浅谈小管出流工程设计——以黄花滩田间配套工程为例

刘兴国

(兰州新区市政设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730000)

1 基本资料

古浪县黄花滩田间配套工程项目区土地为新开垦土地，地形平缓，区域适宜灌溉种植经济林、饲草、山药、枸杞等作物，采用渠灌、管灌、滴灌和微喷等多种节水灌溉方式，考虑灌区水源条件、地形坡度、作物生长期风速、蒸发量、土壤的渗透性和保水性、土壤含盐量、作物品种、群众管理水平等影响因子，分析认为灌区紧邻沙漠，风沙较大，不适宜明渠输水，适宜的田间节灌模式应以大田滴灌为主，经济林以微灌(小管出流)为主[1]。

该工程1号地块灌溉面积33.33hm2，种植作物为枸杞，采用小管出流灌溉方式，灌溉水源为景电二期古浪灌区北分干渠。

2 设计参数

参照《微灌工程技术规范》SL103规定，并根据灌区自然条件和经济条件，小管出流设计参数取值如下。设计灌溉保证率90%；设计土壤湿润比,根据灌区的气候条件、土壤质地、作物、灌水器布置方式以及投资因素，取设计土壤湿润比为40%；计划湿润层深度，根据作物根系分布状况，取65cm；作物耗水高峰期日耗水强度，根据当地气象条件、作物类型，参照灌溉试验资料和《微灌工程技术规范》，作物耗水高峰期日耗水强度取4.5mm·d-1；灌溉水的利用系数0.90；土壤容重，典型区土壤为壤土，干容重取1.5g·cm-3；田间持水率24%(占干土重%)[2]。

3 灌溉制度

3.1 设计灌水定额m

m=0.1γzp(θmax-θmin)/η

式中，m为设计灌水定额，mm；γ为土壤容重，1.5g·cm-3；z为计划土壤的湿润层深度，0.65m；θmax、θmin为土壤适宜含水率(占干土重量的百分比)的上下限，分别90%、60%；η为灌溉水利用系数，0.90。

项目区土壤为沙壤土，田间持水率为22%～30%，设计取24%。

经计算，设计灌水定额m=31.2mm。

3.2 设计灌水周期T

T=(m/Ea)η

式中，m为灌水定额，mm；Ea为作物日耗水强度，鉴于作物类型、气象条件，高峰期日耗水强度为4.5mm·d-1；η为灌溉水利用系数，0.90；计算得T=6.2d，采用6d。

3.3 1次灌水时间t

灌水时间计算公式：

式中，t为1次灌水延续的时间，h；q滴为灌水器设计流量，10L·h-1。

经计算,需水高峰期的轮灌组1次延续灌水时间为6.2h。

3.4 轮灌组划分

式中，N为轮灌组的数目，个；C为系统1d的运行小时数，20h。

计算得，N≤18，故最大轮灌组数为18组。

4 系统工作制度

4.1 管网布置

1号地块划分为一个灌溉系统，利用已建沉淀池，从北分干渠取水，经沉淀池沉淀后，系统采用钢管联接离心泵加压供给微灌系统，水泵采用一用一备，首部枢纽安装在设备房内，设备房布置在沉淀池旁。系统管网呈梳齿状布置，水泵出水口布置干管[3],长330m，垂直干管布置支管，共5条，总长3739m，具体见1号地块平面布置图。

4.2 轮灌组划分

1号地块控制灌溉面积33.33hm2，140个灌水小区。为使系统流量减小，工程投资降低，系统采用轮灌工作制度，每天灌水时间为20h，因此轮灌组数为18组，微灌系统轮灌组划分情况见表2。

图1 1号地块平面布置图

表1 小管出流系统灌溉制度计算成果表

表2 1号地块微灌系统轮灌制度表

5 灌水小区设计

5.1 作物种植情况

项目区枸杞采用小管出流灌溉方式，种植模式：行距×株距(2.0m×1.0m)。

5.2 灌水器选择与布置

5.2.1 灌水器选择

小管出流的灌水器由Φ4塑料小管、稳流器和接头连接插入盲管壁而成，其工作压力低，孔口大、不易被堵塞，小管间距为1m。盲管采用内镶式滴灌管，管径16mm，盲管布置方向与枸杞种植方向一致，根据种植的行距，每行作物布置一条灌水盲管，盲管间距2.0m。稳流器流量10L·h-1，设计工作压力10m，流态指数0.4，稳流器后接Φ4mm出流小管引水至作物根部灌溉，使用年限3～5a。

5.2.2 滴灌管、盲管最大铺设长度计算

5.2.2.1 允许水头偏差率

灌水器设计允许流量的偏差率qv≤20%，由流量偏差率qv推求灌水器工作水头偏差率HV。

根据上式计算可得hV=34%。

5.2.2.2 灌区小区允许水头的偏差

[△h]=[hv]hd

允许的水头偏差计算为3.4m。

5.2.2.3 小区允许水头偏差分配

盲管及辅管间的分配，分配比例为0.45∶0.55。

盲管允许水头的偏差：

[△h2]=b2[△h]=0.45×3.4=2.35m

辅管允许水头的偏差：

[△h3]=b3[△h]=0.55×3.4=2.87m

5.2.2.4 盲管极限孔数和极限长度计算

盲管极限孔数:

计算得出盲管极限孔数为36个。

盲管极限长度计算公式：

Lm=S(Nm-1)+S0

计算得出盲管极限长度为36m。

5.2.2.5 辅管极限孔数和极限长度计算

辅管极限孔数：

辅管极限长度计算：

Lm=S(Nm-1)+S0

计算出盲管极限孔数N=36个，即盲管极限长度36m。计算出辅管极限孔数N=29个，极限长度为56m。辅管允许水头偏差[ΔH]辅=2.35m，选用Φ63PE管，毛管间距2.0m。根据地块实际情况，按平坡计算辅管的极限长度，盲管及辅管极限长度计算结果见表3。

表3 盲管及辅管极限长度计算表

本次设计中辅管双向布置，盲管单向布置，长度随地块大小及作物的种植方向不同而不同。

5.3 系统流量计算

5.3.1 盲管设计流量

盲管采用滴灌管，出水孔流量qd=10L·h-1，出水孔间距1m，管径16mm，设计工作压力为10m。

5.3.2 辅管设计流量

设计采用辅管向盲管配水，流量为其控制的盲管流量之和。

5.3.3 支管、系统设计流量

根据轮灌方式，每次在1条支管上最多开启11条辅管。

支管流量：

Q支=NQ辅

式中，Q辅为支管上辅管的平均流量；N为支管上同时开启辅管的数量。

5.4 管材、管径选择

5.4.1 辅管及盲管选择

参考已建工程经验对管材及管径进行初步确定，结合水力计算，综合确定辅管采用PE管外径为Φ63mm(壁厚3.6mm)，盲管采用PE滴灌管Φ16mm(壁厚1.2mm)。

5.4.2 干支管选择

干支管管材选择应满足在管网系统最大压力下安全运行，统筹考虑运输安装使用难易程度及方便性、运行可靠性、管道里耐久性、工程造价等多方面，综合比较，本次干、支管均选用U-PVC管道。

干、支管管径按经济流速初选，在兼顾远期调整为管灌供水可能性的同时，管径适当选择富裕。管径计算公式：

式中，D为管道的内径,mm；Q为设计流量，m3·h-1；V为经济流速，m·s-1，取V=1.2m·s-1。

根据计算，干管选择250mm级别，支管选择160mm。详见表4。

5.5 管网水力计算

5.5.1 盲管水头损失计算

盲管沿途水头损失计算公式：

式中，hf为等距多孔管沿程水头损失,m；S为分流孔间距，1.0m；S0为多孔管进口至首孔的间距，0.5m；N为分流孔总数；qd为滴头设计流量，10L·h-1。

局部水头损失按沿程水头损失的10%计。

表4 1号地干支管管径选择计算表

5.5.2 辅管水头损失计算

辅管为多孔管，水头损失按照多孔出流计算。

5.5.3 主干管、支管水力计算

主干管、支管水头损失计算公式：

式中，hf为沿程水头损失,m；K为局部水头损失,m，K=1.1；f为摩阻系数，f=0.505；L为管长，m；Q为流量，L·h-1；d为管道内径，mm；m、b为流量指数和流态指数，m=1.77，b=4.77。

经计算得出，节点压力及流量满足灌溉系统要求，见表5水力计算结果。

表5 管网水力学计算成果

6 首部设计

首部枢纽设备包括加压泵、逆止阀、压力表、砂石过滤器、进排气阀、施肥罐、闸阀、压力表、网式过滤器、水表等。

6.1 过滤系统

系统水源为地表水，泥沙含量相对较大，考虑灌水器对水质的的要求，在已经布设沉沙池的基础上，系统过滤器选择砂石过滤器加筛网过滤器两级组合式过滤器，1号地灌溉系统的最不利轮灌组设计流量为136m3·h-1，选配SW-150两级组合过滤器。

6.2 设备

系统首部枢纽设置在管理房内，闸阀、排气阀、压力表、水表等为选用的控制、保护、量测设备，逆止阀设于过滤器之前，避免停泵时肥液倒流入沉淀池。压力表设于过滤器前后，若压差大于允许值，过滤器应当冲洗及时。

6.3 泵选型

管网总水头损失取最不利轮灌组，稳流器设计工作水头按10m计算，首部设备水头损失、水泵吸程高共取15m，流量及扬程满足灌溉系统工作要求，水泵选型具体见表6。

6.3.1 管网入口压力

Hin=∑(hf+hj)-ΔZ+Hg

式中，∑(hf+hj)为总损失(各级管网水头损失之和)，m；ΔZ为地面变差(管网入口至管网计算点)，m；Hg为10m，灌水器的工作压力[5]。

6.3.2 系统首部的水头损失

主要为管件及设备的局部损失，取系统首部及水泵进水管的水头损失h首=11.5m。

6.3.3 水泵安装高程

本工程水泵安装采用地下式，进水管位于池底，将加压泵安装在设备房旁边的泵井中，安装高程根据沉淀池池底高程综合确定，本工程中水泵相对安装高程为-3.5m。

6.3.4 水泵扬程

Hp=Hin+h首+hs

式中，Hp为水泵扬程，1号地为26m；Hin为压力(管网入口)，11.01m；h首为水头损失(系统首部)，11.5m；hs为水泵安装高程，-3.5m。

表6 小管出流各地块过滤器、水泵选型表

7 其它建筑物

其他建筑物包括闸阀井、排水阀井、设备房、水泵井[4]。

7.1 管沟开挖

干、支管埋深1.5m以下，管沟开挖底宽按照Φ200mm以上管径为“直径+0.5m”，Φ200mm以下管径为“直径+0.3m”设计，开挖边坡1∶0.4。

7.2 闸阀井、排水井

干、支管连接处设闸阀井，闸阀井为圆形，采用成品塑井，直径1.8m，深2.0m，支座直径1.8m，高0.21m，井盖直径0.7m，厚6cm。支管末端设排水井，排水井内径1.2m，采用预制砼结构，井底设碎石渗水。

7.3 设备房设计

设备房为一层砖混结构，面积36m2，开间为9m，进深为4m，层高3.0m。主体采用M10水泥砂浆砌砖结构、240mm砖墙，房屋四角设置钢筋砼构造柱，屋顶采用现浇C25钢筋砼结构，内墙粉刷为混合砂浆，外墙为粉刷涂料墙面，勒脚为外墙砖屋面防水材料为二道SBS，门窗采用钢质门窗，每座设备房开门1扇，结构尺寸2.1m×1.8m，单开；设备房内安装闸阀、砂过滤器、压力表、排气阀、施肥罐、网式过滤器等首部设备。

7.4 水泵井设计

水泵井布置在设备房旁，呈矩形，泵井尺寸为5m×3m×4m。井壁和井底为C25钢筋砼结构，井壁厚30cm，井底厚40cm。

8 结束语

目前甘肃省内灌区多采用渠灌、管灌、滴灌和微喷等多种节水灌溉方式，考虑到灌区水源条件、地形坡度、作物生长期、风速、蒸发量、土壤的渗透性和保水性、土壤含盐量、作物品种、群众管理水平等影响因子，灌区需采用适宜的田间节灌模式，黄花滩田间配套工程已实施运行，效果良好，本文以该工程1#地块小管出流为实例，对其他地区小管出流设计具有参考意义。