滴灌模式中支管管徑的選擇

李春龍

（遼寧省農(nóng)村水利建設管理局，遼寧沈陽110003）

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滴灌模式中支管管徑的選擇

李春龍

（遼寧省農(nóng)村水利建設管理局，遼寧沈陽110003）

［摘 要］為了合理選擇滴灌支管輪灌模式下的支管管徑，文中結(jié)合遼寧現(xiàn)有工程實踐，對支管適宜控制面積、支管單元水力特性和支管單元經(jīng)濟性等方面進行分析。研究結(jié)果表明管徑越大，輪灌單元面積越大，在管徑適宜控制面積范圍內(nèi)，水力性能均滿足設計要求；支管單元的經(jīng)濟性隨著管徑的增大而降低，但選擇小管徑增加了施工和運行管理的難度。因此，綜合考慮遼寧地區(qū)支管管徑宜選擇50mm或63mm，集中連片的規(guī)?；瑓^(qū)支管輪灌管徑宜選擇63 mm。

［關(guān)鍵詞］滴灌；支管輪灌；管徑；經(jīng)濟性

1　引言

近年來，隨著國家“東北四省區(qū)節(jié)水增糧行動”和遼寧省“千萬畝滴灌灌溉工程”等工程的實施，滴灌技術(shù)在遼寧地區(qū)得到大面積應用。規(guī)?；瑓^(qū)的出現(xiàn)是目前滴灌工程建設的主要特點，由于土地規(guī)?；?jīng)營能有效降低工程投資，便于機械化作業(yè)，提高生產(chǎn)效率和增加經(jīng)濟效益等[1～3]，在遼西北地區(qū)多處出現(xiàn)，如建平縣、朝陽縣、阜蒙縣和彰武縣等集中連片地區(qū)面積均達到萬畝。工程實踐表明，傳統(tǒng)的輔管輪灌由于管網(wǎng)級數(shù)多、結(jié)構(gòu)復雜、輪灌單元多等已不再適用于規(guī)?；喂喙こ?，支管輪灌以其管網(wǎng)級數(shù)少，施工和運行簡便等優(yōu)點成為滴灌管網(wǎng)布置的主要形式。

一般來說，支管輪灌模式中，支管管徑越大，支管控制單元越大，單井控制面積內(nèi)灌溉單元數(shù)量越小，灌溉系統(tǒng)便于管理，但管徑越大，管材管件尺寸也增大，管網(wǎng)材料投資增加，系統(tǒng)經(jīng)濟性降低，即支管管徑的選擇對輪灌單元面積、管網(wǎng)結(jié)構(gòu)、工程造價和系統(tǒng)操控性等均產(chǎn)生直接影響。因此，支管管徑的合理確定對滴灌工程的推廣應用具有重要意義。結(jié)合遼寧現(xiàn)有工程實踐的基礎(chǔ)上，從支管適宜控制面積、支管單元水力計算和支管單元經(jīng)濟性等方面進行分析，確定適宜的支管輪灌管徑。

2　支管輪灌

支管輪灌就是以一條支管控制面積的灌溉范圍為基本灌水單元，一條或多條支管構(gòu)成一個輪灌組，每個輪灌組運行時，該輪灌組內(nèi)支管上所有毛管全部開啟，一個輪灌組灌水完成后，開啟下一個輪灌組內(nèi)的支管，關(guān)閉前一個輪灌組內(nèi)的支管[4-5]。由于支管管徑和流量較大，支管輪灌單個灌溉單元控制面積也較大，適用于土地集中連片規(guī)?；?jīng)營，而不適用于分散的土地經(jīng)營模式。

目前，遼寧地區(qū)規(guī)?；?jié)水滴灌工程項目區(qū)主要為玉米大壟雙行膜下滴灌種植區(qū)，壟距1.2 m，壟臺寬0.8 m，玉米寬行距0.8 m，窄行距0.4 m，種植密度約67 500株/hm2，滴灌帶單壟單行布置，位于壟中間，滴灌帶間距1.2 m，滴頭間距0.3 m；滴灌帶通過按扣三通與支管連接，雙側(cè)布置，單側(cè)長75 m。文中在現(xiàn)有種植模式的基礎(chǔ)上進行支管輪灌管徑的計算和選擇，根據(jù)工程實際，為了便于施工，支管灌溉單元內(nèi)，支管管徑一定，不作分段變徑處理。

3　支管管徑選擇

3.1支管輪灌不同管徑適宜控制面積

當支管管徑一定時，由于管道過水能力的限制，可根據(jù)經(jīng)驗公式法、經(jīng)濟管徑法或能坡線法等計算出管道最大允許流量[6]。管道內(nèi)的流量均通過滴頭均勻的灌溉到作物根系附近，則通過滴頭流量和管道流量可計算出支管控制面積，常用公式有，現(xiàn)已經(jīng)濟流速法為例。計算公式如下：

式中：D：支管管道直徑，mm；Q：管道流量，m3/h；V：經(jīng)濟流速，取1.5 m/s；n：滴頭數(shù)量；s：支管控制面積，m2；a：滴頭間距，m，取0.3 m；b：滴灌帶間距，m，取1.2 m。式3代入式2并將式2代入式1，可得：

式（4）假設管道中的流量按滴頭設計流量完全流出，而在實際工程中，尤其在規(guī)?；喂喙こ讨?，滴頭是以雙向鋪設的滴灌帶為單元出現(xiàn)的，文中以滴灌帶雙側(cè)布置，單側(cè)75 m，滴頭間距0.3 m，支管控制單元內(nèi)滴頭的數(shù)量為150的整數(shù)倍。因此，實際滴頭數(shù)量為［n/150］×150，支管實際控制面積要小于式（4）計算得到的面積。另外，雖然大管徑支管控制小面積灌溉符合水力計算要求，但根據(jù)經(jīng)濟性要求，應選擇符合水力計算要求的最小管徑。不同管徑適宜控制灌溉面積計算結(jié)果如表1所示，式（4）計算結(jié)果可用于快速估算支管控制面積。

表1不同管徑適宜控制面積

3.2支管控制單元水頭差

在支管控制單元中，支管單元內(nèi)最大水頭和最小水頭差值在允許最大水頭偏差范圍內(nèi)時，認為灌水均勻，否則管路布置不合理。距離支管進水口最近的第1條毛管的第1個灌水器工作水頭最大，距離支管進水口最遠的毛管的最末一個灌水器工作水頭最小，允許偏差和不同管徑支管輪灌管網(wǎng)計算偏差計算如下：

式中：△Hv：設計允許水頭偏差，m；x：灌水器流態(tài)指數(shù)，取0.5；qv：設計允許流量偏差率，取0.2；hd：灌水器設計工作水頭，m，取10 m；△H毛：毛管允許水頭偏差，m；△H支：支管允許水頭偏差，m。根據(jù)計算，支管輪灌允許水頭偏差為4.12 m，其中毛管允許水頭偏差2.27 m，支管允許水頭偏差1.85 m。

文獻［7］認為當管上出流孔較多時，視為等間距、等流量分流管，沿程損失按照式（8）計算，而Blasius公式（9）較適用于國產(chǎn)管道沿程損失計算：

式中：hf毛：毛管沿程總損失；k：局部損失加大系數(shù)，取1.1；S：毛管上滴頭間距，m；qd：灌水器設計流量，L/h，取1.38 L/h；m：流量指數(shù)，取1.75；d：管道內(nèi)徑，mm；b：管徑指數(shù)，取4.75；N：毛管上滴頭總數(shù)；hf支：支管沿程總損失；L：支管管長，m；Q：支管流量，m3/h；v：水流運動粘滯系數(shù)，m2/s，取1.003×10-6m2/s；△hf：支管單元水頭最大偏差。

毛管雙側(cè)布置，長度一定，當支管選定時，在支管允許控制面積范圍內(nèi)，面積越大，式（9）中流量Q和長度L越大，即當支管控制單元面積達到允許最大值時，支管控制單元水頭偏差值最大。不同支管管徑水頭偏差計算結(jié)果如表2所示。

表2不同管徑最大水頭偏差計算

從表2可知，毛管長度和滴頭間距一定時，毛管水頭損失不受支管管徑和控制面積影響，均為0.8 m，低于允許偏差值2.27 m。支管水頭損失隨著支管管徑的增大而增大，當支管為準90管，控制灌溉面積8 830 m2時，支管水頭偏差達到最大，為1.4 m，低于允許偏差1.85 m。支管單元內(nèi)水頭最大偏差變化趨勢和支管水頭偏差變化趨勢一致，且最大值低于設計允許偏差，因此，當支管輪灌單元面積在適宜控制范圍內(nèi)時，單元內(nèi)水力性能均滿足要求。

3.3支管輪灌單元的經(jīng)濟性

支管輪灌單元的經(jīng)濟性是支管管徑選擇的重要影響因素。文中僅考慮支管單元地面部分（含出水栓）投入，主要包括滴灌帶，支管和管件（出水栓，球閥，按扣三通，連接，堵頭等）。各部分投入計算方法如下。

式中：I滴灌帶、I支管和I管件分別表示滴灌帶、支管和管件的單位面積投入，元/m2；p滴灌帶、p支管、p栓、p閥、p連接和p按扣分別表示滴灌帶、支管、出水栓、球閥、連接件和按扣三通的單價，元，一個出水栓兩側(cè)均接支管灌溉單元，投入按一半計入單個輪灌單元；n：支管出水口數(shù)；l：單側(cè)滴灌帶鋪設長度，m；A：支管單元灌溉面積，m2；w：滴灌帶間距，m；C：除按扣三通外，單元管件投入，元；I：支管單元地面部分投入，元/m2。

式（11）表明，滴灌帶鋪設間距和長度確定時，滴灌帶使用量和控制面積成正比，單位面積滴灌帶使用量為一固定值，即畝滴灌帶投入為常量。式（12）中，支管管徑一定時，支管從出水栓連接后，長度隨著控制面積的增加而增大，每增加一個分水孔，支管長度增加1.2 m，控制面積增大180 m2，即除第一個分水孔外，單位面積支管使用量也為一固定值；支管輪灌單元控制面積越大，單位面積支管投入越大，但越趨于常數(shù)。式（13）表明支管管徑一定時，除按扣三通數(shù)量變化外，其他管件由于尺寸和數(shù)量均不變而不改變，輪灌單元面積越大，單位面積投入越小。

式中：I：支管單元地面部分投入，元/m2。根據(jù)工程實踐，等直徑出水栓、接件和閥門等單價和大于支管單價，因此，式（14）中I隨著n的增大而減小，即當支管管徑一定時，支管單元地面投入隨著灌溉面積的增大而減小。

由此可見，在支管輪灌管徑經(jīng)濟性比較時，只要對比各管徑適宜灌溉最大面積時每公頃平均單價即可。以玉米大壟雙行滴灌（滴灌帶間距1.2 m，單條鋪設長度75 m）為例，不同管徑支管單元地面投入和各組成部分投入計算結(jié)果如表3所示。

表3不同管徑支管單元地面部分投入

表3表明，滴灌帶畝均投入不隨管徑變化，均為1 999.5元/hm2；支管投入隨支管管徑的增大而增加，且管徑越大，每公頃平均投入增幅越大。管件的每公頃平均投入隨著支管管徑的增大先減小后增大，支管管徑小時，管件投入大是由于單出水栓控制面積小，管件使用量多；而支管管徑大時，管件由于大直徑管件單價高所至。綜合管材管件地面支管單元投入隨支管管徑增大而增加，增幅亦隨管徑而增大，管徑小于63 mm時，每公頃平均投入變化較小，管徑大于63 mm時，每公頃平均投入變化相對較大。從表3還可以看出，雖然滴灌帶是地面支管單元投入的主要部分，但引起投入差異的決定因素是支管投入，而支管投入取決于不同管徑的單價，即管徑越粗，單價越高，支管單元投入越大。

在遼寧地區(qū)單井出水量多為30～50 m3/h，以50 m3/h為例，單井控制面積約20 hm2，當選用32 mm支管時，控制面積內(nèi)近188個支管輪灌單元，一次開啟分布在不同分干管上閥門12個，不僅施工繁瑣，而且系統(tǒng)運行時費工；當選用75 mm支管時，控制面積內(nèi)近32個支管輪灌單元，一次僅能開啟分布在不同分干管上閥門2個，除經(jīng)濟性降低外，系統(tǒng)穩(wěn)定性也下降，一旦有支管不能正常工作，直接影響到水泵等設備運行。因此，綜合考慮建議在遼寧地區(qū)，當單井控制面積相對較小時，支管輪灌管徑宜選擇50 mm；當單井控制面積相對較大時，尤其是在集中連片的規(guī)?；喂喙こ添椖繀^(qū)，支管輪灌管徑宜選擇63 mm。

4　結(jié)論

在現(xiàn)有工程模式的基礎(chǔ)上，對滴灌工程支管輪灌管徑從管道輸水能力、管網(wǎng)水力性能和管網(wǎng)投資等方面進行計算分析和選擇，可得到以下結(jié)論：

1）支管輪灌單元面積受支管管徑限制，當支管管徑分別為32，50，63，75 mm和9 0mm時，適宜控制最大面積分別為0.107，0.267，0.433，0.613，0.88 hm2；當控制單元面積一定時，應選擇最小管徑。

2）支管管徑一定時，支管輪灌單元內(nèi)水頭差隨著單元面積增大而增加；支管輪灌單元支管管徑不同時，在適宜控制最大面積條件下，單元內(nèi)水頭差隨著支管管徑的增大而增加；但在適宜控制面積范圍內(nèi)，支管輪灌單元內(nèi)水頭差均滿足設計要求。

3）支管管徑是支管輪灌單元經(jīng)濟性的決定因素。支管管徑一定時，支管輪灌單元面積越大越經(jīng)濟；管徑不同時，輪灌單元的經(jīng)濟性隨著支管管徑的增大而降低。

在遼寧地區(qū)，綜合考慮水文地質(zhì)，系統(tǒng)運行管理等因素，支管輪灌管徑宜選擇50 mm或63 mm，在集中連片的規(guī)?；喂喙こ添椖繀^(qū)，支管輪灌管徑宜選擇63 mm。

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［中圖分類號］S274.3

［文獻標識碼］B

［文章編號］1002－0624（2016）05－0057－04