滴灌系統田間管網優化設計分析

艾木都力·吾守爾

（新疆水利水電科學研究院，烏魯木齊 830049）

1 滴灌工程田間管網布置

1.1 毛管

滴灌灌水裝置俗稱滴頭，其依照供水方式的不同可細分為非壓力補償型與壓力補償型兩種類別。而整個滴水灌溉系統運行性能的優劣，直接受到滴頭性能的影響。現階段，在新疆大田作物滴灌中，由于當地整體地勢相對平坦，其所采用的滴頭多為非壓力補償型，這種滴頭不僅鋪設管理方便且成本便捷，具有大面積成規模使用的良好性能。本次研究的作物種類為小麥，屬于典型的密植型作物，單位面積對灌溉水量的要求較大，這就需要在田間毛管的選取上充分考量滴頭流量、毛管間距及滴頭間距3種參數。一般來說，果樹、棉花等行播作物，其毛管多沿作物行向進行布設，布設間隔依照作物行距確定，但在滴頭流量的確定上須以能夠充分潤濕作物為基準，不可隨意選擇。整體上應在充分滿足作物濕潤要求的基礎上，盡可能選取小流量的滴頭。

1.2 滴頭流量、滴頭間距及毛管鋪設間距選擇

（1）選取流量大小適宜的滴頭，并根據選定的不同滴頭流量確定相應的毛管間距和滴頭間距。

（2）滴頭間距的確定應在符合理想滴頭間距的前提下，盡可能選用較大間距，同時為方便規模化生產，應以100mm為級差進行整數級調整。

（3）毛管鋪設間距確定要以滴頭濕潤寬度為基準，濕潤比應控制在95以上 （并盡量選取較大的間距。此外，為方便鋪設，毛管間距須為小麥行距的整倍數。

2 灌溉均勻度確定

完整的田間管網系統囊括支管與毛管，其中支管功能是聯通干管與毛管，實現兩者間水的傳輸，通常一條支管能夠控制一個完整的灌溉小區。因此當全部灌溉小區的灌溉均勻度均滿足相關要求后，則整個田間管網灌溉均勻度也達到設計要求。而對于灌溉小區而言，其灌水均勻度取決于支管下屬各毛管流量兩極值的偏差。所以，灌水小區最大最小壓力偏差必須維持在允許范圍內。

2.1 毛管非調壓設計

毛管非調壓概指一個灌水小區內的水頭損失通過支管和毛管一起依照相應比例承擔。壓力差在支管與毛管內分配的差異會引起管網造價的差異，最佳的分配方案就是保證灌溉效果的前提下實現投資和運行費用的最小化。

2.2 毛管進水口設置調壓裝置

對于由一條毛管控制的灌水小區，通過在毛管端頭布設調壓裝置，便可實現對整個毛管水壓的有效調控。這種情況下可以在控制揚程穩定的前提下，增長毛管長度，擴大灌溉面積，減小投資額；或在保持灌水裝置供水量的前提下，增大毛管端部進水壓力，從而實現運行費用的降低。

3 田間毛管長度的確定

毛管長度確定主要參考依據有農作物生長需水量、滴頭流量、滴頭間距及管網直徑，考慮工程使用量因素，毛管長度即為田間工程優化設計的關鍵。在滿足灌溉水量和質量的前提下，盡可能減少工程投資和運行費用，進而確定經濟毛管長度，將對指導滴灌系統建設具有重要意義。

3.1 田間毛管最大長度

田間毛管最大長度主要受其最大壓力偏差系數的影響，其值越大則最大長度越長。而毛管壓力偏差主要受灌水器流態指數的影響，其數值關系存在一定反比關系，流態指數越大則壓力偏差系數越小，毛管最大長度也越小。工程應用過程中，通常選取流態數值較小的灌水器。選用統一類型灌水器情況下，毛管壓力偏差系數固定，增加壓力水頭，毛管壓力水頭差也會增加。前期規劃設計中，可用布萊修斯公式計算得出毛管最大長度，后期需要結果工程造價及運行費用進行綜合確定。

3.2 田間毛管經濟長度

在同一灌水小區情況下，即使滿足其水量和水質要求，其支管、毛管布置方式和長度有差別，工程造價也有很大差異。灌水量一般以田間工程農作物需水量為主要依據，灌水質量主要以灌水均勻度為衡量標準，具體為灌水小區內灌水器的最大和最小壓力水力差所確定，其限制了田間毛管長度。如果在田間工程毛管進水口增加調壓裝置，則壓力差主要由毛管承擔，相應地毛管長度需要增加，其相應的工程造價也會增加。在確定灌水小區面積情況下，可在滴灌參數設計中納入工程造價和運行費用，進而確定最優毛管長度。

毛管經濟長度計算公式為：

式中 R為毛管布置方式，單向或雙向布置時分別為1，2；N2為毛管數量；L2為毛管長度（m）；α為資金回收因子；A為灌水小區面積 （m2）；h2為支管進口壓力水頭（m）；a為利息；Tp為年運行小時數（h）；Ec為電費價格（元/度）；Q為田間進水口的總流量（m3/h）；η為灌溉水有效利用系數，取0.9；h2為支管進口壓力水頭（m）；h1為毛管進口壓力水頭（m）。

3.3 田間毛管經濟長度計算分析

田間工程毛管鋪設工程量最大，毛管用量多，毛管布置長度對田間工程造價有著重要的影響。在保證田間管網運行效果的前提下，應盡可能降低滴灌管網造價，合理化布設田間管網。為掌握不同毛管間距不同滴頭流量情況下的毛管鋪設長度，針對0.6，0.76，0.9m 3種毛管間距情況下，1.8，2.4，2.8L/h，3種滴頭流量的毛管經濟長度進行分析，計算3種情況下不同滴頭間距（0.2，0.25，0.3，0.4，0.5m）的經濟毛管長度，其結果如圖1。

圖1 毛管間距鋪設長度與滴頭間距關系

結果可知，在毛管間距相同的情況下，隨著滴頭間距增加，田間經濟毛管長度逐步增加。增加灌水小區面積，經濟毛管長度也會增加；同時，在1.8，2.4，2.8L/h，3種滴頭流量情況下，其經濟毛管長度會隨滴頭流量的增加而減小。通過工程投資與運行費用目標函數分析，得到田間管網毛管適宜長度范圍65.4～100.8m，而用通常算法得到其極限長度范圍48.8～115.7m。確定滴灌系統田間工程毛管長度時，應對極限長度和經濟長度二者進行綜合考慮，如經濟長度超過極限長度，則毛管長度取極限長度數值，反之則取經濟長度數值。灌水小區在設計完成之后，應按照相關規范對小區內工程參數進行驗算，以確定最優化、最有效的支管、毛管長度。

4 結語

（1）根據地區地質氣候條件和農作物種植需求，確定適宜的滴頭流量。不同的滴頭流量選擇相適宜的滴頭間距和毛管間距。在滿足理想滴頭間距的前提下，滴頭間距應盡可能選擇大數值，以0.1m級差整數級取值。毛管行距確定應首先考慮滴頭濕潤度，濕潤比應控制在95%以上，盡可能取大數值。毛管間距取值以農田所種植作物行距的整數倍取值。

（2）通過對不同毛管情況進行計算分析得到，在相同毛管間距相情況下，田間經濟毛管長度隨滴頭間距的增加而增加，隨滴頭流量的增加而減小。增加灌水小區面積，經濟毛管長度也會增加。在選擇滴灌系統田間工程毛管長度時，應綜合考慮毛管極限長度和經濟長度，如經濟長度超過極限長度，則毛管長度取極限長度數值，反之則取經濟長度數值。