西北干旱區地表水大田滴灌項目典型設計

李 逸

（蘭州資源環境職業技術學院，甘肅 蘭州730021）

1 項目概況

景電灌區的國家級高效節水灌溉示范項目位于甘肅省白銀市景泰縣，滴灌工程實施地點為草窩灘鎮西和村，種植作物為枸杞。項目區屬黃河流域，自產地表水極為缺乏，灌溉用水全部來自景電高揚程提灌工程提取的黃河水。試驗區位于白銀市景泰縣草窩灘鎮西和村北干4支21斗灌溉控制范圍內。該典型設計為地表水滴灌工程，水源為黃河水，系統供水量為318 m3/h。管網系統由干管、支管、分支管、滴灌帶組成［1］。干管、支管、排水管均為聚氯乙烯（Polyvinylchlorid，PVC）管，干管DN315，支管外徑DN225，排水管DN50，公稱壓力為0.63 MPa；豎管、分支管均為DN90PE管，公稱壓力為0.40 MPa。DN16PE滴灌帶額定流量q=5 L/h，額定工作水頭10.0 m，滴頭間距1.5 m，間距2.0 m。

2 設計參數的確定

根據設計要求，設計保證率取值90%，灌溉水的利用率為0.9，設計系統的日工作小時數為20～22 h，滴灌設計土壤濕潤比為75%，設計耗水強度為4 mm/d，設計灌水均勻度為0.95。

3 首部設施及供水方式

3.1 水源工程

該項目水源為黃河水，水源泥沙含量高，但經長距離渠道輸水，基本沒有推移質泥沙，以懸移質泥沙為主。景電總干渠水質監測資料顯示，平均懸移質輸沙量含量888 mg/L，顆粒級配成果見表1。

表1 懸移質泥沙顆粒級配成果

3.2 調蓄預沉池

從泥沙顆粒級配成果可知，景電總干懸移質泥沙含量較高，且粒徑主要集中在0.05 mm以下，說明水中含泥量較大。根據《微灌工程技術規范》（GB/T 50485—2009），水質無法滿足滴灌需求，必須設置沉淀池［2］。根據運行情況，河水入池后沉淀兩三天，即可滿足滴灌水質要求。

4 灌溉系統參數設計

4.1 設計參數

依據《微灌工程技術規范》（GB/T 50485—2009）規定，并根據項目區自然條件和經濟條件，滴灌設計參數取值如下：①土壤濕潤層深度h=55 cm；②適宜土壤含水量上限β1取田間持水率的90%，下限β2取65%；③根據當地氣象條件、作物類型，作物耗水高峰期日耗水強度E=4.5 mm/d；④灌溉水利用系數η=0.90；⑤典型區土壤為沙壤土，干容重γ=1.33 g/cm3；⑥田間持水率β=25.0%（占干土質量的百分比）；⑦灌溉系統工作時間t=21 h。

4.2 種植模式

項目區土壤是為沙壤土，現主要種植作物為枸杞，種植規格為行距200 cm、株距150 cm。根據作物種植形式，滴灌管布置形式與種植規格相同，即一管一行，沿枸杞種植方向布置，滴灌管間距為200 cm，所以，選用DN16PE的滴灌管，滴頭間距為150 cm。

4.3 灌溉制度

灌溉制度是確定灌溉系統設計流量的主要依據，直接影響工程規模和投資額［3］。根據當地作物、土壤及氣候特點，確定枸杞滴灌灌溉制度。

4.3.1 滴灌系統需水量。項目區土壤主要為沙壤土，無淋洗要求，種植作物為枸杞，種植面積133.73 hm2，滴灌系統的最大需水量按《微灌工程技術規范》（GB/T 50485—2009）中式（1）和式（2）計算確定：

式（1）中，Qs為需水量（m3/h）；A為灌溉面積（hm2），取值133.73；Ia為設計供水強度（mm/d）；η為灌溉水利用系數，取值0.90；td為水泵日供水小時數（h/d），取值21。

式（2）中，Ia為設計供水強度（mm/d）；Ea為設計耗水強度（mm/d），取值4.5。

通過計算得出，系統需水量為318 m3/h，所以，枸杞滴灌系統的供水量應不小于318 m3/h。

4.3.2 灌水定額。灌水定額按式（3）進行計算：

式（3）中，γ為土壤容重（g/cm3），取值1.33；Z為土壤計劃濕潤土層深度（cm），取值55 cm；P為設計土壤濕潤比，取值50%；θmax、θmin分別為適宜土壤適宜含水率的上、下限（質量百分比），取值分別為田間持水率的90%、65%，田間持水率為24.5%。

經計算，對于667 m2田塊，mmax=14.9 m3。

4.3.3 灌水周期。灌水周期按式（4）進行計算：

式（4）中，T為設計灌水周期（d）；M為灌水定額（mm）；Ia為作物日耗水強度（mm/d），取值4.5。

經計算，灌水周期T=4.98 d，取整為5 d。

4.3.4 一次灌水延續時間。根據式（5）進行計算：

式（5）中，t為一次灌水延續時間（h）；M為設計灌水定額（mm），取值22.4；Se為滴頭間距（m），取值1.50；SL為毛管間距（m），取值2.00；qd為灌水器設計流量（L/h），取值5.0。

經計算，t=13.4 h，即一次灌水延續時間為14 h。

4.4 工作制度

4.4.1 灌水小區。單根分支管控制面積為一個灌水小區，其特性見表2。

表2 單個小區布置一覽表

4.4.2 輪灌組劃分。按照下列公式計算確定：

式（6）中，N為輪灌組數；C為設計日工作小時數（h），取值21。

經計算得，輪灌組數為8個。

根據輪灌組劃分結果，共有16條支管，即有196個灌水單元。按照各級管道流量最小原則，干管續灌，支管和毛管輪灌，依次進行分片輪流灌溉［4］。設計每個輪灌組的組合為干管上同時運行2條支管，每條支管各運行5條分支管，則196條分支管分20組運行。系統每天工作時間按21 h計，667 m2灌水定額為15 m3時，一次灌水延續時間為5 h，每灌完一輪水需要5 d，即灌水周期5 d。

在具體運行和分區上，在利于管理的同時，灌水單元盡量均勻分配在分干管的上、中、下游。另外，灌溉時根據實際運行情況，合理調整工作制度。

5 管道系統設計

5.1 管網布置與選擇

5.1.1 管道分級。根據地表水源位置及灌溉地塊分布的實際情況，輸配水管網分干管、支管和分支管三級，干管續灌，支管和分支管輪灌［5］。

5.1.2 管道布置方案。管網布置要考慮多方面因素，針對布置區的地形特點，滴灌管布置方向與枸杞種植方向一致，布置形式為一管一行。滴灌系統管網由輸水干管、支管、出地豎管、分支管和滴灌管構成，支管垂直干管布置，分支管平行支管布置，滴灌管垂直分支管按照“豐”字形布置。

5.1.3 管材選擇。該典型設計結合管道的耐久性、運輸和安裝條件，干、支管均選用0.6 MPa的PVC管道，分支管和毛管均選用0.4 MPa的PE管。

5.1.4 管徑選擇。典型區由景電二期總干渠直接引水至2萬m3調蓄預沉池，再用加壓泵輸送至田間進行灌溉。系統總需水量為318 m3/h，故管道流量按318 m3/h計算。管道管徑按經濟流速確定，經濟流速一般控制在1.0～1.5 m/s，取經濟流速V=1.2 m/s，管道的初估管徑用式（7）計算：

式（7）中，D為管道計算內徑（m）；Q為管段設計流量（m3/s）；Ve為經濟流速（m/s），取值1.2。

經計算得，d=0.306 m，干管選用DN315。

同理，支管管徑為DN225，分支管管徑為DN90。干管、支管埋于地面1.1 m以下，分支管及毛管均為地面鋪設。

5.2 管網水力計算

5.2.1 滴灌系統水頭損失。根據地形圖及管網布置，選擇最不利條件下的情況計算各級管道的水頭損失，并設計確定各級管材的壓力級別。該設計選取1#、2#和15#支管控制的最遠的一條分支管及毛管分別進行最不利條件下的管道水利計算。

沿程水頭損失采用式（8）計算確定：

式（8）中，hf為沿程水頭損失（m）；Q為流量（m3/s）；d為管道半徑（mm）；L為管長（m）；f、m、b分別為摩阻系數、流量指數和管徑指數。

經計算，當毛管長度為50.00 m時，其總水頭損失為2.21 m，其中局部水頭損失按沿程水頭損失的10%計算。

滴頭設計工作水頭10.00 m，首部設備水頭損失取5.00 m，考慮以上情況及地形落差，經計算，最不利滴頭處所需壓力分別為19.30 m、14.90 m和5.50 m。

5.2.2 水擊壓強計算。由于該滴灌系統利用地形自然落差工作原理，總干管進水口水面至最不利工作點的高差為-4.50 m，總水頭損失為8.30 m，系統不會產生水擊破壞，且管道選用承壓能力為0.6 MPa的PVC管，故無須驗算水擊壓力。

由于影響水擊壓力的主要因素有閥門啟閉時間、管道長度和管內流速，因此，在操作中應緩慢啟閉閥門，閥門啟閉時間應大于4 s，可避免產生直接水擊，降低間接水擊壓力。

6 結語

通過滴灌技術工程的合理設計，同時進行水泵選型、管槽設計、附屬工程設計等實施推廣，可以達到節能、節財、節水、增產等目的。滴灌在很大程度上改善了當地的農業生產條件，有利于合理高效利用水資源，有利于加快高效節水事業發展。