新疆阜康某农场节水灌溉应用设计
2018-08-03
(新疆阜康市滋泥泉子镇人民政府(水利管理所)，新疆 阜康 831503)
阜康是新疆最缺水的地区之一，水资源相对比较匮乏，水资源总量少，人均、亩均占有水资源量低，地表水资源时空分布不均衡，季节性明显，合理调配难度大，资源性和工程性缺水并存，制约了经济社会发展。为促进农业节水，阜康市将积极推动蒸发率低，深层渗透的新型节水灌溉机制的研发，鼓励用水主体采取新型节水灌溉方式。截至目前，阜康市实施高效节水滴灌技术的土地面积占到总耕地面积的81%，节水滴灌技术也成为农民增收致富的重要途径。
图1 机井结构示意图
1 工程概况
阜康某农场选用控制面积分别为500亩、300亩的大型指针式喷灌机进行典型设计，喷灌机性能见表1。机井为预制钢筋砼管井，设计井深60 m，内径为300 mm，壁厚50 mm。砼管井下管深度为60 m，其中沉淀管5 m，滤水管40 m，井壁实管15 m，出水量50 t/h的水源，图1机井结构示意图。井管下管深度在隔水层上，为完全井。砼管井钻孔孔径为600 mm，为防止洪水及杂物进入井内，井口设置高出地表30 cm的井台。根据含水层岩性和粒径确定滤料的粒径，取滤料粒径为2～8 mm，厚度确定为100 mm，为保护水源井及机泵正常运行，每眼机井上建一机井管理泵房，大型指针是喷灌井房面积为2.4×2.4共5.76 m2，高2.5 m，砖混结构，房顶采用C20钢筋砼预制盖板。机井结构示意图见图2。
表1 指针式喷灌机组性能表
图2 大型指针式喷灌井房立面示意图
2 大田滴灌典型设计
2.1 滴灌灌溉系统
以机井作为灌溉水源，单井出水量为50 m3/h，单井控制面积为220亩，典型地块尺寸为480 m×308 m。滴灌灌溉系统地埋管坡度为1:2 000，首端高末端低，管内积水向末端排水井排放，滴灌灌溉系统首部设有逆止阀、排气阀、压力表、水表、水嘴、过滤器、施肥罐。过滤器将水中的固体大颗粒、藻类、漂浮物沉淀过滤。过滤器有沉淀池、拦污栅、离心过滤器、砂石过滤器、筛网过滤器、叠片过滤器等[1]。过滤设备采用3"离心加网式过滤器，过流量50 m3/h。施肥罐可以使易溶于水并适于根施的肥料、农药、化学药品等在施肥罐内充分溶解，然后再通过滴灌系统输送到作物根部，选用容积为100 L的施肥罐[2]。滴灌灌水器选择壁厚0.2 mm的迷宫式滴灌带，滴头工作压力为100 KPa，滴头间距为0.3 m，毛管布置间距为1 m，滴水流量2.8 L/h。
2.2 管网布设
(1)本次地块设计，共布设分干管4条，间距120 m，每条分干管输水长度为264 m，考虑到运输、保管和施工安装过程中的损耗，实际管材长度为277 m，典型地块分干管的输水总长度为1 056 m，实际管材总用量为1 109 m。给水栓布设按照44 m的间隔均匀布设在分干管上，典型地块共布设28个给水栓。
(2)干管：干管布设应根据水源井的位置、分干管的布设情况并考虑管网各节点的压力均衡进行布设。在地块中央垂直于分干管的位置布设一条干管，在这条干管的中间垂直方向再布设一条干管，并与水源井连接，干管输水长度为530 m，考虑到运输、施工安装和承插的损耗，实际管材用量为557 m。
干管和分干管具体布设方式为：干管和分干管均采用地埋，沟槽断面为梯形，下口宽为管道外径加0.3，即下口取0.5 m，上口宽取1.5 m。管槽开挖深度根据当地冻深情况确定为2 m。
图3 大田滴灌典型地块工程布置图
图4 单支管控制面积布置图
(3)支管(给水软管)：支管是根据水源井的出水量、灌水小区大小和布设方式(双向或单项)进行布设，为均衡毛管的压力，一般情况支管应布设在灌水小区的中央，并与毛管垂直，另外支管与分干管上的给水栓相连接，且平行于分干管。在每根分干管上平行于分干管方向布设7根支管，支管布设方式为双向，每条支管长度为44 m，典型地块共设置28条支管，总长度为1 232 m，支管为地面管道，具体布设见图3。
(4)毛管：直接向作物施水的管道，毛管将管网中的压力水流均匀而稳定地分配到田间土壤，满足作物对水分的需要，还可随水施肥施药。毛管垂直于支管两侧呈鱼骨式布置，方向与种植方向一致，毛管间距为1 m，毛管上每隔0.3 m设一个灌水器(滴头)，灌水器流量2.8 L/h，工作水头为10 m。毛管用按扣三通与支管连接，毛管上不设球阀，即同一支管上所有毛管同时工作，每条支管的两侧各布设44根毛管，每根毛管长60 m，典型地块共布设2 464根毛管，毛管总长为147.84 km，毛管为地面铺设管道，具体布设见图4。
2.3 管材和管径选择
干管和分干管选择聚丙烯(PVC)管材，支管和毛管采用聚乙烯(PE)管材[3]。管网的干、分干、支、毛各级管道管径按经验公式计算，计算管径和选取管径见表2。
表2 各级管道设计管径计算表
3 滴灌系统水力设计
3.1 各级管道流量推算
单根毛管流量等于灌水器流量乘以毛管上灌水器总数，即：Q毛=Nq=200×0.002 8=0.56(m3/h);即单根毛管的总流量为0.56 m3/h。式中:q为滴头流量，2.8 L/h；N为毛管的滴头数，为毛管总长度/滴头间距;b、支管设计流量支管双侧连接88根毛管，故支管设计流量为：
Q单支=Q毛·N=49.28(m3/h)
式中:N为支管上毛管的数目N=88条；Q毛为单根毛管总流量。
分干管设计流量:Q分干管=Q支=49.28(m3/h)
干管设计流量:Q干=Q分干=49.28(m3/h)
3.2 毛管铺设长度校核
(1)灌水小区最大水头差;最大、最小水头计算
hmax=(1+0.65qv)1/xhd
hmin=(1-0.35qv)1/xhd
hv=hmax-hmin
式中：hmax为滴头最大水头，m；hmin为滴头最小水头，m；qv为流量偏差率，取0.2；x为流态指数，取0.5；hd为额定压力，取10 m。计算得，hmax=12.77 m，hmin=8.65 m，hv=4.12 m。
灌水小区毛管铺设长度
分配给毛管的水头差可取设计允许水头差的50%，并以此计算毛管最大铺设长度。毛管水头损失为：
式中：hf为管道沿程水头损失，m；f为摩阻系数，0.505；Q为管道流量，L/h；d为管道内径，15.6 mm；m为流量指数，1.75；b为管径系数，4.75；L为管长，m。计算得，毛管最大铺设长度为64.8 m，本次设计毛管长度为60 m，符合规范要求[4]。
3.3 管网最不利点水力计算
根据各级管道流量及最不利工作点的位置，根据前面给出的公式计算管网的水头损失。管道水力计算包括管道沿程水头损失和局部水头损失。
(1)管道沿程水头损失计算:
(2)管道局部水头损失按沿程水头损失的10%计算,计算结果见表3。
(3)泵管损失计算
H泵管=L·I (υ≥1.2 m/s)
式中:L为泵管长度，L=30 m；I=0.001 07υ2/d1.3；υ为管内流速，m/s；d为管道内径，m。按照上述公式计算，泵管水头损失为7.20 m[5]。
表3 水头损失计算表
3.4 管网压力分析
经上述计算可知，管网远端最不利点压力损失为4.87 m，管网近端压力最大点压力损失为2.82 m，两点压力差为2.05 m。当满足最远点毛管工作压力时，最近点毛管压力小于选取的毛管允许承受压力(0.15 MPa)，设计合理。
3.5 滴灌典型地块小区流量偏差率计算
通过上面计算可知滴灌典型地块小区水头偏差为2.62 m，则hv=0.262，通过上式计算可得流量偏差为0.131，小于《微灌工程技术规范》(GB/T 50485-2009)所要求的0.2，故设计合理。
4 轮灌制度与灌水定额确定
4.1 轮灌制度
为保证系统各级管道安全稳定运行，将系统划分轮灌组。地块共有1条干管、4条分干管，每条分干管共布设7条支管，支管共计28条。灌溉时开启1条支管闸阀，典型地块共布置28个轮灌组。运行时，每次灌水时间为3 h，即3 h可完成一个轮灌组。按照每天工作21 h计算，一天可以完成7个轮灌组的灌水定额，4天可完成全部28组轮灌区，即一个灌溉周期为4天，小于设计灌水周期[5]。
4.2 灌水定额
最大灌水定额采用适宜水量法确定：
mmax=100γtH(βmax-βx)；式中：mmax为设计灌水定额，m3/hm2；γ为土壤干容重，1.42 t/m3；h为计划湿润层深，0.4 m；βmax、βx为土壤适宜含水量上、下限，分别取田间持水量的94%和70%。
则有：mmax=31.35 mm；
上述计算结果为最大净灌水定额，实际需水按m≤mmax确定，选取净灌溉定额31.35 mm(20.9 m3/亩)。喷灌灌溉水利用系数取0.85，故毛灌溉定额为36.89 mm(取整为25 m3/亩)。
5 水泵的选型
5.1 总扬程计算
水源井动水位为30 m，泵管损失为7.2 m，地面高差忽略不计，滴灌带入口要求压力水头10 m，过滤器水头损失为10 m。则总扬程为：H扬=H入+H动+H损+H过=62.06 m。
5.2 水泵的选型
根据上述计算总扬程和总流量确定水泵的型号。本次设计拟200QJ50-65/5潜水泵，其性能及参数见表4。
表4 潜水泵性能及参数
6 结语
地块尺寸为480 m×308 m的灌溉系统，单井出水量50 m3/h，滴头工作压力100 KPa，滴头间距0.3 m，毛管布置间1 m，毛管布置间距1 m，滴水流量2.8 L/h，工作水头为10 m。布设分干管4条，间距120 m，按44 m的间隔均匀布设在分干管上。分干管上平行于分干管方向布设7根支管，支管布设方式为双向，每条支管长度为44 m，典型地块共设置28条支管，每条支管的两侧各布设44根毛管，每根毛管长60 m，典型地块共布设2 464根毛管。
