自压滴灌无用电过滤装置与系统流量平衡关系

穆哈西，尼亚孜·胡马尔汗，吾买尔·吐尔逊(. 新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 83005；.阿勒泰地区哈巴河县水利局，新疆 哈巴河 830000)

新疆是干旱缺水、蒸发量大、气候干燥的地区。随着工业发展和区域人口的增多，大量开垦荒地，农业用水剧增，天然草场荒漠化，用水矛盾日益突出。尤其是牧业灌区无电供应，实现节水灌溉的难度大。目前新疆牧业灌区存在的问题有：①由于进行地面灌溉，灌水量和地形坡度大等原因引起大量水土流失，灌区下游排水不畅，下游洼地沼泽化面积剧增，牧业种植面积萎缩；②地下水位上升导致土壤盐碱化，弃田面积逐渐扩大。为解决无电牧业灌区存在的土壤流失、种植面积萎缩、土壤盐碱化、弃田面积逐渐扩大等问题必须采用滴灌工程措施。

无电牧业灌区实现滴灌工程措施，首先解决滴灌工程首部水源的过滤问题，然后实施节水灌溉工程措施，最后解决灌水均匀度及系统流量的计算问题。

根据无电牧业灌区灌溉面积的特点，对研制的滴水调节器和自压滴灌工程无用电过滤装置模型进行试验。将滴灌工程特点与水力学原理相结合，在渠道进水流量、调水池的调节流量及集水桶流量之间建立平衡关系，介绍了自压滴灌工程系统流量的计算方法。

1 材料与方法

1.1 材 料

制作无用电过滤装置模型，调水池高20 cm，长度20 cm，宽度20 cm。集水桶高50 cm，直径20 cm的有机玻璃管制成。渠道长15 m，渠底宽10 cm，高度14 cm。

1.2 方 法

(1)水源的过滤方法。首先渠边适宜处建进水闸，进水闸前设2级滤网，2级滤网间设反冲洗装置(摇摆式喷头)，打开进水闸后渠水流入调水池，水在调水池里再次沉淀[1]。打开集水桶的排气阀后沉淀后的水流入集水桶内，调水池和集水桶底部都设排沙管，浇完水后调水池内进水管口以下的水反冲洗过滤网和排沙之用。就这样充分利用自然地形落差，从而达到自压滴灌工程首部水源的过滤、排沙、冲沙及自行冲洗的目的。

(2)保持灌水均匀度。为解决管道首末端出流量的均匀性，研制了滴水调节器。滴水调节器由盒子、浮子、控制开孔器、进水孔和出水孔组成。有压的水流入盒子后由浮子移动控制滴水孔的开度，从而形成沿管道每个滴水孔出流量与压力无关的等流多孔管。

(3)采用分块设计法。分块设计方法有：①盐碱化的灌区和弃田根据盐碱化程度栽种耐盐黑枸杞和榆树等灌木增加植被覆盖度，以每棵树作为单元安装滴水调节器，解决毛管首末端流量的均匀性；②其余正在使用的灌区种植苜蓿、饲料玉米等作物，以每行作物为单元毛管首端安装滴水调节器，解决支管首末端流量的均匀性，为无电牧业灌区实现节水灌溉技术提供理论依据。

2 结果与分析

2.1 首部过滤网流量平衡关系

无用电过滤装置的原理是：打开渠边闸门渠水2级过滤后流入调水池，调水池水位逐渐与渠水位齐平。打开集水桶的排气阀后集水桶水位上升，调水池和集水桶水位差Δh减少，集水桶逐渐蓄满。集水桶蓄满水之后关闭集水桶的排气阀，打开供水阀，此时集水桶内水位降低而产生负压，短时间(Δt)内集水桶内降低水深(Δh)，相应的水量等于管道路径充满水所需的水量。在集水桶内的负压作用下集水桶不断吸入调水池内的水，渠道、调水池和集水桶连成整体(见图1、图2)，此时流量平衡式为：

Q渠≥Q调≥Q集=Q系

(1)

式中：Q渠为渠道提供的流量，m3/s；Q调为调节流量，是指进水管末端流出来供给集水桶的流量，m3/s；Q集为集水池的流量，是指提供系统的流量，m3/s；Q系为系统流量，是指提供支管的流量，m3/s。

图1 渠道连接无用电过滤装置剖面图Fig.1 Channel connection useless filter section 注：1-地面；2.梯形渠底；3-渠边坡；4-渠水位；5-渠内坡拦泥网；6-逆坡；7-闸前拦泥网和反冲器；8-闸门和太阳能板；9-调水池；10-进水管；11-排污管；12-排污阀；13-集水桶地埋部分；14-集水桶内拦污网；15-供水阀；16-供水管；17-集水桶；18-排气管；19-排气阀。

图2 无用电过滤装置安装图Fig.2 Useless electric filter installation plan注：编号代表的意义同图1。

2.2 毛管流量计算

用管道输水的任何节水灌溉工程，滴头的滴水流量必须小于等于土壤下渗能力，滴水孔口具有固定的几何形状，常温下其过水断面是不变的，但滴头流量与管长和压力有关系[2,3]。所以毛管首末端滴头流量不均匀问题无法避免。为了消除此问题，毛管进水口处设置滴水调节器[4,5]。滴水调节器调节滴头流量，从而获得毛管首末端滴头流量的均匀性，在这种条件下形成滴头流量与压力无关的等流多孔管。对自压滴灌而言，在渠道水源足够、等流多孔管的情况下工作水头与地形落差有关，地形落差减去管道损失(管道局部水头损失和沿程水头损失)可得工作水头(hd)：

hd=ΔH-(hf+hw)

(2)

式中：hd为工作水头，m；ΔH为地形落差，m；hf为管道沿程水头损失，m；hw为管道局部水头损失，m，有时局部水头损失按沿程水头损失的一定比例估算(支管hf的10%,毛管hf的10%～20%)。

(3)

式中：hf为沿程水头损失，m；f为沿程摩阻系数；Q为流量,L/h；d为管道内径，mm；L为管道长度，m；F为多口系数；m为流量指数(与管道摩阻损失有关)；b为管径指数(与管道摩阻损失有关)。

管道损失与管道长度、管件、管材及管内光滑度有关。

2.3 支管流量计算

支管流量(Q支)是指支管上的毛管流量(Q毛)之和，按下式计算确定：

(4)

式中：Q支为支管流量，m3/s；L支为支管长度，m；SL为支管上的毛管间距，m；L毛为毛管长度，m；Se为毛管上的滴头距，m；qi为滴头流量。

系统流量(Q系)是指同时工作的支管(或一个轮灌组)流量之和，多支管同时工作时，Q系=nQ支。

工作水头还要满足各级管道进水要求。各级管道进水要求：按计算支管及毛管水头差分配比计算相应的管道进口水头损失，看是否满足hd≥ΔH毛进+ΔH支进+hi(hi为管道进口处水头损失)。满足要求的流量就是支管流量(Q支)。

2.4 调水池调节流量的计算

作物类型和种植方向确定了之后，首先可选定毛管类型、毛管内径d、滴头流量qi等参数。根据作物种植模式来选定毛管间距SL和滴头间距Se，再计算毛管极限长度，确定毛管实际铺设长度，从而获得一条毛管的流量[6]。根据地形条件适当选取支管长度L支计算支管流量，然后进行校核，直至满足平衡式(1)为止。调水池和集水桶间进水管末端流出的流量大于等于集水桶的流量Q集时，集水桶内的水量保持稳定状态，因此按以下步骤计算确定调节流量。

(1)管道过水断面面积A管:

(5)

(2)淹没出流的流量系数μ0:

(6)

(3)根据水力学原理计算调水池最大淹没出流量Q调：

(7)

式中：A管为进水管面积，m2；d为管径，m；L为进水管长，m；z为调水池和集水桶间的水位差，m；λ为进水管沿程阻力系数；ξ1为进水管进口局部水头损失系数；ξ2为进水管出口局部水头损失系数。

假设管径d，代入式(7)计算Q调，计算值Q调与Q集进行校核(或者Q集反算求A管)，直至满足平衡式(1)为止。

3 结 语

(1)本文介绍实用新型专利滴水调节器和无用电过滤装置的结合运用方法，建立渠道进水流量、调水池的调节流量、集水桶的供水流量及系统流量间的平衡关系，阐述了系统流量的计算方法，解决了无电灌区水源的过滤、过滤网的自行冲洗、排沙等问题，为牧业灌区实现节水灌溉技术提供理论依据。

(2)节省滴灌工程沉淀池的投资，根据自压灌溉面积的大小适当加大集水桶的尺寸，可持续利用。为有地形坡度的牧业灌区实现节水灌溉工程，预防水土流失、土壤盐碱化提供理论依据。

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[1] 穆哈西,赵经华,马英杰，等.用于自压滴灌工程的无用电调节水温过滤装置: 中国，ZL201420199913.6[P]. 2014-09-10.

[2] 史海滨,刘清华.灌溉排水学[M].北京:中国水利水电出版社，2006:13-75.

[3] 张志新.滴灌工程规划设计原理与应用[M].北京:中国水利水电出版社，2007:60-141.

[4] 穆哈西,马英杰,洪 明，等.地下垂直分层水压及盐分调控装置:中国，ZL201320498814.3[P]. 2014-01-15.

[5] 张国祥.微灌技术探索与创新[M].郑州:黄河水利出版社，2012:16-100.

[6] 汪志农,冯 浩.节水灌溉管理决策专家系统[M].郑州:黄河水利出版社，2001:34-52.

[7] 邱秀云.水力学[M].乌鲁木齐:新疆电子出版社，2008:139-156.