膜下滴灌輸配水管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)

常玉強(qiáng)

摘要：滴灌系統(tǒng)的輸配水管道設(shè)計(jì)影響整個(gè)滴灌工程質(zhì)量。詳細(xì)介紹膜下滴灌系統(tǒng)確定控制面積的方法以及管網(wǎng)的布置原則，采用公式計(jì)算各級(jí)管道的設(shè)計(jì)流量，為膜下滴灌輸配水管道的合理設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：輸配水管道；膜下滴灌；設(shè)計(jì)；控制面積；流量

中圖分類號(hào)：S275.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2016）01-0051-03

滴灌是利用專門灌溉設(shè)備以間斷或連續(xù)的水滴或細(xì)流的形式緩慢地將水灌到部分土壤表面和作物根區(qū)的灌水方式。直接向作物施水的設(shè)備稱為灌水器，其流量不大于12 L/h。滴灌系統(tǒng)由水源工程、首部樞紐、輸配水管道和灌水器組成。輸配水管道的設(shè)計(jì)關(guān)系到整個(gè)滴灌工程質(zhì)量的優(yōu)劣及其合理性，是決定滴灌工程成敗的重要工作之一。因此，應(yīng)進(jìn)行細(xì)致的輸配水管道設(shè)計(jì)，以確保整個(gè)滴灌系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

1 控制面積的確定

設(shè)計(jì)時(shí)，首先進(jìn)行水量平衡計(jì)算，以確定合理的控制面積。水源為機(jī)井時(shí)，應(yīng)根據(jù)機(jī)井出流量確定最大可能的控制面積；水源為河、塘、水渠時(shí)，應(yīng)根據(jù)水源水量和經(jīng)濟(jì)兩方面的因素確定最佳控制面積。目前，渠水滴灌工程一個(gè)首部控制的灌溉面積一般為66.7～133.3 hm2。根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，較為經(jīng)濟(jì)的控制面積為66.7 hm2，最好不要超過100 hm2，而且大多數(shù)是灌溉單一作物。

1） 在水源供水流量穩(wěn)定且無調(diào)蓄能力時(shí)，可用下式確定滴灌面積：

A= （1）

式中：A為可灌面積，hm2；Q為可供流量，m3/h；Ia為設(shè)計(jì)供水強(qiáng)度，mm/d；t為水源每日供水時(shí)數(shù)，h/d；η為灌溉水利用系數(shù)。

Ia=Ea-P0 （2）

式中：Ea為設(shè)計(jì)耗水強(qiáng)度，mm/d；P0為有效降雨量，mm/d。

2） 在水源有調(diào)蓄能力且調(diào)蓄容積已定時(shí)，可按下式確定滴灌面積：

A= （3）

式中：K為塘壩復(fù)蓄系數(shù)，K=1.0～1.4；η為蓄水利用系數(shù)，η=0.6～0.7；V為蓄水工程容積，m3；Ii為灌溉季節(jié)各月的毛供水強(qiáng)度，mm/d；Ti為灌溉季節(jié)各月的供水天數(shù)，d。

2 管網(wǎng)布置原則

1） 根據(jù)作物種植要求及采用的灌溉技術(shù)，要求輸水干管要滿足滴灌的要求。

2） 因地制宜。結(jié)合首部位置和作物最佳種植方向（東西向）的要求，使管道總長(zhǎng)度最短和盡量少穿越其他地物。

3） 確保作物用水要求，調(diào)水便捷，管理維修方便。

4） 輸配水干管沿地勢(shì)較高位置布設(shè)，支管垂直作物種植行布置，滴灌帶（毛管）順作物行布置。

5） 管道縱剖面應(yīng)力求平順，防止熱脹冷縮和冬季凍害。輸配水干管采用地埋式，埋深1 m，并在管尾修滲水井，以排除管道中的沖砂水和秋季積水。

3 管網(wǎng)結(jié)構(gòu)

該設(shè)計(jì)管網(wǎng)結(jié)構(gòu)為：離心泵—過濾器（施肥罐）—主干管—分干管—出地豎管—支管—毛管（滴灌帶）。其中，主干管與分干管、分干管與支管、支管與毛管均采用魚骨形布置，以減少沿程水頭損失，降低能耗。干管、分干管為地埋管，分干管垂直主干管布置，支管垂直分干管布置，均采用豎管及三通連接。毛管垂直支管方向布置。

4 系統(tǒng)的工作制度

4.1 輪灌

為減少工程投資、提高設(shè)備利用率、增加灌溉面積，滴灌系統(tǒng)通常采用輪灌制度。根據(jù)滴灌系統(tǒng)布置原則，為保證系統(tǒng)具有持續(xù)穩(wěn)定的壓力分散水流，以及降低管道水頭損失，將系統(tǒng)劃分若干個(gè)輪灌區(qū)，各輪灌區(qū)采用輪灌制度。

4.2 輪灌組的確定

根據(jù)水源流量和各級(jí)管道的管徑、輸水能力和作物的需水要求確定輪灌組數(shù)量，同時(shí)使水源水量與計(jì)劃灌溉的面積相協(xié)調(diào)。一般可根據(jù)下式計(jì)算：

N≤CT/t （4）

式中：N為輪灌組的數(shù)目，以個(gè)表示；C為系統(tǒng)每天運(yùn)行小時(shí)數(shù)，一般C為18～22 h；T為灌水時(shí)間間隔（周期），d；t為次灌水延續(xù)時(shí)間，h。

實(shí)踐表明，輪灌組過多會(huì)造成運(yùn)行管理不便和農(nóng)戶間用水矛盾。按式（4）計(jì)算的N值為允許輪灌組數(shù)的最大值，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況確定合理的輪灌組數(shù)目。

5 各級(jí)管道設(shè)計(jì)流量的確定

各級(jí)管道設(shè)計(jì)流量的確定應(yīng)按運(yùn)行方案中最不利組合計(jì)算。

5.1 毛管流量

毛管流量等于毛管上各滴頭流量之和，即：

Q毛=Nd×qd （5）

式中：Q毛為單側(cè)毛管的總流量；Nd為毛管滴頭個(gè)數(shù)；qd為設(shè)計(jì)滴頭流量。

5.2 支管設(shè)計(jì)流量

Q支=N毛×2Q毛 （6）

式中：N毛為支管上同時(shí)工作的毛管數(shù)目；Q毛為單側(cè)毛管的總流量；Q支為支管的設(shè)計(jì)流量。

5.3 分干管設(shè)計(jì)流量

Q分干=N×Q支管 （7）

式中：Q分干為分干管的設(shè)計(jì)流量；Q支為支管流量；N為同時(shí)工作的支管數(shù)。

5.4 主干管設(shè)計(jì)流量

Q主干=N×Q分干 （8）

式中：Q主干為主干管的設(shè)計(jì)流量；Q分干為分干管流量；N為同時(shí)工作的分干管數(shù)目。

6 系統(tǒng)各部分設(shè)計(jì)及相應(yīng)水力計(jì)算

6.1 滴灌系統(tǒng)毛管設(shè)計(jì)

6.1.1 滴灌毛管的設(shè)計(jì)原則 滴灌系統(tǒng)毛管安裝有灌水器的管道，毛管從支管取水，然后通過其上的灌水器均勻分布到作物根部。毛管一般采用抗老化低密度或中密度聚乙烯材料。由于滴灌工程的毛管數(shù)量較大，因此一般選用較小直徑的毛管，并且要求直徑相同，中間不變徑。毛管設(shè)計(jì)是在確定灌水器類型、流量和布置間距后進(jìn)行的，主要確定毛管直徑和在該地形條件下允許的最大鋪設(shè)長(zhǎng)度。

6.1.2 滴灌帶選型 該滴灌工程毛管選用天業(yè)生產(chǎn)的單翼迷宮式滴灌帶，型號(hào)為Ф16×300×2.4，毛管工作壓力H=10 m。

6.1.3 毛管極限滴頭個(gè)數(shù)的確定 毛管極限孔數(shù)的計(jì)算公式為：

Nm=INT

（9）

式中：Nm為毛管的極限分流孔數(shù)；△h2為毛管的允許水頭差，m，一般△h2=β2△h，平地時(shí)β2取0.55；△h為灌水小區(qū)允許水頭差，m；d為毛管內(nèi)徑，mm；k為水頭損失擴(kuò)大系數(shù)，一般為1.1～1.2；qd為滴頭設(shè)計(jì)流量，L/h。

6.1.4 極限長(zhǎng)度 Lm= Nm×Se。

6.1.5 毛管水頭損失 根據(jù)多孔管計(jì)算毛管的水頭損失h毛：

h毛=

-Nm

1- （10）

式中：f，m，b分別為摩阻系數(shù)、流量指數(shù)和管徑系數(shù)；N為出水孔個(gè)數(shù)；S0為進(jìn)口至首孔的間距，m。

6.1.6 毛管進(jìn)口工作壓力 根據(jù)平坡條件下多孔出流管壓力分布特點(diǎn)，計(jì)算毛管進(jìn)口工作壓力h0：

h0=hd+R×+ （11）

式中：hd為滴頭設(shè)計(jì)工作壓力，m；R為平均摩損比。

6.2 滴灌系統(tǒng)支管設(shè)計(jì)

6.2.1 支管設(shè)計(jì)的任務(wù)及原則 支管是用于連接干管和毛管的管道，它從干管取水分配到毛管中。

6.2.2 支管選型 根據(jù)實(shí)際地形以及支管過水能力，支管選用Ф75薄壁PE軟管。

6.2.3 支管沿程水頭損失 h支=KfQmL/db。

6.3 滴灌系統(tǒng)干管設(shè)計(jì)

6.3.1 干管設(shè)計(jì)任務(wù)及原則 因干管埋入地下，因此要求其具有耐腐蝕、壽命長(zhǎng)、質(zhì)量輕、施工安裝方便、水力性能好等特點(diǎn)。干管選用硬聚氯乙烯塑料管，工作壓力為0.4 MPa。出地管采用0.6 MPa的PVC管。干管的經(jīng)濟(jì)管徑根據(jù)運(yùn)行費(fèi)和一次性費(fèi)用投資之和最小來確定，同時(shí)便于操作。

6.3.2 水頭損失計(jì)算 分干管及干管直徑的選擇和各灌水區(qū)最不利情況下各段干管的水頭損失計(jì)算公式為：

6.3.3 水泵與動(dòng)力選型

1） 泵的選型原則。水源形式為井水，滴灌工程選擇單級(jí)單吸離心泵。水泵的流量和揚(yáng)程均與滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量和設(shè)計(jì)水頭一致，使水泵保持在高效率區(qū)工作。所選水泵要求工作穩(wěn)定，便于操作、維修，并盡可能型號(hào)一致，便于管理和零件配換。

2） 水泵揚(yáng)程H總=H滴+∑△hi+∑△h+△Z。式中：H總為系統(tǒng)總揚(yáng)程，m；H滴為滴頭工作壓力，m；∑△hi為首部水頭損失，m；∑△h為管網(wǎng)最不利水頭損失，m；△Z為設(shè)計(jì)參考點(diǎn)高程與水源水面高程之差，m。