地下滴灌技術在農田水利建設中的設計與應用

肖懷璽

(新疆阿克蘇地區(qū)水利水電勘測設計院有限公司，新疆 阿克蘇 843000)

推廣應用

地下滴灌技術在農田水利建設中的設計與應用

肖懷璽

(新疆阿克蘇地區(qū)水利水電勘測設計院有限公司，新疆 阿克蘇 843000)

面對有限的水資源和日趨惡化的水環(huán)境，高效、節(jié)水、有利環(huán)境保護的地下滴灌技術日益受到重視，為了便于管理庫車縣齊滿鎮(zhèn)1388hm2的農田灌溉，文章提出了一套田間灌溉系統(tǒng)設計，包括對田間管網布置規(guī)模、滴灌設計滴頭選用及種植作物毛管極限長度和極限孔數(shù)的參數(shù)計算等方面進行了闡述，并通過實踐應用起到了很好的效果。

節(jié)水灌溉；地下滴灌技術；農田水利建設；滴灌系統(tǒng)設計

1 工程概述

滴灌是目前迅速發(fā)展的一種高效節(jié)水技術，其特點是灌水均勻，控制性好(包括控制灌水深度，范圍，灌水量)，節(jié)水效益顯著。不受風的影響，對士壤適應性好，可實現(xiàn)全自動控制，化肥，農藥，化控劑可隨水一同灌入，吸收率高，準確地將水份直接輸送到作物根部附近的土壤表面或土層中。

庫車縣2014年齊滿鎮(zhèn)1616.7hm2滴灌工程項目區(qū)總規(guī)劃面積1616.7hm2，灌溉面積1388hm2，均采用滴灌灌溉，水源為地表水和地下水，控制17個地表水滴灌系統(tǒng)，目的是為了節(jié)水、省工、增效，從而示范推廣節(jié)水灌溉新技術。

2 地下滴灌技術

地下滴灌技術就是在滴灌過程中，水通過地埋滴管上的灌水器緩慢滲入附近土壤，再借助毛細管作用或重力擴散到整個作物根層的灌溉技術。由于在灌溉過程中幾乎沒有水分蒸發(fā)損失，而且對土壤結構的破壞輕，防止雜草生長，在各項節(jié)水灌溉技術中，從理論上來說該項技術的節(jié)水增產效果最為明顯，而且便于農田作業(yè)和管理，特別適合于在我國西北地區(qū)干旱、高溫、風大的自然條件。

2.1 首部及田間系統(tǒng)設計

2.1.1 田間管網布置規(guī)模

根據(jù)項目區(qū)條田、林、路等分布情況，管網按地形條件布置，管網采用梳狀單向布置，控制區(qū)地勢西北高東南低，管網主要分為輸水干管、分干管、支管、毛管四級輸配水管。確定滴灌系統(tǒng)的結構為：首部→砂式+網式全自動反沖洗過濾器→施肥罐→主干管→分干管→支管→毛管→滴頭。干管、分干管為地埋管。

2.1.2 首部設計

2.1.2.1 泵房設計

泵房采用彩鋼板房，內布置有管道、閥門、過濾器和施肥箱等，房內布置力求簡單整齊，便于安裝、檢修和操作管理，機組布置呈一列式，板房面積為40m2。

2.1.2.2 過濾器選型

首部采用自動清洗網式過濾器，當過濾器水頭損失超過0.08-0.10MPa時進行反沖洗，以確保滴灌均勻度，根據(jù)系統(tǒng)流量選擇流量200-600m3/h的過濾器。

2.1.2.3 化肥注入器

設在自動反沖洗過濾器與出水干管之間。系統(tǒng)選用150L和300L兩種規(guī)格的化肥注入器。

2.1.2.4 控制、調節(jié)、安全設備選型

1)逆止閥和水表：設置在水泵出口，逆止閥規(guī)格為DN800，水表選用數(shù)字式。

2)壓力表：選用指針式壓力表，最大壓力1.0MPa。

3)進排氣閥：在自動反沖洗過濾器和干管高處各設置進排氣閥,規(guī)格為42zx-10型。

2.1.3 管網布置

1)毛管的布置：毛管采用單向布置，沿種植方向每一行設一條毛管。

2)支管布置：支管采用PE管，沿地面鋪設。沿坡度方向配水，支管近似垂直于毛管布置。

3)分干管布置：分干管采用UPVC管，地埋布設，管道埋深為管道外徑+0.9m，通過豎管給水栓向支管供水。各地塊布置的分干管之間相互協(xié)作灌溉。

4)干管布置：干管采用UPVC管，地埋布設，管道埋深為管道外徑+0.9m，通過三通給分干管供水。水源自首部泵房過濾后給干管供水，各地塊布置的分干管之間相互協(xié)作灌溉[1]。

2.1.4 田間細部設計

1)管溝：項目區(qū)歷年最大凍土深度90cm，干管埋入凍土層以下，為保證安全運行，確定干管管溝挖深為管道外徑+0.9m。

挖深斷面下口寬度為管徑+0.8m，按1∶0.3坡比開挖。

2)排水井：輸水管網因冬季需將水放空，故需在管網系統(tǒng)的低處設排水井。排水井為圓形定型樹脂結構，深1.8m，井蓋也為定型樹脂結構。

3)檢查井：為了安裝閘閥，控制水量，操作方便，在干管給分干管分水處設檢查井。排水井為圓形定型樹脂結構，深1.8m，井蓋也為定型樹脂結構。。

4)鎮(zhèn)墩及支墩：地埋管道均200m布設一個鎮(zhèn)墩，另外在管道變徑處及分干管末端布設鎮(zhèn)墩，鎮(zhèn)墩采用現(xiàn)澆混凝土結構，鎮(zhèn)墩采用C15混凝土。

5)出地樁設置：支管上每隔50m左右設一個出地樁。

2.2 滴灌系統(tǒng)設計

2.2.1 滴灌設計滴頭選用

2.2.2 小區(qū)允許水頭偏差的分配

系統(tǒng)以毛管和支管構成灌水小區(qū)，對于壓力補償式滴頭，允許水頭偏差分配給毛管[2]。

毛管允許水頭偏差為[Δh2]=[Δh]=10m

2.2.3 種植作物毛管極限長度和極限孔數(shù)的計算

為滿足通風要求及種植方向，沿毛管鋪設方向坡度較為均勻，系統(tǒng)坡度東西約為0.9‰,南北約為3/100～5/100，系統(tǒng)毛管的極限孔數(shù)的計算應該考慮南北地形坡降,坡比、將比計算如下：

2.2.3.1 毛管極限孔數(shù)

按《微灌工程設計規(guī)范》有關公式計算，計算過程如下：

計算降比

(1)

計算壓比

(2)

毛管極限孔數(shù)按《規(guī)范》C4.0.3，按下述方法確定極限孔數(shù)：

收入：丈夫每月收入3美元并積攢下來。每月除了留下30個銅板外都交給妻子。長子每月收入4-5美元，也都上繳給自己的母親。次子沒有收入，但也不需家里花錢供養(yǎng)。

1)順坡降比r>1時，計算P/n=INT(1+r0.571)

(3)

(4)

式中：J為沿毛管地形比降；d為毛管內徑，mm；k為水頭損失擴大系數(shù)，取1.1；f為摩阻系數(shù)，PE管取0.505；qd為單孔設計流量為；s為毛管上分流孔間距。

則根據(jù)公式進行極限孔數(shù)進行試算：

(5)

式中：Nm為毛管極限孔數(shù)；

2)逆坡時，r<1，則根據(jù)下式進行毛管極限孔數(shù)計算：

(6)

式中：Nm為毛管極限孔數(shù)。

2.2.3.2 毛管極限長度

毛管極限長度依據(jù)下式進行計算：

Lm=S(Nm-1)+S0

(7)

式中：Lm為毛管極限長度，m；S為毛管孔口間距；S0為毛管進口到首孔距離，取0.15m。

2.2.3.3 毛管水力計算

1)流量計算：一條滴灌帶的進口流量為其上出水口流量之和，即：

Q毛=Nq

(8)

式中：N為滴灌帶出水口數(shù)目；q為滴灌帶出水口流量，L/h，結合條田長度確定其實際平均鋪設長度、滴孔間距、灌水器設計工作流量進行計算。

2)毛管水頭損失計算：毛管針對不同的種植作物選用不同類型的滴灌管，并根據(jù)實際平均鋪設長度計算，其沿程水頭損失按多孔管計算：

(9)

式中：f為摩阻系數(shù)，查表取0.505；m為流量指數(shù)1.75；b為管徑系數(shù)4.75；K為擴大系數(shù)1.1(局部水頭損失按沿程水頭損失的10%計)；N為出水孔個數(shù)；S為分水孔間距；S0為進水口至首孔的間距；qd為單孔設計流量。

2.2.3.4 支管水力計算

1)流量計算：

地面支管根據(jù)經濟管徑和經濟流速水力計算確定選用0.25MPaDE90或DE90防老化的薄壁PE管，壁厚1.6mm，根據(jù)本系統(tǒng)運行方式，支管流量為其上同時開啟的毛管流量之和，一條支管根據(jù)條田寬度不同,控制毛管根數(shù)[3]。

2)水頭損失計算：

采用多孔管計算其水頭損失：

則：

(10)

式中：s為滴灌帶間距；S0為進水口至首孔的間距。

其它符號意義同前則。

2.2.4 干管及分干管

1)流量計算：

分干管上每次開啟一條支管,其流量等于所開啟支管流量，任一干管段的流量等于該干管以下分干管流量之和。

2)水頭損失計算：

各級干管設計流量根據(jù)其運行方案確定，然后根據(jù)經濟流速預選管徑，然后計算系統(tǒng)各部分水頭損失，校核各管段壓力，最后確定干管實選管徑，本項目管材選用0.4MPa ，PVC管，其水頭損失按下式計算：

Hf=kf(Qm/db)L

(11)

式中：符號意義同前。

2.2.5 沿程水頭損失計算

系統(tǒng)支管管徑取de90mmPE管，內徑為80.4mm；則

(12)

式中：k為水頭損失擴大系數(shù)，取1.1；f為摩阻系數(shù)，0.505；S為毛管間距；S0為進水口至首孔的距離；q為毛管流量；N為毛管實際出水孔個數(shù)；Δh2為支管允許水頭偏差，m。

管道沿程水頭損失采用下式計算：

(13)

式中：hf為沿程水頭損失，m；f為摩阻系數(shù)，PVC-U管取0.464；Q為流量，L/h；m為指數(shù)，PVC-U管取1.77；L為管長，m；d為管道內徑，mm；b為指數(shù)，PVC-U管取4.77。

2.3 節(jié)點壓力均衡校核

本設計根據(jù)經濟流速預選管徑，然后計算系統(tǒng)各部分水頭損失，校核各管段壓力，最后確定各管段實選管徑，按系統(tǒng)最不利組合通過水力計算確定系統(tǒng)壓力,最后根據(jù)揚程及設計流量選泵型[4]。

3 展 望

面對有限的水資源和日趨惡化的水環(huán)境，高效、節(jié)水、有利環(huán)境保護的地下滴灌技術日益受到重視，高效節(jié)水工程建設解決的不僅是眼前的農業(yè)灌溉問題，同時也為構建和諧社會、推動社會主義新農村建設奠定了基礎。目前，我國地下滴灌技術的設計理論尚不能滿足實踐要求，由于土質差異、作物差異，需要合理確定不同土質、不同作物灌水技術指標；研究如何將地下滴灌節(jié)水灌溉工程和農業(yè)節(jié)水綜合技術合理結合。

通過地下滴灌工程技術參數(shù)(埋管深度、進口壓力、滴孔孔徑、孔距等)來調控水分、養(yǎng)分在土壤中的分布與運移、作物根系的分布與生長，使水肥的利用率和利用效率均得以提高，這些都是值得重視和迫切需要解決的問題。因此，需進一步對地下滴灌系統(tǒng)的特殊性和復雜性加以研究，充分發(fā)揮其諸多的優(yōu)勢，為地下滴灌技術提供合理的理論依據(jù)，這對我國節(jié)水灌溉技術的發(fā)展有著十分重要的意義。

4 結 語

本滴灌工程項目建設實施可明顯緩解農業(yè)灌溉水缺水的矛盾，提高水資源利用率，提高農民收入，實現(xiàn)以精準灌溉、精準施肥等為主要內容的精準農業(yè)，同時為庫車縣發(fā)展高效節(jié)水灌溉技術過程中起到積極示范作用。

[1]蔡秀萍.滴灌技術在我國的應用發(fā)展前景[J].水利天地，2011(02)：67-68.

[2]李瑩瑩，李杰.淺談滴灌技術的優(yōu)勢與存在的問題[J].民營科技，2010(05)：14.

[3]許智宗.簡要分析現(xiàn)階段我國應用的滴灌技術的優(yōu)勢和問題[J].城市建設理論研究：電子版，2017(11)：90-92.

[4]張克翠.滴灌技術的應用[J].農業(yè)科技與信息，2009(03)：58-59.

1007-7596(2017)10-0127-03

S275

B

2017-09-18

肖懷璽(1983-)，男，陜西延安人，工程師，研究方向為水利水電工程設計。