李 逸

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州730021）

1 項(xiàng)目概況

景電灌區(qū)的國(guó)家級(jí)高效節(jié)水灌溉示范項(xiàng)目位于甘肅省白銀市景泰縣，滴灌工程實(shí)施地點(diǎn)為草窩灘鎮(zhèn)西和村，種植作物為枸杞。項(xiàng)目區(qū)屬黃河流域，自產(chǎn)地表水極為缺乏，灌溉用水全部來(lái)自景電高揚(yáng)程提灌工程提取的黃河水。試驗(yàn)區(qū)位于白銀市景泰縣草窩灘鎮(zhèn)西和村北干4支21斗灌溉控制范圍內(nèi)。該典型設(shè)計(jì)為地表水滴灌工程，水源為黃河水，系統(tǒng)供水量為318 m3/h。管網(wǎng)系統(tǒng)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(chēng)壓力為0.63 MPa；豎管、分支管均為DN90PE管，公稱(chēng)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(shè)計(jì)參數(shù)的確定

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)保證率取值90%，灌溉水的利用率為0.9，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的日工作小時(shí)數(shù)為20～22 h，滴灌設(shè)計(jì)土壤濕潤(rùn)比為75%，設(shè)計(jì)耗水強(qiáng)度為4 mm/d，設(shè)計(jì)灌水均勻度為0.95。

3 首部設(shè)施及供水方式

3.1 水源工程

該項(xiàng)目水源為黃河水，水源泥沙含量高，但經(jīng)長(zhǎng)距離渠道輸水，基本沒(méi)有推移質(zhì)泥沙，以懸移質(zhì)泥沙為主。景電總干渠水質(zhì)監(jiān)測(cè)資料顯示，平均懸移質(zhì)輸沙量含量888 mg/L，顆粒級(jí)配成果見(jiàn)表1。

表1 懸移質(zhì)泥沙顆粒級(jí)配成果

3.2 調(diào)蓄預(yù)沉池

從泥沙顆粒級(jí)配成果可知，景電總干懸移質(zhì)泥沙含量較高，且粒徑主要集中在0.05 mm以下，說(shuō)明水中含泥量較大。根據(jù)《微灌工程技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50485—2009），水質(zhì)無(wú)法滿足滴灌需求，必須設(shè)置沉淀池［2］。根據(jù)運(yùn)行情況，河水入池后沉淀兩三天，即可滿足滴灌水質(zhì)要求。

4 灌溉系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

依據(jù)《微灌工程技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50485—2009）規(guī)定，并根據(jù)項(xiàng)目區(qū)自然條件和經(jīng)濟(jì)條件，滴灌設(shè)計(jì)參數(shù)取值如下：①土壤濕潤(rùn)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(jù)當(dāng)?shù)貧庀髼l件、作物類(lèi)型，作物耗水高峰期日耗水強(qiáng)度E=4.5 mm/d；④灌溉水利用系數(shù)η=0.90；⑤典型區(qū)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(zhì)量的百分比）；⑦灌溉系統(tǒng)工作時(shí)間t=21 h。

4.2 種植模式

項(xiàng)目區(qū)土壤是為沙壤土，現(xiàn)主要種植作物為枸杞，種植規(guī)格為行距200 cm、株距150 cm。根據(jù)作物種植形式，滴灌管布置形式與種植規(guī)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(tǒng)設(shè)計(jì)流量的主要依據(jù)，直接影響工程規(guī)模和投資額［3］。根據(jù)當(dāng)?shù)刈魑?、土壤及氣候特點(diǎn)，確定枸杞滴灌灌溉制度。

4.3.1 滴灌系統(tǒng)需水量。項(xiàng)目區(qū)土壤主要為沙壤土，無(wú)淋洗要求，種植作物為枸杞，種植面積133.73 hm2，滴灌系統(tǒng)的最大需水量按《微灌工程技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50485—2009）中式（1）和式（2）計(jì)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(shè)計(jì)供水強(qiáng)度（mm/d）；η為灌溉水利用系數(shù)，取值0.90；td為水泵日供水小時(shí)數(shù)（h/d），取值21。

式（2）中，Ia為設(shè)計(jì)供水強(qiáng)度（mm/d）；Ea為設(shè)計(jì)耗水強(qiáng)度（mm/d），取值4.5。

通過(guò)計(jì)算得出，系統(tǒng)需水量為318 m3/h，所以，枸杞滴灌系統(tǒng)的供水量應(yīng)不小于318 m3/h。

4.3.2 灌水定額。灌水定額按式（3）進(jìn)行計(jì)算：

式（3）中，γ為土壤容重（g/cm3），取值1.33；Z為土壤計(jì)劃濕潤(rùn)土層深度（cm），取值55 cm；P為設(shè)計(jì)土壤濕潤(rùn)比，取值50%；θmax、θmin分別為適宜土壤適宜含水率的上、下限（質(zhì)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(jīng)計(jì)算，對(duì)于667 m2田塊，mmax=14.9 m3。

4.3.3 灌水周期。灌水周期按式（4）進(jìn)行計(jì)算：

式（4）中，T為設(shè)計(jì)灌水周期（d）；M為灌水定額（mm）；Ia為作物日耗水強(qiáng)度（mm/d），取值4.5。

經(jīng)計(jì)算，灌水周期T=4.98 d，取整為5 d。

4.3.4 一次灌水延續(xù)時(shí)間。根據(jù)式（5）進(jìn)行計(jì)算：

式（5）中，t為一次灌水延續(xù)時(shí)間（h）；M為設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)流量（L/h），取值5.0。

經(jīng)計(jì)算，t=13.4 h，即一次灌水延續(xù)時(shí)間為14 h。

4.4 工作制度

4.4.1 灌水小區(qū)。單根分支管控制面積為一個(gè)灌水小區(qū)，其特性見(jiàn)表2。

表2 單個(gè)小區(qū)布置一覽表

4.4.2 輪灌組劃分。按照下列公式計(jì)算確定：

式（6）中，N為輪灌組數(shù)；C為設(shè)計(jì)日工作小時(shí)數(shù)（h），取值21。

經(jīng)計(jì)算得，輪灌組數(shù)為8個(gè)。

根據(jù)輪灌組劃分結(jié)果，共有16條支管，即有196個(gè)灌水單元。按照各級(jí)管道流量最小原則，干管續(xù)灌，支管和毛管輪灌，依次進(jìn)行分片輪流灌溉［4］。設(shè)計(jì)每個(gè)輪灌組的組合為干管上同時(shí)運(yùn)行2條支管，每條支管各運(yùn)行5條分支管，則196條分支管分20組運(yùn)行。系統(tǒng)每天工作時(shí)間按21 h計(jì)，667 m2灌水定額為15 m3時(shí)，一次灌水延續(xù)時(shí)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(yùn)行和分區(qū)上，在利于管理的同時(shí)，灌水單元盡量均勻分配在分干管的上、中、下游。另外，灌溉時(shí)根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，合理調(diào)整工作制度。

5 管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.1 管網(wǎng)布置與選擇

5.1.1 管道分級(jí)。根據(jù)地表水源位置及灌溉地塊分布的實(shí)際情況，輸配水管網(wǎng)分干管、支管和分支管三級(jí)，干管續(xù)灌，支管和分支管輪灌［5］。

5.1.2 管道布置方案。管網(wǎng)布置要考慮多方面因素，針對(duì)布置區(qū)的地形特點(diǎn)，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(tǒng)管網(wǎng)由輸水干管、支管、出地豎管、分支管和滴灌管構(gòu)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(shè)計(jì)結(jié)合管道的耐久性、運(yùn)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(qū)由景電二期總干渠直接引水至2萬(wàn)m3調(diào)蓄預(yù)沉池，再用加壓泵輸送至田間進(jìn)行灌溉。系統(tǒng)總需水量為318 m3/h，故管道流量按318 m3/h計(jì)算。管道管徑按經(jīng)濟(jì)流速確定，經(jīng)濟(jì)流速一般控制在1.0～1.5 m/s，取經(jīng)濟(jì)流速V=1.2 m/s，管道的初估管徑用式（7）計(jì)算：

式（7）中，D為管道計(jì)算內(nèi)徑（m）；Q為管段設(shè)計(jì)流量（m3/s）；Ve為經(jīng)濟(jì)流速（m/s），取值1.2。

經(jīng)計(jì)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(shè)。

5.2 管網(wǎng)水力計(jì)算

5.2.1 滴灌系統(tǒng)水頭損失。根據(jù)地形圖及管網(wǎng)布置，選擇最不利條件下的情況計(jì)算各級(jí)管道的水頭損失，并設(shè)計(jì)確定各級(jí)管材的壓力級(jí)別。該設(shè)計(jì)選取1#、2#和15#支管控制的最遠(yuǎn)的一條分支管及毛管分別進(jìn)行最不利條件下的管道水利計(jì)算。

沿程水頭損失采用式（8）計(jì)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(zhǎng)（m）；f、m、b分別為摩阻系數(shù)、流量指數(shù)和管徑指數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)毛管長(zhǎng)度為50.00 m時(shí)，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(jì)算。

滴頭設(shè)計(jì)工作水頭10.00 m，首部設(shè)備水頭損失取5.00 m，考慮以上情況及地形落差，經(jīng)計(jì)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(qiáng)計(jì)算。由于該滴灌系統(tǒng)利用地形自然落差工作原理，總干管進(jìn)水口水面至最不利工作點(diǎn)的高差為-4.50 m，總水頭損失為8.30 m，系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生水擊破壞，且管道選用承壓能力為0.6 MPa的PVC管，故無(wú)須驗(yàn)算水擊壓力。

由于影響水擊壓力的主要因素有閥門(mén)啟閉時(shí)間、管道長(zhǎng)度和管內(nèi)流速，因此，在操作中應(yīng)緩慢啟閉閥門(mén)，閥門(mén)啟閉時(shí)間應(yīng)大于4 s，可避免產(chǎn)生直接水擊，降低間接水擊壓力。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)滴灌技術(shù)工程的合理設(shè)計(jì)，同時(shí)進(jìn)行水泵選型、管槽設(shè)計(jì)、附屬工程設(shè)計(jì)等實(shí)施推廣，可以達(dá)到節(jié)能、節(jié)財(cái)、節(jié)水、增產(chǎn)等目的。滴灌在很大程度上改善了當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，有利于合理高效利用水資源，有利于加快高效節(jié)水事業(yè)發(fā)展。