農(nóng)業(yè)科技園滴灌工程設(shè)計研究
——以辰宇生態(tài)循環(huán)經(jīng)濟科技園為例

馮 樂

（平?jīng)鍪袥軚|水利水電勘測設(shè)計有限責(zé)任公司，甘肅 平?jīng)?744000）

1 項目區(qū)概況

設(shè)計項目位于甘肅省靜寧縣葫蘆河流域威戎鎮(zhèn)李溝村萬畝現(xiàn)代農(nóng)業(yè)核心區(qū)，受益區(qū)為辰宇生態(tài)循環(huán)經(jīng)濟科技園。項目區(qū)水源地擬選在葫蘆河右岸，水源地為旁河水源地類型；項目區(qū)地貌單元屬葫蘆河右岸Ⅰ級階地分布地段，分布寬度150 ～300 m，地面高程1 587 ～1 591 m。

項目區(qū)農(nóng)村電網(wǎng)已全部形成，供電設(shè)施齊全，電力供應(yīng)有保障；通信系統(tǒng)健全，通信便捷；各類建筑材料的采購與開采條件較好。

2 項目區(qū)需水量預(yù)測

2.1 作物種植結(jié)構(gòu)和灌水方式

此次規(guī)劃灌溉面積13.33 hm，設(shè)計灌溉面積13.33 hm。灌區(qū)所在地屬半干旱地區(qū)，種植作物為果樹，株距為2.5 m，行距為4.0 m。設(shè)計選用滴灌方式，設(shè)計滴灌帶間距4.0 m，滴頭間距2.5 m。

2.2 灌溉水利用系數(shù)

根據(jù)《微灌工程技術(shù)標(biāo)準》（GB/T 50485—2020）規(guī)定，灌溉設(shè)計保證率不小于85%。根據(jù)灌區(qū)規(guī)劃報告，并結(jié)合灌區(qū)實際情況，該改造配套工程灌溉設(shè)計保證率取90%（見表1）。

表1 滴管灌溉保證率及水利用系數(shù)取值

2.3 設(shè)計水平年灌溉制度及灌水率確定

項目設(shè)計以2021 年為現(xiàn)狀基準年，2022 年為設(shè)計水平年。灌溉作物為蘋果樹，根據(jù)下式計算出蘋果樹的灌水定額和灌水周期后，確定該灌區(qū)的設(shè)計灌溉制度。

①設(shè)計灌水定額：

式（1）中：表示設(shè)計灌水定額，單位為 mm；表示土壤容重，=1.36 g/cm；表示計劃土壤濕潤層深度，果樹取值80 mm；表示設(shè)計土壤濕潤比，果樹取值40%；、表示適宜土壤含水量的上、下限（一般為田間最大持水量的90%，為田間最大持水量的75%）；表示灌溉水的有效利用系數(shù)，取0.95。根據(jù)式（1）計算得出，項目區(qū)的設(shè)計灌水定額為15 mm。

②設(shè)計灌水周期：

式（2）中：表示設(shè)計灌水周期，單位為 d；表示最大設(shè)計灌水周期，單位為 d；表示最大凈灌水定額，取值15 mm；I表示滴灌系統(tǒng)設(shè)計日耗水強度，取值5 mm/d。根據(jù)計算及當(dāng)?shù)毓喔冉?jīng)驗，果樹設(shè)計灌水周期為3 d。

③灌區(qū)設(shè)計一次灌水延續(xù)時間：

式（3）中：表示一次灌水延續(xù)時間，單位為 h；表示設(shè)計灌水定額，單位為mm；S表示滴頭間距，單位為m；S表示毛管間距，單位為m；表示滴頭流量，單位為L/h。

灌區(qū)采用PE 滴灌帶，沿果樹的種植方向一行一管布設(shè)，滴灌帶鋪設(shè)間距為4.0 m，滴頭（果樹）間距為2.5 m，流量為8 L/h。經(jīng)式（3）計算得=18.75 h，此次設(shè)計取值為19 h。

④系統(tǒng)允許的最大輪灌組數(shù)

式（4）中：表示設(shè)計最大輪灌組數(shù)，單位為個；表示系統(tǒng)日工作時間，單位為h，取值20；表示設(shè)計灌水周期，單位為d；表示設(shè)計每次最大灌水時間，單位為h。由式（4）計算可得=2.84 個，考慮到項目區(qū)水源井最小出水量為32 m/h，故此次設(shè)計最大輪灌組數(shù)3 組。

根據(jù)以上計算數(shù)據(jù)和當(dāng)?shù)貙嶋H灌水需要，灌溉延續(xù)時間為10 d，每天不大于20 h，平均灌溉時間為13.5 h，確定 667 m凈灌水定額 47.5 m、667 m毛灌水定額50.0 m。

2.4 灌溉用水量

灌區(qū)設(shè)計灌水率取最大灌水率1.65×10m/（s·hm），滴灌灌溉水利用系數(shù)為0.95，采用下式計算設(shè)計流量：

式（5）中：表示整個灌區(qū)設(shè)計流量，單位為m/s；表示設(shè)計灌水率，為 1.65×10m/（s·hm）；表示管道控制的灌溉面積，為13.33 hm；表示灌溉水有效利用系數(shù)，取值0.95；經(jīng)計算，=0.002 m/s。灌區(qū)灌溉保證率為=90%，全年灌溉用水量為3.0 萬m。

3 水量平衡分析

3.1 供水量分析

該工程是從項目區(qū)農(nóng)田中利用大口井取水。區(qū)內(nèi)地形較為平坦，西高東低，地形坡度為1%左右。地下水流自西向東，水源地含水層主要為白堊系（K）砂巖，含水層平均厚度20 m，滲透系數(shù)=65 ～75 m/d，屬強透水含水層。項目區(qū)潛水完整井單井最小出水量=1 440 m/d，單井出水量為60 m/h，能滿足灌區(qū)年用水量的需求。其水質(zhì)符合《農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準》（GB 5084—2021）中的各項標(biāo)準。

3.2 需水量分析

滴灌區(qū)總面積13.33 hm，灌溉總用水量為3.0 萬m。

3.3 供需平衡分析

從流量方面分析，工程項目實施后，保證率=90%時，設(shè)計輸水流量為0.002 m/s，大口井最小出水流量為0.017 m/s，此水源井最小出水流量完全滿足該工程的灌溉要求。從總水量方面分析，設(shè)計灌溉需水量3.0 萬m，水源井年總有效出水量為20 萬m，總出水量遠遠大于總需水量，通過水量平衡分析，無缺水現(xiàn)象，完全滿足灌溉要求。

4 工程等別及防洪標(biāo)準

根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計標(biāo)準》（GB 50288—2018）及《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準》（SL 252—2017）規(guī)定，裝機流量小于 25 m/s，裝機功率小于0.01 萬kW，該工程等級為Ⅴ等，屬?。?）型工程，建筑物級別為5 級，洪水設(shè)防標(biāo)準為10 a。

5 工程設(shè)計

5.1 工程總體布置

該工程水源采自地下潛水，規(guī)劃在項目區(qū)農(nóng)田中打一眼大口井。井內(nèi)安裝井用潛水泵1 臺，配套變頻設(shè)備經(jīng)首部樞紐過濾后直接向田間輸配水。配水管網(wǎng)分為干管、分干管、支管、毛管4 級管道布置。配水干管從西到東布設(shè)，支管垂直干管呈“豐”字形布設(shè)，支管與毛管采用DN16PE 管旁通連接。毛管根據(jù)株距，每行布設(shè)1 排。毛管沿種植方向布置，采用一行一管的地埋式布置形式。毛管在植物根部打孔，孔間距為2.5 m，滴孔流量為8 L/h。滴灌管以支管為中心雙向鋪設(shè)，利用按扣和三通連接。為確保灌水均勻度，毛管鋪設(shè)長度按順坡不大于50 m、逆坡不大于45 m 進行控制。根據(jù)《噴灌與微灌工程技術(shù)管理規(guī)程》（SL 236—1999），干管與分干管、支管連接處設(shè)置1 閘閥井，井內(nèi)在每條支管進口設(shè)1 個閘閥，在干管處設(shè)1 個節(jié)制閥。

5.2 工程設(shè)計方案

根據(jù)近年該灌區(qū)及臨近灌區(qū)的實際灌溉經(jīng)驗，結(jié)合甘肅省水利廳印發(fā)的《甘肅農(nóng)業(yè)灌溉用水定額》，根據(jù)相關(guān)設(shè)計依據(jù)和項目區(qū)基本資料確定基本設(shè)計參數(shù)。根據(jù)果樹作物灌制度，每次灌水時間最長10 d，一天工作不超過20 h。為保證運行安全及灌溉質(zhì)量，在運行過程應(yīng)嚴格按設(shè)計的灌溉制度進行操作。

5.2.1 基本參數(shù)。土壤濕潤比為40%；滴灌設(shè)計耗水強度為5.0 mm/d；根據(jù)《微灌溉技術(shù)標(biāo)準》的要求，設(shè)計灌溉水利用系數(shù)取為0.95；日工作時間為18 h；設(shè)計灌溉保證率為90%；設(shè)計濕潤深度為80 mm。

5.2.2 滴管工程設(shè)計

5.2.2.1 水源工程。該滴灌系統(tǒng)的水源為井水，根據(jù)設(shè)計水資源供需平衡分析，水量完全能滿足灌區(qū)灌溉要求。井水內(nèi)含有少量泥沙，無懸浮物和雜物，需要經(jīng)過田間過濾器過濾，方可完全符合農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準。

5.2.2.2 首部樞紐。①自動反沖洗疊片過濾器系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對水中的雜質(zhì)進行過濾，過濾能力為32 m/h，可滿足滴灌工程水質(zhì)要求。②施肥系統(tǒng)。微灌與施肥一體化是實現(xiàn)增產(chǎn)、增收的關(guān)鍵，也是高效節(jié)水灌溉的核心技術(shù)之一。根據(jù)各種施肥技術(shù)類型的特點，并結(jié)合項目區(qū)作物的需肥要求，此次設(shè)計灌溉系統(tǒng)均采用150 L 塑料施肥罐+0.5 m/h 注肥泵的施肥系統(tǒng)。③控制設(shè)備。首部安裝2 套控制蝶閥，過濾器進口處安裝1 個，可調(diào)節(jié)進水量；蝶閥采用2"蝸輪蝶閥，該類型閥門的開啟和關(guān)閉時間不少于30 s，可防止水錘發(fā)生。④量測設(shè)備。在過濾器進口和出口處各安裝1個壓力表，通過1 個三向閥門可檢測過濾器進水口和出水口的壓力，用于灌溉系統(tǒng)的壓力監(jiān)控及過濾器清潔程度和清理時間的判定；水表安裝在過濾器出口處，采用數(shù)字直讀干式水表。該水表讀數(shù)區(qū)不進水，減少肥料對水表的腐蝕，可延長水表的使用時間。

5.2.2.3 輸配水管網(wǎng)。系統(tǒng)輸配水管網(wǎng)由干管、地面支管和毛管組成。靜寧縣最大凍土深度為0.91 m，故干管、分干管埋深1.5 m 即可滿足防凍要求。支管垂直等高線布置，每條支管均有1 個閥門控制，便于對輪灌組的管理；毛管垂直于支管并沿農(nóng)作物耕作壟平行鋪設(shè)，每行蘋果樹鋪設(shè)1 根毛管，鋪設(shè)間距4.0 m，由地面支管及閥門控制灌溉。

5.2.2.4 灌水器。灌水器是直接向作物施水的設(shè)備，其作用是把末級管道即毛管中的壓力水流均勻、穩(wěn)定地分配到田間。灌水器質(zhì)量直接影響灌水質(zhì)量。對灌水器的要求是出流量小、出水均勻、抗堵塞性能好、制造精度高、便于安裝、堅固耐用、價格低廉等。該項目區(qū)采用直徑為16 mm 外鑲式滴灌管線，每株樹旁邊安置1 個滴頭，流量8 L/h。

5.2.2.5 灌水區(qū)水力設(shè)計。在該工程中，一條支管和其供水的毛管構(gòu)成了一個灌水小單元，沿毛管鋪設(shè)方向，坡度小于1‰，按平坡計。

①灌水器設(shè)計允許水頭偏差：

式（6）中：h表示灌水器工作水頭偏差率，取值0.45；h表示設(shè)計滴頭工作水頭，取值10 m。由式（6）計算得出，［△］=4.5 m。對于灌水小區(qū)允許水頭偏差分配，該系統(tǒng)按=0.45、=0.55分別分配給支管、毛管，則支管允許水頭偏差［△］=0.45［△］=2.025 m，毛管允許水頭偏差［△］=0.55［△］=2.475 m。

②平鋪條件下毛管極限孔數(shù)：

式（7）中：N表示毛管極限孔數(shù)，單位為個；表示毛管直徑，取值16 mm；表示毛管水頭損失擴大系數(shù)，=1.1 ～1.2，該設(shè)計取1.1；表示滴頭平均間距，取值2.5 m；q表示滴頭流量，取值8.0 L/h。由式（7）計算得出，N=57 個。

③極限長度：

式（8）中：L表示毛管極限長度，單位為 m；表示滴頭平均間距，單位為m；N表示毛管極限孔數(shù)，單位為個；表示毛管進口至首孔的距離，單位為m。由式（8）計算得出，L=143 m。

5.2.2.6 配水管網(wǎng)水力計算和各級管徑確定。依據(jù)《微灌工程技術(shù)標(biāo)準》，對多孔滴灌帶各級管道進口流量均采用下式計算：

式（9）中：表示各級管道的進口流量，單位為L/h；q表示第個下一級管道灌水器或出水栓的流量，單位為L/h；表示下一級管道上灌水器或出水栓的數(shù)量。

各級管道的管徑采用下式計算：

式（10）中：表示管道內(nèi)徑，單位為 m；表示管道設(shè)計流量，單位為m/s；V表示經(jīng)濟流速，取值1 m/s。

5.2.3 系統(tǒng)運行方案確定。滴灌系統(tǒng)壓力控制在100 ～150 kPa。由于效益區(qū)地勢平坦，地下水埋深約在16 m，持水層較淺，水位較為穩(wěn)定，可確保灌溉均勻度和灌溉用水量達到設(shè)計要求。實際灌溉時可開啟1 個灌溉系統(tǒng)進行輪灌，每天灌溉用時17.1 h，在設(shè)計范圍內(nèi)15 d 可保證灌溉正常進行。

5.2.4 系統(tǒng)管道水力計算

5.2.4.1 毛管鋪設(shè)極限長度確定。毛管選用φ16 mm 的滴灌管，滴頭間距2.5 m，滴頭流量8 L/h，流態(tài)指數(shù)0.600。由式（8）計算得出，毛管鋪設(shè)極限長度為143 m，考慮到條田的長寬和縱坡，確定毛管實際鋪設(shè)長度順坡最長為120 m。

5.2.4.2 毛管流量確定。1 條毛管流量按下式計算：

式（11）中：表示毛管流量，單位為 m/h，計算得0.386m/h；表示毛管長度，取值120 m。

5.2.4.3 支管流量確定。根據(jù)每條支管控制的毛管條數(shù)，即得出支管流量：

式（12）中：表示支管流量，單位為 m/h；表示毛管流量，單位為m/h；表示毛管條數(shù)，取值28個。經(jīng)計算，支管流量最大為10.8 m/h。

另外，由式（10）計算得出支管內(nèi)徑為57 mm，因此，支管采用工作壓力為0.25 MPa 的DN63UPVC 管。

5.2.4.4 輸、配水干管流量及水力計算。輸配水干管道內(nèi)徑根據(jù)式（10）計算確定，其中配水干管設(shè)計流量為0.006 m/s。經(jīng)計算，干管內(nèi)徑為62 mm，采用工作壓力為0.63 MPa 的DN90UPVC 管。干管水頭損失按下式計算：

式（13）中：h表示沿程水頭損失，單位為 m；表示計算管段的長度，取值768 m；表示管段流量，取值0.006 m/s；表示管道內(nèi)徑，取值88.8 m。

各管段局部水頭損失h按管段沿程水頭損失的10%計算。經(jīng)計算，水頭總損失=h+h=12.22 m。

5.2.4.5 管網(wǎng)壓力情況。經(jīng)管網(wǎng)水頭計算可得出各級管段末最不利流量狀態(tài)下的工作壓力。

5.2.5 系統(tǒng)總揚程計算及水泵選型

5.2.5.1 輸水管管徑計算。依據(jù)輪灌組劃分確定水泵流量，水泵設(shè)計流量為32 m/h，輸水管管徑按式（10）計算，其中水泵取水管流量32 m/h、流速1.0 m/s，計算得出輸水管內(nèi)徑為75.2 mm。因此，采用工作壓力為3.0 MPa 的Dg100（外徑114 mm，壁厚6 mm，內(nèi)徑102 mm）無縫鋼管。

5.2.5.2 取水泵設(shè)計揚程計算。水泵沿程水頭損失按下式計算：

式（14）中：表示單位管長水頭損失，單位為m/m；表示輸水管的長度，單位為m。

輸水管采用無縫鋼管段，單位管長水頭損失按下式計算：

式（15）中：表示管段流速，取值 1.088 m/s；表示管道內(nèi)徑，取值102 mm。

經(jīng)計算，=0.000 05 m。

局部水頭損失可按沿程水頭損失的10%計取，則總水頭損失=0.000 05+12.22+9.57+1.62=23.41 m。

5.2.5.3 取泵站設(shè)計揚程計算及選型。根據(jù)《泵站更新改造技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50510—2009），由以上各項計算可知，項目區(qū)內(nèi)輸水管道水頭損失為23.41 m，幾何揚程15.00 m，設(shè)計揚程38.45 m，則水泵設(shè)計額定揚程為52.00 m，富余水頭13.55 m，查水泵性能表，選配200QJ32-52/4 型潛水泵1 臺，額定流量32 m/h，額定揚程52.00 m，配套電動機功率7.5 kW。為減小水錘壓力，保證水泵電機安全，在潛水泵出口處安裝DN100 閘閥及緩閉式止回閥，最大工作壓力1.6 MPa，規(guī)格為 DN100。

5.3 供電設(shè)計

泵站供電架設(shè)10 kV 的高壓線0.5 km，電源引自明星村明星社附近高壓干線；采用單回路供電，水泥電桿長12 m，檔距為50 m；架設(shè)低壓線路0.3 km。考慮到水泵、照明及管理生活用電，在大口井傍各架設(shè)桿式變壓器，選用S11-20/10 型變壓器1 臺，其容量為20 kVA。

6 實施效益分析

該工程實施后，蘋果園667 m增產(chǎn)59 kg，增長率為10%；產(chǎn)量總體增加3.56 萬kg，蘋果按11 元/kg 計算，年增加效益39.16 萬元；與常規(guī)灌溉工程相比可節(jié)水1.3 萬m，節(jié)水效益為1.00 萬元。