昌吉試驗場高效節水農田滴灌工程設計

袁志偉

(新疆頭屯河流域管理局 水利管理中心，新疆 昌吉 831100)

1 項目背景

昌吉試驗場坐落于昌吉市濱湖鄉，位于昌吉市東北方向20 km處，昌吉市全市總面積8 215 km2，其中山區占40.7%，平原占32.5%，沙漠占26.8%，南北長260 km，東西寬30 km。地理位置優越，交通便利。昌吉市具有典型試驗場控制灌溉面積333.333 hm2，農作物主要以棉花為主，并夾雜油葵、瓜果、玉米等作物。本次項目選擇基本農田范圍內，相對集中連片，交通便利。

本次項目實施方案規劃總面積為366.667 hm2，凈灌溉面積213.333 hm2。將凈灌溉面積分為2個滴灌系統，均采用河水加壓滴灌系統，新建沉沙池1座對渠水進行沉淀處理后作為灌溉水源。安裝過濾器及施肥罐1套，建設首部管理房1座，形成水泵→砂石過濾器→施肥罐→篩網過濾器→干管→分干管→支管→毛管的河水加壓滴灌系統[1]。這樣的節水灌溉方式，經過技術論證，現有水源滿足滴灌系統運行要求。河水加壓滴灌系統選擇在地勢較高處修建沉沙池，安裝水泵、過濾器及施肥罐等首部設備，然后通過輸水及配水管網將水輸送至田間。

2 滴灌系統設計

2.1 水源選擇

項目區主要采用的水源為頭屯河河水和地下水，河水經試驗場水庫及干渠、支渠、斗渠進入項目區，干渠設計引水流量0.5 m3/s，支渠設計流量0.2 m3/s。

2.2 管材確定

管材比選主要針對地埋管，管材應滿足壓力等級要求，性能良好，以保證正常運行，現對四種管材，即球墨鑄鐵管、玻璃鋼夾砂管、PVC-U管及PE管進行比選[2]。

球墨鑄鐵管雖安全可靠，但價格昂貴；玻璃鋼夾砂管由于管徑小于250 mm 時市場需求量不多，故生產量極少。一般情況下管徑≤450 mm時，PVC-U和PE管單價較低，管徑在 450 nm以上時，玻璃鋼管的單價較低。從該地區已運行的灌溉工程來看，PVC-U管和PE管便于管道運輸、安裝及維修，綜合考慮，設計推薦田間干管和分干管采用PVC-U管，支管采用PE管。

2.3 滴灌工程設計

滴灌系統包括首部樞紐、輸配水管網、灌水器三大部分組成。首部樞紐包括過濾裝置、施肥裝置和測控裝置。輸配水管網起到為滴灌系統輸送水量的作用[3]，包括主干管、分干管、支管、毛管及連接管件。本次工程采用二級干管：主干管、分干管。支管在滴灌系統中起控制滴灌帶適宜長度、劃分輪灌區的作用。

2.3.1 系統設計參數確定

根據規范要求及相關數據可得滴灌系統基本參數，以棉花為例，滴灌系統基本參數見表1。

表1 滴灌系統基本參數表

2.3.2 灌溉制度

2.3.2.1 灌水定額

項目區種植作物為冬小麥、棉花、玉米、食用葵，以棉花為例計算灌溉制度[4]。公式如下：

m=0.001γZPW(θmax-θmin)

(1)

PW=nSeSw/StSr×100%

(2)

式中：γ為土壤容重，取γ=1.40 g/cm3(根據當地提供資料)；PW為土壤濕潤比，PW=71.4%，根據規范要求取0.7；Se為滴頭間距，取0.3 m；Sw為濕潤帶寬度，取0.5 m；St為作物株距，取0.10 m；Sr為作物行距，取0.3 m；n為單株作物所占有的灌水器數目，取0.15個；θmax、θmin分別為土壤含水率上下限，分別按田間持水量的90%和65%，即θmax=21.6，θmin=15.6。

則灌水定額：m=0.001γZPW(θmax-θmin)=29.9 mm，本次設計灌水定額取29.9 mm=20 m3/畝=300 m3/hm2。

2.3.2.2 灌水周期

依據《微灌工程技術規范》(SL 103-1995)中公式：

T=m/la

(3)

式中：T為設計灌水周期，d；la為設計時作物的耗水強度，mm/d，取la=6 mm/d。

經計算，T=30/6=5.0 d，灌水周期取5 d。

2.3.2.3 一次灌水延續時間

公式如下：

t=(m′×Se×SL)/qd

(4)

式中：t為一次灌水持續時間，h；m′為設計毛灌水定額，m′=Tla/η=31.6 mm；SL為毛管間距，為一管兩行布置，毛管平均間距為SL=0.9 m；qd為灌水器流量，取1.8 L/h。

經計算，t=4.74 h，取5 h。

2.3.2.4 最大輪灌組數

設計輪灌組不超過最大輪灌組數，且與輪灌組數盡量接近比較經濟。最大輪灌組數根據下式進行計算：

Nmax=INT[TC/t]

=INT[5×20/4.5]=22組

(5)

式中：N為輪灌組數；T為灌水周期；t為灌水時間；C為每天運行小時數，取20 h。

2.3.2.5 項目區其余作物灌溉制度

項目區計劃種植冬小麥、棉花、玉米、食用葵，計算方法與冬小麥相同，計算結果見表2。

表2 各種作物灌溉制度統計表

2.3.3 滴灌系統設計工作制度

根據項目區實際面積、地塊現狀，為了便于管理，根據管網布置形式對滴灌系統劃分輪灌組，劃分的輪灌組數不應大于22組。輪灌組劃分見表3。

表3 輪灌組統計表(棉花)

2.3.4 灌區小區水力設計

一條支管所控制的面積為一個灌水小區，根據規范要求，灌水小區內灌水器設計允許流量偏差率[qv]≤20%，故本次設計取qv=20%。

1)灌水器工作水頭偏差率。公式如下：

hv=qv[1+0.15qv(1-x)/x]/x

(6)

式中：x為灌水器流態指數，取0.5。則hv=0.412。

2)灌水小區允許水頭偏差。公式如下：

[Δh]=hvha

(7)

式中：ha為滴頭設計工作水頭，取10 m。

則[Δh]=4.12。

3)灌水小區允許水頭差的分配。公式如下：

根據規范要求，分配給毛管的水頭差可取設計允許水頭差的50%，則毛管和支管的允許水頭差為：[Δh]毛=2.06 m；[Δh]支=2.06 m。

2.3.5 系統水力設計

2.3.5.1 管段設計流量

根據項目區管道布置形式和輪灌組劃分，確定系統設計流量和管道流量，滴管系統各管段流量計算見表4。

表4 滴管系統各管段流量計算表

2.3.5.2 管徑的選擇

表5 滴灌系統管徑取值表

2.3.5.3 水力計算

干管、分干管、水頭損失計算：

hw=hf+hj

(8)

hf=fQmL/db

(9)

hj=hf×10%

(10)

式中：hw為總水頭損失，m；hf為局部水頭損失，m；hj為沿程水頭損失，m；f為摩阻系數；Q為管段設計流量，L/h；m為流量指數；d為計算管徑，mm；b為管徑指數；L為管段長，m。

對滴灌系統，用所選管徑選擇最不利灌水小區進行管道水頭損失計算，計算結果見表6。

表6 滴灌系統最不利灌水小區田間管網水力計算表

2.3.5.4 支管水力計算

支管選用壓力等級0.25 MPa、管徑為Φ90的PE管。支管的單側鋪設長度為60～65 m，選擇長度最大的支管進行計算，即L=61 m，則支管水頭損失計算公式與毛管一致，計算結果見表7。

表7 PE支管水力計算表

2.3.5.5 毛管水力計算

1)毛管極限孔數和極限長度。毛管沿南北向布置，地面坡度約為2‰，可視為平坡。毛管極限孔數和極限長度依據規范中相關公式進行計算。

毛管極限孔數Nm依據以下公式進行計算：

Nm=(5.446[Δh]毛d4.75/kSeqd)0.364

(11)

式中：Nm為毛管極限孔數；[Δh]毛為毛管允許的水頭偏差，取2.06 m；d為毛管內徑，取15.64 mm；k為水頭損失擴大系數，取1.15；Se為滴頭間距，取0.3 m；qd為滴頭流量，取1.8m3/s。

經計算得，Nm=264個。

毛管極限長度計算：

Lm=S(Nm-1)+S0

(12)

式中：Lm為毛管極限長度；S為分流孔間距，取0.3 m；S0為毛管進口至首孔的間距，取0.15 m。

經計算得，Lm=79.2 m。

根據昌吉市已建成滴灌工程的經驗和當地地形，取毛管單側鋪設長度為61 m。

2)毛管水頭損失計算。毛管選用工作壓力0.1 MPa、單側鋪設長度為61 m的滴灌帶，孔口間距0.3 m，單孔流量為1.8 L/h，灌水均勻度為Cu=0.95。毛管水頭損失計算公式如下：

hf=fsqdm/db/[(N+0.48)m+l/(m+l)-Nm×(l-S0/S)

(13)

式中：hf為毛管水頭損失，m；f為摩阻系數；s為滴頭間距，m；qd為滴頭設計流量，L/h；m為流量指數；d為計算管徑，mm；b為管徑指數；N為毛管上的滴頭數；S0為多孔管首孔間距，m。

經計算，毛管水頭損失計算結果見表8。

表8 毛管水力計算表

3 結 論

本文對昌吉試驗場高效節水農田進行滴灌工程設計，對項目區水源進行選擇分析，確定工程使用的管材，對滴灌系統中的設計參數、灌溉制度、工作制度以及系統相關水力計算進行計算分析。結論如下：本次項目區水源為頭屯河河水和地下水，選擇的管材為田間干管和分干管采用PVC-U管、支管采用PE管，對工程中需要的水力計算在文中進行了詳細介紹。此次研究設計的滴灌工程能夠一定程度上解決灌區農業缺水問題，并且能夠改善灌區的灌溉條件，緩解灌區生態環境日益惡化情況[5]。