新疆阜康某農(nóng)場節(jié)水灌溉應(yīng)用設(shè)計

(新疆阜康市滋泥泉子鎮(zhèn)人民政府(水利管理所)，新疆 阜康 831503)

阜康是新疆最缺水的地區(qū)之一，水資源相對比較匱乏，水資源總量少，人均、畝均占有水資源量低，地表水資源時空分布不均衡，季節(jié)性明顯，合理調(diào)配難度大，資源性和工程性缺水并存，制約了經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展。為促進(jìn)農(nóng)業(yè)節(jié)水，阜康市將積極推動蒸發(fā)率低，深層滲透的新型節(jié)水灌溉機(jī)制的研發(fā)，鼓勵用水主體采取新型節(jié)水灌溉方式。截至目前，阜康市實施高效節(jié)水滴灌技術(shù)的土地面積占到總耕地面積的81%，節(jié)水滴灌技術(shù)也成為農(nóng)民增收致富的重要途徑。

圖1 機(jī)井結(jié)構(gòu)示意圖

1 工程概況

阜康某農(nóng)場選用控制面積分別為500畝、300畝的大型指針式噴灌機(jī)進(jìn)行典型設(shè)計，噴灌機(jī)性能見表1。機(jī)井為預(yù)制鋼筋砼管井，設(shè)計井深60 m，內(nèi)徑為300 mm，壁厚50 mm。砼管井下管深度為60 m，其中沉淀管5 m，濾水管40 m，井壁實管15 m，出水量50 t/h的水源，圖1機(jī)井結(jié)構(gòu)示意圖。井管下管深度在隔水層上，為完全井。砼管井鉆孔孔徑為600 mm，為防止洪水及雜物進(jìn)入井內(nèi)，井口設(shè)置高出地表30 cm的井臺。根據(jù)含水層巖性和粒徑確定濾料的粒徑，取濾料粒徑為2～8 mm，厚度確定為100 mm，為保護(hù)水源井及機(jī)泵正常運行，每眼機(jī)井上建一機(jī)井管理泵房，大型指針是噴灌井房面積為2.4×2.4共5.76 m2，高2.5 m，磚混結(jié)構(gòu)，房頂采用C20鋼筋砼預(yù)制蓋板。機(jī)井結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

表1 指針式噴灌機(jī)組性能表

圖2 大型指針式噴灌井房立面示意圖

2 大田滴灌典型設(shè)計

2.1 滴灌灌溉系統(tǒng)

以機(jī)井作為灌溉水源，單井出水量為50 m3/h，單井控制面積為220畝，典型地塊尺寸為480 m×308 m。滴灌灌溉系統(tǒng)地埋管坡度為1:2 000，首端高末端低，管內(nèi)積水向末端排水井排放，滴灌灌溉系統(tǒng)首部設(shè)有逆止閥、排氣閥、壓力表、水表、水嘴、過濾器、施肥罐。過濾器將水中的固體大顆粒、藻類、漂浮物沉淀過濾。過濾器有沉淀池、攔污柵、離心過濾器、砂石過濾器、篩網(wǎng)過濾器、疊片過濾器等[1]。過濾設(shè)備采用3"離心加網(wǎng)式過濾器，過流量50 m3/h。施肥罐可以使易溶于水并適于根施的肥料、農(nóng)藥、化學(xué)藥品等在施肥罐內(nèi)充分溶解，然后再通過滴灌系統(tǒng)輸送到作物根部，選用容積為100 L的施肥罐[2]。滴灌灌水器選擇壁厚0.2 mm的迷宮式滴灌帶，滴頭工作壓力為100 KPa，滴頭間距為0.3 m，毛管布置間距為1 m，滴水流量2.8 L/h。

2.2 管網(wǎng)布設(shè)

(1)本次地塊設(shè)計，共布設(shè)分干管4條，間距120 m，每條分干管輸水長度為264 m，考慮到運輸、保管和施工安裝過程中的損耗，實際管材長度為277 m，典型地塊分干管的輸水總長度為1 056 m，實際管材總用量為1 109 m。給水栓布設(shè)按照44 m的間隔均勻布設(shè)在分干管上，典型地塊共布設(shè)28個給水栓。

(2)干管：干管布設(shè)應(yīng)根據(jù)水源井的位置、分干管的布設(shè)情況并考慮管網(wǎng)各節(jié)點的壓力均衡進(jìn)行布設(shè)。在地塊中央垂直于分干管的位置布設(shè)一條干管，在這條干管的中間垂直方向再布設(shè)一條干管，并與水源井連接，干管輸水長度為530 m，考慮到運輸、施工安裝和承插的損耗，實際管材用量為557 m。

干管和分干管具體布設(shè)方式為：干管和分干管均采用地埋，溝槽斷面為梯形，下口寬為管道外徑加0.3，即下口取0.5 m，上口寬取1.5 m。管槽開挖深度根據(jù)當(dāng)?shù)貎錾钋闆r確定為2 m。

圖3 大田滴灌典型地塊工程布置圖

圖4 單支管控制面積布置圖

(3)支管(給水軟管)：支管是根據(jù)水源井的出水量、灌水小區(qū)大小和布設(shè)方式(雙向或單項)進(jìn)行布設(shè)，為均衡毛管的壓力，一般情況支管應(yīng)布設(shè)在灌水小區(qū)的中央，并與毛管垂直，另外支管與分干管上的給水栓相連接，且平行于分干管。在每根分干管上平行于分干管方向布設(shè)7根支管，支管布設(shè)方式為雙向，每條支管長度為44 m，典型地塊共設(shè)置28條支管，總長度為1 232 m，支管為地面管道，具體布設(shè)見圖3。

(4)毛管：直接向作物施水的管道，毛管將管網(wǎng)中的壓力水流均勻而穩(wěn)定地分配到田間土壤，滿足作物對水分的需要，還可隨水施肥施藥。毛管垂直于支管兩側(cè)呈魚骨式布置，方向與種植方向一致，毛管間距為1 m，毛管上每隔0.3 m設(shè)一個灌水器(滴頭)，灌水器流量2.8 L/h，工作水頭為10 m。毛管用按扣三通與支管連接，毛管上不設(shè)球閥，即同一支管上所有毛管同時工作，每條支管的兩側(cè)各布設(shè)44根毛管，每根毛管長60 m，典型地塊共布設(shè)2 464根毛管，毛管總長為147.84 km，毛管為地面鋪設(shè)管道，具體布設(shè)見圖4。

2.3 管材和管徑選擇

干管和分干管選擇聚丙烯(PVC)管材，支管和毛管采用聚乙烯(PE)管材[3]。管網(wǎng)的干、分干、支、毛各級管道管徑按經(jīng)驗公式計算，計算管徑和選取管徑見表2。

表2 各級管道設(shè)計管徑計算表

3 滴灌系統(tǒng)水力設(shè)計

3.1 各級管道流量推算

單根毛管流量等于灌水器流量乘以毛管上灌水器總數(shù)，即：Q毛=Nq=200×0.002 8=0.56(m3/h);即單根毛管的總流量為0.56 m3/h。式中:q為滴頭流量，2.8 L/h；N為毛管的滴頭數(shù)，為毛管總長度/滴頭間距;b、支管設(shè)計流量支管雙側(cè)連接88根毛管，故支管設(shè)計流量為：

Q單支=Q毛·N=49.28(m3/h)

式中:N為支管上毛管的數(shù)目N=88條；Q毛為單根毛管總流量。

分干管設(shè)計流量:Q分干管=Q支=49.28(m3/h)

干管設(shè)計流量:Q干=Q分干=49.28(m3/h)

3.2 毛管鋪設(shè)長度校核

(1)灌水小區(qū)最大水頭差;最大、最小水頭計算

hmax=(1+0.65qv)1/xhd

hmin=(1-0.35qv)1/xhd

hv=hmax-hmin

式中：hmax為滴頭最大水頭，m；hmin為滴頭最小水頭，m；qv為流量偏差率，取0.2；x為流態(tài)指數(shù)，取0.5；hd為額定壓力，取10 m。計算得，hmax=12.77 m，hmin=8.65 m，hv=4.12 m。

灌水小區(qū)毛管鋪設(shè)長度

分配給毛管的水頭差可取設(shè)計允許水頭差的50%，并以此計算毛管最大鋪設(shè)長度。毛管水頭損失為：

式中：hf為管道沿程水頭損失，m；f為摩阻系數(shù)，0.505；Q為管道流量，L/h；d為管道內(nèi)徑，15.6 mm；m為流量指數(shù)，1.75；b為管徑系數(shù)，4.75；L為管長，m。計算得，毛管最大鋪設(shè)長度為64.8 m，本次設(shè)計毛管長度為60 m，符合規(guī)范要求[4]。

3.3 管網(wǎng)最不利點水力計算

根據(jù)各級管道流量及最不利工作點的位置，根據(jù)前面給出的公式計算管網(wǎng)的水頭損失。管道水力計算包括管道沿程水頭損失和局部水頭損失。

(1)管道沿程水頭損失計算:

(2)管道局部水頭損失按沿程水頭損失的10%計算,計算結(jié)果見表3。

(3)泵管損失計算

H泵管=L·I (υ≥1.2 m/s)

式中:L為泵管長度，L=30 m；I=0.001 07υ2/d1.3；υ為管內(nèi)流速，m/s；d為管道內(nèi)徑，m。按照上述公式計算，泵管水頭損失為7.20 m[5]。

表3 水頭損失計算表

3.4 管網(wǎng)壓力分析

經(jīng)上述計算可知，管網(wǎng)遠(yuǎn)端最不利點壓力損失為4.87 m，管網(wǎng)近端壓力最大點壓力損失為2.82 m，兩點壓力差為2.05 m。當(dāng)滿足最遠(yuǎn)點毛管工作壓力時，最近點毛管壓力小于選取的毛管允許承受壓力(0.15 MPa)，設(shè)計合理。

3.5 滴灌典型地塊小區(qū)流量偏差率計算

通過上面計算可知滴灌典型地塊小區(qū)水頭偏差為2.62 m，則hv=0.262，通過上式計算可得流量偏差為0.131，小于《微灌工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50485-2009)所要求的0.2，故設(shè)計合理。

4 輪灌制度與灌水定額確定

4.1 輪灌制度

為保證系統(tǒng)各級管道安全穩(wěn)定運行，將系統(tǒng)劃分輪灌組。地塊共有1條干管、4條分干管，每條分干管共布設(shè)7條支管，支管共計28條。灌溉時開啟1條支管閘閥，典型地塊共布置28個輪灌組。運行時，每次灌水時間為3 h，即3 h可完成一個輪灌組。按照每天工作21 h計算，一天可以完成7個輪灌組的灌水定額，4天可完成全部28組輪灌區(qū)，即一個灌溉周期為4天，小于設(shè)計灌水周期[5]。

4.2 灌水定額

最大灌水定額采用適宜水量法確定：

mmax=100γtH(βmax-βx)；式中：mmax為設(shè)計灌水定額，m3/hm2；γ為土壤干容重，1.42 t/m3；h為計劃濕潤層深，0.4 m；βmax、βx為土壤適宜含水量上、下限，分別取田間持水量的94%和70%。

則有：mmax=31.35 mm；

上述計算結(jié)果為最大凈灌水定額，實際需水按m≤mmax確定，選取凈灌溉定額31.35 mm(20.9 m3/畝)。噴灌灌溉水利用系數(shù)取0.85，故毛灌溉定額為36.89 mm(取整為25 m3/畝)。

5 水泵的選型

5.1 總揚程計算

水源井動水位為30 m，泵管損失為7.2 m，地面高差忽略不計，滴灌帶入口要求壓力水頭10 m，過濾器水頭損失為10 m。則總揚程為：H揚=H入+H動+H損+H過=62.06 m。

5.2 水泵的選型

根據(jù)上述計算總揚程和總流量確定水泵的型號。本次設(shè)計擬200QJ50-65/5潛水泵，其性能及參數(shù)見表4。

表4 潛水泵性能及參數(shù)

6 結(jié)語

地塊尺寸為480 m×308 m的灌溉系統(tǒng)，單井出水量50 m3/h，滴頭工作壓力100 KPa，滴頭間距0.3 m，毛管布置間1 m，毛管布置間距1 m，滴水流量2.8 L/h，工作水頭為10 m。布設(shè)分干管4條，間距120 m，按44 m的間隔均勻布設(shè)在分干管上。分干管上平行于分干管方向布設(shè)7根支管，支管布設(shè)方式為雙向，每條支管長度為44 m，典型地塊共設(shè)置28條支管，每條支管的兩側(cè)各布設(shè)44根毛管，每根毛管長60 m，典型地塊共布設(shè)2 464根毛管。