滴灌系统田间管网优化设计分析

艾木都力·吾守尔

（新疆水利水电科学研究院，乌鲁木齐 830049）

1 滴灌工程田间管网布置

1.1 毛管

滴灌灌水装置俗称滴头，其依照供水方式的不同可细分为非压力补偿型与压力补偿型两种类别。而整个滴水灌溉系统运行性能的优劣，直接受到滴头性能的影响。现阶段，在新疆大田作物滴灌中，由于当地整体地势相对平坦，其所采用的滴头多为非压力补偿型，这种滴头不仅铺设管理方便且成本便捷，具有大面积成规模使用的良好性能。本次研究的作物种类为小麦，属于典型的密植型作物，单位面积对灌溉水量的要求较大，这就需要在田间毛管的选取上充分考量滴头流量、毛管间距及滴头间距3种参数。一般来说，果树、棉花等行播作物，其毛管多沿作物行向进行布设，布设间隔依照作物行距确定，但在滴头流量的确定上须以能够充分润湿作物为基准，不可随意选择。整体上应在充分满足作物湿润要求的基础上，尽可能选取小流量的滴头。

1.2 滴头流量、滴头间距及毛管铺设间距选择

（1）选取流量大小适宜的滴头，并根据选定的不同滴头流量确定相应的毛管间距和滴头间距。

（2）滴头间距的确定应在符合理想滴头间距的前提下，尽可能选用较大间距，同时为方便规模化生产，应以100mm为级差进行整数级调整。

（3）毛管铺设间距确定要以滴头湿润宽度为基准，湿润比应控制在95以上 （并尽量选取较大的间距。此外，为方便铺设，毛管间距须为小麦行距的整倍数。

2 灌溉均匀度确定

完整的田间管网系统囊括支管与毛管，其中支管功能是联通干管与毛管，实现两者间水的传输，通常一条支管能够控制一个完整的灌溉小区。因此当全部灌溉小区的灌溉均匀度均满足相关要求后，则整个田间管网灌溉均匀度也达到设计要求。而对于灌溉小区而言，其灌水均匀度取决于支管下属各毛管流量两极值的偏差。所以，灌水小区最大最小压力偏差必须维持在允许范围内。

2.1 毛管非调压设计

毛管非调压概指一个灌水小区内的水头损失通过支管和毛管一起依照相应比例承担。压力差在支管与毛管内分配的差异会引起管网造价的差异，最佳的分配方案就是保证灌溉效果的前提下实现投资和运行费用的最小化。

2.2 毛管进水口设置调压装置

对于由一条毛管控制的灌水小区，通过在毛管端头布设调压装置，便可实现对整个毛管水压的有效调控。这种情况下可以在控制扬程稳定的前提下，增长毛管长度，扩大灌溉面积，减小投资额；或在保持灌水装置供水量的前提下，增大毛管端部进水压力，从而实现运行费用的降低。

3 田间毛管长度的确定

毛管长度确定主要参考依据有农作物生长需水量、滴头流量、滴头间距及管网直径，考虑工程使用量因素，毛管长度即为田间工程优化设计的关键。在满足灌溉水量和质量的前提下，尽可能减少工程投资和运行费用，进而确定经济毛管长度，将对指导滴灌系统建设具有重要意义。

3.1 田间毛管最大长度

田间毛管最大长度主要受其最大压力偏差系数的影响，其值越大则最大长度越长。而毛管压力偏差主要受灌水器流态指数的影响，其数值关系存在一定反比关系，流态指数越大则压力偏差系数越小，毛管最大长度也越小。工程应用过程中，通常选取流态数值较小的灌水器。选用统一类型灌水器情况下，毛管压力偏差系数固定，增加压力水头，毛管压力水头差也会增加。前期规划设计中，可用布莱修斯公式计算得出毛管最大长度，后期需要结果工程造价及运行费用进行综合确定。

3.2 田间毛管经济长度

在同一灌水小区情况下，即使满足其水量和水质要求，其支管、毛管布置方式和长度有差别，工程造价也有很大差异。灌水量一般以田间工程农作物需水量为主要依据，灌水质量主要以灌水均匀度为衡量标准，具体为灌水小区内灌水器的最大和最小压力水力差所确定，其限制了田间毛管长度。如果在田间工程毛管进水口增加调压装置，则压力差主要由毛管承担，相应地毛管长度需要增加，其相应的工程造价也会增加。在确定灌水小区面积情况下，可在滴灌参数设计中纳入工程造价和运行费用，进而确定最优毛管长度。

毛管经济长度计算公式为：

式中 R为毛管布置方式，单向或双向布置时分别为1，2；N2为毛管数量；L2为毛管长度（m）；α为资金回收因子；A为灌水小区面积 （m2）；h2为支管进口压力水头（m）；a为利息；Tp为年运行小时数（h）；Ec为电费价格（元/度）；Q为田间进水口的总流量（m3/h）；η为灌溉水有效利用系数，取0.9；h2为支管进口压力水头（m）；h1为毛管进口压力水头（m）。

3.3 田间毛管经济长度计算分析

田间工程毛管铺设工程量最大，毛管用量多，毛管布置长度对田间工程造价有着重要的影响。在保证田间管网运行效果的前提下，应尽可能降低滴灌管网造价，合理化布设田间管网。为掌握不同毛管间距不同滴头流量情况下的毛管铺设长度，针对0.6，0.76，0.9m 3种毛管间距情况下，1.8，2.4，2.8L/h，3种滴头流量的毛管经济长度进行分析，计算3种情况下不同滴头间距（0.2，0.25，0.3，0.4，0.5m）的经济毛管长度，其结果如图1。

图1 毛管间距铺设长度与滴头间距关系

结果可知，在毛管间距相同的情况下，随着滴头间距增加，田间经济毛管长度逐步增加。增加灌水小区面积，经济毛管长度也会增加；同时，在1.8，2.4，2.8L/h，3种滴头流量情况下，其经济毛管长度会随滴头流量的增加而减小。通过工程投资与运行费用目标函数分析，得到田间管网毛管适宜长度范围65.4～100.8m，而用通常算法得到其极限长度范围48.8～115.7m。确定滴灌系统田间工程毛管长度时，应对极限长度和经济长度二者进行综合考虑，如经济长度超过极限长度，则毛管长度取极限长度数值，反之则取经济长度数值。灌水小区在设计完成之后，应按照相关规范对小区内工程参数进行验算，以确定最优化、最有效的支管、毛管长度。

4 结语

（1）根据地区地质气候条件和农作物种植需求，确定适宜的滴头流量。不同的滴头流量选择相适宜的滴头间距和毛管间距。在满足理想滴头间距的前提下，滴头间距应尽可能选择大数值，以0.1m级差整数级取值。毛管行距确定应首先考虑滴头湿润度，湿润比应控制在95%以上，尽可能取大数值。毛管间距取值以农田所种植作物行距的整数倍取值。

（2）通过对不同毛管情况进行计算分析得到，在相同毛管间距相情况下，田间经济毛管长度随滴头间距的增加而增加，随滴头流量的增加而减小。增加灌水小区面积，经济毛管长度也会增加。在选择滴灌系统田间工程毛管长度时，应综合考虑毛管极限长度和经济长度，如经济长度超过极限长度，则毛管长度取极限长度数值，反之则取经济长度数值。