中山丘陵區(qū)膜下滴灌水肥一體化項目設(shè)計研究

索巖松 孫風(fēng)朝

（1.晉城市水務(wù)局 山西晉城 048000；2.山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院 山西運城 044004）

由于近年來氣候變暖、降水量減少、蒸發(fā)量增大，干旱缺水已嚴重影響農(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展，造成農(nóng)民收入增長幅度減緩，且無序灌溉和落后的灌溉形式造成了水資源的嚴重浪費。為促進鄉(xiāng)村振興，振興水利是前提，只有依靠科學(xué)走節(jié)水灌溉之路，才能解決或緩解土地干旱缺水的矛盾，促進種植產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，發(fā)展多元經(jīng)濟，尤其是發(fā)展蔬菜種植。

膜下滴灌水肥一體化技術(shù)是灌溉與施肥相結(jié)合的一種高效低壓節(jié)水灌溉技術(shù)，具有水肥均衡，節(jié)水、省肥、省時、省力等優(yōu)點[1]，根據(jù)研究表明[2-4]，膜下滴灌水肥一體化技術(shù)還可有效減少水量蒸發(fā)、減少面源污染、節(jié)約有限水資源，提高灌溉水利用系數(shù)，還能改善傳統(tǒng)耕作模式及灌溉施肥模式，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效，促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)?；?、標準化、集約化。近年來在我國新疆地區(qū)應(yīng)用廣泛，在山西尤其是晉城市中山丘陵區(qū)大田中仍有待推廣。為此設(shè)計了一套適用于中山丘陵區(qū)大田灌溉系統(tǒng)，旨在解決當(dāng)?shù)刂猩角鹆陞^(qū)傳統(tǒng)灌溉施肥模式中勞動強度大、水肥利用率低、成本高等問題，從而促進傳統(tǒng)的種植模式改變。

1 項目概況

項目區(qū)位于沁水縣柿莊鎮(zhèn)李莊村，距鎮(zhèn)政府所在地4 km。多年平均氣溫為10.3℃，多年平均蒸發(fā)量1 687 mm。中山丘陵區(qū)項目區(qū)計劃發(fā)展蔬菜種植，種植作物主要為辣椒。項目區(qū)設(shè)計灌溉面積7.33 hm2，土壤為砂壤土，田間持水量為23%（重量百分比）。灌溉方式采用膜下滴灌。種植模式為一膜兩行（45 cm-45 cm-45 cm），如圖1，作物株距30 cm。

圖1 作物種植模式

2 設(shè)計參數(shù)的選取

依據(jù)《微灌工程技術(shù)標準》（GB/T 50485-2020）[5]，并綜合考慮柿莊鎮(zhèn)的水文氣象、水土資源、作物組成、灌水方法和經(jīng)濟效益等因素，工程灌溉設(shè)計保證率取90%。項目區(qū)采用膜下滴灌水肥一體化灌溉技術(shù)，灌溉水利用系數(shù)取0.9。根據(jù)柿莊鎮(zhèn)的自然條件、灌溉方式、作物辣椒的種植方式及根系發(fā)育情況，灌溉區(qū)土壤濕潤層厚度取40 cm，設(shè)計土壤濕潤比為90%。土壤適宜含水量取田間持水率的65%～90%。灌水均勻系數(shù)不應(yīng)低于0.80，本次取0.90。灌溉設(shè)計允許流量偏差率不大于20%，本次取20%。

3 水源工程

3.1 灌溉制度的確定

1）設(shè)計灌水定額

設(shè)計灌水定額計算[6]：

m=0.1γZP（θmax-θmin）/η

式中：m——設(shè)計灌水定額，mm；

γ——土壤容重，g/cm3；

Z——土壤計劃濕潤層深度，m；

P——濕潤比，%；

η——灌溉水利用系數(shù)；

θmax、θmin——適宜的土壤含水率上、下限（重量百分比），%。

經(jīng)計算：m=30.22 mm，即302.2 m3/hm2。

2）設(shè)計灌水周期

設(shè)計灌水周期計算[6]：

式中：T——灌水周期，d；

Ea——設(shè)計耗水強度，mm/d。

經(jīng)計算：T=6.04 d，取T=6 d。

3）灌溉次數(shù)與灌溉用水總量

項目區(qū)種植面積7.33 hm2，作物設(shè)計灌水定額為302.2 m3/hm2，一年灌溉5 次，初花期1 次、盛花期2 次、成熟期2 次，灌溉用水總量1.11 萬m3。

3.2 水量平衡計算

灌溉水源為當(dāng)?shù)氐叵滤?，淺層井位于地塊西南角，井深115 m，地表標高944 m，井的實際出水量為18 m3/h。水量平衡計算[7]：

式中：Q——系統(tǒng)所需流量，m3/h；

Ia——設(shè)計灌溉補充強度，mm/d；

A——灌溉面積，hm2；

C——系統(tǒng)每日工作時間，h。

經(jīng)計算：Q=16.43 m3/h。

由此看出：計算水量小于水源井可出水量18 m3/h，灌溉水源水量能滿足灌溉要求。

在項目區(qū)地塊旁丘陵中間部位有1 座100 m3蓄水池，本次設(shè)計對其進行維修。由于項目區(qū)每次灌溉所需流量均小于水源井的出水量，因此不再對蓄水池容積進行復(fù)核，僅對其是否滿足膜下滴灌所需工作壓力進行復(fù)核。高位水池池底高程為966.44 m，項目區(qū)最不利高程為949.58 m，高差為16.86 m，項目區(qū)毛管滴管帶所需的工作壓力為0.05～0.12 MPa，即5～12 m，再考慮輸水管道水頭損失，地形高差能滿足項目區(qū)所需工作壓力要求。

3.3 輸水管道設(shè)計

1）輸水管管徑的確定

輸水管管道計算[8]：

式中：D——管徑，mm；

Q——管道設(shè)計流量，m3/h；

v——經(jīng)濟流速，m3/s。

經(jīng)計算，管徑取110 mm，輸水管管材采用PE 管。

2）管損計算

輸水管道從水源井輸水至高位水池，管長173 m。管損主要包括沿程水頭損失和局部水頭損失兩部分。局部水頭損失考慮彎頭、閘閥等損失，按沿程水頭損失的10%計算。沿程水頭損失計算[8]：

hf＝f ×L×Qm／Db

式中：hf——管道沿程水頭損失，m；

f——管材摩阻系數(shù)；

L——管長，m；

Q——管道設(shè)計流量，m3/h；

D——管道內(nèi)徑，mm；

m——流量指數(shù)；

b——管徑指數(shù)。

經(jīng)計算：hf=1.4 m，局部水頭為0.14 m，總的水頭損失為1.54 m。

3.4 水泵選型

按照最不利水頭損失進行水泵揚程的計算，計算結(jié)果：

H=hf+Hj+H井深+H工+Hg=139.16 m

根據(jù)計算所需總揚程139.16 m 及流量18 m3/h，選定200QJ20-148/11 型水泵，揚程148 m、流量20 m3/h、功率為15 kW，可滿足要求。

4 田間工程

4.1 首部樞紐設(shè)計

為濾除灌溉水中的砂粒、雜質(zhì)等，避免毛管上滴頭堵塞并延長管道、滴頭等設(shè)施的使用壽命，控制水流，保證管網(wǎng)的安全運行，在項目區(qū)地塊邊設(shè)一處控制室，控制室內(nèi)安裝首部樞紐設(shè)備，同時為了滿足水肥一體化灌溉，設(shè)施肥罐+網(wǎng)式過濾器，然后配水至田間滴灌系統(tǒng)。

首部樞紐沿水流方向依次由壓力表、砂石過濾器、排氣閥、施肥罐、施肥控制閥、網(wǎng)式過濾器組成，布置在控制室內(nèi)，具體見圖2。其中砂石過濾器采用S-50 型砂石過濾器，網(wǎng)式過濾器采用WS-50 型篩網(wǎng)過濾器組成的過濾系統(tǒng)。

圖2 首部樞紐布置示意圖

本項目為大田膜下滴灌水肥一體化，施肥裝置采用易操作、無需額外動力、投資少的壓差式施肥裝置，施肥罐容量30L，型號為SFG-30L×16。

4.2 配水總管管道設(shè)計

配水總管管徑的確定方法同輸水管，確定管徑為110 mm，配水總管管材采用PE 管，管長184 m。

4.3 田間工程設(shè)計

4.3.1 灌溉工作制度確定

膜下滴管水肥一體化田間灌溉區(qū)配水管網(wǎng)按管道級別分為主干管、分干管、支管、輔管和毛管五級。主干管、分干管均實行續(xù)灌，支管、輔管和毛管實行輪灌。分干管上通過豎管連接支管，支管上通過輔管與毛管連接。項目區(qū)主干管1 條、管長575 m；分干管布設(shè)2 條、分干管最長160 m；支管布設(shè)12 條、支管最長130 m；為了減小支管管徑、節(jié)約投資，每個支管上帶28 條輔管，每條輔管上布設(shè)6 對毛管。毛管鋪設(shè)間距SL=0.9m，毛管上的滴頭間距Se=0.3 m；滴頭設(shè)計流量qa=2.5 L/h，工作壓力選取0.1 MPa；毛管內(nèi)徑d=16 mm；每條毛管上的滴頭數(shù)n1為132 個，由于支管較長，一條支管上布置毛管條數(shù)n2為168 對。作物種植模式為一膜兩行（45 cm-45 cm-45 cm），作物株距30 cm，相鄰膜間間距45 cm。

1）一次灌水延續(xù)時間計算[6]：

式中：t——一次灌水延續(xù)時間，h；

m——設(shè)計灌水定額，m3/hm2；

Se——毛管間距，m；

Sl——滴頭間距，m；

qd——設(shè)計滴頭流量，L/h。

經(jīng)計算：t＝3.26 h。即一次灌水時間需3.26 h。

2）輪灌組數(shù)目

為便于控制和運行管理，輪灌組在劃分時每個組內(nèi)同時工作的灌溉管道應(yīng)盡量集中，各個輪灌組灌水時間總和不能大于設(shè)計灌水周期。輪灌區(qū)數(shù)目計算[6]：

式中：N——輪灌組數(shù)目，個；

T——灌水周期，d；

C——系統(tǒng)設(shè)計日工作小時數(shù)，h。

計算：N≤37 組，則取N＝28 組，即輪灌組為28組。

4.3.2 輪灌組的劃分

為確保整個灌溉管道系統(tǒng)流量變化幅度較小，每一輪輪灌時各輪灌組流量應(yīng)盡量相近，同時工作的管道流量之和要與上一級管道供給的流量相適應(yīng)；壓力較高的區(qū)域輪灌組的總流量比壓力較低的區(qū)域輪灌組的總流量可大些，但變動幅度不能太大；劃分輪灌組時應(yīng)有利于提高管道設(shè)備的利用率和減少運行費用。

1）毛管極限孔數(shù)及極限長度計算

毛管水力參數(shù)計算，有關(guān)參數(shù)為毛管長L=40 m，內(nèi)徑d=16 mm。滴頭選用內(nèi)鑲式滴頭，滴頭間距S1=0.3 m，滴頭流量qd=2.5 L/h，工作壓力10 m，為紊流式。根據(jù)資料，滴頭流態(tài)指數(shù)x=0.5-0.6，現(xiàn)設(shè)x=0.55，滴頭流量偏差率qv=20%=0.2，則灌水小區(qū)水頭偏差率[5]：

滴頭工作壓力為10 m，灌水小區(qū)內(nèi)最大允許水頭差[6]：

ΔH=hvhd=0.37×10=3.7 m

灌水小區(qū)允許水頭差在支管、毛管之間各按50%分配，設(shè)ΔHm、ΔHz分別表示毛管、支管的允許水頭差，則：

ΔHm=ΔHz=ΔH/2=3.7/2=1.85 m

毛管局部損失系數(shù)K=1.1，則毛管極限孔數(shù)計算[6]：

毛管極限長度計算：

Lm=se（N-1）+se=70 m

經(jīng)計算：毛管最大長度為70 m，毛管長選取40 m，在允許范圍內(nèi)，滿足要求。

2）輔管極限孔數(shù)及極限長度計算

輔管水力參數(shù)：輔管選取長L=4.5 m，內(nèi)徑d=50 mm。輔管間距S1=0.9 m，輔管流量qd=3 960 L/h，根據(jù)資料，輔管流態(tài)指數(shù)設(shè)x=0.55，輔管流量偏差率qv=20%=0.2，計算方法同毛管。經(jīng)計算輔管長選取4.5 m，在允許范圍內(nèi)，滿足要求。

根據(jù)管網(wǎng)布置形式和大田管理運行經(jīng)驗，本項目輪灌組編組方式每次灌溉時同時開啟兩個分干管、每個分干管上分別開啟一個支管，每個支管上布設(shè)有28條輔管，故有28 個輪灌組，每條輔管上布設(shè)6 對毛管，每個輪灌組同時工作的毛管數(shù)量為24 條，即4 條輔管同時工作。

4.3.3 田間灌溉管網(wǎng)設(shè)計

為充分考慮田間灌水均勻性，田間管道布置時先確定給水栓的位置，在已確定給水栓的前提下，力求管道最短、水頭損失最小、管道線路盡量平順、減少起伏和折點，并盡量平行于田間道路，以利耕作和管理。

1）田間灌溉管網(wǎng)布置

該項目配水管道通過首部樞紐直接自流至各個灌溉片區(qū)。田間灌溉管網(wǎng)采用干支毛管道，田間灌溉管網(wǎng)由總干管、分干管、支管、輔管和毛管等組成，總干管和分干管采用地埋式，支管、輔管、毛管采用露天式，毛管為田間最末級的固定管道。田間灌溉管網(wǎng)布置可根據(jù)灌溉區(qū)的實際情況適當(dāng)調(diào)整，以便更合理灌溉。

2）田間灌溉管網(wǎng)水力計算

田間灌溉管網(wǎng)水力計算是為了合理的確定管徑，計算各級管道的流速、水頭損失及各節(jié)點的自由水頭?？偢晒堋⒎指晒芫捎肞E 管。水力計算采用規(guī)范規(guī)定的公式計算（同輸水管道水力計算公式一致），使其剩余水頭滿足要求。管道的水力計算是從管網(wǎng)入口逐漸向下游推算。

本次設(shè)計一條輔管上有6 對毛管，每條毛管上132個滴頭，每個滴頭流量2.5 L/h，則輔管流量為3.96 m3/h，每條支管上帶28 條輔管，同時工作4 條輔管，則支管流量為15.8 m3/h，分干管和干管流量按18 m3/h 設(shè)計。

（1）按照管道的設(shè)計流量，計算經(jīng)濟管徑，方法同輸水管道。

（2）根據(jù)經(jīng)濟管徑，結(jié)合管材規(guī)格型號，選擇符合規(guī)格的適宜管徑。

（3）管道水頭損失計算方法同輸水管道，計算結(jié)果見表1。

（4）管網(wǎng)壓力設(shè)計及管材選型

根據(jù)灌溉工作制度確定各管段的流量，并確定不同級別管道的管徑，各級管道壓力等級考慮動水壓力與靜水壓力兩個方面，經(jīng)計算并根據(jù)實際產(chǎn)品規(guī)格，選0.63 MPa 的PE 管，其他各種管件則采用廠家相應(yīng)的定型配套產(chǎn)品。

第一輪灌組位于地塊西北角，干管較長、灌水流量較大，以第1 輪灌組作為最不利輪灌組進行管網(wǎng)水力計算。局部損失計算按沿程水頭損失的0.10 倍計，沿程水頭損失計算方法同輸水管。

表1 計算結(jié)果匯總表

5 結(jié)語

本項目為中山丘陵區(qū)膜下滴灌水肥一體化設(shè)計研究，對在中山丘陵區(qū)開展膜下滴灌水肥一體化技術(shù)有一定的參考作用。設(shè)計種植作物為經(jīng)濟作物辣椒，耗水量比較大，采用膜下滴灌水肥一體化設(shè)計，不僅減少了大田作物的蒸發(fā)量，提高了水肥利用率和農(nóng)民的經(jīng)濟收益，而且有利于優(yōu)化作物的種植模式，為進一步促進當(dāng)?shù)胤N植結(jié)構(gòu)的調(diào)整提供可靠的技術(shù)支持。在設(shè)計中，尤其是中山丘陵井灌區(qū)需復(fù)核水源水量是否滿足需求，要重視基礎(chǔ)資料的收集來制定符合當(dāng)?shù)氐墓喔戎贫?，要結(jié)合項目區(qū)已有的水利設(shè)施以減少投資，要合理優(yōu)化管網(wǎng)布置及輪灌組劃分等環(huán)節(jié)，以減少管材的工程量、提高灌溉均勻性和水肥利用率。