昌吉试验场高效节水农田滴灌工程设计

袁志伟

(新疆头屯河流域管理局 水利管理中心，新疆 昌吉 831100)

1 项目背景

昌吉试验场坐落于昌吉市滨湖乡，位于昌吉市东北方向20 km处，昌吉市全市总面积8 215 km2，其中山区占40.7%，平原占32.5%，沙漠占26.8%，南北长260 km，东西宽30 km。地理位置优越，交通便利。昌吉市具有典型试验场控制灌溉面积333.333 hm2，农作物主要以棉花为主，并夹杂油葵、瓜果、玉米等作物。本次项目选择基本农田范围内，相对集中连片，交通便利。

本次项目实施方案规划总面积为366.667 hm2，净灌溉面积213.333 hm2。将净灌溉面积分为2个滴灌系统，均采用河水加压滴灌系统，新建沉沙池1座对渠水进行沉淀处理后作为灌溉水源。安装过滤器及施肥罐1套，建设首部管理房1座，形成水泵→砂石过滤器→施肥罐→筛网过滤器→干管→分干管→支管→毛管的河水加压滴灌系统[1]。这样的节水灌溉方式，经过技术论证，现有水源满足滴灌系统运行要求。河水加压滴灌系统选择在地势较高处修建沉沙池，安装水泵、过滤器及施肥罐等首部设备，然后通过输水及配水管网将水输送至田间。

2 滴灌系统设计

2.1 水源选择

项目区主要采用的水源为头屯河河水和地下水，河水经试验场水库及干渠、支渠、斗渠进入项目区，干渠设计引水流量0.5 m3/s，支渠设计流量0.2 m3/s。

2.2 管材确定

管材比选主要针对地埋管，管材应满足压力等级要求，性能良好，以保证正常运行，现对四种管材，即球墨铸铁管、玻璃钢夹砂管、PVC-U管及PE管进行比选[2]。

球墨铸铁管虽安全可靠，但价格昂贵；玻璃钢夹砂管由于管径小于250 mm 时市场需求量不多，故生产量极少。一般情况下管径≤450 mm时，PVC-U和PE管单价较低，管径在 450 nm以上时，玻璃钢管的单价较低。从该地区已运行的灌溉工程来看，PVC-U管和PE管便于管道运输、安装及维修，综合考虑，设计推荐田间干管和分干管采用PVC-U管，支管采用PE管。

2.3 滴灌工程设计

滴灌系统包括首部枢纽、输配水管网、灌水器三大部分组成。首部枢纽包括过滤装置、施肥装置和测控装置。输配水管网起到为滴灌系统输送水量的作用[3]，包括主干管、分干管、支管、毛管及连接管件。本次工程采用二级干管：主干管、分干管。支管在滴灌系统中起控制滴灌带适宜长度、划分轮灌区的作用。

2.3.1 系统设计参数确定

根据规范要求及相关数据可得滴灌系统基本参数，以棉花为例，滴灌系统基本参数见表1。

表1 滴灌系统基本参数表

2.3.2 灌溉制度

2.3.2.1 灌水定额

项目区种植作物为冬小麦、棉花、玉米、食用葵，以棉花为例计算灌溉制度[4]。公式如下：

m=0.001γZPW(θmax-θmin)

(1)

PW=nSeSw/StSr×100%

(2)

式中：γ为土壤容重，取γ=1.40 g/cm3(根据当地提供资料)；PW为土壤湿润比，PW=71.4%，根据规范要求取0.7；Se为滴头间距，取0.3 m；Sw为湿润带宽度，取0.5 m；St为作物株距，取0.10 m；Sr为作物行距，取0.3 m；n为单株作物所占有的灌水器数目，取0.15个；θmax、θmin分别为土壤含水率上下限，分别按田间持水量的90%和65%，即θmax=21.6，θmin=15.6。

则灌水定额：m=0.001γZPW(θmax-θmin)=29.9 mm，本次设计灌水定额取29.9 mm=20 m3/亩=300 m3/hm2。

2.3.2.2 灌水周期

依据《微灌工程技术规范》(SL 103-1995)中公式：

T=m/la

(3)

式中：T为设计灌水周期，d；la为设计时作物的耗水强度，mm/d，取la=6 mm/d。

经计算，T=30/6=5.0 d，灌水周期取5 d。

2.3.2.3 一次灌水延续时间

公式如下：

t=(m′×Se×SL)/qd

(4)

式中：t为一次灌水持续时间，h；m′为设计毛灌水定额，m′=Tla/η=31.6 mm；SL为毛管间距，为一管两行布置，毛管平均间距为SL=0.9 m；qd为灌水器流量，取1.8 L/h。

经计算，t=4.74 h，取5 h。

2.3.2.4 最大轮灌组数

设计轮灌组不超过最大轮灌组数，且与轮灌组数尽量接近比较经济。最大轮灌组数根据下式进行计算：

Nmax=INT[TC/t]

=INT[5×20/4.5]=22组

(5)

式中：N为轮灌组数；T为灌水周期；t为灌水时间；C为每天运行小时数，取20 h。

2.3.2.5 项目区其余作物灌溉制度

项目区计划种植冬小麦、棉花、玉米、食用葵，计算方法与冬小麦相同，计算结果见表2。

表2 各种作物灌溉制度统计表

2.3.3 滴灌系统设计工作制度

根据项目区实际面积、地块现状，为了便于管理，根据管网布置形式对滴灌系统划分轮灌组，划分的轮灌组数不应大于22组。轮灌组划分见表3。

表3 轮灌组统计表(棉花)

2.3.4 灌区小区水力设计

一条支管所控制的面积为一个灌水小区，根据规范要求，灌水小区内灌水器设计允许流量偏差率[qv]≤20%，故本次设计取qv=20%。

1)灌水器工作水头偏差率。公式如下：

hv=qv[1+0.15qv(1-x)/x]/x

(6)

式中：x为灌水器流态指数，取0.5。则hv=0.412。

2)灌水小区允许水头偏差。公式如下：

[Δh]=hvha

(7)

式中：ha为滴头设计工作水头，取10 m。

则[Δh]=4.12。

3)灌水小区允许水头差的分配。公式如下：

根据规范要求，分配给毛管的水头差可取设计允许水头差的50%，则毛管和支管的允许水头差为：[Δh]毛=2.06 m；[Δh]支=2.06 m。

2.3.5 系统水力设计

2.3.5.1 管段设计流量

根据项目区管道布置形式和轮灌组划分，确定系统设计流量和管道流量，滴管系统各管段流量计算见表4。

表4 滴管系统各管段流量计算表

2.3.5.2 管径的选择

表5 滴灌系统管径取值表

2.3.5.3 水力计算

干管、分干管、水头损失计算：

hw=hf+hj

(8)

hf=fQmL/db

(9)

hj=hf×10%

(10)

式中：hw为总水头损失，m；hf为局部水头损失，m；hj为沿程水头损失，m；f为摩阻系数；Q为管段设计流量，L/h；m为流量指数；d为计算管径，mm；b为管径指数；L为管段长，m。

对滴灌系统，用所选管径选择最不利灌水小区进行管道水头损失计算，计算结果见表6。

表6 滴灌系统最不利灌水小区田间管网水力计算表

2.3.5.4 支管水力计算

支管选用压力等级0.25 MPa、管径为Φ90的PE管。支管的单侧铺设长度为60～65 m，选择长度最大的支管进行计算，即L=61 m，则支管水头损失计算公式与毛管一致，计算结果见表7。

表7 PE支管水力计算表

2.3.5.5 毛管水力计算

1)毛管极限孔数和极限长度。毛管沿南北向布置，地面坡度约为2‰，可视为平坡。毛管极限孔数和极限长度依据规范中相关公式进行计算。

毛管极限孔数Nm依据以下公式进行计算：

Nm=(5.446[Δh]毛d4.75/kSeqd)0.364

(11)

式中：Nm为毛管极限孔数；[Δh]毛为毛管允许的水头偏差，取2.06 m；d为毛管内径，取15.64 mm；k为水头损失扩大系数，取1.15；Se为滴头间距，取0.3 m；qd为滴头流量，取1.8m3/s。

经计算得，Nm=264个。

毛管极限长度计算：

Lm=S(Nm-1)+S0

(12)

式中：Lm为毛管极限长度；S为分流孔间距，取0.3 m；S0为毛管进口至首孔的间距，取0.15 m。

经计算得，Lm=79.2 m。

根据昌吉市已建成滴灌工程的经验和当地地形，取毛管单侧铺设长度为61 m。

2)毛管水头损失计算。毛管选用工作压力0.1 MPa、单侧铺设长度为61 m的滴灌带，孔口间距0.3 m，单孔流量为1.8 L/h，灌水均匀度为Cu=0.95。毛管水头损失计算公式如下：

hf=fsqdm/db/[(N+0.48)m+l/(m+l)-Nm×(l-S0/S)

(13)

式中：hf为毛管水头损失，m；f为摩阻系数；s为滴头间距，m；qd为滴头设计流量，L/h；m为流量指数；d为计算管径，mm；b为管径指数；N为毛管上的滴头数；S0为多孔管首孔间距，m。

经计算，毛管水头损失计算结果见表8。

表8 毛管水力计算表

3 结 论

本文对昌吉试验场高效节水农田进行滴灌工程设计，对项目区水源进行选择分析，确定工程使用的管材，对滴灌系统中的设计参数、灌溉制度、工作制度以及系统相关水力计算进行计算分析。结论如下：本次项目区水源为头屯河河水和地下水，选择的管材为田间干管和分干管采用PVC-U管、支管采用PE管，对工程中需要的水力计算在文中进行了详细介绍。此次研究设计的滴灌工程能够一定程度上解决灌区农业缺水问题，并且能够改善灌区的灌溉条件，缓解灌区生态环境日益恶化情况[5]。