靖邊縣超采區(qū)滴灌工程五期管網(wǎng)典型設(shè)計(jì)

高彩芬，王 靜，馮 寧

（陜西省榆林市靖邊縣水資源調(diào)度中心,陜西 榆林 718500）

1 工程概況

靖邊縣高效節(jié)水灌溉項(xiàng)目滴灌工程五期工程范圍為靖邊縣靖邊縣地下水超采區(qū)小橋畔村、東坑村、毛窯村、黃家峁村、毛團(tuán)村、硬地梁村、金雞沙村、四十里鋪村、新建村共53328 畝農(nóng)田的節(jié)水灌溉,設(shè)計(jì)灌溉保證率為85%。

項(xiàng)目區(qū)內(nèi)現(xiàn)建成有水源1120 眼,均用于農(nóng)業(yè)灌溉,原有水泵型號(hào)為為200 QJ（32）40-91、200 QJ（32）40-78潛水泵,機(jī)井井徑30 cm,深200 m,松散層130 m,巖層70 m,靜水位埋深40 m,動(dòng)水位埋深50 m,下泵深度60 m～80 m不等。項(xiàng)目區(qū)在灌溉期,水泵運(yùn)行時(shí)出水量恒定。所以本次不新建水源井,直接利用原有機(jī)井500 眼。

項(xiàng)目灌溉水源采用地下水,通過原有機(jī)井利用水泵提水至地埋低壓管道,分干管間隔100 m布置給水栓,給水栓接支管、支管接毛管進(jìn)行灌溉,給水栓為雙向給水栓,每次灌溉控制1條支管,支管長度為50 m。根據(jù)實(shí)地踏勘,毛管間距設(shè)置為0.9 m,布置在支管兩側(cè),單側(cè)長度為50 m。

2 管網(wǎng)典型設(shè)計(jì)

選擇小橋畔村10 號(hào)井（片區(qū)）控制的98 畝耕地作為典型地塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。土豆種植方向?yàn)闁|西向,種植兩行為一畦。

2.1 基本參數(shù)

灌溉方式以滴灌灌溉,灌溉保證率一般取85%～95%,結(jié)合項(xiàng)目所在地水文氣象、作物組成及經(jīng)濟(jì)效益等因素,綜合考慮,確定設(shè)計(jì)灌溉保證率為85%；灌溉水利用系數(shù)0.9；系統(tǒng)設(shè)計(jì)日工作小時(shí)數(shù),20 h；其他有關(guān)技術(shù)參數(shù)如下：

①土壤計(jì)劃濕潤層厚度,本次滴灌以土豆為主,微灌土壤濕潤層厚度0.6 m。

②微灌設(shè)計(jì)土壤濕潤比,60%。

④土豆作物耗水強(qiáng)度,Ia=5 mm/d 。

2.2 田間管網(wǎng)布置

滴灌系統(tǒng)輸水管網(wǎng)采用如下

水源（原有機(jī)井）→計(jì)量裝置（水表、壓力表）→施肥罐（施肥控制裝置）→干管（地埋PVC管）→支管（PE管）→毛管（滴灌帶）。

2.2.1 輸配水管網(wǎng)

工程輸配水管網(wǎng)包括干管、分干管、支管、毛管,毛管沿作物種植方向鋪設(shè),支管垂直于毛管鋪設(shè),支管與分干管垂直布設(shè),干管與分干垂直布設(shè)。

其中干管、支管埋設(shè)在地下,地埋深度大于最大凍土層以下（當(dāng)?shù)刈畲髢鐾翆由疃葹?.3 m）,因此本項(xiàng)目設(shè)計(jì)管溝開挖深度為1.5 m；支管、毛管均鋪設(shè)于地面；分干管上布置給水栓,給水栓接支管、毛管進(jìn)行灌溉,每個(gè)給水栓控制1根支管,因地塊面積不等,根據(jù)輪灌組劃分確定每次開啟出水栓數(shù)量。

出水栓間距100 m,支管間距100 m,單條支管左右兩側(cè)布置毛管,毛管間距0.9 m,每條支管控制110 條毛管,單條毛管長50 m。

2.2.2 毛管選擇與布置

根據(jù)設(shè)計(jì)濕潤深度,結(jié)合當(dāng)?shù)氐耐寥罈l件,考慮實(shí)際情況,本次毛管（灌水器）采用迷宮式滴灌帶,設(shè)計(jì)流量為qd=2.0 L/h,滴頭間距Se=0.3 m。

土豆種植兩行為一畦,毛管布置兩行土豆中間,平行于作物種植方向,毛管間距0.9 m。

本次毛管為內(nèi)鑲片式滴灌管,外徑φ16 mm,滴頭間距0.3 m,工作水頭hd=8.0 m,流態(tài)指數(shù)0.5。

2.3 灌溉方法與灌水定額

2.3.1 灌水方法

灌水方法采用滴灌,種植作物為土豆,土豆的種植株行距為0.9 m。

2.3.2 灌水定額確定

式中：mmax為設(shè)計(jì)灌水定額,mm；γ為土壤容重,1.45 g/cm3；Z為設(shè)計(jì)土壤濕潤層深度,0.6 m；為適宜土壤含水率上下限（占干土重量百分比）。65%；田為田間持水量,24%；P為設(shè)計(jì)土壤濕潤比,60%。

本次設(shè)計(jì)取25.06 mm,16.7 m3/畝。

2.3.3 設(shè)計(jì)最大灌水周期

式中：Tmax為最大灌水周期,d ；Ea為作物設(shè)計(jì)日耗水強(qiáng)度,5 mm/d。

則灌水周期Tmax=25.06/5=5.02 d

計(jì)算設(shè)計(jì)灌水周期取為5 天。

2.3.4 設(shè)計(jì)毛灌水定額

M=mmax/η=25.06/0.9=27.84 mm（18.57m3/畝）

2.4 灌溉工作制度和流量的確定

2.4.1 灌水器的選擇

根據(jù)目前國內(nèi)灌水器的種類和水力性能,擬選用Φ16毛管,滴頭技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 滴頭性能參數(shù)表

2.4.2 一次灌水延續(xù)時(shí)間

灌水器流量q=2.0 L/h,灌水器間距Se=0.3 m,毛管間距Sl=0.9 m,經(jīng)計(jì)算得：

式中：t為一次灌水延續(xù)時(shí)間；Se為滴灌出水器間距,m；Sl為毛管間距,m；qd為滴頭設(shè)計(jì)流量,L/h。

則一次灌水延續(xù)時(shí)間t=3.8 h,取t=3.8 h/組。

2.4.3 輪灌組數(shù)目

輪灌區(qū)數(shù)目計(jì)算公式為：

式中：N為輪灌組數(shù)目,個(gè)；C為系統(tǒng)設(shè)計(jì)日工作小時(shí)數(shù),20 h。

根據(jù)實(shí)際灌溉,典型地塊輪灌組取26個(gè)（見表2）。

表2 滴灌區(qū)輪灌組劃分表

續(xù)表2

2.5 田間管道水利計(jì)算

2.5.1 灌水小區(qū)允許水頭差

毛管采用內(nèi)鑲片式滴灌管,單根滴管長50 m,管徑16 mm,滴頭間距0.3 m,滴頭流量2.0 L/h,滴頭工作水頭ha=8.0 m,流態(tài)指數(shù)x=0.5。

毛管及支管允許水頭差根據(jù)下式計(jì)算。

當(dāng)qv=20%時(shí),灌水小區(qū)容許水頭差：

支、毛管水頭差分配比分別為 0.5、0.5,即：

2.5.2 毛管極限長度確定

毛管的極限容許長度按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Lm為毛管允許的極限長度,m；qa為滴頭設(shè)計(jì)流量,L/h,為2.0 L/h；S為毛管上出水孔間距,為0.3 m；D為毛管內(nèi)徑,mm,為16 mm；K為毛管局部水頭損失加大系數(shù),取1.05。

經(jīng)計(jì)算,毛管極限長度為79.6 m,本次毛管（迷宮式滴灌帶）長度取50 m,符合要求。

2.5.3 管網(wǎng)流量及管徑確定①毛管進(jìn)口流量

式中：Q滴為設(shè)計(jì)滴管流量,m3/h ；Se為滴頭間距,取0.3 m；L為滴管長度,取50 m；qd為滴頭流量,2.0 L/h。

經(jīng)計(jì)算,單條毛管進(jìn)口流量為0.333 m3/h。

②支管流量及管徑確定

根據(jù)管網(wǎng)布置和灌溉制度,一次灌溉每條支管同時(shí)最多開啟55條毛管,則：

式中：Q為設(shè)計(jì)流量,m3/h；D為管道管徑,mm；V為設(shè)計(jì)流速,1.5 m/s。

經(jīng)計(jì)算,管徑為D支=97.46 mm。

本次支管選用φ90 PE管,壁厚2.7 mm , 工作壓力0.63 MPa。

③干管流量及管徑確定

根據(jù)管網(wǎng)布置和灌溉制度,灌溉系統(tǒng)由一條干管控制,灌溉時(shí)開啟一個(gè)輪灌組內(nèi)所有支管,則：

Q干=38 m3/h（上述最大輪灌組流量）

干管經(jīng)濟(jì)流速按1.3 m/s進(jìn)行計(jì)算。

本次干管選取φ110 UPVC管,壁厚2.7 mm,工作壓力0.63 MPa。

2.5.4 系統(tǒng)水頭損失計(jì)算

1.3.該地區(qū)巖漿活動(dòng)較為頻繁。巖漿巖分布面積也占到了70%以上，且具有代表性，主要以早期的郭林家超單元以及中生代的燕山，早期新元古代震旦早期的超單元以及雙頂超單元和馬連莊超單員，有各式種類的入侵和各類蔓延，研究區(qū)內(nèi)的煌斑巖等中基性脈巖與礦體空間構(gòu)造密切關(guān)聯(lián)，也就是深部巖漿活動(dòng)的熱源釋放部位，是其熱源釋放的中心。

根據(jù)典型區(qū)管網(wǎng)布置及地形的特點(diǎn),根據(jù)滴灌工作制度,進(jìn)行水力損失計(jì)算,結(jié)果見表3。

表3 區(qū)塊-10（機(jī)井10）滴灌系統(tǒng)壓力最大時(shí)系統(tǒng)的水頭損失計(jì)算匯總表

①毛管沿程損失水頭：

式中：h毛為毛管水頭損失,m；F為多孔系數(shù)；hf為無旁孔出流時(shí)的沿程水頭損失,m；hj為毛管局部水頭損失取毛管沿程水頭損失的20%；Q毛為毛管流量,Q毛=0.333 m3/h；D為管道內(nèi)徑,mm；L為管道長度,m,50 m；N為出口數(shù)目,個(gè),取166個(gè)；f為摩阻系數(shù),0.505；m為流量指數(shù),1.75；b為管徑指數(shù),4.75；x為進(jìn)口端至第一個(gè)出水口的距離與孔口間距之比,為0.5。

毛管的最小水頭差hmin=8.0 m,其進(jìn)口工作壓力水頭為：② 支管沿程水頭損失按下式計(jì)算：

式中：H支為支管水頭損失,m；F為多孔系數(shù)；hf為無旁孔出流時(shí)的沿程水頭損失,m；hj為支管局部水頭損失取支管沿程水頭損失的20%；Q支為支管流量,m3/h；D為管道內(nèi)徑,mm；L為管道長度,取50 m；N為出口數(shù)目,110個(gè)；f為摩阻系數(shù),0.464；m為流量指數(shù),1.75；b為管徑指數(shù),4.75；x為進(jìn)口端至第一個(gè)出水口的距離與孔口間距之比,為0.5。

支管進(jìn)口工作壓力水頭為：

③干管沿程水頭損失按下式計(jì)算：

式中：h為總水頭損失,m；hf為沿程水頭損失,m；hj為局部水頭損失取沿程水頭損失的 10%；Q為流量,40000 L/h；D為管道內(nèi)徑,mm,104.6 mm；L為管道長度,（到支管J36 所流經(jīng)管道）；f為摩阻系數(shù),0.464；m為流量指數(shù),1.77；b為管徑指數(shù),4.77。

2.6 首部樞紐設(shè)計(jì)

由《低壓管道輸水灌溉工程技術(shù)規(guī)范》可知,管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)揚(yáng)程應(yīng)按下式計(jì)算：

式中：Hp為水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程,m；H0為管網(wǎng)進(jìn)口壓力水頭,m；Zd為動(dòng)水位,50 m；h首為首部設(shè)備水頭損失,取10 m；h為最不利灌水點(diǎn)與管網(wǎng)進(jìn)口處的地形差,0.5 m。

通過計(jì)算,本項(xiàng)目水泵揚(yáng)程計(jì)算結(jié)果=50+0.5+10+22.11=82.61 m。

（2）水泵選型

原機(jī)井水泵型號(hào)為200QJ40-91/7-18.5kW潛水泵,則本次設(shè)計(jì)可直接利用原有水泵。

2.7 管道節(jié)點(diǎn)壓力校核

管道節(jié)點(diǎn)壓力計(jì)算采用下式計(jì)算：

式中：Hin為管道節(jié)點(diǎn)壓力水頭,m；∑hf為管網(wǎng)入口壓力水頭,m；∑hj為計(jì)算管線沿程水頭損失,m；Z為計(jì)算管線局部水頭損失,m；為設(shè)計(jì)控制點(diǎn)與管網(wǎng)入口地面高程差,m。

帶入數(shù)值,計(jì)算選取管道節(jié)點(diǎn)水頭壓力見表4,均滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

表4 各滴灌系統(tǒng)管道節(jié)點(diǎn)壓力計(jì)算表

3 結(jié)語

項(xiàng)目的實(shí)施帶動(dòng)超采區(qū)實(shí)現(xiàn)滴灌普及,實(shí)施后可以產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益3631.71 萬元,節(jié)地1067 畝,節(jié)水426.63 萬m3。同時(shí),通過節(jié)水灌溉工程的實(shí)施,將會(huì)改善項(xiàng)目區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)狀況,推動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的全面發(fā)展,促進(jìn)了農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整,水資源短缺現(xiàn)象將得到有效緩解,可有效減少灌區(qū)地下水的開采量,從而有效遏制地下水位不斷下降的趨勢(shì)。