商洛市山陽縣山區(qū)茶園節(jié)水灌溉設(shè)計(jì)淺析

趙 瑩，杜耀輝

（西安景天水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)咨詢有限公司，陜西 西安 710014）

山陽縣法官鎮(zhèn)塔園溝片區(qū)灌溉面積為530 畝，種植作物全部為茶樹?？傮w設(shè)計(jì)方案為：灌溉片區(qū)現(xiàn)狀溝道上建引水堰閘一座，攔截地表水，通過引水管引流至泵站前池，經(jīng)水泵將水提至位于山頂?shù)母呶凰?，高位水池連接配水管道，通過自流將水輸送至田間地頭，采用滴管方式對(duì)茶園進(jìn)行灌溉。

茶葉作為山陽縣特色產(chǎn)業(yè)之一，當(dāng)?shù)乜h政府領(lǐng)導(dǎo)高度重視，積極整合各級(jí)各類相關(guān)資金，擴(kuò)大農(nóng)田水利建設(shè)規(guī)模，本次項(xiàng)目區(qū)茶園基本連續(xù)成片分布，管理體系系統(tǒng)完善，后期的管理運(yùn)行效率高，所選片區(qū)的茶園單位也積極配合，工作開展方便。

1 引水堰閘設(shè)計(jì)

塔園溝片區(qū)新建引水堰1 座，引水堰具體參數(shù)見表1。

取水樞紐的設(shè)計(jì)洪峰流量為5.5 m3/s，校核洪峰流量為7.6 m3/s。

本工程為Ⅴ等?。?）型工程，均采用10 年一遇洪水設(shè)計(jì)，20 年一遇洪水校核，塔園溝設(shè)計(jì)洪峰流量為5.5 m3/s，校核洪峰流量為7.6 m3/s。根據(jù)寬頂堰泄流公式：

式中：m 為流量系數(shù)，ε 為側(cè)收縮系數(shù)，本工程 ε=1.0；B 為堰寬，B=10 m；σs為淹沒系數(shù)；H0為堰前計(jì)入行進(jìn)流速水頭的堰上總水頭，取H0=H+v2/2g，H 為堰頂凈水頭；v 為為行近流速。

堰體過流能力計(jì)算表見表2。

表1 引水堰具體參數(shù)表

表2 堰體過流能力計(jì)算表

2 泵站設(shè)計(jì)

2.1 基本情況

塔園溝泵站屬新建泵站，引水堰閘取水，根據(jù)測(cè)量圖計(jì)算的泵站控制面積和泵站流量見表3。

表3 泵站設(shè)計(jì)流量計(jì)算表

2.2 管徑選擇

管段管徑根據(jù)該管段的計(jì)算流量和經(jīng)濟(jì)流速來確定。管徑選擇采用公式：

2.3 設(shè)計(jì)揚(yáng)程

輸水管道總水頭損失按以下公式計(jì)算：

輸水管道、配水管網(wǎng)沿程損失采用海曾—威廉公式計(jì)算：

hj局部水頭損失計(jì)算采用《村鎮(zhèn)供水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 687-2014），輸水管道的局部水頭損失，按沿程水頭損失的5%～10%計(jì)算。參照已建成工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，局部水頭損失按沿程水頭損失的10%計(jì)，水頭損失計(jì)算見表4。

2.4 水泵選型

水泵選擇比較靈活，在滿足流量和揚(yáng)程情況下即可使用，因此本設(shè)計(jì)優(yōu)先考慮低功率，高效率的水泵。針對(duì)本工程結(jié)合地形條件，選泵結(jié)果見表5。

3 高位水池設(shè)計(jì)

高位水池根據(jù)《節(jié)水灌溉工程技術(shù)規(guī)范》，微灌時(shí)的蓄水工程規(guī)模，宜按每次灌水量不小于150 m3/hm2（10 m3/畝）確定，按灌水規(guī)模強(qiáng)度最大的情況計(jì)算高位水池容積，計(jì)算結(jié)果見表6。

表4 輸水管道水頭損失及設(shè)計(jì)揚(yáng)程計(jì)算統(tǒng)計(jì)表

表5 水泵選型特性表

表6 蓄水池特性統(tǒng)計(jì)表

4 滴灌設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)灌溉制度

4.1.1 最大凈灌水定額確定

根據(jù)《節(jié)水灌溉工程技術(shù)規(guī)范》中灌水定額計(jì)算公式如下：

計(jì)算得出m=14.5 m3/畝=21.75 mm。

（2）最大灌水周期：

計(jì)算得，Tmax=7.25 d。

（3）設(shè)計(jì)灌水周期：

故取設(shè)計(jì)灌水周期為7 d。

（4）設(shè)計(jì)凈灌水定額：

設(shè)計(jì)凈灌水定額計(jì)算公式為：

式中：md為設(shè)計(jì)凈灌水定額，mm。

計(jì)算 md＝7×3=21 mm，即 14 m3/畝。

（5）設(shè)計(jì)毛灌水定額：

設(shè)計(jì)毛灌水定額：

式中：m'為設(shè)計(jì)毛灌水定額，mm；η 為灌溉水利用系數(shù),取0.95。

計(jì)算得，m'=22.11 mm=14.74 m3/畝。

4.1.2 系統(tǒng)布置

本工程灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為：水源（高位水池）→施肥罐→組合過濾器→干管→分干管→支管→滴灌帶。

茶樹種植方向?yàn)闁|西向，行間距1.2 m，株間距0.5 m。本系統(tǒng)采用主干管、分干管、支管和毛管的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)，一條支管灌溉40 行茶樹，向一側(cè)延伸毛管，毛管沿作物種植方向鋪設(shè)，毛管、支管、分干管、主干管依次成正交布置；主干管、分干管、支管采用PE 埋設(shè)在地下，毛管采用滴灌帶管鋪設(shè)在地面。

表7 輸配水管網(wǎng)參數(shù)表

4.1.3 灌水器

灌水器采用DE16PE 內(nèi)鑲式滴灌管，滴頭參數(shù)表見表8。

表8 滴頭參數(shù)表

5 設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)灌溉面積確定，可求得系統(tǒng)的供水流量：

塔園溝灌溉530 畝的可供流量為55.74 m3/h。

6 灌水小區(qū)允許水頭偏差

溫室內(nèi)灌水小區(qū)滴灌帶上的滴頭設(shè)計(jì)允許流量偏差應(yīng)滿足要求：[qv]≤20%，即一個(gè)輪灌組內(nèi)任何兩個(gè)灌水器的流量偏差率必須小于20%。灌水器工作水頭偏差率與流量偏差率按下式確定：

式中：hv為灌水器水頭偏差率，%；qv為灌水器流量偏差率，%；x為灌水器流態(tài)指數(shù)。

灌水器為滴頭，當(dāng)?shù)晤^的流量偏差率qv=20%時(shí)，計(jì)算得hv=0.34，即滴頭設(shè)計(jì)允許水頭偏差率[hv]=34%。

一個(gè)灌水小區(qū)設(shè)計(jì)允許水頭偏差，即輔管、毛管設(shè)計(jì)允許水頭差按下式確定：

經(jīng)計(jì)算，灌水小區(qū)允許水頭偏差[Δh]=34%×10=3.4 m，灌水小區(qū)允許水頭偏差的分配：支管允許水頭偏差分配值為0.45[Δh支]=0.45×3.4 m=1.53 m；毛管允許水頭偏差分配值為0.55[Δh毛]=0.55×3.4 m=1.87 m。

毛管允許極限孔數(shù)和鋪設(shè)長(zhǎng)度：

毛管允許極限孔數(shù)：Nm＝159 個(gè)，毛管的鋪設(shè)長(zhǎng)度：Lm=S（Nm-1）+S0=0.5×（159-1）+0.3=79.3 m；經(jīng)計(jì)算，毛管的極限鋪設(shè)長(zhǎng)度為79.3 m，本次設(shè)計(jì)取毛管長(zhǎng)度為50 m。

7 灌溉工作制度和流量

（1）初定一次灌水延續(xù)時(shí)間t：

則 t=mStSr/q＝（22.11×0.5×1.2）/2.3＝5.76 h。經(jīng)計(jì)算，一次灌水延續(xù)時(shí)間為5.76 h，本次設(shè)計(jì)選取6 h。

（2）輪灌組數(shù)目：

實(shí)際輪灌組數(shù)不得超過允許的最大輪灌組數(shù)。結(jié)合項(xiàng)目區(qū)位置情況，將本系統(tǒng)分為21 個(gè)輪灌組。一天工作3 組，7 天可以灌溉完畢。

8 管道流量計(jì)算和水力設(shè)計(jì)

8.1 系統(tǒng)流量推算

8.1.1 毛管入口流量

灌水器流量q=2.3 L/h，孔間距0.5 m，每棵茶樹周圍開孔一個(gè)，有1 個(gè)滴水器流量為2.3 L/h，允許鋪設(shè)長(zhǎng)度為79.3 m，本次設(shè)計(jì)鋪設(shè)長(zhǎng)度取50 m。即每條毛管的流量根據(jù)下面的公式進(jìn)行計(jì)算。

式中：L 為毛管長(zhǎng)度，50 m；L 孔為孔口間距，取 0.5 m；qd為微管的設(shè)計(jì)流量，2.3 L/h。

則計(jì)算得到 Q田間毛＝50/0.5×2.3=230 L/h=0.23 m3/h。

支管極限孔數(shù)以及極限長(zhǎng)度：

經(jīng)計(jì)算Nm=70。支管的鋪設(shè)長(zhǎng)度：Lm=S（Nm-1）+S0=1.2×（70-1）+1=83.4 m

經(jīng)計(jì)算，支管的極限鋪設(shè)長(zhǎng)度為83.4 m，本設(shè)計(jì)支管鋪設(shè)長(zhǎng)度在50 m，小于支管的極限鋪設(shè)長(zhǎng)度，因此輔管鋪設(shè)長(zhǎng)度滿足要求。

8.1.2 支管入口流量

支管的流量等于該支管負(fù)責(zé)的毛管流量之和，對(duì)于不在同一個(gè)輪灌組的支管，按照最大數(shù)目確定。

經(jīng)計(jì)算 Q支=9.2 m3/h。

8.1.3 干管流量

由于本次設(shè)計(jì)輪灌組按照毛管數(shù)目均等劃分，系統(tǒng)運(yùn)行一個(gè)分組輪灌時(shí)，干管流量的等于同時(shí)開啟毛管的流量之和。則：

進(jìn)行輪灌時(shí)，每個(gè)輪灌組共開啟4 個(gè)支管即156 根毛管，則 Q干=36.8 m3/h。

8.2 系統(tǒng)水力計(jì)算

根據(jù)《微灌工程技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50485-2009），規(guī)定管道沿程水頭損失計(jì)算系數(shù)、指數(shù)見表9。

表9 管道沿程水頭損失計(jì)算系數(shù)、指數(shù)表

本次設(shè)計(jì)毛管選用DE16 的PE 管。毛管水頭損失按下式計(jì)算：

式中：h毛為等距多孔毛管沿程水頭損失，m。

經(jīng)計(jì)算，Σh毛＝0.5 m，不超過毛管允許水頭偏差分配值1.87 m。

毛管進(jìn)口壓力為：

當(dāng)出水孔平均流量為2.3 L/h 時(shí)，毛管進(jìn)口壓力h0=10.5 m。此值即為以支管控制的灌水小區(qū)中毛管進(jìn)口平均設(shè)計(jì)工作水頭。

支管管徑根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：

支管水頭損失計(jì)算：

經(jīng)計(jì)算，Σh支＝1.33+0.13=1.46 m。

分干管管徑、水頭損失與支管相同，經(jīng)計(jì)算Σh分干＝3.21+0.32=3.53 m。

干管管徑、水頭損失與支管相同，經(jīng)計(jì)算Σh干＝4.82+0.48=5.3 m。

在最不利輪灌組條件下，按下式計(jì)算系統(tǒng)的工作水頭：

經(jīng)計(jì)算，h=30.79 m。

9 結(jié)語

農(nóng)田水利高效節(jié)水基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，使得農(nóng)業(yè)科技的應(yīng)用和轉(zhuǎn)化能力得到了提高，改變了傳統(tǒng)的澆灌方式，真正實(shí)現(xiàn)了科學(xué)灌溉，對(duì)農(nóng)作物土壤起到了很好的保護(hù)作用，有效的防止土壤的流失，改變了傳統(tǒng)的工程建設(shè)對(duì)周圍生態(tài)環(huán)境造成不利影響的面貌。