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）：35-39，44doi:10.3969/j.issn.1002-2481.2010.09.11

JournalofShanxiAgriculturalSciences

土地整理中的水资源供需分析与低压管道灌溉设计

杨

摘

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）

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

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、供水量及整理的前提和基础。

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况和农业水环境，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：S271；S275

文献标识码：A

文章编号：1002-2481（2010）09-0035-05

WaterResourcesSupplyandDemandAnalysisandLow-pressure

PipeIrrigationDesigninLandConsolidation

YANGJian，ZHANGXiao-xia，WANGXiu-ru，WANGHong-lei，SUNYan，LIUXi

BeijingForestryUniversity，Beijing100083，China（CollegeofSoilandWaterConservation，）

Abstract：Thenaturalwatercycleprocessandwaterqualityconditionscouldbechangedtosomeextentbylandconsolida-tion.Waterbalanceanalysisisthebasisforlandconsolidation.ThelandconsolidationprojectinYanlitownofNanhecountyinHebeiprovincewastakenasanexampleinthisarticle,waterrequirement,watersupplyandwaterbalancewereanalyzed,andlow-pressurepipelineirrigationsystemplanninganddesigningmethodsandassociatedhydrauliccalculationwereintroducedindetail.Theresultsshowedthatthewatersituationintheregionandagriculturalwaterenvironmentcouldbeimproved,andtheirri-gationsystemcouldbeoptimizedwiththerationalplanning.

Keywords：Landconsolidation;Waterbalance;Low-pressurepipe;Hydrauliccalculation

土地整理是在一定区域内，按照土地利用规划或城市规划确定的目标和用途，采取行政、经济、法律和工程手段，对土地利用现状进行调整改造、综合整治，促进土地的合理利用，提高土地利用效率，改善生产、生活条件和生态环境的活动[1-2]。通过对田、水、路、林、村实施综合整治，建成“田成方、林成网、沟相通、路相连、渠系配套、设施齐全、旱能浇、涝能排”的农田生态系统，提高了农田抵御灾害的能力，使得农业生态环境得到整体优化[3-4]。

作为改变土地利用方式重要手段之一的土地整理，它在一定程度上改变了天然的水循环过程和水量、水质状况，进而影响了灌溉水的可获灌溉水的利用系数、水文结构和取性及获取量、

灌溉水质量以及区域水资源的分配[5-6]。只有清楚地了解土地整理项目区的水资源状况，才能因地

制宜地对项目区进行科学规划，全面提高土地利用效率，确保经济效益、社会效益和生态效益达到合理的协调统一和效益的最大化[7-10]。

低压管道输水灌溉，简称“管灌”，是以低压输水管道代替明渠输水灌溉的一种有效的节水、节能型灌溉技术。其中，“低压”是指田间末级水管出水口工作压力与喷灌、滴灌系统相比，远低于其灌水器的工作压力，一般低于3kPa[11]。与传统灌溉渠道相比，它具有节水效益显著、土地利用率高、输水速度快、灌溉效率高、作物增产增收效果明显、投资相对较低等优点，被广泛应用于土地开发整理项目中[12]。

1项目区概况

项目区位于河北省南和县闫里乡境内，地理

位置为东经114°43′06″~114°47′29″，北

收稿日期：2010-05-18

基金项目：2006年国家投资河北省南和县闫里乡基本农田整理项目作者简介：杨

健（1985-），男，内蒙古呼和浩特人，在读硕士，研究方向：水土保持与土地整理。王秀茹为通讯作者。

·35·

山西农业科学2010年第38卷第9期

纬36°55′30″~36°58′55″，涉及宋台等9个村的集体土地。该项目为2006年国家投资重点项目，项目区总面积1932.36hm2，建设规模1842.02hm2，新增耕地72.34hm2，新增耕地率为3.93％。

该区地貌类型为平原，地势平坦开阔，属暖温带半湿润区，年平均气温13℃，多年平均降水量475.1mm，年平均蒸发量1284.53mm；全年南

光照资源充足，年平风较多，平均风速为2.5m/s；

均日照时数2461.7h，年平均无霜期196d；土壤属沙壤质潮土，熟化程度较高，耕作层厚度一般在30cm左右。全县地下水储存于第四系松散岩层中，矿化度小于1g/L，水质良好，水量丰富，适宜农作物长期灌溉。

中据《中国可持续发展水资源战略研究报告集》

“中国农业需水与节水高效农业建设”和“中国主要作物需水量与灌溉定额”可知，项目区灌溉设计保证率为75%时主要作物净灌溉定额，小麦为2250m3/hm2，玉米为2100m3/hm2，则年作物生产周期平均净灌溉定额M净＝4350m3/hm2。毛灌溉定额：M毛＝M净/η＝4350/0.9＝4833.33m3/hm2（根据当地实际经验确定η＝0.9）。整理

则项目区总后，项目区耕地面积为1797.04hm2，

需灌溉水量为W需＝868.56×104m3。项目区所需用水全部为农业灌溉用水，生活用水和牲畜用水另外采集（项目区需水量中不再计算）。2.2

项目区供水量计算

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。

2.2.1地表水项目区内没有河流经过，无地表水可利用。本规划考虑采用地下水作为灌溉水源，地表径流不计入可供水量范畴。即地表水水量W1=0。2.2.2降水量

根据1952—1985年系列降水量

2水资源供需平衡分析

水量平衡是一个相对的概念，是指在一定的

保证率下的水量供需平衡。因此，在进行水资源平衡分析之前，首先确定灌溉设计保证率。项目区属于大陆性季风气候，水资源较为紧缺，经常发生干旱灾害。项目区以种植小麦、玉米等大田作物为主，据《土地开发整理标准》和《灌溉与排水工程设计规范》，确定灌溉设计保证率为75%。2.1

项目区需水量计算

资料和经验频率公式计算，结果列于表1。

P＝×100%

n+1式中，P为经验频率，m为序号，n为样本系列的总次数。

序号1819202122232425262728293031323334

年份19681980196619851959197719571975195219811962197019651978197919721963

降水量/mm461.6457.3452.2447.5431.3430.1428.5428.1425.9414.2405.9402.2395.3369.6365.4246.9111.8

经验频率/%

51.4354.2957.1460.0062.8665.7168.5771.4374.2977.1480.0082.8685.7188.5791.4394.2997.14

项目区主要种植小麦和玉米，一年两熟。根

表1

序号1234567891011121314151617

年份19731964195619761958195419611983196919821971197419671955196019531984

降水量/mm842.8828.4787.7705.8665.5596.0588.9580.9565.9555.1545.3509.8506.6498.6488.3471.4470.9

经验频率/%

2.865.718.5711.4314.2917.1420.0022.8625.7128.5731.4334.2937.1440.0042.8645.7148.57

1952—1985年平均降水量和经验频率

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，经经验频率公式计算，按项目区34年降水量推求，可得出经验频率为75%左右时的降水量为425.9mm，经验频率为50%左右时的降水量为461.6mm，·36·

经验频率为25%左右时的降水量为565.9mm。降水量在年际间和季节上的变化差别，对农业生产影响很大，要满足农作物生育期各阶段的需水要求，必须做好补充灌溉。

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

额已扣除有效降水量，所以此处不再重复计算，即有效降水量W2=0。2.2.3地下水可开采量

项目区地下水丰富，根

据南和县水文地质资料，浅层地下水按其地下埋藏深度垂直计算可分为2个含水小组，第Ⅱ含水组含水层埋深较浅，水质良好，水量丰富，属一级

水，适宜农作物长期灌溉，为当前主要开采层段。采用调节量法计算地下水供水量。

W3＝μ·Δh·F=0.05×10×1932.36=966.18×104m3

式中，W3为地下水供水量（m3）；μ为给水度，沙壤土取0.05；Δh为地下水允许变化幅度（m），取10m；

F为项目区总面积（1932.36hm2）。2.2.4项目区供水总量项目区总供水量：W供＝W1+W2+W3＝966.18×104m3。2.3水资源平衡分析

根据2.1和2.2计算，项目区可供水量W供＝966.18×104m3，需水量W需＝868.56×104m3，水资源供需比例为1.11∶1，项目区内水资源供给能够满足需求。同时在项目工程设计中，采取节水措施并设计科学合理的灌溉制度和适当的种植结构，营造防护林网体系，可提高水资源利用

率。因而水资源的供给完全能满足项目区的灌溉需要。

3低压管道灌溉工程设计

由于项目区内以种植大田作物为主，需综合考虑水资源状况、自然条件、当地农业生产水平及农作物种植结构，经专家与当地有关部门领导讨论，项目区内选择地下水作为灌溉水源，并确定采用机井取水、PVC管道输水、低压软管畦灌的灌溉方式。

3.1水源工程设计

根据水量平衡分析结果，在项目区按基本农田整理规划田块，按地块面积和单井控制面积为依据布置机井。

3.1.1单井控制面积计算

F0=Q

·T·t·η（1-η1）式中，F0为单井控制灌溉面积（hm2）；Q为单井出水量（m3/h），根据水务局提供资料为60m3/h；T为轮灌1次所需要的时间，取13d；t为灌溉期每天开机时间（20h）；η为灌溉水利用系数，

取0.9；η1为干扰抽水的水量消减系数，取0.10；m为综合净灌水定额（m3/hm2），根据地方提供的资料取600m3/hm2。

经计算，每眼机井的控制面积为21.06hm2，但考虑到项目区地下水资源的可持续利用，经计算确定每眼机井的控制面积为20hm2左右。3.1.2井距计算

L=姨0=446.87m

一般而言，为了便于管理，机井应布置在道路旁边；为了减少输水管道内的水压，机井应布置在地势较高处。根据上述计算结果并考虑到这2项布井原则，结合机井实际灌溉情况，确定本项目最小井距为450m。

3.1.3井深与井径设计根据相关技术规范和南和县所提供的资料，确定成井深度为120m。经计算，选用的潜水泵适宜的最小井管内径为200mm。安装泵段井管内径，应根据设计出水量及测量动水位仪器的需要确定，并且应比选用的抽水设备标定的最小值大50mm。因此，确定安装泵段井管内径为250mm。3.2输水工程设计

依据地形、地块、道路等情况，结合机井布置布设管道系统，要求线路最短，控制面积最大，便

于机耕，管理方便。输水管道采用PVC管，低压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。当地最大冻土深度为49cm，考虑到当地实际生产状况，设计管道埋深在0.7m以下。

3.2.1管道设计流量计算管道设计流量是水力计算的依据，由灌溉设计流量决定。灌溉规模确定之后，根据水源条件、灌水定额、作物灌溉制度和灌水周期计算灌溉设计流量。

（1）设计灌水定额m=1000γh（β1-β2）

式中，

m为设计灌水定额（mm）；h为计划湿润层深度（m），一般大田作物取0.4～0.6m；β1为土壤适宜含水量上限，取田间持水量的60%～75%；β2为土壤适宜含水量下限，取田间持水量的45%~60%；γ为计划湿润层土壤干容重（t/m3）。

这里仅以需水量较大的大田作物小麦为对象进行计算。项目区为沙壤质潮土，计划湿润层深度h取0.6m；田间持水量为22%~30%，取28%；β1取75%，β2取50%；γ为1.4t/m3。经计算，m=58.8mm。

·37·

山西农业科学2010年第38卷第9期

（2）设计灌水周期T理=m

d

式中，T理为理论灌水周期（d）；m为设计灌水定额（mm）；Ed为作物最大日平均耗水量（mm/d）。根据项目区的自然条件，设计典型年冬小麦等作物最大日平均耗水量为4.5mm/d，则T理=58.8=13.07d

考虑到项目区面积较大和作物生长期的降水情况，将设计灌水周期定为13d，即T理＝13d。

（3）灌溉设计流量

Q设=αmF0=50.28m3/h＜单井出水量60m3/h

式中，Q设为灌溉设计流量（m3/h）；α为作物种植比例，取1；m为设计灌水定额（mm）；F0为

）；T为轮灌1次所需要的单井控制灌溉面积（m2

时间，取13d；t为灌溉期每天灌水时间，取20h；η为灌溉水利用系数，取0.9。

通过计算，确定设计流量Q设为50m3/h。3.2.2管道水力计算管道水力计算是在管道布置和各级管道流量已经确定的前提和满足约束条件下，计算各级管道的经济管径。由于管道首位水压未知，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头损失，确定首端工作压力。再根据机井动水位埋深、进出水泵管道水头损失等，计算水泵设计扬程，从而选择适宜机泵。管道水力计算一般按如下步骤进行，下面以典型田块13为例加以说

）。明（图1

（1）确定管道水力计算的控制点。管道水力

计算的控制点是指管道运行时所需最大扬程的出流点，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。

（2）确定管道水力计算的线路。对于不同的轮灌组，水力计算的线路长度和走向不同，应确定各轮灌组的水力计算线路。通过计算比较，加以确定。（3）确定管段流量。根据井区面积灌水定额计算出干管设计流量，再根据轮灌分组，确定出支管流量，此典型区干管流量为50m3/h，各支管入口管段流量均为25m3/h。·38·

（4）各管段管径的确定。采用经济流速法，其公式如下。

设=18.8设

式中，ν为经济流速，PVC管在1.0~1.5m/sd=1000

姨姨

之间。设计干管内经济流速ν干=1.5m/s，支管内经济流速ν支=1.5m/s。

经计算，d干=108.54mm，d支=76.75mm。结合市场情况，确定经济管径（公称外径）为125，90mm。选择管道型号为PVC-U125×3.9/0.63和PVC-U90×2.8/0.63。

（5）管道水头损失计算。水头损失包括沿程

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。

管道沿程水头损失：

m

hf＝fQbL

d

式中，Hp为水泵扬程（m）；Hin为管道入口设计压力（m）；Hm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。Hin=Σhf+Σhj+ΔZ+Hg

式中，（m）；Σhf为计算管线沿程水头损失ΔZ为设计Σh为计算管线局部水头损失（m）；

j

式中，hf为管道沿程水头损失（m）；f为摩阻

系数；Q为流量（m3/h）；m为流量指数；d为管道内径（mm）；b为管径指数；L为管道长度（m）。PVC管的各种参数为：f=0.948×104，m=1.77，b=4.77。

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，其沿程水头损失可用PVC管参数进行计算，求得其

m

沿程水头损失为：hf＝fQL=3.260m。为简化计

算，可取局部水头损失hj为沿程水头损失的10%～15%，故本计算中取系数为10％，即：hj=10%hf。

（6）水泵扬程计算与水泵选择。由于项目区内井深为120m，因此使用潜水泵。水泵扬程计算公式如下。

Hp=Hin+Hm+hp

表2

沿程损失合计9.466

局部损失合计0.947

设计控制点与管道入口地面高程差

0.2

设计控制点给水栓工作水头

0.3

控制点与管道入口地面高程差（m）；Hg为设计控制点给水栓工作水头，一般取0.2~0.3（m）。

水泵进出水管沿程水头损失根据公式hf=m

水泵进出fQL计算。当设计流量为50m3/h时，

水管沿程损失为1.187m。由于水泵径向直径较大，从动水位到管道入口的管道局部水头损失很小，对水泵扬程的选择影响不大，故在计算中未予考虑。水泵进出水管总水头损失就是水泵进出水管沿程水头损失（1.187m）。

田块13水泵扬程计算结果列于表2。

m

水泵进出水管总水头损失1.187

水泵设计扬程52.1

田块13水泵设计扬程计算结果一览

管道入口设计压力10.913

机井动水位

40

由表2可知，水泵的动力扬程为52.1m，综合考虑生产实际情况以及当地农业的长远发展，

表3

型号200QJ50-65/5

流量（/m3/h）

50

可选择型号为200QJ50-65/5的潜水泵（其规格

性能如表3所示）。

配套电机

型号功率/kWYQS200－1515

200QJ50-65/5潜水泵规格性能

转速（/r/min）

2850

机组最大外径/mm

184

扬程/m65

4结论

况和农业水环境，优化区域灌溉系统，为进一步

提高土地整理质量提供借鉴。

参考文献：

［1］高向军.土地整理理论与实践[M].北京：地质出版社，2003.［2］杜娟，孙鹏举.土地整理研究概述[J].山西农业科学，

2010，38（3）：83-87.

［3］牛传军，贾芳芳，马好霞.土地整理对区域生态环境的影响

分析[J].水土保持研究，2008，15（1）：193-196.

［4］张正峰，赵伟.土地整理的生态环境效应分析[J].农业工程

2007，23（8）：281-285.学报，

［5］王建群，卢志华.土地利用变化对水文系统的影响研究[J].

地球科学进展，2003，18（2）：293-298.

［6］胡利梅，杨珊，高瑞.土地整理对农业水环境的影响[J].甘

肃农业，2006（10）：118-119.

经计算，项目区在继续利用原有79眼机井

的基础上，新规划120m深的机井66眼，同时为原有机井和新机井配套功率15kW潜水泵共145台，建机井房145座。共布置Ф125PVC干管35407.91m，Ф90PVC支管152815.69m，每个出水口配软管100m，共需软管34100m。

本研究结合国家重点投资土地整理项目，讨论了土地整理规划中水资源供需分析及低压管道输水灌溉工程设计的基本方法及相关水力计算，分析认为，项目区的水资源供给完全能满足项目区的灌溉需要。通过采用合理的灌溉规划设计，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

由表5可知，施用锌肥处理比对照不施锌肥处理的单位面积花生产值有显著增加，但是，随着锌肥用量的增加，产值并没有明显增加。在施用锌肥的5个处理中，处理5的产值最高，折合单位面积产值为26176.5元/hm2，比对照产值增加1614.75元/hm2；处理1的产值较低，折合单

表5

处理1

2345CK

荚果单产/（kg/hm2）5182.805197.805205.305212.805235.304912.35

产值/（元/hm2）25914.0025989.0026026.5026064.0026176.5024561.75

比CK增加收入/（元/hm2）1352.251427.251464.751502.251614.75

比对照产值增加位面积产值为25914.0元/hm2，

1352.25元/hm2。然而，从纯收益方面分析，则以处理1新增纯收入最高，为1262.25元/hm2，其新增纯收入与新增投入比达到14.03，比处理2，3，4，5分别高出7.10，9.60，10.86和11.44。因此，从新增纯收入与新增投入比考虑，花生施用锌肥，以公顷施用15kg硫酸锌最为经济有效。

锌肥用量/（kg/hm2）

15304560750

锌肥成本/（元/hm2）

901802703604500

比CK新增纯收入（/元/hm2）

1262.251247.251194.751142.251164.75

新增纯收入与新增投入比14.036.934.433.172.59

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

平衡施肥是作物优质高产栽培重要技术措

参考文献：

［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.

［2］张君，张润生，张胜.锌肥对向日葵干物质积累和籽粒灌浆

的影响[J].华北农学报，2009，24（1）：189-193.

［3］孙彦浩.花生高产种植新技术[M].北京：金盾出版社，

2001：139.

［4］万书波.中国花生生产与科研动态[J].花生学报，2001（4）：

11-13.

［5］封海胜，张思苏，万书波.氮、磷、钾配施对花生产量和品质

1992（4）：12-14.的影响[J].花生科技，

［6］杜应琼，廖新荣，何江华，等.施用硼钼对花生生长发育和

产量的影响[J].植物营养与肥料学报，2002（2）：229-233.［7］山东省花生研究所.中国花生栽培学[M].上海：上海科学

技术出版社，1982：147-148.

［8］余常兵，李志玉，廖伯寿，等.平衡施肥对花生产量和经济

效益的影响[J].湖北农业科学，2010（6）：1307-1309.［9］卫春智.平衡施肥试验与应用[J].山西农业科学，1998，26

（2）：54-57.

［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.

施之一。采用平衡施肥技术不仅能增加产量，还能获得较高的产投比[8]，这项技术在一些作物推广应用中取得了良好的增产效果和经济效益[9]。因此，在重视氮磷钾肥施用的基础上，配施适量的锌肥，可以进一步提高花生平衡施肥技术水平，以达到增产增效的目的。

通过上述试验结果分析，可以得出以下结）施用锌肥能明显改善花生植株的产量性论：（1状，增加单株有效荚果数和果质量，提高荚果产量和经济效益，增产幅度为5.51%～6.57%，增加纯收入1142.25～1262.25元/hm2；（2）锌肥作为基肥施用，以每公顷施15kg硫酸锌最为经济有效。施用方法最好采取春季耕耙时和有机肥混拌铺施[10]；（3）花生增施锌肥，投入少、增效大，在生产上有着广阔的推广应用前景。

（上接第39页）

［7］廖要明，潘学标，张强，等.逐日降水量的模拟及其在作物

气候风险分析中的应用[J].华北农学报，2006，21（增刊）：206-212.

［8］何芳军，张建华，索赟.浅谈土地整理规划设计中的水资源

平衡分析———以辽宁省某土地整理项目为例[J].安徽农业科学，2007，35（24）：7548-7550.

［9］刘增进，张钰婧.土地整理中的水资源平衡分析[J].人民长

江，2009，40（11）：51-53.

［10］刘军芳.土地开发整理与粮食安全的关系探析[J].山西农

业科学，2008，36（9）：3-6.

［11］邢华超，陈知送，王秀茹，等.低压管道输水灌溉技术在土

地整理工程中的应用[J].安徽农业科学，2009，37（29）：14368-14369.

［12］王恩宝，庞玉俊，李占华.低压管道输水灌溉技术在农业

综合开发中的应用[J].地下水，2005，27（5）：95-96.

·44·