棉花膜下“一管四行”滴灌工程設(shè)計(jì)探討

(新疆昌吉方匯水電設(shè)計(jì)有限公司，新疆 昌吉 831100)

棉花膜下滴灌結(jié)合了滴灌技術(shù)與棉花覆膜種植技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，是針對(duì)新疆規(guī)模化種植特點(diǎn)，集成的一種適于機(jī)械化大田棉花栽培的現(xiàn)代化節(jié)水灌溉技術(shù)。系統(tǒng)流程為：首部水流→輸水干管→支管→毛管(滴灌帶)→棉花根系。其中滴灌帶埋設(shè)在地膜下方，該系統(tǒng)將播種、鋪膜、鋪管一次性完成，此技術(shù)可使棉花產(chǎn)量和效益領(lǐng)先于其他灌溉方式。

1 工程概況

新疆昌吉市頭屯河灌區(qū)農(nóng)田水資源利用率較低，灌水定額偏高。為改變目前灌溉條件，設(shè)計(jì)引進(jìn)滴灌技術(shù)來(lái)解決當(dāng)?shù)毓┬杷埽岣弋a(chǎn)量。此次滴灌規(guī)劃區(qū)域土質(zhì)為輕壤土，土壤容重1.40g/cm3，田間持水量重量比為24%，該滴灌區(qū)種植作物為棉花，根系活動(dòng)深度25～55cm。項(xiàng)目區(qū)1號(hào)條田為東西向，2號(hào)、3號(hào)條田為南北向，總面積81.2hm2。滴灌帶作物布置見圖1。

圖1 滴灌帶作物布置(單位：cm)

2 滴灌系統(tǒng)布局設(shè)計(jì)

2.1 水源首部設(shè)計(jì)

項(xiàng)目區(qū)以機(jī)井為水源，出流量220～240m3/h，水質(zhì)良好，滿足灌溉需求。首部樞紐采用潛水泵，電機(jī)功率與水泵配套，選用“旋流水沙分離器+篩網(wǎng)”組合過(guò)濾器和壓差式施肥罐，另配有壓力表、閘閥、水表、空氣閥等附屬設(shè)備[1]。

2.2 系統(tǒng)管網(wǎng)布局設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目輸配水管網(wǎng)系統(tǒng)選用“支管+輔管”模式，管網(wǎng)沿水流方向依次為主干管、干管、分干管、支管、輔管、毛管(含灌水器)。由于項(xiàng)目區(qū)規(guī)劃地坡度小于0.5‰，設(shè)計(jì)時(shí)按平坡處理，因此選擇最為經(jīng)濟(jì)的“毛管在支管(輔管)兩側(cè)雙向布置、支管在分干管兩側(cè)雙向布置”形式，毛管沿作物種植方向布設(shè)，支管、輔管與毛管垂直布設(shè)。圖2為“一管四行”管網(wǎng)布局設(shè)計(jì)示意圖。

圖2 “一管四行”管網(wǎng)布局設(shè)計(jì)示意圖

3 滴灌系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)分析

滴灌系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)主要包括滴灌系統(tǒng)管網(wǎng)布置設(shè)計(jì)和管網(wǎng)參數(shù)設(shè)計(jì)[2]，下面分別對(duì)這兩方面設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

3.1 滴灌系統(tǒng)管網(wǎng)布置設(shè)計(jì)

滴灌系統(tǒng)管網(wǎng)布置包括各個(gè)管型的布置方式、鋪設(shè)數(shù)量、管徑規(guī)格、延伸長(zhǎng)度等，是保證灌溉順利進(jìn)行的基礎(chǔ)。根據(jù)項(xiàng)目區(qū)的實(shí)際情況，將理論計(jì)算和日常經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，最終確定項(xiàng)目區(qū)的管網(wǎng)布置方案。

3.1.1 毛管長(zhǎng)度和支管列數(shù)布置

毛管極限孔數(shù)和極限長(zhǎng)度直接決定了管網(wǎng)系統(tǒng)總體布置，因此首先分別對(duì)這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

毛管極限孔數(shù)Nm計(jì)算公式為

(1)

式中 Δh——灌水器工作水頭，8.0m；

d——毛管內(nèi)徑，16mm；

k——系數(shù)，1.1；

Se——滴頭間距，0.3m；

q——灌水器設(shè)計(jì)流量，2.8L/h。

毛管極限長(zhǎng)度Lm計(jì)算公式為

Lm=Sr(Nm-1)+Se

(2)

式中Sr——滴孔間距，0.3m。

經(jīng)式(1)、式(2)計(jì)算，本項(xiàng)目毛管極限孔數(shù)Nm=242個(gè)；極限長(zhǎng)度Lm=72.45m。

該項(xiàng)目毛管選用單翼迷宮式滴灌帶，采用“一膜一管四行模式”[3]，具體如下：

a. 1號(hào)條田沿東西方向布置5對(duì)毛管，單側(cè)毛管長(zhǎng)度62.5m，南北方向布置5列支管，間距125m。

b. 2號(hào)條田沿南北方向布置3對(duì)毛管，單側(cè)毛管長(zhǎng)度61.67m，東西方向布置3列支管，間距123.3m。

c. 3號(hào)條田沿南北方向布置3對(duì)毛管，單側(cè)毛管長(zhǎng)度64.65m，東西方向布置3列支管，間距129.3m。

3.1.2 支管長(zhǎng)度和分干管布置

根據(jù)大田管網(wǎng)“支管+輔管”模式布設(shè)經(jīng)驗(yàn)，支管管徑一般為De63或De75，其中De63支管適宜鋪設(shè)長(zhǎng)度為100～150m，De75支管適宜鋪設(shè)長(zhǎng)度為150～200m[4]。以鋪設(shè)長(zhǎng)度為標(biāo)準(zhǔn)，本項(xiàng)目1號(hào)條田支管長(zhǎng)186m，支管管徑De75；2號(hào)條田支管長(zhǎng)156m，支管管徑De63；3號(hào)條田支管長(zhǎng)150m，支管管徑De63。

3.1.3 輔管的布置

根據(jù)相關(guān)規(guī)定：De75支管配套De40輔管(De40輔管過(guò)水量16～22m3/h)，De63支管配套De32輔管(De32輔管過(guò)水量10～15m3/h)。因本項(xiàng)目系統(tǒng)采用毛管進(jìn)口調(diào)節(jié)流量，所以輔管的分流孔數(shù)和鋪設(shè)長(zhǎng)度根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，一條支管上各輔管分流孔數(shù)應(yīng)盡量相等[5]。該系統(tǒng)輪灌方法：一條支管上設(shè)置若干條輔管，運(yùn)行時(shí)一次開啟一條輔管。據(jù)此，本項(xiàng)目輔管布置設(shè)計(jì)如下：

a. 1號(hào)條田設(shè)計(jì)一條支管上布置7條De40輔管，一條輔管帶19對(duì)毛管，一對(duì)毛管流量為1.165m3/h，則輔管過(guò)水量為19×1.165=22.13m3/h，設(shè)計(jì)基本符合De40輔管過(guò)水量要求。

b. 2號(hào)條田設(shè)計(jì)一條支管上布置9條De32輔管，一條輔管帶13對(duì)毛管，輔管鋪設(shè)在支管進(jìn)口段上，一對(duì)毛管流量為1.148m3/h，則輔管過(guò)水量為13×1.148=14.92m3/h，設(shè)計(jì)符合De32輔管過(guò)水量要求[6]。

c. 3號(hào)條田設(shè)計(jì)一條支管布置帶9條De32輔管，一條輔管帶12對(duì)毛管，一對(duì)毛管流量為1.204m3/h，則輔管過(guò)水量為14.45m3/h，設(shè)計(jì)符合De32輔管過(guò)水量要求。

上述管網(wǎng)布置結(jié)果見表1。

表1 管網(wǎng)布置結(jié)果

3.2 滴灌管網(wǎng)參數(shù)設(shè)計(jì)

3.2.1 水量平衡計(jì)算

由于本地區(qū)作物生長(zhǎng)期降雨不穩(wěn)定，有效降雨量P0和土壤或地下水補(bǔ)給水量S均為0，而棉花耗水強(qiáng)度Ea取4.5mm/d，因此灌溉補(bǔ)充強(qiáng)度Ia=4.5mm/d，項(xiàng)目區(qū)灌溉需水流量Q計(jì)算公式[7]為

(3)

式中A——項(xiàng)目區(qū)面積，81.2hm2；

C——灌溉時(shí)間，20h/d；

η——灌溉水利用率，取0.9。

經(jīng)計(jì)算得出Q=203m3/h，機(jī)井出水量滿足灌溉需水。

3.2.2 灌溉區(qū)設(shè)計(jì)水頭允許偏差率

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，滴灌系統(tǒng)允許流量偏差率qv應(yīng)不大于20%，而本項(xiàng)目毛管流量調(diào)節(jié)器允許流量偏差率qv取18%，符合要求。設(shè)計(jì)水頭允許偏差率hv的計(jì)算公式為

(4)

式中x——膜間行距，0.6m。

經(jīng)計(jì)算，hv=0.31m。

3.2.3 灌溉參數(shù)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目主干管、干管、分干管采用PVC-U管，永久鋪設(shè)于地下，工作壓力0.4MPa；支管、輔管、毛管為PE管，臨時(shí)鋪設(shè)于地面。為保證滴灌帶灌溉面積，選用WDF16/3.2-100型滴灌帶，灌水器流量擬定在2.8L/h左右，具體參數(shù)見表2。

表2 滴灌帶參數(shù)

a.種植模式設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目毛管單行直線布置，土壤濕潤(rùn)比P按下式計(jì)算[8]：

(5)

式中n——系數(shù)，取0.083；

Sw——地膜寬度，1.0m。

計(jì)算P=71.1%，并由此得出項(xiàng)目區(qū)棉花種植模式如下：棉花膜內(nèi)窄行間距20cm，寬行間距40cm，膜間行距60cm，株距St=10cm。

b.設(shè)計(jì)灌水定額和周期。已知土壤γ=1.4g/cm3，灌水高峰期取z=0.5m，θmax=21.6%，θmin=14.4%，P=71.1%，灌水定額m按下式計(jì)算：

m=0.1γzP(θmax-θmin)/η

(6)

經(jīng)計(jì)算，灌水定額m=26.5m3/畝。

根據(jù)項(xiàng)目區(qū)土壤性質(zhì)、棉花不同生長(zhǎng)階段需水特性及系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合棉花滴灌灌溉經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)當(dāng)年氣候、土壤墑情、作物播期及長(zhǎng)勢(shì)，制定棉花滴灌灌溉制度，見表3。

表3 項(xiàng)目區(qū)棉花滴灌灌溉制度

3.2.4 節(jié)水量效果分析

與傳統(tǒng)漫灌和普通滴灌對(duì)比，膜下“一管四行”滴灌灌溉水利用率顯著提高，試驗(yàn)室對(duì)比結(jié)果見圖3。

圖3 各種灌溉形式水利用率對(duì)比

由圖3可知，傳統(tǒng)漫灌條件下水利用率僅為45%，普通滳灌條件下水利用率為93%，而膜下“一管四行”滴灌條件下水利用率為97%，因此，實(shí)行該灌溉方式可一定程度緩解當(dāng)?shù)毓喔扔盟堋?/p>

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)實(shí)際應(yīng)用，該項(xiàng)目區(qū)滴灌畝次耗電只需8kW·h左右，灌溉水利用率可達(dá)97%，較一般地面漫灌省水、省電60%以上，且平均每畝灌溉周期縮短8個(gè)工日，相關(guān)配套設(shè)備占地面積減少10%，畝產(chǎn)均增30%左右，綜合效益顯著，值得大面積推廣。