自壓滴灌無用電過濾裝置與系統(tǒng)流量平衡關系

穆哈西，尼亞孜·胡馬爾汗，吾買爾·吐爾遜(. 新疆農業(yè)大學水利與土木工程學院，烏魯木齊 83005；.阿勒泰地區(qū)哈巴河縣水利局，新疆 哈巴河 830000)

新疆是干旱缺水、蒸發(fā)量大、氣候干燥的地區(qū)。隨著工業(yè)發(fā)展和區(qū)域人口的增多，大量開墾荒地，農業(yè)用水劇增，天然草場荒漠化，用水矛盾日益突出。尤其是牧業(yè)灌區(qū)無電供應，實現(xiàn)節(jié)水灌溉的難度大。目前新疆牧業(yè)灌區(qū)存在的問題有：①由于進行地面灌溉，灌水量和地形坡度大等原因引起大量水土流失，灌區(qū)下游排水不暢，下游洼地沼澤化面積劇增，牧業(yè)種植面積萎縮；②地下水位上升導致土壤鹽堿化，棄田面積逐漸擴大。為解決無電牧業(yè)灌區(qū)存在的土壤流失、種植面積萎縮、土壤鹽堿化、棄田面積逐漸擴大等問題必須采用滴灌工程措施。

無電牧業(yè)灌區(qū)實現(xiàn)滴灌工程措施，首先解決滴灌工程首部水源的過濾問題，然后實施節(jié)水灌溉工程措施，最后解決灌水均勻度及系統(tǒng)流量的計算問題。

根據無電牧業(yè)灌區(qū)灌溉面積的特點，對研制的滴水調節(jié)器和自壓滴灌工程無用電過濾裝置模型進行試驗。將滴灌工程特點與水力學原理相結合，在渠道進水流量、調水池的調節(jié)流量及集水桶流量之間建立平衡關系，介紹了自壓滴灌工程系統(tǒng)流量的計算方法。

1 材料與方法

1.1 材 料

制作無用電過濾裝置模型，調水池高20 cm，長度20 cm，寬度20 cm。集水桶高50 cm，直徑20 cm的有機玻璃管制成。渠道長15 m，渠底寬10 cm，高度14 cm。

1.2 方 法

(1)水源的過濾方法。首先渠邊適宜處建進水閘，進水閘前設2級濾網，2級濾網間設反沖洗裝置(搖擺式噴頭)，打開進水閘后渠水流入調水池，水在調水池里再次沉淀[1]。打開集水桶的排氣閥后沉淀后的水流入集水桶內，調水池和集水桶底部都設排沙管，澆完水后調水池內進水管口以下的水反沖洗過濾網和排沙之用。就這樣充分利用自然地形落差，從而達到自壓滴灌工程首部水源的過濾、排沙、沖沙及自行沖洗的目的。

(2)保持灌水均勻度。為解決管道首末端出流量的均勻性，研制了滴水調節(jié)器。滴水調節(jié)器由盒子、浮子、控制開孔器、進水孔和出水孔組成。有壓的水流入盒子后由浮子移動控制滴水孔的開度，從而形成沿管道每個滴水孔出流量與壓力無關的等流多孔管。

(3)采用分塊設計法。分塊設計方法有：①鹽堿化的灌區(qū)和棄田根據鹽堿化程度栽種耐鹽黑枸杞和榆樹等灌木增加植被覆蓋度，以每棵樹作為單元安裝滴水調節(jié)器，解決毛管首末端流量的均勻性；②其余正在使用的灌區(qū)種植苜蓿、飼料玉米等作物，以每行作物為單元毛管首端安裝滴水調節(jié)器，解決支管首末端流量的均勻性，為無電牧業(yè)灌區(qū)實現(xiàn)節(jié)水灌溉技術提供理論依據。

2 結果與分析

2.1 首部過濾網流量平衡關系

無用電過濾裝置的原理是：打開渠邊閘門渠水2級過濾后流入調水池，調水池水位逐漸與渠水位齊平。打開集水桶的排氣閥后集水桶水位上升，調水池和集水桶水位差Δh減少，集水桶逐漸蓄滿。集水桶蓄滿水之后關閉集水桶的排氣閥，打開供水閥，此時集水桶內水位降低而產生負壓，短時間(Δt)內集水桶內降低水深(Δh)，相應的水量等于管道路徑充滿水所需的水量。在集水桶內的負壓作用下集水桶不斷吸入調水池內的水，渠道、調水池和集水桶連成整體(見圖1、圖2)，此時流量平衡式為：

Q渠≥Q調≥Q集=Q系

(1)

式中：Q渠為渠道提供的流量，m3/s；Q調為調節(jié)流量，是指進水管末端流出來供給集水桶的流量，m3/s；Q集為集水池的流量，是指提供系統(tǒng)的流量，m3/s；Q系為系統(tǒng)流量，是指提供支管的流量，m3/s。

圖1 渠道連接無用電過濾裝置剖面圖Fig.1 Channel connection useless filter section 注：1-地面；2.梯形渠底；3-渠邊坡；4-渠水位；5-渠內坡攔泥網；6-逆坡；7-閘前攔泥網和反沖器；8-閘門和太陽能板；9-調水池；10-進水管；11-排污管；12-排污閥；13-集水桶地埋部分；14-集水桶內攔污網；15-供水閥；16-供水管；17-集水桶；18-排氣管；19-排氣閥。

圖2 無用電過濾裝置安裝圖Fig.2 Useless electric filter installation plan注：編號代表的意義同圖1。

2.2 毛管流量計算

用管道輸水的任何節(jié)水灌溉工程，滴頭的滴水流量必須小于等于土壤下滲能力，滴水孔口具有固定的幾何形狀，常溫下其過水斷面是不變的，但滴頭流量與管長和壓力有關系[2,3]。所以毛管首末端滴頭流量不均勻問題無法避免。為了消除此問題，毛管進水口處設置滴水調節(jié)器[4,5]。滴水調節(jié)器調節(jié)滴頭流量，從而獲得毛管首末端滴頭流量的均勻性，在這種條件下形成滴頭流量與壓力無關的等流多孔管。對自壓滴灌而言，在渠道水源足夠、等流多孔管的情況下工作水頭與地形落差有關，地形落差減去管道損失(管道局部水頭損失和沿程水頭損失)可得工作水頭(hd)：

hd=ΔH-(hf+hw)

(2)

式中：hd為工作水頭，m；ΔH為地形落差，m；hf為管道沿程水頭損失，m；hw為管道局部水頭損失，m，有時局部水頭損失按沿程水頭損失的一定比例估算(支管hf的10%,毛管hf的10%～20%)。

(3)

式中：hf為沿程水頭損失，m；f為沿程摩阻系數(shù)；Q為流量,L/h；d為管道內徑，mm；L為管道長度，m；F為多口系數(shù)；m為流量指數(shù)(與管道摩阻損失有關)；b為管徑指數(shù)(與管道摩阻損失有關)。

管道損失與管道長度、管件、管材及管內光滑度有關。

2.3 支管流量計算

支管流量(Q支)是指支管上的毛管流量(Q毛)之和，按下式計算確定：

(4)

式中：Q支為支管流量，m3/s；L支為支管長度，m；SL為支管上的毛管間距，m；L毛為毛管長度，m；Se為毛管上的滴頭距，m；qi為滴頭流量。

系統(tǒng)流量(Q系)是指同時工作的支管(或一個輪灌組)流量之和，多支管同時工作時，Q系=nQ支。

工作水頭還要滿足各級管道進水要求。各級管道進水要求：按計算支管及毛管水頭差分配比計算相應的管道進口水頭損失，看是否滿足hd≥ΔH毛進+ΔH支進+hi(hi為管道進口處水頭損失)。滿足要求的流量就是支管流量(Q支)。

2.4 調水池調節(jié)流量的計算

作物類型和種植方向確定了之后，首先可選定毛管類型、毛管內徑d、滴頭流量qi等參數(shù)。根據作物種植模式來選定毛管間距SL和滴頭間距Se，再計算毛管極限長度，確定毛管實際鋪設長度，從而獲得一條毛管的流量[6]。根據地形條件適當選取支管長度L支計算支管流量，然后進行校核，直至滿足平衡式(1)為止。調水池和集水桶間進水管末端流出的流量大于等于集水桶的流量Q集時，集水桶內的水量保持穩(wěn)定狀態(tài)，因此按以下步驟計算確定調節(jié)流量。

(1)管道過水斷面面積A管:

(5)

(2)淹沒出流的流量系數(shù)μ0:

(6)

(3)根據水力學原理計算調水池最大淹沒出流量Q調：

(7)

式中：A管為進水管面積，m2；d為管徑，m；L為進水管長，m；z為調水池和集水桶間的水位差，m；λ為進水管沿程阻力系數(shù)；ξ1為進水管進口局部水頭損失系數(shù)；ξ2為進水管出口局部水頭損失系數(shù)。

假設管徑d，代入式(7)計算Q調，計算值Q調與Q集進行校核(或者Q集反算求A管)，直至滿足平衡式(1)為止。

3 結 語

(1)本文介紹實用新型專利滴水調節(jié)器和無用電過濾裝置的結合運用方法，建立渠道進水流量、調水池的調節(jié)流量、集水桶的供水流量及系統(tǒng)流量間的平衡關系，闡述了系統(tǒng)流量的計算方法，解決了無電灌區(qū)水源的過濾、過濾網的自行沖洗、排沙等問題，為牧業(yè)灌區(qū)實現(xiàn)節(jié)水灌溉技術提供理論依據。

(2)節(jié)省滴灌工程沉淀池的投資，根據自壓灌溉面積的大小適當加大集水桶的尺寸，可持續(xù)利用。為有地形坡度的牧業(yè)灌區(qū)實現(xiàn)節(jié)水灌溉工程，預防水土流失、土壤鹽堿化提供理論依據。

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[1] 穆哈西,趙經華,馬英杰，等.用于自壓滴灌工程的無用電調節(jié)水溫過濾裝置: 中國，ZL201420199913.6[P]. 2014-09-10.

[2] 史海濱,劉清華.灌溉排水學[M].北京:中國水利水電出版社，2006:13-75.

[3] 張志新.滴灌工程規(guī)劃設計原理與應用[M].北京:中國水利水電出版社，2007:60-141.

[4] 穆哈西,馬英杰,洪 明，等.地下垂直分層水壓及鹽分調控裝置:中國，ZL201320498814.3[P]. 2014-01-15.

[5] 張國祥.微灌技術探索與創(chuàng)新[M].鄭州:黃河水利出版社，2012:16-100.

[6] 汪志農,馮 浩.節(jié)水灌溉管理決策專家系統(tǒng)[M].鄭州:黃河水利出版社，2001:34-52.

[7] 邱秀云.水力學[M].烏魯木齊:新疆電子出版社，2008:139-156.