滴灌技術在吐魯番市艾丁湖鄉葡萄滴灌工程中的應用

賽衣旦·艾力

(新疆水利水電科學研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 概述

吐魯番市位于新疆維吾爾自治區中部，東臨哈密，西、南與巴音郭楞蒙古自治州的和靜、和碩、尉犁、若羌縣毗連，北隔天山與烏魯木齊市及昌吉回族自治州的奇臺、吉木薩爾、木壘縣相接。艾丁湖鄉位于吐魯番市西南15 km處，所在位置低于海平面100 m。

艾丁湖鄉由于獨特的地理環境，區內日照充足，光熱資源豐富，年總日照時數為3000 h～3200 h，日照率為69%，年平均氣溫為14.1℃，極端最高氣溫為47.7℃，全年無霜期271 d，全年降雨量為16.6 mm，蒸發量為2844.9 mm。由于艾丁湖鄉得天獨厚的地理位置及豐富的光熱資源條件，有利于多種植物生長，形成了以糧、棉、瓜菜、葡萄、孜然為主的多種種植結構。

吐魯番市位于天山東部盆地，四面環山，氣候為典型的大陸性暖溫帶荒漠氣候。項目區地形較平坦，總的地形為南高北低，坡度3‰；地形起伏不大，各田塊的地形坡度大部分在1‰～3‰之間。

2 工程設計

20世紀90年代開始滴灌在新疆兵團地區得到了廣泛的應用，尤其是以棉花為代表，不僅節約了水量，也提高了產量。本文選擇具有典型代表性的滴管形式進行典型設計，依托吐魯番市艾丁湖鄉機井加壓葡萄滴灌工程。

本工程擬在吐魯番市艾丁湖鄉實施300畝葡萄滴管，水源為井水、采用機井加壓滴灌的灌溉型式。單井出水量100 m3/h，井水的水質、水量均滿足滴灌用水的要求。工程建設內容主要包含田間地埋管道工程、田間地面管道工程、首部設備和變配電設備及安裝工程。

2.1 基本資料

項目區為山前傾斜平原，由北向南部艾丁湖傾斜，第四系沉積厚度200 m～700 m，地下水儲存特征受地貌控制呈現縱向和橫向的變化。縱向上由山前沖洪積扇頂部以卵礫石地層為主，向南過渡艾丁湖一帶以粘土地為主，地下水類型也相應由單一潛水過渡到潛水、承壓水、自流水共存，富水性由富到貧，在橫向上，受火焰山水系及吐魯番構造缺口的控制，表現為橫向差異，在各泉水溝口及吐魯番構造缺口地下水儲存條件較好，而在其扇間地帶地下水賦存條件變差。項目區土壤質地為灌耕土，土壤容重1.5 g/cm3，田間持水量為27%(干土重量)，土層較厚，土壤宜耕性較好，適宜耕種。

2.2 工程設計參數

項目區種植葡萄，種植模式采用行株×距行為4.5 m×1 m。主要的設計內容包括水源設計、設計耗水強度的確定、土壤濕潤比的選擇以及滴灌帶的選擇和布設方式。

1)水源設計

本次滴灌系統采用井水作為灌溉水源，機井動水位20 m，單井出水量100 m3/h，系統設計流量99.95 m3/h。根據《井用潛水泵型式和基本參數》水泵選型為250QJ100-54，額定流量100 m3/h，額定揚程54 m，配套功率25 kW。

因為井水滴灌區在全生育期內全靠井水灌溉，故必須考慮單井出水量所能擔負的灌溉面積。本次設計根據擬采用滴灌條田的具體情況，再根據單井所能控制面積的大小來具體確定系統的規模。

單井可灌溉面積依據《微灌工程技術規范》計算：

Ia=IC-P0

式中：A為灌溉面積，hm2；η為灌溉水有效利用系數，根據規范取0.9；Q為水井的出流量，100 m3/h；Ia為設計供水強度，mm/d；8 mm/d；t為水源每日供水時數，18 h/d；P0為有效降雨量，吐魯番市降水量小，P0可忽略不計。

單井出水量代入上式計算得：單井應控制面積303畝，根據地塊管網布置后系統實際滴灌面積300畝。項目區防護林位于條田周邊，灌溉時與作物錯開時間進行灌溉。

2)設計耗水強度的確定

①設計耗水強度根據以下公式計算得：

IC=KCKrEO

式中：IC為設計日水強度，mm/d；KC為作物修正系數，葡萄KC=1；Kr為覆蓋率影響系數，Kr=1；EO為最大蒸散7月份日平均參照作物蒸發量，吐魯番市EO=8 mm/d(當地實測)。

代入上式，計算得：IC=8 mm/d。

②系統有效工作時間C，取19 h。

3)滴灌帶選擇及布設方式

在土壤質地一定的情況下，滴灌帶上的滴頭流量、間距以及滴灌帶布設間距是影響土壤濕潤比的主要因素；同時滴灌帶上的流量和間距還是影響滴灌帶鋪設長度的關鍵因素。因此，滴灌的選擇和布設是非常重要的技術環節，應根據土壤質地、葡萄的種植方式、支管間距等因素合理選取。

為達到滿意的鋪設長度并滿足土壤濕潤比的要求以及生產廠家的產品，選擇內徑φ16 mm的單翼迷宮式滴灌帶(PE)，壁厚0.18 mm，滴水口間距0.3 m，工作壓力0.05 MPa～0.1 MPa，滴灌帶的參數表見表1。項目區土壤質地中等，為砂壤土，種植葡萄，葡萄種植模式為：行距4.5 m×株距1 m，毛管兩管一行。滴灌帶平均鋪設間距為2.25 m，沿種植方向鋪設。

表1 滴灌帶參數表

4)土壤設計濕潤比的確定

《微灌工程技術規范》(GB/T 50485-2009)中明確了葡萄、瓜類的設計濕潤比為30%～50%，經計算，本設計土壤濕潤比根據《滴灌工程規劃設計原理與應用》中公式計算：

式中：P為土壤濕潤比；n為每棵作物的滴頭數，n=3.3333；Se為滴頭沿毛管的間距，Se=0.3 m；Dw為濕潤帶寬度，Dw=1.64 m；St為每棵作物株距，St=1 m；Sr為作物平均行距，Sr=4.5 m；因此濕潤比P=3.3333×0.3×1.64/1/4.5=36.44%。

2.3 設計灌溉制度的確定

1)最大凈灌水定額Mmax

由項目區土壤資料，土壤干容重為1.5 g/cm3，田間持水量為27%(重量比)。葡萄的計劃濕潤層深度采用110 cm；土壤濕潤比為36.44%；土壤含水量上下限選用90%和65%，計算最大灌水定額為：mmax=0.001γzp(θmax-θmin)Mmaxγzp(θmax-θmin)，計算得Mmax=40.59 mm

2)設計灌水周期T

T=mmax/Ia=5.07 d，設計灌水周期T應≤Tmax，因此葡萄設計灌水周期取5 d。

3)設計灌水定額

m設凈=T×Ia=5×8=40 mm=26.68 m3/畝

m毛=m設凈/η=26.68/0.9=29.64 m3/畝

4)設計一次灌水延續時間

5)輪灌組數N

日工作時數19 h，則：N≤CT/t=19×5/19=5，即一個灌水周期最多采用5個輪灌組。

6)日工作輪灌組數

n=N/T=19/19=1組

具體設計參數見表2。

表2 系統設計參數匯總表

2.4 田間系統設計

1)管網布置

系統控制區灌溉面積300畝，控制區地勢南高北低，西高東低，地面坡降3/1000左右。地塊東西長400 m，南北寬500 m。機井位于地塊南側中部，管網采用“梳”式布置，分為干管→分干管→支管(PE軟帶)→毛管，四級管道結構，一條支管(PE軟帶)與其控制的毛管構成一個灌水小區。具體布置見圖1。

圖1 葡萄滴管典型設計布置圖

2)灌水小區水力設計

①流量偏差率qυ

《微灌工程技術規范》(GB/T 50485-2009)3.0.9條規定，灌水器設計流量允許偏差率應不大于20%，本工程取qυ=20%。

②水頭偏差率[hυ]

滴灌帶流態指數x=0.6，qυ=20%，代入得：

③灌水小區允許壓力偏差

[Δh]=[hυ]·ha，公式，又因ha=hd，可得：[Δh]=3.4 m

④小區允許水頭偏差的分配

小區允許水頭偏差在支管和毛管間分配，由于地面坡降0.3%左右，視為平坡。平坡分配比例取β2=0.5。

[Δh毛]=β2[Δh]=0.5×3.4=1.7 m；

[Δh支]=β2[Δh]=0.5×3.4=1.7 m

⑤滴灌帶極限孔數和極限長度

毛管鋪設方向為東西向，項目區地形坡度較小，計算毛管鋪設長度時不考慮地形影響。

滴灌帶極限孔數Nm按《微灌工程技術規范》(GB/T 50485-2009)公式計算得。

式中：qd為滴頭的設計流量，qd=3.2 L/h；d為滴灌帶直徑，管內徑d=16 mm；[Δh2]為毛管允許水頭偏差，1.7 m：k為水頭損失擴大系數，k=1.1～1.2，本設計中k取大值為1.1；Se為毛管上分流孔的間距，Se=0.3 m。

計算得Nm=193個。

滴灌帶極限鋪設長度Lm：

Lm=Se(Nm-1)+S0=0.3(193-1)+0.15=57.75 m

根據上述計算，滴灌帶的極限鋪設長度為57.75 m，本次管網設計中滴灌帶單向鋪設長度控為50 m。

⑥支管設計

根據上述計算，支管極限鋪設長度為78.75 m，本次管網設計中的支管單項鋪設長度為62.5 m。

支管長度62.5 m，一條支管62.5/4.5=14對毛管，即支管上有14個出水孔，毛管單向鋪設長度50 m時，支管上單孔流量為1060 L/h，支管流量為1060×14=14960 L/h。

支管(PE軟帶)內徑采用張志新主編《滴灌工程規劃設計原理與應用》一書中公式(13-32)計算確定：

支管各計算參數取值見表3。經計算，設計支管選用外徑63 mm的增強PE管，壁厚0.9 mm，壓力等級為0.25 MPa。

表3 支管管徑計算表

2.5 各級管道及水力計算

1)設計流量推算

①毛管流量

毛管長度均為50 m，滴頭流量為3.2 L/h，滴頭間距為0.3 m，毛管流量為：Q毛=(L毛/Se)×qd=(50/0.3)×3.2=530 L/h。

②支管流量

支管長度均為62.5 m，毛管流量為530 L/h，毛管間距為4.5 m，支管流量為：Q支=(L支/SL)×Q毛=(62.5/4.5)×530×2=14960 L/h。

③分干管流量

一條分干管流量為同一分干管上同時開啟的所有支管流量之和。根據系統管網布置方案及輪灌方式，1條分干管上同時開啟2條支管，故：Q分干=Q支×2=29.92 m3/h。

④干管流量計算

按照系統設計運行工況，同時工作的分管流量等于干管流量，干管流量就是系統總流量，即：Q干管=29.92×4=119.68 m3/h。

2)干管、分干管管徑計算

管道管徑的確定方法選擇經濟流速法，塑料管材的經濟流速一般取v=1.2 m/s～1.8 m/s，取v=1.5 m/s，PE管材不大于3.5 m/s。

管徑計算公式：

式中：d為管內徑，m；Q為管內流量，m3/s；v為管內流速，m/s。

按照干管、分干管最大流量代入上式計算管內徑。根據計算的結果參照廠家管材規格，結合系統運行方式選取合適干管和分干管管徑，系統PVC干管選用管徑125×3.9/0.63、90×2.8/0.63，分干管選用管徑90×2.8/0.63。

3)水頭損失計算

①干管、分干管水頭損失計算

管道沿程水頭損失依據《微灌工程技術規范》計算得：

局部水頭損失為沿程損失的10%估算。

②支管、毛管沿程水頭損失計算

支管、毛管沿程水頭損失可按下式計算：

hf′=hf×F

式中：F為多孔系數。

局部水頭損失可按沿程水頭損失的一定比例估算，支管宜為0.05～0.1，毛管宜為0.1～0.2。

4)設計管道系統工作水頭

按照規范滴灌系統設計水頭，應在最不利輪灌組條件下按下式計算：

H0=Zp-Zb+h0+∑hf+∑hj

滴灌系統管網水頭計算結果見表4。

表4 典型系統最不利線路水頭損失及設計水頭計算表

通過上述計算內容，可以確定管道的型號及首部水泵的型號及材料等。

3 結語

本次設計選取吐魯番市艾丁湖鄉300畝葡萄為例，充分利用地勢地形，在灌水小區布設服從葡萄栽培田間林網及道路規劃，主要根據葡萄田間管理要求和防護林布置要求確定，滴管技術在葡萄中的應用較大的提高了葡萄的產量，為今后在吐魯番地區其他鄉鎮土壤栽培技術上提供了設計依據。