膜下滴灌输配水管道系统设计

常玉强

摘要：滴灌系统的输配水管道设计影响整个滴灌工程质量。详细介绍膜下滴灌系统确定控制面积的方法以及管网的布置原则，采用公式计算各级管道的设计流量，为膜下滴灌输配水管道的合理设计提供参考。

关键词：输配水管道；膜下滴灌；设计；控制面积；流量

中图分类号：S275.6 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2016）01-0051-03

滴灌是利用专门灌溉设备以间断或连续的水滴或细流的形式缓慢地将水灌到部分土壤表面和作物根区的灌水方式。直接向作物施水的设备称为灌水器，其流量不大于12 L/h。滴灌系统由水源工程、首部枢纽、输配水管道和灌水器组成。输配水管道的设计关系到整个滴灌工程质量的优劣及其合理性，是决定滴灌工程成败的重要工作之一。因此，应进行细致的输配水管道设计，以确保整个滴灌系统的正常运行。

1 控制面积的确定

设计时，首先进行水量平衡计算，以确定合理的控制面积。水源为机井时，应根据机井出流量确定最大可能的控制面积；水源为河、塘、水渠时，应根据水源水量和经济两方面的因素确定最佳控制面积。目前，渠水滴灌工程一个首部控制的灌溉面积一般为66.7～133.3 hm2。根据以往设计经验，较为经济的控制面积为66.7 hm2，最好不要超过100 hm2，而且大多数是灌溉单一作物。

1） 在水源供水流量稳定且无调蓄能力时，可用下式确定滴灌面积：

A= （1）

式中：A为可灌面积，hm2；Q为可供流量，m3/h；Ia为设计供水强度，mm/d；t为水源每日供水时数，h/d；η为灌溉水利用系数。

Ia=Ea-P0 （2）

式中：Ea为设计耗水强度，mm/d；P0为有效降雨量，mm/d。

2） 在水源有调蓄能力且调蓄容积已定时，可按下式确定滴灌面积：

A= （3）

式中：K为塘坝复蓄系数，K=1.0～1.4；η为蓄水利用系数，η=0.6～0.7；V为蓄水工程容积，m3；Ii为灌溉季节各月的毛供水强度，mm/d；Ti为灌溉季节各月的供水天数，d。

2 管网布置原则

1） 根据作物种植要求及采用的灌溉技术，要求输水干管要满足滴灌的要求。

2） 因地制宜。结合首部位置和作物最佳种植方向（东西向）的要求，使管道总长度最短和尽量少穿越其他地物。

3） 确保作物用水要求，调水便捷，管理维修方便。

4） 输配水干管沿地势较高位置布设，支管垂直作物种植行布置，滴灌带（毛管）顺作物行布置。

5） 管道纵剖面应力求平顺，防止热胀冷缩和冬季冻害。输配水干管采用地埋式，埋深1 m，并在管尾修渗水井，以排除管道中的冲砂水和秋季积水。

3 管网结构

该设计管网结构为：离心泵—过滤器（施肥罐）—主干管—分干管—出地竖管—支管—毛管（滴灌带）。其中，主干管与分干管、分干管与支管、支管与毛管均采用鱼骨形布置，以减少沿程水头损失，降低能耗。干管、分干管为地埋管，分干管垂直主干管布置，支管垂直分干管布置，均采用竖管及三通连接。毛管垂直支管方向布置。

4 系统的工作制度

4.1 轮灌

为减少工程投资、提高设备利用率、增加灌溉面积，滴灌系统通常采用轮灌制度。根据滴灌系统布置原则，为保证系统具有持续稳定的压力分散水流，以及降低管道水头损失，将系统划分若干个轮灌区，各轮灌区采用轮灌制度。

4.2 轮灌组的确定

根据水源流量和各级管道的管径、输水能力和作物的需水要求确定轮灌组数量，同时使水源水量与计划灌溉的面积相协调。一般可根据下式计算：

N≤CT/t （4）

式中：N为轮灌组的数目，以个表示；C为系统每天运行小时数，一般C为18～22 h；T为灌水时间间隔（周期），d；t为次灌水延续时间，h。

实践表明，轮灌组过多会造成运行管理不便和农户间用水矛盾。按式（4）计算的N值为允许轮灌组数的最大值，设计时应根据具体情况确定合理的轮灌组数目。

5 各级管道设计流量的确定

各级管道设计流量的确定应按运行方案中最不利组合计算。

5.1 毛管流量

毛管流量等于毛管上各滴头流量之和，即：

Q毛=Nd×qd （5）

式中：Q毛为单侧毛管的总流量；Nd为毛管滴头个数；qd为设计滴头流量。

5.2 支管设计流量

Q支=N毛×2Q毛 （6）

式中：N毛为支管上同时工作的毛管数目；Q毛为单侧毛管的总流量；Q支为支管的设计流量。

5.3 分干管设计流量

Q分干=N×Q支管 （7）

式中：Q分干为分干管的设计流量；Q支为支管流量；N为同时工作的支管数。

5.4 主干管设计流量

Q主干=N×Q分干 （8）

式中：Q主干为主干管的设计流量；Q分干为分干管流量；N为同时工作的分干管数目。

6 系统各部分设计及相应水力计算

6.1 滴灌系统毛管设计

6.1.1 滴灌毛管的设计原则 滴灌系统毛管安装有灌水器的管道，毛管从支管取水，然后通过其上的灌水器均匀分布到作物根部。毛管一般采用抗老化低密度或中密度聚乙烯材料。由于滴灌工程的毛管数量较大，因此一般选用较小直径的毛管，并且要求直径相同，中间不变径。毛管设计是在确定灌水器类型、流量和布置间距后进行的，主要确定毛管直径和在该地形条件下允许的最大铺设长度。

6.1.2 滴灌带选型 该滴灌工程毛管选用天业生产的单翼迷宫式滴灌带，型号为Ф16×300×2.4，毛管工作压力H=10 m。

6.1.3 毛管极限滴头个数的确定 毛管极限孔数的计算公式为：

Nm=INT

（9）

式中：Nm为毛管的极限分流孔数；△h2为毛管的允许水头差，m，一般△h2=β2△h，平地时β2取0.55；△h为灌水小区允许水头差，m；d为毛管内径，mm；k为水头损失扩大系数，一般为1.1～1.2；qd为滴头设计流量，L/h。

6.1.4 极限长度 Lm= Nm×Se。

6.1.5 毛管水头损失 根据多孔管计算毛管的水头损失h毛：

h毛=

-Nm

1- （10）

式中：f，m，b分别为摩阻系数、流量指数和管径系数；N为出水孔个数；S0为进口至首孔的间距，m。

6.1.6 毛管进口工作压力 根据平坡条件下多孔出流管压力分布特点，计算毛管进口工作压力h0：

h0=hd+R×+ （11）

式中：hd为滴头设计工作压力，m；R为平均摩损比。

6.2 滴灌系统支管设计

6.2.1 支管设计的任务及原则 支管是用于连接干管和毛管的管道，它从干管取水分配到毛管中。

6.2.2 支管选型 根据实际地形以及支管过水能力，支管选用Ф75薄壁PE软管。

6.2.3 支管沿程水头损失 h支=KfQmL/db。

6.3 滴灌系统干管设计

6.3.1 干管设计任务及原则 因干管埋入地下，因此要求其具有耐腐蚀、寿命长、质量轻、施工安装方便、水力性能好等特点。干管选用硬聚氯乙烯塑料管，工作压力为0.4 MPa。出地管采用0.6 MPa的PVC管。干管的经济管径根据运行费和一次性费用投资之和最小来确定，同时便于操作。

6.3.2 水头损失计算 分干管及干管直径的选择和各灌水区最不利情况下各段干管的水头损失计算公式为：

6.3.3 水泵与动力选型

1） 泵的选型原则。水源形式为井水，滴灌工程选择单级单吸离心泵。水泵的流量和扬程均与滴灌系统设计流量和设计水头一致，使水泵保持在高效率区工作。所选水泵要求工作稳定，便于操作、维修，并尽可能型号一致，便于管理和零件配换。

2） 水泵扬程H总=H滴+∑△hi+∑△h+△Z。式中：H总为系统总扬程，m；H滴为滴头工作压力，m；∑△hi为首部水头损失，m；∑△h为管网最不利水头损失，m；△Z为设计参考点高程与水源水面高程之差，m。