滴灌工程設計中支管設計與選擇探析

□王 燕(新疆兵團勘測設計院（集團）有限責任公司石河子分公司)

0 前言

滴灌是將肥料、水分以及農藥等物質通過滴灌直接作用到植物的根系、降低植物棵間的蒸發從而有利于作物生產和發育的現代化灌溉技術。滴灌技術的基本原理是將有壓水進行過濾，必要時連接可溶性的農肥等物料一起，通過管路系統輸送到滴頭，以水滴形式向農作物供給水分和養分。滴灌中支管是重要的組成部分，對于滴灌系統作用的發揮意義重大。

1 滴灌設計中支管的質量與檢測標準

目前常用于滴灌系統的支管類型主要有2種：低密度聚乙烯管和納米材料改性PE輸水軟管。

1.1 低密度聚乙烯管

根據國家標準GB6674-86以及行業標準SL/T96.2-1994使用。上述國家標準以及行業標準規定低密度聚乙烯樹脂為主要原料，經過加壓成型，用于輸送滴灌用水過程中所應滿足的技術條件、基本參數以及檢測規則。

用于滴灌的低密度聚乙烯管公稱壓力等級可以分為0.25MPa和0.40MPa。管材規格用de*e/p來表示，其中de為公稱外徑（mm），e為公稱壁厚（mm），p為公稱壓力（MPa）。

1.2 納米材料改性PE輸水軟管

該軟管一般的包裝是每卷凈重>9 kg，并且每卷段數凈重在4 kg以上。外壁、內壁光滑，色澤均勻，不能有1mm以上的晶點，晶點不能團聚出現。管壁厚度要滿足國家相關規定（具體規定見表1），公稱外徑以及極限偏差需要滿足表2規定，物理性能滿足表3規定。通過對于軟管的測試采用在20℃0.20MPa壓力下，水管保持1 h的不滲漏不破裂為合格產品。

2 支管選擇探究

2.1 滴灌工程中支管的選擇是滴灌系統的關鍵因素

支管長度要以滿足灌區內灌水的均勻度作為基本要求。灌水區域的流量偏差值以及內壓力要滿足《規范》的相關要求。在規范中，通過一條支管控制的灌區為一個區域，灌水區域主要構成是支管以及支管所控制的相關毛管。采用不同的灌水器、改變調壓位置，就會產生不同的灌水區域，同時灌水壓力設計也不同。

表1 PE管壁厚以及偏差表

表2 PE管公稱外徑和偏差表

表3 PE管物理參數指標表

支管與毛管所構成的灌水系統，允許水頭的偏差要控制在毛管間進行分配，支管管徑根據上述分配的允許水頭偏差值進行確定。而支管、輔管以及毛管所組成的灌水區域，區域內允許的水頭偏差要在支管及輔管和毛管間進行分配。運行時，多個或單個灌水區域構成一個輪灌組。在滴灌系統設計過程中，主要任務是確定允許水頭偏差，根據偏差分配并確定毛管的孔數和長度，以及確定支管的合適長度和選擇材料。

2.2 支管間距由毛管實際鋪設長度所制約

根據鋪設方向地塊的面積合理調整和決定。毛管長度長，支管間距就大，支管列數相應減少，這對于降低管網系統的投資和經濟性有重要作用。

2.3 支管實際鋪設長度決定分干管的列數

鋪設長度長，分干管列數會相應減少，對降低管網系統投資起到明顯的積極作用。在滴灌設計過程中，為了滿足系統壓力均衡，必要時要在支管的進口處設置壓力流量調節器。

3 滴灌系統中支管設計計算應用

3.1 項目地理位置與情況

北泉鎮在新疆石河子地區境內，位于天山北麓中段，準噶爾盆地南緣，地處瑪納斯河洪積扇和沖積平原交接處，北緯44°18′49″～44°38′26″，東經 85°52′31″～86°07′25″，土地總面積37304.60 hm2。總場東北隔瑪納斯河與瑪納斯縣相望，西與石河子地區毗鄰，南隔烏伊公路與石河子城區相接，南北地域分屬石河子市和石河子地區，具有緊靠城市的地緣優勢。

3.2 項目區域自然條件

3.2.1 地形地貌

石河子北泉鎮海拔高度360~449m之間，鎮內地形基本平坦，總的趨勢是南高北低，東高西低，地面坡降南部較大，并由南向北逐漸變緩，鎮內自然溝多，在南半部由東向西比較大的泉溝有蔡家溝、亂泉溝、小泉溝、百泉溝、大泉溝、二龍泉等，在西岸大渠以北除了大泉溝和小泉溝貫穿全場以外，還有板橋河、響水溝等泉溝。

3.2.2 氣候

項目區地處亞歐大陸腹地，受西風帶控制，遠離海洋，是典型的大陸性氣候，除天氣變化多端、冷暖交替明顯的特點外，還具有夏季干熱、短促，冬季酷冷而漫長，冬夏溫度趨于極端，春季急劇升溫，秋季急劇降溫的特點。

3.2.3 水資源

3.2.3.1 地表水

北泉鎮農業具有典型的灌溉綠洲農業特點，降水稀少，蒸發強烈。農業用水地表水主要來源于4條河流，自東向西依次為瑪納斯河、小泉溝、大泉溝和秦家渠，皆為南北流向。北泉鎮年均引水量為15933萬m3，主要引用瑪納斯河水量為7300萬m3，其余3條河流年均引水總量為8633萬m3。項目區由于地下水豐富，加之引用的地表水水質太差，不適宜灌溉，目前項目區全部開采地下水，沒有使用地表水資源。

3.2.3.2 地下水

項目區地下水主要來源于瑪納斯河河道滲漏補給，其次是上游田間灌溉滲入以及泉水滲出補給。

從勘探試驗井的情況看，項目區地下水水質很好，為淡水、優質水，安全適用，具有開采價值。水化學類型較優，礦化度為0.15~0.58 g/L，總硬度為60.50～205.16mg/L，適宜灌溉。根據水利局提供的資料，項目區地下水補給量4734.66萬m3，開采系數取0.40，可開采量為1893.90萬m3。

3.3 支管管徑設計與計算

項目區種植作物為棉花，根據當地經驗，確定棉花種植模式為：一膜兩管六行,行間距(10cm+66 cm+10 cm)+66 cm+(10 cm+66 cm+10 cm)。滴灌帶平均間距1.14m，毛管選用單翼迷宮式滴灌帶(型號為WDF16/2.1-100)，內徑為16mm，毛管間距為1.38m，滴孔間距0.30m，滴孔額定流量2.10 L/h(額定壓力10m水頭)，工作水頭10m，支管長度為30m，毛管長度為50m。3.3.1水頭偏差率計算

為了保證滴頭滴水均勻度，根據《微灌工程技術規范》(GB/T50485-2009)要求，灌水器設計流量允許偏差率qv≤20%。灌水器水頭偏差和流量偏差之間滿足關系式：

式中：x—滴頭流態指數，取0.60；qV—設計灌水器流量偏差率，20%；hV—設計灌水器水頭偏差率，%。

代入數據，計算得到允許水頭偏差hV=0.33。灌水器工作壓力為10m，允許壓力偏差為3.30m，是毛管和支管允許壓力差的和。為了利用允許的壓力差獲得合理的管徑，本設計的允許壓力差按管網布置、毛管實際的損失進行分配，除去毛管總損失后，就是支管的允許壓力差。

3.3.2 支管流量計算

毛管進口流量:Q毛=Nmq支管進口流量:Q支=Nq

式中：Q毛—毛管進口流量，L/h；Q支—支管進口流量，L/h；Nm—1條毛管上的灌水器數量；Nz—1條支管所轄毛管上的灌水器總數；q—灌水器滴頭流量，L/h。

3.3.3 支管允許壓力差計算

支管允許壓力計算采用下式計算：

式中：hf—管道沿程水頭損失，m；F—摩阻系數；Q—管道流量，L/h；d—管道內徑，mm；L—管長，m；m—流量指數；b—管徑指數。

由于項目選用的為PE管，所以：摩阻系數f=0.505；流量指數m=1.75；管徑指數b=4.75。

帶入數據計算，得到

4 結語

支管是滴灌系統中一個主要的組成部分，對灌水起著控制作用。在進行支管設計和選擇時，一是根據灌水區域灌水器流量的偏差率≤20%的相關規定以及壓力偏差率和流量差的關系計算支管、毛管共同水頭損失；二是采取允許壓力差來計算和選擇支管的管徑，這也要滿足支管、毛管共同損失≤3.30m的控制性指標的要求。