滴灌改造工程設計簡要分析

姬軍虎

（石河子天興水利勘測設計院，新疆 石河子832000）

2019年高標準農田建設項目［3］中涉及滴灌改造工程593.33hm2，因投資所限，且田間分干管道及地面管道近年來已由職工自己陸續更新改造， 本次項目中主要針對田間主管道管徑偏小，運行年限長，不能滿足灌溉需求的部分管道進行更換。

1 滴灌技術參數確定

本次滴灌工程設計按棉花滴灌技術參數確定。

1.1 設計保證率

根據規范要求，結合當地自然條件和經濟條件，取90%。

1.2 灌溉水利用系數η

根據規范要求滴灌不低于0.90，本工程取0.90。

1.3 設計系統的日工作小時數

根據項目區水源情況及農業技術條件確定為22h。

1.4 土壤濕潤比P

土壤濕潤比由GB/T50485—2009［2］《微灌工程技術規范》計算確定。 具體參數參照《滴灌工程設計圖集》［1］計算。 經計算土壤濕潤比為式（1）。

1.5 設計日耗水強度Ea

設計日耗水強度應根據當地試驗資料確定，本地區對糧、棉、油等大田作物采用滴灌時，設計日耗水強度可以在4～6mm/d之間選取。 本次設計棉花日耗水強度確定為5.5mm/d。

1.6 土壤田間持水率θ及允許的含水量上下限θmax，θmin

θmax，θmin為土壤含水率上下限分別按田間持水量的90%和65%，（田間持水量為25%）即θmax=23.4，θmin=16.9。

1.7 土壤計劃濕潤層深度Z

根據第八師實測情況， 棉花主根系活動層在50cm上下，本次設計取0.5m。

1.8 棉花種植模式的選擇

種植作物為棉花，種植模式為10+66+10+66+10+66cm，滴灌模式為一管灌六行，滴灌帶間距76cm間隔布置。 機采棉毛管鋪設示意如圖1。

圖1 機采棉毛管鋪設示意圖

1.9 滴灌帶的選擇

滴灌帶的選擇應根據不同土質情況而定， 同時考慮到項目區常用滴管帶。項目區土質為砂壤土，滴灌帶采用邊縫式滴管帶， 規格為WDF16/2.4-100，工作壓力為0.05～0.10MPa，內徑16mm，壁厚0.2mm，滴孔間距30cm，流量2.4L/h，滴頭額定工作壓力0.1MPa，流態指為X=0.5602。

2 滴灌系統設計

2.1 滴灌系統管網設計

本次項目只對系統主干管網進行改建， 分干管及地面部分管道均不改建。

根據GB/T 50485—2009 《微灌工程技術規范》，在微灌面積確定的情況下，可用式（2）確定系統所需供水流量：

式中 A為可灌面積（hm2），4號首部地塊面積66hm2；Q為可供流量（m3/h）；Ia為設計供水強度（mm/d），取5.5mm/d；Ea為設計耗水強度，取5.5mm/d；Po為有效降雨量0mm/d；T為水源每日供水時數22h/d；η為灌溉水利用系數0.9。

系統水泵根據耕地面積按水量平衡計算確定所需水量，經計算Q=183m3/h，再根據輪灌小區的流量和系統水泵流量與揚程關系曲線， 選取滴灌系統水泵，經過現場調查滴灌首部運行情況，最大輪灌組流量與現狀水泵流量相近或者稍微偏大，經過計算，水泵滴灌系統水泵按現狀水泵型號選擇， 能夠滿足現狀灌溉要求。

2.2 最大凈灌水定額

最大凈灌水定額采用以下進行計算：

式中 m為設計灌水定額（m）；r為土壤容重（g/cm2），取1.45g/cm2；z為計劃濕潤深度（m），取0.5m；p為滴灌土壤濕潤比（%）；取70.18%；η為滴灌灌溉水利用系數，取0.90。

θmin，θmax為土壤適宜含水率下、上限，θmax=23.4%，θmin=16.9%。

由以上各參數得到地塊的設計灌水定額：mmax凈＝33.07mm（330.75m3/hm2）

2.3 設計灌水定額m毛、灌水周期T

mmax凈=33.07mm，Ia=5.5mm/d，m′mmax凈/η=33.07/0.9=36.67mm

依據下式計算：T≤Tmax

式中 mmax凈為凈灌水定額（mm）；m′設計毛灌水定額（mm）；T為設計灌水周期（d）；Ia為設計耗水強度（mm/d）；η為灌溉水利用系數，滴灌η=0.9；Tmax=mmax凈/Ia=33.07/5.5=6（d）。 設計取T＝6.0d。

2.4 一次灌水延續時間

ta=m′×Se×Sc/q滴， 滴頭間距Se=0.3m， 滴灌帶間距Sc=0.76m，滴頭流量q滴=2.4L/h，則t=3.5h，設計取3.5h。

2.5 輪灌組數（個）

式中 N為輪灌組最多數目（個）；C為每天工作小時數，22h；T為灌水周期（d）；t為灌水時間（h）；N≤22×6/3.5≤38個。

2.6 棉花灌溉制度的確定

根據項目區管理實踐經驗， 并經計算擬定棉花生育期膜下滴灌水量3900～4500m3/hm2。

2.7 系統管網總布置與系統工作制度的確定

2.7.1 管網布置

因本次只對地塊主管道和部分分干管進行更換，考慮到舊主管道也需要挖除，土地確權后如果從地中間布設主管道不可行，只有在原有主管道位置進行布設，也便于協調施工。 本次項目只對部分系統主干管網進行改建，分干管及地面部分管道均不改建。

2.7.2 田間管道布置方式

目前項目區滴灌輪灌方式采用的全部是長短支管+毛管模式和單支管+毛管模式， 因本次項目只改建部分系統主管道， 因此復核計算時全部按現狀模式計算，4號首部為長短支管+毛管模式。

2.7.3 系統工作制度的確定

系統運行時，滴灌一次灌水延續時間為3.5h，滴灌系統的輪灌組為38個，如表1。

表1 6連4號首部滴灌系統輪灌制度

續表1

2.8 管網水力計算及管徑的確定

4號首部地塊原先由6號首部灌溉， 現狀主干管道為PVC160，距離較長，灌溉周期長。 本次新建河水首部，更換主干管道與原分干管連接。滴灌系統管網水力計算及管徑的確定，根據系統輪灌組劃分，選取最不利輪灌組第37組：8-9～8-12進行管網水力計算，最終確定水泵出口壓力。

2.8.1 滴灌帶極限長度計算

計算滴灌帶極限孔數時按平坡地形考慮，則

式中 ［Δh2］為滴灌帶的允許水頭偏差（m），［Δh2］=β2［Δh2］；D為滴灌帶內徑，d=16mm；k為水頭損失擴大系數， 即滴灌帶總水頭損失與沿程水頭損失的比值，k=1.1～1.2；S為滴灌帶上分流孔的間距（m），取0.3m；qd為滴灌帶上滴頭的設計流量（L/h），取2.4L/h。

按照GB/T50485—2009《微灌工程技術規范》，滴頭設計允許流量偏差率取qv≤20%，滴管自動化滴頭的流態指數X=0.6， 則滴灌的允許設計水頭偏差率［hv］應為：

［hv］≤［qv］/X·{1+0.15·（1-x）/x·［qv］}≤0.2/0.6×{1+0.15×（1-0.6）/0.6×0.2}≤0.34，滴頭的額定工作壓力為100kPa（相當于10m水頭），得灌水小區允許水頭偏差［Δh］=［hv］［Δh2］hd=0.34×10=3.4m。

滴灌小區允許水頭偏差應分配給毛管和支管。

則滴灌帶的鋪設長度L毛≤229×0.3=68.8m

滴灌帶的鋪設長度L毛=Nm×0.3，根據地塊的實際長度，考慮D90支管的過流能力及經濟性，確定毛管長度。

2.8.2 滴灌帶水頭損失計算

滴灌帶選用邊縫式滴頭，滴灌帶內徑為16mm。滴灌帶內徑為16mm＞8mm， 可認為管內流態為光滑紊流，故可計算沿程水頭損失為：滴灌帶的局部水頭損失可按沿程水頭損失的20%考慮，即hw毛=0.2hf毛=0.246m

滴灌帶總的水頭損失為沿程水頭損失與局部水頭損失之和，hf毛+hw毛=1.23+0.246=1.48m。滴灌帶總的水頭損失為沿程水頭損失與局部水頭損失之和。

表2 6連4號首部系統毛管水頭損失計算

2.8.3 支管管徑確定及水力計算

支管管徑按管道經濟流速確定：

式中 v為塑料管徑經濟流速（m/s），取1.2～1.8m/s，不大于3.5m/s；Q支為支管流量（m3/h）。

第37輪灌組： 支管8-9～8-12運行時8-12支管上帶44條毛管，支管上毛管平均間距0.76m，毛管單邊長度64m。

一條毛管流量Q毛管=64×2/0.3×2.4/1000=1.02m3/h

則支管的鋪設長度L支≤59×0.76=44.8m

支管的鋪設長度L支=Nm×0.76， 根據地塊的實際長度，考慮D90支管的過流能力及經濟性，現狀滴灌帶的長度不大于62m。 長支管鋪設長度67m，短支管長度33.5m。

支管為PE薄壁管，管徑90mm，壁厚1.4mm，工作壓力0.25MPa。 支管沿程水頭損失按多孔管計算，支管局部水頭損失按沿程水頭損失的10%考慮。 支管總水頭損失為沿程水頭損失與局部水頭損失之和。

支管的局部水頭損失可按沿程水頭損失的10%考慮，即0.05m。 支管總的水頭損失為沿程水頭損失與局部水頭損失之和，即0.58m。 長支管輸水段水頭損失1.655m，則整條支管損失合計2.23m。

2.8.4 干管管徑確定及水力計算

最不利為第43輪灌組：支管8-9～8-12運行時，一次工作4條支管，一條支管流量為45m3/h。 主干管、分干管管道流量為Q干=175.44m3/h。

設計干管選用PVC-U管，工作壓力0.4MPa，主干管管徑200mm，壁厚4.9mm，分干管管徑160mm，壁厚3.7mm。

干管和分干管沿程水頭損失：hf=Kf（Qm/db）L。

管網局部水頭損失按沿程水頭損失的10%考慮， 管網總水頭損失為沿程水頭損失與局部水頭損失之和。 管網總水頭損失為：hf=18.85m。

2.8.5 水泵揚程計算

表3 6連4號首部系統支管水頭損失計算

表4 6連4號首部系統干管水頭損失計算

計算微灌系統設計水頭H

式中 H為微灌系統設計水頭（m）。Zp-Zb為典型滴灌帶進口與水源設計水位之間的之差（m），取-1m。ho為典型滴灌帶進口的壓力，取10m。 ∑hf為水泵至典型滴灌帶進口的管道沿程水頭損失（m）。∑hw為水泵至典型滴灌帶進口的管道局部水頭損失（m）。

取首部過濾水頭損失+閘閥損失=6+5=11m。

則H=-1+18.85+2.23+1.48+11+10+1.8＝44.36m。

根據管網設計流量和工作壓力，查離心泵相關型號，復核相應離心泵額定流量187m3/h，額定揚程44m，查流量（Q）、揚程（H）曲線Q-H 水泵（廠家提供），第37輪灌組為水泵揚程最大的輪灌組，為44.36m，對應流量為175.44m3/h，在水泵運行高效區。

2.8.6 壓力均衡驗算

根據系統輪灌組的劃分， 對各節點壓力進行校核。選取6連4號首部系統最不利為第37輪灌組：支管8-9～8-12進行壓力均衡計算。

根據系統輪灌組的劃分， 對各節點壓力進行校核。 選取同一輪灌組中同一輪灌小區最近和最遠的一條毛管進行計算。因地形平坦，計算中不考慮地形高差引起的水頭變化。

表5 6連4號首部系統水力計算匯總

根據灌水器流量公式Q=0.603H0.6，8-12支管進口 水 頭 為15.51m， 則Hmax=15.51m，Qmax=0.603H0.6=3.12。 8-12支管末尾滴頭水頭為13.28m， 則Hmin=13.28m，Qmin=0.603H0.6=2.85。

流量偏差qv=（Qmax-Qmin）/qd×100%=11.25%＜［qv］=20%，流量偏差滿足規范要求。

3 結語

滴灌工程規劃設計要做到切合實際、技術先進、經濟合理、使用安全，充分發揮滴灌技術節水、節支、增效，減輕農民勞動強度，增加農產品產量，把滴灌的經濟效益、社會效益和生態效益很好地結合起來，使滴灌的綜合效益最佳， 達到滴灌工程規劃設計目標。灌溉工程建設也是一項利國利民的工程，在滴灌工程改造設計中要予以重視， 計算參數選擇要結合當地實際情況確定，充分了解當地的自然條件，否則對計算結果的準確性產生較大影響。 本項目工程已于2019年年底施工完成，在2020年運行半年，灌水均勻，說明改造方案是合理的。