滴灌技术在吐鲁番市艾丁湖乡葡萄滴灌工程中的应用

赛衣旦·艾力

(新疆水利水电科学研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 概述

吐鲁番市位于新疆维吾尔自治区中部，东临哈密，西、南与巴音郭楞蒙古自治州的和静、和硕、尉犁、若羌县毗连，北隔天山与乌鲁木齐市及昌吉回族自治州的奇台、吉木萨尔、木垒县相接。艾丁湖乡位于吐鲁番市西南15 km处，所在位置低于海平面100 m。

艾丁湖乡由于独特的地理环境，区内日照充足，光热资源丰富，年总日照时数为3000 h～3200 h，日照率为69%，年平均气温为14.1℃，极端最高气温为47.7℃，全年无霜期271 d，全年降雨量为16.6 mm，蒸发量为2844.9 mm。由于艾丁湖乡得天独厚的地理位置及丰富的光热资源条件，有利于多种植物生长，形成了以粮、棉、瓜菜、葡萄、孜然为主的多种种植结构。

吐鲁番市位于天山东部盆地，四面环山，气候为典型的大陆性暖温带荒漠气候。项目区地形较平坦，总的地形为南高北低，坡度3‰；地形起伏不大，各田块的地形坡度大部分在1‰～3‰之间。

2 工程设计

20世纪90年代开始滴灌在新疆兵团地区得到了广泛的应用，尤其是以棉花为代表，不仅节约了水量，也提高了产量。本文选择具有典型代表性的滴管形式进行典型设计，依托吐鲁番市艾丁湖乡机井加压葡萄滴灌工程。

本工程拟在吐鲁番市艾丁湖乡实施300亩葡萄滴管，水源为井水、采用机井加压滴灌的灌溉型式。单井出水量100 m3/h，井水的水质、水量均满足滴灌用水的要求。工程建设内容主要包含田间地埋管道工程、田间地面管道工程、首部设备和变配电设备及安装工程。

2.1 基本资料

项目区为山前倾斜平原，由北向南部艾丁湖倾斜，第四系沉积厚度200 m～700 m，地下水储存特征受地貌控制呈现纵向和横向的变化。纵向上由山前冲洪积扇顶部以卵砾石地层为主，向南过渡艾丁湖一带以粘土地为主，地下水类型也相应由单一潜水过渡到潜水、承压水、自流水共存，富水性由富到贫，在横向上，受火焰山水系及吐鲁番构造缺口的控制，表现为横向差异，在各泉水沟口及吐鲁番构造缺口地下水储存条件较好，而在其扇间地带地下水赋存条件变差。项目区土壤质地为灌耕土，土壤容重1.5 g/cm3，田间持水量为27%(干土重量)，土层较厚，土壤宜耕性较好，适宜耕种。

2.2 工程设计参数

项目区种植葡萄，种植模式采用行株×距行为4.5 m×1 m。主要的设计内容包括水源设计、设计耗水强度的确定、土壤湿润比的选择以及滴灌带的选择和布设方式。

1)水源设计

本次滴灌系统采用井水作为灌溉水源，机井动水位20 m，单井出水量100 m3/h，系统设计流量99.95 m3/h。根据《井用潜水泵型式和基本参数》水泵选型为250QJ100-54，额定流量100 m3/h，额定扬程54 m，配套功率25 kW。

因为井水滴灌区在全生育期内全靠井水灌溉，故必须考虑单井出水量所能担负的灌溉面积。本次设计根据拟采用滴灌条田的具体情况，再根据单井所能控制面积的大小来具体确定系统的规模。

单井可灌溉面积依据《微灌工程技术规范》计算：

Ia=IC-P0

式中：A为灌溉面积，hm2；η为灌溉水有效利用系数，根据规范取0.9；Q为水井的出流量，100 m3/h；Ia为设计供水强度，mm/d；8 mm/d；t为水源每日供水时数，18 h/d；P0为有效降雨量，吐鲁番市降水量小，P0可忽略不计。

单井出水量代入上式计算得：单井应控制面积303亩，根据地块管网布置后系统实际滴灌面积300亩。项目区防护林位于条田周边，灌溉时与作物错开时间进行灌溉。

2)设计耗水强度的确定

①设计耗水强度根据以下公式计算得：

IC=KCKrEO

式中：IC为设计日水强度，mm/d；KC为作物修正系数，葡萄KC=1；Kr为覆盖率影响系数，Kr=1；EO为最大蒸散7月份日平均参照作物蒸发量，吐鲁番市EO=8 mm/d(当地实测)。

代入上式，计算得：IC=8 mm/d。

②系统有效工作时间C，取19 h。

3)滴灌带选择及布设方式

在土壤质地一定的情况下，滴灌带上的滴头流量、间距以及滴灌带布设间距是影响土壤湿润比的主要因素；同时滴灌带上的流量和间距还是影响滴灌带铺设长度的关键因素。因此，滴灌的选择和布设是非常重要的技术环节，应根据土壤质地、葡萄的种植方式、支管间距等因素合理选取。

为达到满意的铺设长度并满足土壤湿润比的要求以及生产厂家的产品，选择内径φ16 mm的单翼迷宫式滴灌带(PE)，壁厚0.18 mm，滴水口间距0.3 m，工作压力0.05 MPa～0.1 MPa，滴灌带的参数表见表1。项目区土壤质地中等，为砂壤土，种植葡萄，葡萄种植模式为：行距4.5 m×株距1 m，毛管两管一行。滴灌带平均铺设间距为2.25 m，沿种植方向铺设。

表1 滴灌带参数表

4)土壤设计湿润比的确定

《微灌工程技术规范》(GB/T 50485-2009)中明确了葡萄、瓜类的设计湿润比为30%～50%，经计算，本设计土壤湿润比根据《滴灌工程规划设计原理与应用》中公式计算：

式中：P为土壤湿润比；n为每棵作物的滴头数，n=3.3333；Se为滴头沿毛管的间距，Se=0.3 m；Dw为湿润带宽度，Dw=1.64 m；St为每棵作物株距，St=1 m；Sr为作物平均行距，Sr=4.5 m；因此湿润比P=3.3333×0.3×1.64/1/4.5=36.44%。

2.3 设计灌溉制度的确定

1)最大净灌水定额Mmax

由项目区土壤资料，土壤干容重为1.5 g/cm3，田间持水量为27%(重量比)。葡萄的计划湿润层深度采用110 cm；土壤湿润比为36.44%；土壤含水量上下限选用90%和65%，计算最大灌水定额为：mmax=0.001γzp(θmax-θmin)Mmaxγzp(θmax-θmin)，计算得Mmax=40.59 mm

2)设计灌水周期T

T=mmax/Ia=5.07 d，设计灌水周期T应≤Tmax，因此葡萄设计灌水周期取5 d。

3)设计灌水定额

m设净=T×Ia=5×8=40 mm=26.68 m3/亩

m毛=m设净/η=26.68/0.9=29.64 m3/亩

4)设计一次灌水延续时间

5)轮灌组数N

日工作时数19 h，则：N≤CT/t=19×5/19=5，即一个灌水周期最多采用5个轮灌组。

6)日工作轮灌组数

n=N/T=19/19=1组

具体设计参数见表2。

表2 系统设计参数汇总表

2.4 田间系统设计

1)管网布置

系统控制区灌溉面积300亩，控制区地势南高北低，西高东低，地面坡降3/1000左右。地块东西长400 m，南北宽500 m。机井位于地块南侧中部，管网采用“梳”式布置，分为干管→分干管→支管(PE软带)→毛管，四级管道结构，一条支管(PE软带)与其控制的毛管构成一个灌水小区。具体布置见图1。

图1 葡萄滴管典型设计布置图

2)灌水小区水力设计

①流量偏差率qυ

《微灌工程技术规范》(GB/T 50485-2009)3.0.9条规定，灌水器设计流量允许偏差率应不大于20%，本工程取qυ=20%。

②水头偏差率[hυ]

滴灌带流态指数x=0.6，qυ=20%，代入得：

③灌水小区允许压力偏差

[Δh]=[hυ]·ha，公式，又因ha=hd，可得：[Δh]=3.4 m

④小区允许水头偏差的分配

小区允许水头偏差在支管和毛管间分配，由于地面坡降0.3%左右，视为平坡。平坡分配比例取β2=0.5。

[Δh毛]=β2[Δh]=0.5×3.4=1.7 m；

[Δh支]=β2[Δh]=0.5×3.4=1.7 m

⑤滴灌带极限孔数和极限长度

毛管铺设方向为东西向，项目区地形坡度较小，计算毛管铺设长度时不考虑地形影响。

滴灌带极限孔数Nm按《微灌工程技术规范》(GB/T 50485-2009)公式计算得。

式中：qd为滴头的设计流量，qd=3.2 L/h；d为滴灌带直径，管内径d=16 mm；[Δh2]为毛管允许水头偏差，1.7 m：k为水头损失扩大系数，k=1.1～1.2，本设计中k取大值为1.1；Se为毛管上分流孔的间距，Se=0.3 m。

计算得Nm=193个。

滴灌带极限铺设长度Lm：

Lm=Se(Nm-1)+S0=0.3(193-1)+0.15=57.75 m

根据上述计算，滴灌带的极限铺设长度为57.75 m，本次管网设计中滴灌带单向铺设长度控为50 m。

⑥支管设计

根据上述计算，支管极限铺设长度为78.75 m，本次管网设计中的支管单项铺设长度为62.5 m。

支管长度62.5 m，一条支管62.5/4.5=14对毛管，即支管上有14个出水孔，毛管单向铺设长度50 m时，支管上单孔流量为1060 L/h，支管流量为1060×14=14960 L/h。

支管(PE软带)内径采用张志新主编《滴灌工程规划设计原理与应用》一书中公式(13-32)计算确定：

支管各计算参数取值见表3。经计算，设计支管选用外径63 mm的增强PE管，壁厚0.9 mm，压力等级为0.25 MPa。

表3 支管管径计算表

2.5 各级管道及水力计算

1)设计流量推算

①毛管流量

毛管长度均为50 m，滴头流量为3.2 L/h，滴头间距为0.3 m，毛管流量为：Q毛=(L毛/Se)×qd=(50/0.3)×3.2=530 L/h。

②支管流量

支管长度均为62.5 m，毛管流量为530 L/h，毛管间距为4.5 m，支管流量为：Q支=(L支/SL)×Q毛=(62.5/4.5)×530×2=14960 L/h。

③分干管流量

一条分干管流量为同一分干管上同时开启的所有支管流量之和。根据系统管网布置方案及轮灌方式，1条分干管上同时开启2条支管，故：Q分干=Q支×2=29.92 m3/h。

④干管流量计算

按照系统设计运行工况，同时工作的分管流量等于干管流量，干管流量就是系统总流量，即：Q干管=29.92×4=119.68 m3/h。

2)干管、分干管管径计算

管道管径的确定方法选择经济流速法，塑料管材的经济流速一般取v=1.2 m/s～1.8 m/s，取v=1.5 m/s，PE管材不大于3.5 m/s。

管径计算公式：

式中：d为管内径，m；Q为管内流量，m3/s；v为管内流速，m/s。

按照干管、分干管最大流量代入上式计算管内径。根据计算的结果参照厂家管材规格，结合系统运行方式选取合适干管和分干管管径，系统PVC干管选用管径125×3.9/0.63、90×2.8/0.63，分干管选用管径90×2.8/0.63。

3)水头损失计算

①干管、分干管水头损失计算

管道沿程水头损失依据《微灌工程技术规范》计算得：

局部水头损失为沿程损失的10%估算。

②支管、毛管沿程水头损失计算

支管、毛管沿程水头损失可按下式计算：

hf′=hf×F

式中：F为多孔系数。

局部水头损失可按沿程水头损失的一定比例估算，支管宜为0.05～0.1，毛管宜为0.1～0.2。

4)设计管道系统工作水头

按照规范滴灌系统设计水头，应在最不利轮灌组条件下按下式计算：

H0=Zp-Zb+h0+∑hf+∑hj

滴灌系统管网水头计算结果见表4。

表4 典型系统最不利线路水头损失及设计水头计算表

通过上述计算内容，可以确定管道的型号及首部水泵的型号及材料等。

3 结语

本次设计选取吐鲁番市艾丁湖乡300亩葡萄为例，充分利用地势地形，在灌水小区布设服从葡萄栽培田间林网及道路规划，主要根据葡萄田间管理要求和防护林布置要求确定，滴管技术在葡萄中的应用较大的提高了葡萄的产量，为今后在吐鲁番地区其他乡镇土壤栽培技术上提供了设计依据。