棉花膜下“一管四行”滴灌工程设计探讨

(新疆昌吉方汇水电设计有限公司，新疆 昌吉 831100)

棉花膜下滴灌结合了滴灌技术与棉花覆膜种植技术的优点，是针对新疆规模化种植特点，集成的一种适于机械化大田棉花栽培的现代化节水灌溉技术。系统流程为：首部水流→输水干管→支管→毛管(滴灌带)→棉花根系。其中滴灌带埋设在地膜下方，该系统将播种、铺膜、铺管一次性完成，此技术可使棉花产量和效益领先于其他灌溉方式。

1 工程概况

新疆昌吉市头屯河灌区农田水资源利用率较低，灌水定额偏高。为改变目前灌溉条件，设计引进滴灌技术来解决当地供需水矛盾，提高产量。此次滴灌规划区域土质为轻壤土，土壤容重1.40g/cm3，田间持水量重量比为24%，该滴灌区种植作物为棉花，根系活动深度25～55cm。项目区1号条田为东西向，2号、3号条田为南北向，总面积81.2hm2。滴灌带作物布置见图1。

图1 滴灌带作物布置(单位：cm)

2 滴灌系统布局设计

2.1 水源首部设计

项目区以机井为水源，出流量220～240m3/h，水质良好，满足灌溉需求。首部枢纽采用潜水泵，电机功率与水泵配套，选用“旋流水沙分离器+筛网”组合过滤器和压差式施肥罐，另配有压力表、闸阀、水表、空气阀等附属设备[1]。

2.2 系统管网布局设计

该项目输配水管网系统选用“支管+辅管”模式，管网沿水流方向依次为主干管、干管、分干管、支管、辅管、毛管(含灌水器)。由于项目区规划地坡度小于0.5‰，设计时按平坡处理，因此选择最为经济的“毛管在支管(辅管)两侧双向布置、支管在分干管两侧双向布置”形式，毛管沿作物种植方向布设，支管、辅管与毛管垂直布设。图2为“一管四行”管网布局设计示意图。

图2 “一管四行”管网布局设计示意图

3 滴灌系统参数设计分析

滴灌系统参数设计主要包括滴灌系统管网布置设计和管网参数设计[2]，下面分别对这两方面设计内容进行详细说明。

3.1 滴灌系统管网布置设计

滴灌系统管网布置包括各个管型的布置方式、铺设数量、管径规格、延伸长度等，是保证灌溉顺利进行的基础。根据项目区的实际情况，将理论计算和日常经验相结合，最终确定项目区的管网布置方案。

3.1.1 毛管长度和支管列数布置

毛管极限孔数和极限长度直接决定了管网系统总体布置，因此首先分别对这两个参数进行计算。

毛管极限孔数Nm计算公式为

(1)

式中 Δh——灌水器工作水头，8.0m；

d——毛管内径，16mm；

k——系数，1.1；

Se——滴头间距，0.3m；

q——灌水器设计流量，2.8L/h。

毛管极限长度Lm计算公式为

Lm=Sr(Nm-1)+Se

(2)

式中Sr——滴孔间距，0.3m。

经式(1)、式(2)计算，本项目毛管极限孔数Nm=242个；极限长度Lm=72.45m。

该项目毛管选用单翼迷宫式滴灌带，采用“一膜一管四行模式”[3]，具体如下：

a. 1号条田沿东西方向布置5对毛管，单侧毛管长度62.5m，南北方向布置5列支管，间距125m。

b. 2号条田沿南北方向布置3对毛管，单侧毛管长度61.67m，东西方向布置3列支管，间距123.3m。

c. 3号条田沿南北方向布置3对毛管，单侧毛管长度64.65m，东西方向布置3列支管，间距129.3m。

3.1.2 支管长度和分干管布置

根据大田管网“支管+辅管”模式布设经验，支管管径一般为De63或De75，其中De63支管适宜铺设长度为100～150m，De75支管适宜铺设长度为150～200m[4]。以铺设长度为标准，本项目1号条田支管长186m，支管管径De75；2号条田支管长156m，支管管径De63；3号条田支管长150m，支管管径De63。

3.1.3 辅管的布置

根据相关规定：De75支管配套De40辅管(De40辅管过水量16～22m3/h)，De63支管配套De32辅管(De32辅管过水量10～15m3/h)。因本项目系统采用毛管进口调节流量，所以辅管的分流孔数和铺设长度根据经验确定，一条支管上各辅管分流孔数应尽量相等[5]。该系统轮灌方法：一条支管上设置若干条辅管，运行时一次开启一条辅管。据此，本项目辅管布置设计如下：

a. 1号条田设计一条支管上布置7条De40辅管，一条辅管带19对毛管，一对毛管流量为1.165m3/h，则辅管过水量为19×1.165=22.13m3/h，设计基本符合De40辅管过水量要求。

b. 2号条田设计一条支管上布置9条De32辅管，一条辅管带13对毛管，辅管铺设在支管进口段上，一对毛管流量为1.148m3/h，则辅管过水量为13×1.148=14.92m3/h，设计符合De32辅管过水量要求[6]。

c. 3号条田设计一条支管布置带9条De32辅管，一条辅管带12对毛管，一对毛管流量为1.204m3/h，则辅管过水量为14.45m3/h，设计符合De32辅管过水量要求。

上述管网布置结果见表1。

表1 管网布置结果

3.2 滴灌管网参数设计

3.2.1 水量平衡计算

由于本地区作物生长期降雨不稳定，有效降雨量P0和土壤或地下水补给水量S均为0，而棉花耗水强度Ea取4.5mm/d，因此灌溉补充强度Ia=4.5mm/d，项目区灌溉需水流量Q计算公式[7]为

(3)

式中A——项目区面积，81.2hm2；

C——灌溉时间，20h/d；

η——灌溉水利用率，取0.9。

经计算得出Q=203m3/h，机井出水量满足灌溉需水。

3.2.2 灌溉区设计水头允许偏差率

根据相关规定，滴灌系统允许流量偏差率qv应不大于20%，而本项目毛管流量调节器允许流量偏差率qv取18%，符合要求。设计水头允许偏差率hv的计算公式为

(4)

式中x——膜间行距，0.6m。

经计算，hv=0.31m。

3.2.3 灌溉参数设计

本项目主干管、干管、分干管采用PVC-U管，永久铺设于地下，工作压力0.4MPa；支管、辅管、毛管为PE管，临时铺设于地面。为保证滴灌带灌溉面积，选用WDF16/3.2-100型滴灌带，灌水器流量拟定在2.8L/h左右，具体参数见表2。

表2 滴灌带参数

a.种植模式设计。本项目毛管单行直线布置，土壤湿润比P按下式计算[8]：

(5)

式中n——系数，取0.083；

Sw——地膜宽度，1.0m。

计算P=71.1%，并由此得出项目区棉花种植模式如下：棉花膜内窄行间距20cm，宽行间距40cm，膜间行距60cm，株距St=10cm。

b.设计灌水定额和周期。已知土壤γ=1.4g/cm3，灌水高峰期取z=0.5m，θmax=21.6%，θmin=14.4%，P=71.1%，灌水定额m按下式计算：

m=0.1γzP(θmax-θmin)/η

(6)

经计算，灌水定额m=26.5m3/亩。

根据项目区土壤性质、棉花不同生长阶段需水特性及系统设计参数，结合棉花滴灌灌溉经验，根据当年气候、土壤墒情、作物播期及长势，制定棉花滴灌灌溉制度，见表3。

表3 项目区棉花滴灌灌溉制度

3.2.4 节水量效果分析

与传统漫灌和普通滴灌对比，膜下“一管四行”滴灌灌溉水利用率显著提高，试验室对比结果见图3。

图3 各种灌溉形式水利用率对比

由图3可知，传统漫灌条件下水利用率仅为45%，普通滳灌条件下水利用率为93%，而膜下“一管四行”滴灌条件下水利用率为97%，因此，实行该灌溉方式可一定程度缓解当地灌溉用水矛盾。

4 结 语

通过实际应用，该项目区滴灌亩次耗电只需8kW·h左右，灌溉水利用率可达97%，较一般地面漫灌省水、省电60%以上，且平均每亩灌溉周期缩短8个工日，相关配套设备占地面积减少10%，亩产均增30%左右，综合效益显著，值得大面积推广。