滴灌工程設(shè)計(jì)中支管設(shè)計(jì)與選擇探析

□王 燕(新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司石河子分公司)

0 前言

滴灌是將肥料、水分以及農(nóng)藥等物質(zhì)通過(guò)滴灌直接作用到植物的根系、降低植物棵間的蒸發(fā)從而有利于作物生產(chǎn)和發(fā)育的現(xiàn)代化灌溉技術(shù)。滴灌技術(shù)的基本原理是將有壓水進(jìn)行過(guò)濾，必要時(shí)連接可溶性的農(nóng)肥等物料一起，通過(guò)管路系統(tǒng)輸送到滴頭，以水滴形式向農(nóng)作物供給水分和養(yǎng)分。滴灌中支管是重要的組成部分，對(duì)于滴灌系統(tǒng)作用的發(fā)揮意義重大。

1 滴灌設(shè)計(jì)中支管的質(zhì)量與檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

目前常用于滴灌系統(tǒng)的支管類型主要有2種：低密度聚乙烯管和納米材料改性PE輸水軟管。

1.1 低密度聚乙烯管

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB6674-86以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SL/T96.2-1994使用。上述國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定低密度聚乙烯樹(shù)脂為主要原料，經(jīng)過(guò)加壓成型，用于輸送滴灌用水過(guò)程中所應(yīng)滿足的技術(shù)條件、基本參數(shù)以及檢測(cè)規(guī)則。

用于滴灌的低密度聚乙烯管公稱壓力等級(jí)可以分為0.25MPa和0.40MPa。管材規(guī)格用de*e/p來(lái)表示，其中de為公稱外徑（mm），e為公稱壁厚（mm），p為公稱壓力（MPa）。

1.2 納米材料改性PE輸水軟管

該軟管一般的包裝是每卷凈重>9 kg，并且每卷段數(shù)凈重在4 kg以上。外壁、內(nèi)壁光滑，色澤均勻，不能有1mm以上的晶點(diǎn)，晶點(diǎn)不能團(tuán)聚出現(xiàn)。管壁厚度要滿足國(guó)家相關(guān)規(guī)定（具體規(guī)定見(jiàn)表1），公稱外徑以及極限偏差需要滿足表2規(guī)定，物理性能滿足表3規(guī)定。通過(guò)對(duì)于軟管的測(cè)試采用在20℃0.20MPa壓力下，水管保持1 h的不滲漏不破裂為合格產(chǎn)品。

2 支管選擇探究

2.1 滴灌工程中支管的選擇是滴灌系統(tǒng)的關(guān)鍵因素

支管長(zhǎng)度要以滿足灌區(qū)內(nèi)灌水的均勻度作為基本要求。灌水區(qū)域的流量偏差值以及內(nèi)壓力要滿足《規(guī)范》的相關(guān)要求。在規(guī)范中，通過(guò)一條支管控制的灌區(qū)為一個(gè)區(qū)域，灌水區(qū)域主要構(gòu)成是支管以及支管所控制的相關(guān)毛管。采用不同的灌水器、改變調(diào)壓位置，就會(huì)產(chǎn)生不同的灌水區(qū)域，同時(shí)灌水壓力設(shè)計(jì)也不同。

表1 PE管壁厚以及偏差表

表2 PE管公稱外徑和偏差表

表3 PE管物理參數(shù)指標(biāo)表

支管與毛管所構(gòu)成的灌水系統(tǒng)，允許水頭的偏差要控制在毛管間進(jìn)行分配，支管管徑根據(jù)上述分配的允許水頭偏差值進(jìn)行確定。而支管、輔管以及毛管所組成的灌水區(qū)域，區(qū)域內(nèi)允許的水頭偏差要在支管及輔管和毛管間進(jìn)行分配。運(yùn)行時(shí)，多個(gè)或單個(gè)灌水區(qū)域構(gòu)成一個(gè)輪灌組。在滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要任務(wù)是確定允許水頭偏差，根據(jù)偏差分配并確定毛管的孔數(shù)和長(zhǎng)度，以及確定支管的合適長(zhǎng)度和選擇材料。

2.2 支管間距由毛管實(shí)際鋪設(shè)長(zhǎng)度所制約

根據(jù)鋪設(shè)方向地塊的面積合理調(diào)整和決定。毛管長(zhǎng)度長(zhǎng)，支管間距就大，支管列數(shù)相應(yīng)減少，這對(duì)于降低管網(wǎng)系統(tǒng)的投資和經(jīng)濟(jì)性有重要作用。

2.3 支管實(shí)際鋪設(shè)長(zhǎng)度決定分干管的列數(shù)

鋪設(shè)長(zhǎng)度長(zhǎng)，分干管列數(shù)會(huì)相應(yīng)減少，對(duì)降低管網(wǎng)系統(tǒng)投資起到明顯的積極作用。在滴灌設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了滿足系統(tǒng)壓力均衡，必要時(shí)要在支管的進(jìn)口處設(shè)置壓力流量調(diào)節(jié)器。

3 滴灌系統(tǒng)中支管設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)用

3.1 項(xiàng)目地理位置與情況

北泉鎮(zhèn)在新疆石河子地區(qū)境內(nèi)，位于天山北麓中段，準(zhǔn)噶爾盆地南緣，地處瑪納斯河洪積扇和沖積平原交接處，北緯44°18′49″～44°38′26″，東經(jīng) 85°52′31″～86°07′25″，土地總面積37304.60 hm2?？倛?chǎng)東北隔瑪納斯河與瑪納斯縣相望，西與石河子地區(qū)毗鄰，南隔烏伊公路與石河子城區(qū)相接，南北地域分屬石河子市和石河子地區(qū)，具有緊靠城市的地緣優(yōu)勢(shì)。

3.2 項(xiàng)目區(qū)域自然條件

3.2.1 地形地貌

石河子北泉鎮(zhèn)海拔高度360~449m之間，鎮(zhèn)內(nèi)地形基本平坦，總的趨勢(shì)是南高北低，東高西低，地面坡降南部較大，并由南向北逐漸變緩，鎮(zhèn)內(nèi)自然溝多，在南半部由東向西比較大的泉溝有蔡家溝、亂泉溝、小泉溝、百泉溝、大泉溝、二龍泉等，在西岸大渠以北除了大泉溝和小泉溝貫穿全場(chǎng)以外，還有板橋河、響水溝等泉溝。

3.2.2 氣候

項(xiàng)目區(qū)地處亞歐大陸腹地，受西風(fēng)帶控制，遠(yuǎn)離海洋，是典型的大陸性氣候，除天氣變化多端、冷暖交替明顯的特點(diǎn)外，還具有夏季干熱、短促，冬季酷冷而漫長(zhǎng)，冬夏溫度趨于極端，春季急劇升溫，秋季急劇降溫的特點(diǎn)。

3.2.3 水資源

3.2.3.1 地表水

北泉鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)具有典型的灌溉綠洲農(nóng)業(yè)特點(diǎn)，降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈。農(nóng)業(yè)用水地表水主要來(lái)源于4條河流，自東向西依次為瑪納斯河、小泉溝、大泉溝和秦家渠，皆為南北流向。北泉鎮(zhèn)年均引水量為15933萬(wàn)m3，主要引用瑪納斯河水量為7300萬(wàn)m3，其余3條河流年均引水總量為8633萬(wàn)m3。項(xiàng)目區(qū)由于地下水豐富，加之引用的地表水水質(zhì)太差，不適宜灌溉，目前項(xiàng)目區(qū)全部開(kāi)采地下水，沒(méi)有使用地表水資源。

3.2.3.2 地下水

項(xiàng)目區(qū)地下水主要來(lái)源于瑪納斯河河道滲漏補(bǔ)給，其次是上游田間灌溉滲入以及泉水滲出補(bǔ)給。

從勘探試驗(yàn)井的情況看，項(xiàng)目區(qū)地下水水質(zhì)很好，為淡水、優(yōu)質(zhì)水，安全適用，具有開(kāi)采價(jià)值。水化學(xué)類型較優(yōu)，礦化度為0.15~0.58 g/L，總硬度為60.50～205.16mg/L，適宜灌溉。根據(jù)水利局提供的資料，項(xiàng)目區(qū)地下水補(bǔ)給量4734.66萬(wàn)m3，開(kāi)采系數(shù)取0.40，可開(kāi)采量為1893.90萬(wàn)m3。

3.3 支管管徑設(shè)計(jì)與計(jì)算

項(xiàng)目區(qū)種植作物為棉花，根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)，確定棉花種植模式為：一膜兩管六行,行間距(10cm+66 cm+10 cm)+66 cm+(10 cm+66 cm+10 cm)。滴灌帶平均間距1.14m，毛管選用單翼迷宮式滴灌帶(型號(hào)為WDF16/2.1-100)，內(nèi)徑為16mm，毛管間距為1.38m，滴孔間距0.30m，滴孔額定流量2.10 L/h(額定壓力10m水頭)，工作水頭10m，支管長(zhǎng)度為30m，毛管長(zhǎng)度為50m。3.3.1水頭偏差率計(jì)算

為了保證滴頭滴水均勻度，根據(jù)《微灌工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T50485-2009)要求，灌水器設(shè)計(jì)流量允許偏差率qv≤20%。灌水器水頭偏差和流量偏差之間滿足關(guān)系式：

式中：x—滴頭流態(tài)指數(shù)，取0.60；qV—設(shè)計(jì)灌水器流量偏差率，20%；hV—設(shè)計(jì)灌水器水頭偏差率，%。

代入數(shù)據(jù)，計(jì)算得到允許水頭偏差hV=0.33。灌水器工作壓力為10m，允許壓力偏差為3.30m，是毛管和支管允許壓力差的和。為了利用允許的壓力差獲得合理的管徑，本設(shè)計(jì)的允許壓力差按管網(wǎng)布置、毛管實(shí)際的損失進(jìn)行分配，除去毛管總損失后，就是支管的允許壓力差。

3.3.2 支管流量計(jì)算

毛管進(jìn)口流量:Q毛=Nmq支管進(jìn)口流量:Q支=Nq

式中：Q毛—毛管進(jìn)口流量，L/h；Q支—支管進(jìn)口流量，L/h；Nm—1條毛管上的灌水器數(shù)量；Nz—1條支管所轄毛管上的灌水器總數(shù)；q—灌水器滴頭流量，L/h。

3.3.3 支管允許壓力差計(jì)算

支管允許壓力計(jì)算采用下式計(jì)算：

式中：hf—管道沿程水頭損失，m；F—摩阻系數(shù)；Q—管道流量，L/h；d—管道內(nèi)徑，mm；L—管長(zhǎng)，m；m—流量指數(shù)；b—管徑指數(shù)。

由于項(xiàng)目選用的為PE管，所以：摩阻系數(shù)f=0.505；流量指數(shù)m=1.75；管徑指數(shù)b=4.75。

帶入數(shù)據(jù)計(jì)算，得到

4 結(jié)語(yǔ)

支管是滴灌系統(tǒng)中一個(gè)主要的組成部分，對(duì)灌水起著控制作用。在進(jìn)行支管設(shè)計(jì)和選擇時(shí)，一是根據(jù)灌水區(qū)域灌水器流量的偏差率≤20%的相關(guān)規(guī)定以及壓力偏差率和流量差的關(guān)系計(jì)算支管、毛管共同水頭損失；二是采取允許壓力差來(lái)計(jì)算和選擇支管的管徑，這也要滿足支管、毛管共同損失≤3.30m的控制性指標(biāo)的要求。