地下滴灌技术在农田水利建设中的设计与应用

2017-11-23肖怀玺

黑龙江水利科技 2017年10期

关键词：孔数毛管支管

肖怀玺

(新疆阿克苏地区水利水电勘测设计院有限公司，新疆阿克苏 843000)

推广应用

地下滴灌技术在农田水利建设中的设计与应用

肖怀玺

(新疆阿克苏地区水利水电勘测设计院有限公司，新疆阿克苏 843000)

面对有限的水资源和日趋恶化的水环境，高效、节水、有利环境保护的地下滴灌技术日益受到重视，为了便于管理库车县齐满镇1388hm2的农田灌溉，文章提出了一套田间灌溉系统设计，包括对田间管网布置规模、滴灌设计滴头选用及种植作物毛管极限长度和极限孔数的参数计算等方面进行了阐述，并通过实践应用起到了很好的效果。

节水灌溉；地下滴灌技术；农田水利建设；滴灌系统设计

1 工程概述

滴灌是目前迅速发展的一种高效节水技术，其特点是灌水均匀，控制性好(包括控制灌水深度，范围，灌水量)，节水效益显著。不受风的影响，对士壤适应性好，可实现全自动控制，化肥，农药，化控剂可随水一同灌入，吸收率高，准确地将水份直接输送到作物根部附近的土壤表面或土层中。

库车县2014年齐满镇1616.7hm2滴灌工程项目区总规划面积1616.7hm2，灌溉面积1388hm2，均采用滴灌灌溉，水源为地表水和地下水，控制17个地表水滴灌系统，目的是为了节水、省工、增效，从而示范推广节水灌溉新技术。

2 地下滴灌技术

地下滴灌技术就是在滴灌过程中，水通过地埋滴管上的灌水器缓慢渗入附近土壤，再借助毛细管作用或重力扩散到整个作物根层的灌溉技术。由于在灌溉过程中几乎没有水分蒸发损失，而且对土壤结构的破坏轻，防止杂草生长，在各项节水灌溉技术中，从理论上来说该项技术的节水增产效果最为明显，而且便于农田作业和管理，特别适合于在我国西北地区干旱、高温、风大的自然条件。

2.1 首部及田间系统设计

2.1.1 田间管网布置规模

根据项目区条田、林、路等分布情况，管网按地形条件布置，管网采用梳状单向布置，控制区地势西北高东南低，管网主要分为输水干管、分干管、支管、毛管四级输配水管。确定滴灌系统的结构为：首部→砂式+网式全自动反冲洗过滤器→施肥罐→主干管→分干管→支管→毛管→滴头。干管、分干管为地埋管。

2.1.2 首部设计

2.1.2.1 泵房设计

泵房采用彩钢板房，内布置有管道、阀门、过滤器和施肥箱等，房内布置力求简单整齐，便于安装、检修和操作管理，机组布置呈一列式，板房面积为40m2。

2.1.2.2 过滤器选型

首部采用自动清洗网式过滤器，当过滤器水头损失超过0.08-0.10MPa时进行反冲洗，以确保滴灌均匀度，根据系统流量选择流量200-600m3/h的过滤器。

2.1.2.3 化肥注入器

设在自动反冲洗过滤器与出水干管之间。系统选用150L和300L两种规格的化肥注入器。

2.1.2.4 控制、调节、安全设备选型

1)逆止阀和水表：设置在水泵出口，逆止阀规格为DN800，水表选用数字式。

2)压力表：选用指针式压力表，最大压力1.0MPa。

3)进排气阀：在自动反冲洗过滤器和干管高处各设置进排气阀,规格为42zx-10型。

2.1.3 管网布置

1)毛管的布置：毛管采用单向布置，沿种植方向每一行设一条毛管。

2)支管布置：支管采用PE管，沿地面铺设。沿坡度方向配水，支管近似垂直于毛管布置。

3)分干管布置：分干管采用UPVC管，地埋布设，管道埋深为管道外径+0.9m，通过竖管给水栓向支管供水。各地块布置的分干管之间相互协作灌溉。

4)干管布置：干管采用UPVC管，地埋布设，管道埋深为管道外径+0.9m，通过三通给分干管供水。水源自首部泵房过滤后给干管供水，各地块布置的分干管之间相互协作灌溉[1]。

2.1.4 田间细部设计

1)管沟：项目区历年最大冻土深度90cm，干管埋入冻土层以下，为保证安全运行，确定干管管沟挖深为管道外径+0.9m。

挖深断面下口宽度为管径+0.8m，按1∶0.3坡比开挖。

2)排水井：输水管网因冬季需将水放空，故需在管网系统的低处设排水井。排水井为圆形定型树脂结构，深1.8m，井盖也为定型树脂结构。

3)检查井：为了安装闸阀，控制水量，操作方便，在干管给分干管分水处设检查井。排水井为圆形定型树脂结构，深1.8m，井盖也为定型树脂结构。。

4)镇墩及支墩：地埋管道均200m布设一个镇墩，另外在管道变径处及分干管末端布设镇墩，镇墩采用现浇混凝土结构，镇墩采用C15混凝土。

5)出地桩设置：支管上每隔50m左右设一个出地桩。

2.2 滴灌系统设计

2.2.1 滴灌设计滴头选用

2.2.2 小区允许水头偏差的分配

系统以毛管和支管构成灌水小区，对于压力补偿式滴头，允许水头偏差分配给毛管[2]。

毛管允许水头偏差为[Δh2]=[Δh]=10m

2.2.3 种植作物毛管极限长度和极限孔数的计算

为满足通风要求及种植方向，沿毛管铺设方向坡度较为均匀，系统坡度东西约为0.9‰,南北约为3/100～5/100，系统毛管的极限孔数的计算应该考虑南北地形坡降,坡比、将比计算如下：

2.2.3.1 毛管极限孔数

按《微灌工程设计规范》有关公式计算，计算过程如下：

计算降比

(1)

计算压比

(2)

毛管极限孔数按《规范》C4.0.3，按下述方法确定极限孔数：

收入：丈夫每月收入3美元并积攒下来。每月除了留下30个铜板外都交给妻子。长子每月收入4-5美元，也都上缴给自己的母亲。次子没有收入，但也不需家里花钱供养。

1)顺坡降比r>1时，计算P/n=INT(1+r0.571)

(3)

(4)

式中：J为沿毛管地形比降；d为毛管内径，mm；k为水头损失扩大系数，取1.1；f为摩阻系数，PE管取0.505；qd为单孔设计流量为；s为毛管上分流孔间距。

则根据公式进行极限孔数进行试算：

(5)

式中：Nm为毛管极限孔数；

2)逆坡时，r<1，则根据下式进行毛管极限孔数计算：

(6)

式中：Nm为毛管极限孔数。

2.2.3.2 毛管极限长度

毛管极限长度依据下式进行计算：

Lm=S(Nm-1)+S0

(7)

式中：Lm为毛管极限长度，m；S为毛管孔口间距；S0为毛管进口到首孔距离，取0.15m。

2.2.3.3 毛管水力计算

1)流量计算：一条滴灌带的进口流量为其上出水口流量之和，即：

Q毛=Nq

(8)

式中：N为滴灌带出水口数目；q为滴灌带出水口流量，L/h，结合条田长度确定其实际平均铺设长度、滴孔间距、灌水器设计工作流量进行计算。

2)毛管水头损失计算：毛管针对不同的种植作物选用不同类型的滴灌管，并根据实际平均铺设长度计算，其沿程水头损失按多孔管计算：

(9)

式中：f为摩阻系数，查表取0.505；m为流量指数1.75；b为管径系数4.75；K为扩大系数1.1(局部水头损失按沿程水头损失的10%计)；N为出水孔个数；S为分水孔间距；S0为进水口至首孔的间距；qd为单孔设计流量。

2.2.3.4 支管水力计算

1)流量计算：

地面支管根据经济管径和经济流速水力计算确定选用0.25MPaDE90或DE90防老化的薄壁PE管，壁厚1.6mm，根据本系统运行方式，支管流量为其上同时开启的毛管流量之和，一条支管根据条田宽度不同,控制毛管根数[3]。

2)水头损失计算：

采用多孔管计算其水头损失：

则：

(10)

式中：s为滴灌带间距；S0为进水口至首孔的间距。

其它符号意义同前则。

2.2.4 干管及分干管

1)流量计算：

分干管上每次开启一条支管,其流量等于所开启支管流量，任一干管段的流量等于该干管以下分干管流量之和。

2)水头损失计算：

各级干管设计流量根据其运行方案确定，然后根据经济流速预选管径，然后计算系统各部分水头损失，校核各管段压力，最后确定干管实选管径，本项目管材选用0.4MPa ，PVC管，其水头损失按下式计算：

Hf=kf(Qm/db)L

(11)

式中：符号意义同前。

2.2.5 沿程水头损失计算

系统支管管径取de90mmPE管，内径为80.4mm；则

(12)

式中：k为水头损失扩大系数，取1.1；f为摩阻系数，0.505；S为毛管间距；S0为进水口至首孔的距离；q为毛管流量；N为毛管实际出水孔个数；Δh2为支管允许水头偏差，m。

管道沿程水头损失采用下式计算：

(13)

式中：hf为沿程水头损失，m；f为摩阻系数，PVC-U管取0.464；Q为流量，L/h；m为指数，PVC-U管取1.77；L为管长，m；d为管道内径，mm；b为指数，PVC-U管取4.77。

2.3 节点压力均衡校核

本设计根据经济流速预选管径，然后计算系统各部分水头损失，校核各管段压力，最后确定各管段实选管径，按系统最不利组合通过水力计算确定系统压力,最后根据扬程及设计流量选泵型[4]。

3 展望

面对有限的水资源和日趋恶化的水环境，高效、节水、有利环境保护的地下滴灌技术日益受到重视，高效节水工程建设解决的不仅是眼前的农业灌溉问题，同时也为构建和谐社会、推动社会主义新农村建设奠定了基础。目前，我国地下滴灌技术的设计理论尚不能满足实践要求，由于土质差异、作物差异，需要合理确定不同土质、不同作物灌水技术指标；研究如何将地下滴灌节水灌溉工程和农业节水综合技术合理结合。

通过地下滴灌工程技术参数(埋管深度、进口压力、滴孔孔径、孔距等)来调控水分、养分在土壤中的分布与运移、作物根系的分布与生长，使水肥的利用率和利用效率均得以提高，这些都是值得重视和迫切需要解决的问题。因此，需进一步对地下滴灌系统的特殊性和复杂性加以研究，充分发挥其诸多的优势，为地下滴灌技术提供合理的理论依据，这对我国节水灌溉技术的发展有着十分重要的意义。