洒，因此需合理设计管网的布置方式。在玉米等农作物的灌溉设计时，可将管网输水管道的出水压力设定为0.5 MPa，在此基础上，对管网中输水管的孔口出流量进行计算，计算中需获取管网中输水管的孔口处流量设计值（流量设计值的计算单位为m3·s-1）、单位时间内管道流量系数（根据本次研究需求，设定管道流量系数的取值为0.6～0.8 的常数，此次计算设定管道流量系数的取值为0.7）、孔口截面面积（单位为m2）、管网输水管道的出水压力（单位为MPa，本次研究设定出水压力的取值为0.5）、单次冲击压力下水体径流长度（单位为m）等数据。在掌握相关数据后，按照标准化方式进行孔口出流量的设计。

3）选用φ50 的镀锌材质钢管作为管网出水口的构成材料。在此基础上，对不同等级或用于不同灌溉方式的管道径流流速进行设计。在管道径流流速参数设计时，获取管道径流流速、水体在灌溉介质中的流速等数据[7]。通常情况下水体在灌溉介质中的流速取值在0.5～1.8 m·s-1，本次研究计算取值流速为1.5 m·s-1。且本次水利工程灌溉管网中的主干管网与分支管网所选的管线类型为φ250，将管线沿着农田隔水沟布置即可[8]。按上述方式进行工程灌溉管网相关参数的设计，完成布置小型农田水利工程灌溉管网的规划。

3.3 小型农田水利工程中可控放水器的调节布置

为保证农田灌溉的及时性，确保基本灌溉满足农作物生产需求，在小型农田水利工程中布置可控放水器对灌溉过程进行综合调节。在此过程中，需将农田所在区域的环境、气候、土壤等作为灌溉的主要参数，根据工程实际部署，将可控放水器布置在农田灌溉进水管的前端。可控放水器的上端由顶盖、塑料杆、出水口、操作杆、洞身、消力坎等结构构成，可控放水器的中部由活动控制片进行主动控制，可控放水器的下端由2个固定控制片、止水环、进水腔、进水孔构成[9]。

通常情况下，需设置湿润深度。本次研究设计的湿润深度取值区间：1）对于中型或大型农田，湿润深度的取值在0.4～0.6 m；2）对于农业种植中的蔬菜农田，可将湿润深度的取值控制在0.2～0.3 m；3）对于农业种植中的果树农田，可将湿润深度的取值控制在0.8～1.0 m。至此，完成小型农田节水灌溉工程中喷灌技术的应用方法设计。

4 方法应用效果分析

当灌溉的管道水进入承压腔内时，水体将通过此装置进入终端进行消力与耗能，通过该调节方式，保证灌溉过程中的出水与放水平稳，从而实现对灌溉中水量的综合调节。将灌溉过程中的水资源利用量作为评价本次设计成果的指标，在农田灌溉用水渠道中集成传感器，用于采集灌溉过程中的农田灌溉用水数据。对比在一个指定周期内，农田灌溉过程中的农田灌溉用水数据与灌水定额（见图1）。

图1 指定周期内农田灌溉用水与灌水定额

由图1 可知，指定周期内代表农田灌溉用水与灌水定额的两条曲线基本重合，说明灌溉过程中农田排水基本为0，说明按照本次研究所设计的方法进行小型水利农田建设，可减少灌溉需用水，有利于提高区域资源高效利用效果，为当地农业经济发展提供用水保障。

为进一步证明喷灌技术的节水效果，将涉及的农业灌溉区划分为A～E 共5 个地区，利用排水管道计算排水量，从而得到灌溉水资源的有效利用量，在此基础上计算不同区域的灌溉水利用率，即有效利用量/灌溉水量，得出不同区域灌溉水利用率（见表1）。

表1 不同区域灌溉水利用率

由表1 可知，A～E 区每个区域所需的灌溉水量不同，但采用本研究设计方案后，各区域的灌溉水利用率均在99%以上，证明了应用本研究设计方法可有效减少水资源浪费，最大限度地利用灌溉用水，具有一定的应用价值。

5 结语

为提高农业农作物种植过程中的灌溉水利用率，本文选择位于内蒙古包头市土右旗的某个农业生产个体户作为本次试验的研究对象，从获取小型农田水利工程灌溉信息与基础设施部署、布置小型农田水利工程灌溉管网、小型农田水利工程中可控放水器调节布置3 个方面，开展喷灌技术在小型农田节水灌溉工程中的应用效果分析建设研究。1）按照本次研究所设计的方法进行小型农田节水灌溉建设，可提高农田灌溉用水利用率，在灌溉周期为12 h 内，灌溉用水量和灌水额定量保持一致，水资源浪费率为0，且不同区域的灌溉水利用率均在99%以上，能有效利用水资源。2）农业种植中的蔬菜农田湿润深度可有效控制在0.2～0.3 m，农业种植中的果树农田湿润深度可有效控制在0.8～1.0 m，以提升农业灌溉综合水平，促进现代农业种植结构调整和绿色发展。通过该设计方式能有效提高喷灌效率、提高农业水资源利用率，有利于促进我国农业产业的可持续发展与农业种植效益的全面提升。