姬軍虎

（石河子天興水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，新疆 石河子832000）

2019年高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)項(xiàng)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(xù)更新改造， 本次項(xiàng)目中主要針對(duì)田間主管道管徑偏小，運(yùn)行年限長，不能滿足灌溉需求的部分管道進(jìn)行更換。

1 滴灌技術(shù)參數(shù)確定

本次滴灌工程設(shè)計(jì)按棉花滴灌技術(shù)參數(shù)確定。

1.1 設(shè)計(jì)保證率

根據(jù)規(guī)范要求，結(jié)合當(dāng)?shù)刈匀粭l件和經(jīng)濟(jì)條件，取90%。

1.2 灌溉水利用系數(shù)η

根據(jù)規(guī)范要求滴灌不低于0.90，本工程取0.90。

1.3 設(shè)計(jì)系統(tǒng)的日工作小時(shí)數(shù)

根據(jù)項(xiàng)目區(qū)水源情況及農(nóng)業(yè)技術(shù)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(shù)規(guī)范》計(jì)算確定。 具體參數(shù)參照《滴灌工程設(shè)計(jì)圖集》［1］計(jì)算。 經(jīng)計(jì)算土壤濕潤比為式（1）。

1.5 設(shè)計(jì)日耗水強(qiáng)度Ea

設(shè)計(jì)日耗水強(qiáng)度應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)卦囼?yàn)資料確定，本地區(qū)對(duì)糧、棉、油等大田作物采用滴灌時(shí)，設(shè)計(jì)日耗水強(qiáng)度可以在4～6mm/d之間選取。 本次設(shè)計(jì)棉花日耗水強(qiáng)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(jì)劃濕潤層深度Z

根據(jù)第八師實(shí)測(cè)情況， 棉花主根系活動(dòng)層在50cm上下，本次設(shè)計(jì)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(jī)采棉毛管鋪設(shè)示意如圖1。

圖1 機(jī)采棉毛管鋪設(shè)示意圖

1.9 滴灌帶的選擇

滴灌帶的選擇應(yīng)根據(jù)不同土質(zhì)情況而定， 同時(shí)考慮到項(xiàng)目區(qū)常用滴管帶。項(xiàng)目區(qū)土質(zhì)為砂壤土，滴灌帶采用邊縫式滴管帶， 規(guī)格為WDF16/2.4-100，工作壓力為0.05～0.10MPa，內(nèi)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(tài)指為X=0.5602。

2 滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 滴灌系統(tǒng)管網(wǎng)設(shè)計(jì)

本次項(xiàng)目只對(duì)系統(tǒng)主干管網(wǎng)進(jìn)行改建， 分干管及地面部分管道均不改建。

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

式中 A為可灌面積（hm2），4號(hào)首部地塊面積66hm2；Q為可供流量（m3/h）；Ia為設(shè)計(jì)供水強(qiáng)度（mm/d），取5.5mm/d；Ea為設(shè)計(jì)耗水強(qiáng)度，取5.5mm/d；Po為有效降雨量0mm/d；T為水源每日供水時(shí)數(shù)22h/d；η為灌溉水利用系數(shù)0.9。

系統(tǒng)水泵根據(jù)耕地面積按水量平衡計(jì)算確定所需水量，經(jīng)計(jì)算Q=183m3/h，再根據(jù)輪灌小區(qū)的流量和系統(tǒng)水泵流量與揚(yáng)程關(guān)系曲線， 選取滴灌系統(tǒng)水泵，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查滴灌首部運(yùn)行情況，最大輪灌組流量與現(xiàn)狀水泵流量相近或者稍微偏大，經(jīng)過計(jì)算，水泵滴灌系統(tǒng)水泵按現(xiàn)狀水泵型號(hào)選擇， 能夠滿足現(xiàn)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(jìn)行計(jì)算：

式中 m為設(shè)計(jì)灌水定額（m）；r為土壤容重（g/cm2），取1.45g/cm2；z為計(jì)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(shù)，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(shù)得到地塊的設(shè)計(jì)灌水定額：mmax凈＝33.07mm（330.75m3/hm2）

2.3 設(shè)計(jì)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(jù)下式計(jì)算：T≤Tmax

式中 mmax凈為凈灌水定額（mm）；m′設(shè)計(jì)毛灌水定額（mm）；T為設(shè)計(jì)灌水周期（d）；Ia為設(shè)計(jì)耗水強(qiáng)度（mm/d）；η為灌溉水利用系數(shù)，滴灌η=0.9；Tmax=mmax凈/Ia=33.07/5.5=6（d）。 設(shè)計(jì)取T＝6.0d。

2.4 一次灌水延續(xù)時(shí)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(shè)計(jì)取3.5h。

2.5 輪灌組數(shù)（個(gè)）

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

2.6 棉花灌溉制度的確定

根據(jù)項(xiàng)目區(qū)管理實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)， 并經(jīng)計(jì)算擬定棉花生育期膜下滴灌水量3900～4500m3/hm2。

2.7 系統(tǒng)管網(wǎng)總布置與系統(tǒng)工作制度的確定

2.7.1 管網(wǎng)布置

因本次只對(duì)地塊主管道和部分分干管進(jìn)行更換，考慮到舊主管道也需要挖除，土地確權(quán)后如果從地中間布設(shè)主管道不可行，只有在原有主管道位置進(jìn)行布設(shè)，也便于協(xié)調(diào)施工。 本次項(xiàng)目只對(duì)部分系統(tǒng)主干管網(wǎng)進(jìn)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(xiàng)目區(qū)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(xiàng)目只改建部分系統(tǒng)主管道， 因此復(fù)核計(jì)算時(shí)全部按現(xiàn)狀模式計(jì)算，4號(hào)首部為長短支管+毛管模式。

2.7.3 系統(tǒng)工作制度的確定

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，滴灌一次灌水延續(xù)時(shí)間為3.5h，滴灌系統(tǒng)的輪灌組為38個(gè)，如表1。

表1 6連4號(hào)首部滴灌系統(tǒng)輪灌制度

續(xù)表1

2.8 管網(wǎng)水力計(jì)算及管徑的確定

4號(hào)首部地塊原先由6號(hào)首部灌溉， 現(xiàn)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(tǒng)管網(wǎng)水力計(jì)算及管徑的確定，根據(jù)系統(tǒng)輪灌組劃分，選取最不利輪灌組第37組：8-9～8-12進(jìn)行管網(wǎng)水力計(jì)算，最終確定水泵出口壓力。

2.8.1 滴灌帶極限長度計(jì)算

計(jì)算滴灌帶極限孔數(shù)時(shí)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(nèi)徑，d=16mm；k為水頭損失擴(kuò)大系數(shù)， 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(shè)計(jì)流量（L/h），取2.4L/h。

按照GB/T50485—2009《微灌工程技術(shù)規(guī)范》，滴頭設(shè)計(jì)允許流量偏差率取qv≤20%，滴管自動(dòng)化滴頭的流態(tài)指數(shù)X=0.6， 則滴灌的允許設(shè)計(jì)水頭偏差率［hv］應(yīng)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(dāng)于10m水頭），得灌水小區(qū)允許水頭偏差［Δh］=［hv］［Δh2］hd=0.34×10=3.4m。

滴灌小區(qū)允許水頭偏差應(yīng)分配給毛管和支管。

則滴灌帶的鋪設(shè)長度L毛≤229×0.3=68.8m

滴灌帶的鋪設(shè)長度L毛=Nm×0.3，根據(jù)地塊的實(shí)際長度，考慮D90支管的過流能力及經(jīng)濟(jì)性，確定毛管長度。

2.8.2 滴灌帶水頭損失計(jì)算

滴灌帶選用邊縫式滴頭，滴灌帶內(nèi)徑為16mm。滴灌帶內(nèi)徑為16mm＞8mm， 可認(rèn)為管內(nèi)流態(tài)為光滑紊流，故可計(jì)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(hào)首部系統(tǒng)毛管水頭損失計(jì)算

2.8.3 支管管徑確定及水力計(jì)算

支管管徑按管道經(jīng)濟(jì)流速確定：

式中 v為塑料管徑經(jīng)濟(jì)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(yùn)行時(shí)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(shè)長度L支≤59×0.76=44.8m

支管的鋪設(shè)長度L支=Nm×0.76， 根據(jù)地塊的實(shí)際長度，考慮D90支管的過流能力及經(jīng)濟(jì)性，現(xiàn)狀滴灌帶的長度不大于62m。 長支管鋪設(shè)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(jì)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(jì)2.23m。

2.8.4 干管管徑確定及水力計(jì)算

最不利為第43輪灌組：支管8-9～8-12運(yùn)行時(shí)，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(shè)計(jì)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(wǎng)局部水頭損失按沿程水頭損失的10%考慮， 管網(wǎng)總水頭損失為沿程水頭損失與局部水頭損失之和。 管網(wǎng)總水頭損失為：hf=18.85m。

2.8.5 水泵揚(yáng)程計(jì)算

表3 6連4號(hào)首部系統(tǒng)支管水頭損失計(jì)算

表4 6連4號(hào)首部系統(tǒng)干管水頭損失計(jì)算

計(jì)算微灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)水頭H

式中 H為微灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)水頭（m）。Zp-Zb為典型滴灌帶進(jìn)口與水源設(shè)計(jì)水位之間的之差（m），取-1m。ho為典型滴灌帶進(jìn)口的壓力，取10m。 ∑hf為水泵至典型滴灌帶進(jìn)口的管道沿程水頭損失（m）?！苃w為水泵至典型滴灌帶進(jìn)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(jù)管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量和工作壓力，查離心泵相關(guān)型號(hào)，復(fù)核相應(yīng)離心泵額定流量187m3/h，額定揚(yáng)程44m，查流量（Q）、揚(yáng)程（H）曲線Q-H 水泵（廠家提供），第37輪灌組為水泵揚(yáng)程最大的輪灌組，為44.36m，對(duì)應(yīng)流量為175.44m3/h，在水泵運(yùn)行高效區(qū)。

2.8.6 壓力均衡驗(yàn)算

根據(jù)系統(tǒng)輪灌組的劃分， 對(duì)各節(jié)點(diǎn)壓力進(jìn)行校核。選取6連4號(hào)首部系統(tǒng)最不利為第37輪灌組：支管8-9～8-12進(jìn)行壓力均衡計(jì)算。

根據(jù)系統(tǒng)輪灌組的劃分， 對(duì)各節(jié)點(diǎn)壓力進(jìn)行校核。 選取同一輪灌組中同一輪灌小區(qū)最近和最遠(yuǎn)的一條毛管進(jìn)行計(jì)算。因地形平坦，計(jì)算中不考慮地形高差引起的水頭變化。

表5 6連4號(hào)首部系統(tǒng)水力計(jì)算匯總

根據(jù)灌水器流量公式Q=0.603H0.6，8-12支管進(jìn)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(guī)范要求。

3 結(jié)語

滴灌工程規(guī)劃設(shè)計(jì)要做到切合實(shí)際、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、使用安全，充分發(fā)揮滴灌技術(shù)節(jié)水、節(jié)支、增效，減輕農(nóng)民勞動(dòng)強(qiáng)度，增加農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量，把滴灌的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和生態(tài)效益很好地結(jié)合起來，使滴灌的綜合效益最佳， 達(dá)到滴灌工程規(guī)劃設(shè)計(jì)目標(biāo)。灌溉工程建設(shè)也是一項(xiàng)利國利民的工程，在滴灌工程改造設(shè)計(jì)中要予以重視， 計(jì)算參數(shù)選擇要結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況確定，充分了解當(dāng)?shù)氐淖匀粭l件，否則對(duì)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生較大影響。 本項(xiàng)目工程已于2019年年底施工完成，在2020年運(yùn)行半年，灌水均勻，說明改造方案是合理的。