農業科技園滴灌工程設計研究
——以辰宇生態循環經濟科技園為例

馮 樂

（平涼市涇東水利水電勘測設計有限責任公司，甘肅 平涼 744000）

1 項目區概況

設計項目位于甘肅省靜寧縣葫蘆河流域威戎鎮李溝村萬畝現代農業核心區，受益區為辰宇生態循環經濟科技園。項目區水源地擬選在葫蘆河右岸，水源地為旁河水源地類型；項目區地貌單元屬葫蘆河右岸Ⅰ級階地分布地段，分布寬度150 ～300 m，地面高程1 587 ～1 591 m。

項目區農村電網已全部形成，供電設施齊全，電力供應有保障；通信系統健全，通信便捷；各類建筑材料的采購與開采條件較好。

2 項目區需水量預測

2.1 作物種植結構和灌水方式

此次規劃灌溉面積13.33 hm，設計灌溉面積13.33 hm。灌區所在地屬半干旱地區，種植作物為果樹，株距為2.5 m，行距為4.0 m。設計選用滴灌方式，設計滴灌帶間距4.0 m，滴頭間距2.5 m。

2.2 灌溉水利用系數

根據《微灌工程技術標準》（GB/T 50485—2020）規定，灌溉設計保證率不小于85%。根據灌區規劃報告，并結合灌區實際情況，該改造配套工程灌溉設計保證率取90%（見表1）。

表1 滴管灌溉保證率及水利用系數取值

2.3 設計水平年灌溉制度及灌水率確定

項目設計以2021 年為現狀基準年，2022 年為設計水平年。灌溉作物為蘋果樹，根據下式計算出蘋果樹的灌水定額和灌水周期后，確定該灌區的設計灌溉制度。

①設計灌水定額：

式（1）中：表示設計灌水定額，單位為 mm；表示土壤容重，=1.36 g/cm；表示計劃土壤濕潤層深度，果樹取值80 mm；表示設計土壤濕潤比，果樹取值40%；、表示適宜土壤含水量的上、下限（一般為田間最大持水量的90%，為田間最大持水量的75%）；表示灌溉水的有效利用系數，取0.95。根據式（1）計算得出，項目區的設計灌水定額為15 mm。

②設計灌水周期：

式（2）中：表示設計灌水周期，單位為 d；表示最大設計灌水周期，單位為 d；表示最大凈灌水定額，取值15 mm；I表示滴灌系統設計日耗水強度，取值5 mm/d。根據計算及當地灌溉經驗，果樹設計灌水周期為3 d。

③灌區設計一次灌水延續時間：

式（3）中：表示一次灌水延續時間，單位為 h；表示設計灌水定額，單位為mm；S表示滴頭間距，單位為m；S表示毛管間距，單位為m；表示滴頭流量，單位為L/h。

灌區采用PE 滴灌帶，沿果樹的種植方向一行一管布設，滴灌帶鋪設間距為4.0 m，滴頭（果樹）間距為2.5 m，流量為8 L/h。經式（3）計算得=18.75 h，此次設計取值為19 h。

④系統允許的最大輪灌組數

式（4）中：表示設計最大輪灌組數，單位為個；表示系統日工作時間，單位為h，取值20；表示設計灌水周期，單位為d；表示設計每次最大灌水時間，單位為h。由式（4）計算可得=2.84 個，考慮到項目區水源井最小出水量為32 m/h，故此次設計最大輪灌組數3 組。

根據以上計算數據和當地實際灌水需要，灌溉延續時間為10 d，每天不大于20 h，平均灌溉時間為13.5 h，確定 667 m凈灌水定額 47.5 m、667 m毛灌水定額50.0 m。

2.4 灌溉用水量

灌區設計灌水率取最大灌水率1.65×10m/（s·hm），滴灌灌溉水利用系數為0.95，采用下式計算設計流量：

式（5）中：表示整個灌區設計流量，單位為m/s；表示設計灌水率，為 1.65×10m/（s·hm）；表示管道控制的灌溉面積，為13.33 hm；表示灌溉水有效利用系數，取值0.95；經計算，=0.002 m/s。灌區灌溉保證率為=90%，全年灌溉用水量為3.0 萬m。

3 水量平衡分析

3.1 供水量分析

該工程是從項目區農田中利用大口井取水。區內地形較為平坦，西高東低，地形坡度為1%左右。地下水流自西向東，水源地含水層主要為白堊系（K）砂巖，含水層平均厚度20 m，滲透系數=65 ～75 m/d，屬強透水含水層。項目區潛水完整井單井最小出水量=1 440 m/d，單井出水量為60 m/h，能滿足灌區年用水量的需求。其水質符合《農田灌溉水質標準》（GB 5084—2021）中的各項標準。

3.2 需水量分析

滴灌區總面積13.33 hm，灌溉總用水量為3.0 萬m。

3.3 供需平衡分析

從流量方面分析，工程項目實施后，保證率=90%時，設計輸水流量為0.002 m/s，大口井最小出水流量為0.017 m/s，此水源井最小出水流量完全滿足該工程的灌溉要求。從總水量方面分析，設計灌溉需水量3.0 萬m，水源井年總有效出水量為20 萬m，總出水量遠遠大于總需水量，通過水量平衡分析，無缺水現象，完全滿足灌溉要求。

4 工程等別及防洪標準

根據《灌溉與排水工程設計標準》（GB 50288—2018）及《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL 252—2017）規定，裝機流量小于 25 m/s，裝機功率小于0.01 萬kW，該工程等級為Ⅴ等，屬小（2）型工程，建筑物級別為5 級，洪水設防標準為10 a。

5 工程設計

5.1 工程總體布置

該工程水源采自地下潛水，規劃在項目區農田中打一眼大口井。井內安裝井用潛水泵1 臺，配套變頻設備經首部樞紐過濾后直接向田間輸配水。配水管網分為干管、分干管、支管、毛管4 級管道布置。配水干管從西到東布設，支管垂直干管呈“豐”字形布設，支管與毛管采用DN16PE 管旁通連接。毛管根據株距，每行布設1 排。毛管沿種植方向布置，采用一行一管的地埋式布置形式。毛管在植物根部打孔，孔間距為2.5 m，滴孔流量為8 L/h。滴灌管以支管為中心雙向鋪設，利用按扣和三通連接。為確保灌水均勻度，毛管鋪設長度按順坡不大于50 m、逆坡不大于45 m 進行控制。根據《噴灌與微灌工程技術管理規程》（SL 236—1999），干管與分干管、支管連接處設置1 閘閥井，井內在每條支管進口設1 個閘閥，在干管處設1 個節制閥。

5.2 工程設計方案

根據近年該灌區及臨近灌區的實際灌溉經驗，結合甘肅省水利廳印發的《甘肅農業灌溉用水定額》，根據相關設計依據和項目區基本資料確定基本設計參數。根據果樹作物灌制度，每次灌水時間最長10 d，一天工作不超過20 h。為保證運行安全及灌溉質量，在運行過程應嚴格按設計的灌溉制度進行操作。

5.2.1 基本參數。土壤濕潤比為40%；滴灌設計耗水強度為5.0 mm/d；根據《微灌溉技術標準》的要求，設計灌溉水利用系數取為0.95；日工作時間為18 h；設計灌溉保證率為90%；設計濕潤深度為80 mm。

5.2.2 滴管工程設計

5.2.2.1 水源工程。該滴灌系統的水源為井水，根據設計水資源供需平衡分析，水量完全能滿足灌區灌溉要求。井水內含有少量泥沙，無懸浮物和雜物，需要經過田間過濾器過濾，方可完全符合農田灌溉水質標準。

5.2.2.2 首部樞紐。①自動反沖洗疊片過濾器系統。該系統可對水中的雜質進行過濾，過濾能力為32 m/h，可滿足滴灌工程水質要求。②施肥系統。微灌與施肥一體化是實現增產、增收的關鍵，也是高效節水灌溉的核心技術之一。根據各種施肥技術類型的特點，并結合項目區作物的需肥要求，此次設計灌溉系統均采用150 L 塑料施肥罐+0.5 m/h 注肥泵的施肥系統。③控制設備。首部安裝2 套控制蝶閥，過濾器進口處安裝1 個，可調節進水量；蝶閥采用2"蝸輪蝶閥，該類型閥門的開啟和關閉時間不少于30 s，可防止水錘發生。④量測設備。在過濾器進口和出口處各安裝1個壓力表，通過1 個三向閥門可檢測過濾器進水口和出水口的壓力，用于灌溉系統的壓力監控及過濾器清潔程度和清理時間的判定；水表安裝在過濾器出口處，采用數字直讀干式水表。該水表讀數區不進水，減少肥料對水表的腐蝕，可延長水表的使用時間。

5.2.2.3 輸配水管網。系統輸配水管網由干管、地面支管和毛管組成。靜寧縣最大凍土深度為0.91 m，故干管、分干管埋深1.5 m 即可滿足防凍要求。支管垂直等高線布置，每條支管均有1 個閥門控制，便于對輪灌組的管理；毛管垂直于支管并沿農作物耕作壟平行鋪設，每行蘋果樹鋪設1 根毛管，鋪設間距4.0 m，由地面支管及閥門控制灌溉。

5.2.2.4 灌水器。灌水器是直接向作物施水的設備，其作用是把末級管道即毛管中的壓力水流均勻、穩定地分配到田間。灌水器質量直接影響灌水質量。對灌水器的要求是出流量小、出水均勻、抗堵塞性能好、制造精度高、便于安裝、堅固耐用、價格低廉等。該項目區采用直徑為16 mm 外鑲式滴灌管線，每株樹旁邊安置1 個滴頭，流量8 L/h。

5.2.2.5 灌水區水力設計。在該工程中，一條支管和其供水的毛管構成了一個灌水小單元，沿毛管鋪設方向，坡度小于1‰，按平坡計。

①灌水器設計允許水頭偏差：

式（6）中：h表示灌水器工作水頭偏差率，取值0.45；h表示設計滴頭工作水頭，取值10 m。由式（6）計算得出，［△］=4.5 m。對于灌水小區允許水頭偏差分配，該系統按=0.45、=0.55分別分配給支管、毛管，則支管允許水頭偏差［△］=0.45［△］=2.025 m，毛管允許水頭偏差［△］=0.55［△］=2.475 m。

②平鋪條件下毛管極限孔數：

式（7）中：N表示毛管極限孔數，單位為個；表示毛管直徑，取值16 mm；表示毛管水頭損失擴大系數，=1.1 ～1.2，該設計取1.1；表示滴頭平均間距，取值2.5 m；q表示滴頭流量，取值8.0 L/h。由式（7）計算得出，N=57 個。

③極限長度：

式（8）中：L表示毛管極限長度，單位為 m；表示滴頭平均間距，單位為m；N表示毛管極限孔數，單位為個；表示毛管進口至首孔的距離，單位為m。由式（8）計算得出，L=143 m。

5.2.2.6 配水管網水力計算和各級管徑確定。依據《微灌工程技術標準》，對多孔滴灌帶各級管道進口流量均采用下式計算：

式（9）中：表示各級管道的進口流量，單位為L/h；q表示第個下一級管道灌水器或出水栓的流量，單位為L/h；表示下一級管道上灌水器或出水栓的數量。

各級管道的管徑采用下式計算：

式（10）中：表示管道內徑，單位為 m；表示管道設計流量，單位為m/s；V表示經濟流速，取值1 m/s。

5.2.3 系統運行方案確定。滴灌系統壓力控制在100 ～150 kPa。由于效益區地勢平坦，地下水埋深約在16 m，持水層較淺，水位較為穩定，可確保灌溉均勻度和灌溉用水量達到設計要求。實際灌溉時可開啟1 個灌溉系統進行輪灌，每天灌溉用時17.1 h，在設計范圍內15 d 可保證灌溉正常進行。

5.2.4 系統管道水力計算

5.2.4.1 毛管鋪設極限長度確定。毛管選用φ16 mm 的滴灌管，滴頭間距2.5 m，滴頭流量8 L/h，流態指數0.600。由式（8）計算得出，毛管鋪設極限長度為143 m，考慮到條田的長寬和縱坡，確定毛管實際鋪設長度順坡最長為120 m。

5.2.4.2 毛管流量確定。1 條毛管流量按下式計算：

式（11）中：表示毛管流量，單位為 m/h，計算得0.386m/h；表示毛管長度，取值120 m。

5.2.4.3 支管流量確定。根據每條支管控制的毛管條數，即得出支管流量：

式（12）中：表示支管流量，單位為 m/h；表示毛管流量，單位為m/h；表示毛管條數，取值28個。經計算，支管流量最大為10.8 m/h。

另外，由式（10）計算得出支管內徑為57 mm，因此，支管采用工作壓力為0.25 MPa 的DN63UPVC 管。

5.2.4.4 輸、配水干管流量及水力計算。輸配水干管道內徑根據式（10）計算確定，其中配水干管設計流量為0.006 m/s。經計算，干管內徑為62 mm，采用工作壓力為0.63 MPa 的DN90UPVC 管。干管水頭損失按下式計算：

式（13）中：h表示沿程水頭損失，單位為 m；表示計算管段的長度，取值768 m；表示管段流量，取值0.006 m/s；表示管道內徑，取值88.8 m。

各管段局部水頭損失h按管段沿程水頭損失的10%計算。經計算，水頭總損失=h+h=12.22 m。

5.2.4.5 管網壓力情況。經管網水頭計算可得出各級管段末最不利流量狀態下的工作壓力。

5.2.5 系統總揚程計算及水泵選型

5.2.5.1 輸水管管徑計算。依據輪灌組劃分確定水泵流量，水泵設計流量為32 m/h，輸水管管徑按式（10）計算，其中水泵取水管流量32 m/h、流速1.0 m/s，計算得出輸水管內徑為75.2 mm。因此，采用工作壓力為3.0 MPa 的Dg100（外徑114 mm，壁厚6 mm，內徑102 mm）無縫鋼管。

5.2.5.2 取水泵設計揚程計算。水泵沿程水頭損失按下式計算：

式（14）中：表示單位管長水頭損失，單位為m/m；表示輸水管的長度，單位為m。

輸水管采用無縫鋼管段，單位管長水頭損失按下式計算：

式（15）中：表示管段流速，取值 1.088 m/s；表示管道內徑，取值102 mm。

經計算，=0.000 05 m。

局部水頭損失可按沿程水頭損失的10%計取，則總水頭損失=0.000 05+12.22+9.57+1.62=23.41 m。

5.2.5.3 取泵站設計揚程計算及選型。根據《泵站更新改造技術規范》（GB/T 50510—2009），由以上各項計算可知，項目區內輸水管道水頭損失為23.41 m，幾何揚程15.00 m，設計揚程38.45 m，則水泵設計額定揚程為52.00 m，富余水頭13.55 m，查水泵性能表，選配200QJ32-52/4 型潛水泵1 臺，額定流量32 m/h，額定揚程52.00 m，配套電動機功率7.5 kW。為減小水錘壓力，保證水泵電機安全，在潛水泵出口處安裝DN100 閘閥及緩閉式止回閥，最大工作壓力1.6 MPa，規格為 DN100。

5.3 供電設計

泵站供電架設10 kV 的高壓線0.5 km，電源引自明星村明星社附近高壓干線；采用單回路供電，水泥電桿長12 m，檔距為50 m；架設低壓線路0.3 km。考慮到水泵、照明及管理生活用電，在大口井傍各架設桿式變壓器，選用S11-20/10 型變壓器1 臺，其容量為20 kVA。

6 實施效益分析

該工程實施后，蘋果園667 m增產59 kg，增長率為10%；產量總體增加3.56 萬kg，蘋果按11 元/kg 計算，年增加效益39.16 萬元；與常規灌溉工程相比可節水1.3 萬m，節水效益為1.00 萬元。