自壓滴灌無用電過濾裝置與系統(tǒng)流量平衡關(guān)系

穆哈西，尼亞孜·胡馬爾汗，吾買爾·吐爾遜(. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，烏魯木齊 83005；.阿勒泰地區(qū)哈巴河縣水利局，新疆 哈巴河 830000)

新疆是干旱缺水、蒸發(fā)量大、氣候干燥的地區(qū)。隨著工業(yè)發(fā)展和區(qū)域人口的增多，大量開墾荒地，農(nóng)業(yè)用水劇增，天然草場荒漠化，用水矛盾日益突出。尤其是牧業(yè)灌區(qū)無電供應(yīng)，實現(xiàn)節(jié)水灌溉的難度大。目前新疆牧業(yè)灌區(qū)存在的問題有：①由于進(jìn)行地面灌溉，灌水量和地形坡度大等原因引起大量水土流失，灌區(qū)下游排水不暢，下游洼地沼澤化面積劇增，牧業(yè)種植面積萎縮；②地下水位上升導(dǎo)致土壤鹽堿化，棄田面積逐漸擴大。為解決無電牧業(yè)灌區(qū)存在的土壤流失、種植面積萎縮、土壤鹽堿化、棄田面積逐漸擴大等問題必須采用滴灌工程措施。

無電牧業(yè)灌區(qū)實現(xiàn)滴灌工程措施，首先解決滴灌工程首部水源的過濾問題，然后實施節(jié)水灌溉工程措施，最后解決灌水均勻度及系統(tǒng)流量的計算問題。

根據(jù)無電牧業(yè)灌區(qū)灌溉面積的特點，對研制的滴水調(diào)節(jié)器和自壓滴灌工程無用電過濾裝置模型進(jìn)行試驗。將滴灌工程特點與水力學(xué)原理相結(jié)合，在渠道進(jìn)水流量、調(diào)水池的調(diào)節(jié)流量及集水桶流量之間建立平衡關(guān)系，介紹了自壓滴灌工程系統(tǒng)流量的計算方法。

1 材料與方法

1.1 材 料

制作無用電過濾裝置模型，調(diào)水池高20 cm，長度20 cm，寬度20 cm。集水桶高50 cm，直徑20 cm的有機玻璃管制成。渠道長15 m，渠底寬10 cm，高度14 cm。

1.2 方 法

(1)水源的過濾方法。首先渠邊適宜處建進(jìn)水閘，進(jìn)水閘前設(shè)2級濾網(wǎng)，2級濾網(wǎng)間設(shè)反沖洗裝置(搖擺式噴頭)，打開進(jìn)水閘后渠水流入調(diào)水池，水在調(diào)水池里再次沉淀[1]。打開集水桶的排氣閥后沉淀后的水流入集水桶內(nèi)，調(diào)水池和集水桶底部都設(shè)排沙管，澆完水后調(diào)水池內(nèi)進(jìn)水管口以下的水反沖洗過濾網(wǎng)和排沙之用。就這樣充分利用自然地形落差，從而達(dá)到自壓滴灌工程首部水源的過濾、排沙、沖沙及自行沖洗的目的。

(2)保持灌水均勻度。為解決管道首末端出流量的均勻性，研制了滴水調(diào)節(jié)器。滴水調(diào)節(jié)器由盒子、浮子、控制開孔器、進(jìn)水孔和出水孔組成。有壓的水流入盒子后由浮子移動控制滴水孔的開度，從而形成沿管道每個滴水孔出流量與壓力無關(guān)的等流多孔管。

(3)采用分塊設(shè)計法。分塊設(shè)計方法有：①鹽堿化的灌區(qū)和棄田根據(jù)鹽堿化程度栽種耐鹽黑枸杞和榆樹等灌木增加植被覆蓋度，以每棵樹作為單元安裝滴水調(diào)節(jié)器，解決毛管首末端流量的均勻性；②其余正在使用的灌區(qū)種植苜蓿、飼料玉米等作物，以每行作物為單元毛管首端安裝滴水調(diào)節(jié)器，解決支管首末端流量的均勻性，為無電牧業(yè)灌區(qū)實現(xiàn)節(jié)水灌溉技術(shù)提供理論依據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 首部過濾網(wǎng)流量平衡關(guān)系

無用電過濾裝置的原理是：打開渠邊閘門渠水2級過濾后流入調(diào)水池，調(diào)水池水位逐漸與渠水位齊平。打開集水桶的排氣閥后集水桶水位上升，調(diào)水池和集水桶水位差Δh減少，集水桶逐漸蓄滿。集水桶蓄滿水之后關(guān)閉集水桶的排氣閥，打開供水閥，此時集水桶內(nèi)水位降低而產(chǎn)生負(fù)壓，短時間(Δt)內(nèi)集水桶內(nèi)降低水深(Δh)，相應(yīng)的水量等于管道路徑充滿水所需的水量。在集水桶內(nèi)的負(fù)壓作用下集水桶不斷吸入調(diào)水池內(nèi)的水，渠道、調(diào)水池和集水桶連成整體(見圖1、圖2)，此時流量平衡式為：

Q渠≥Q調(diào)≥Q集=Q系

(1)

式中：Q渠為渠道提供的流量，m3/s；Q調(diào)為調(diào)節(jié)流量，是指進(jìn)水管末端流出來供給集水桶的流量，m3/s；Q集為集水池的流量，是指提供系統(tǒng)的流量，m3/s；Q系為系統(tǒng)流量，是指提供支管的流量，m3/s。

圖1 渠道連接無用電過濾裝置剖面圖Fig.1 Channel connection useless filter section 注：1-地面；2.梯形渠底；3-渠邊坡；4-渠水位；5-渠內(nèi)坡攔泥網(wǎng)；6-逆坡；7-閘前攔泥網(wǎng)和反沖器；8-閘門和太陽能板；9-調(diào)水池；10-進(jìn)水管；11-排污管；12-排污閥；13-集水桶地埋部分；14-集水桶內(nèi)攔污網(wǎng)；15-供水閥；16-供水管；17-集水桶；18-排氣管；19-排氣閥。

圖2 無用電過濾裝置安裝圖Fig.2 Useless electric filter installation plan注：編號代表的意義同圖1。

2.2 毛管流量計算

用管道輸水的任何節(jié)水灌溉工程，滴頭的滴水流量必須小于等于土壤下滲能力，滴水孔口具有固定的幾何形狀，常溫下其過水?dāng)嗝媸遣蛔兊模晤^流量與管長和壓力有關(guān)系[2,3]。所以毛管首末端滴頭流量不均勻問題無法避免。為了消除此問題，毛管進(jìn)水口處設(shè)置滴水調(diào)節(jié)器[4,5]。滴水調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)滴頭流量，從而獲得毛管首末端滴頭流量的均勻性，在這種條件下形成滴頭流量與壓力無關(guān)的等流多孔管。對自壓滴灌而言，在渠道水源足夠、等流多孔管的情況下工作水頭與地形落差有關(guān)，地形落差減去管道損失(管道局部水頭損失和沿程水頭損失)可得工作水頭(hd)：

hd=ΔH-(hf+hw)

(2)

式中：hd為工作水頭，m；ΔH為地形落差，m；hf為管道沿程水頭損失，m；hw為管道局部水頭損失，m，有時局部水頭損失按沿程水頭損失的一定比例估算(支管hf的10%,毛管hf的10%～20%)。

(3)

式中：hf為沿程水頭損失，m；f為沿程摩阻系數(shù)；Q為流量,L/h；d為管道內(nèi)徑，mm；L為管道長度，m；F為多口系數(shù)；m為流量指數(shù)(與管道摩阻損失有關(guān))；b為管徑指數(shù)(與管道摩阻損失有關(guān))。

管道損失與管道長度、管件、管材及管內(nèi)光滑度有關(guān)。

2.3 支管流量計算

支管流量(Q支)是指支管上的毛管流量(Q毛)之和，按下式計算確定：

(4)

式中：Q支為支管流量，m3/s；L支為支管長度，m；SL為支管上的毛管間距，m；L毛為毛管長度，m；Se為毛管上的滴頭距，m；qi為滴頭流量。

系統(tǒng)流量(Q系)是指同時工作的支管(或一個輪灌組)流量之和，多支管同時工作時，Q系=nQ支。

工作水頭還要滿足各級管道進(jìn)水要求。各級管道進(jìn)水要求：按計算支管及毛管水頭差分配比計算相應(yīng)的管道進(jìn)口水頭損失，看是否滿足hd≥ΔH毛進(jìn)+ΔH支進(jìn)+hi(hi為管道進(jìn)口處水頭損失)。滿足要求的流量就是支管流量(Q支)。

2.4 調(diào)水池調(diào)節(jié)流量的計算

作物類型和種植方向確定了之后，首先可選定毛管類型、毛管內(nèi)徑d、滴頭流量qi等參數(shù)。根據(jù)作物種植模式來選定毛管間距SL和滴頭間距Se，再計算毛管極限長度，確定毛管實際鋪設(shè)長度，從而獲得一條毛管的流量[6]。根據(jù)地形條件適當(dāng)選取支管長度L支計算支管流量，然后進(jìn)行校核，直至滿足平衡式(1)為止。調(diào)水池和集水桶間進(jìn)水管末端流出的流量大于等于集水桶的流量Q集時，集水桶內(nèi)的水量保持穩(wěn)定狀態(tài)，因此按以下步驟計算確定調(diào)節(jié)流量。

(1)管道過水?dāng)嗝婷娣eA管:

(5)

(2)淹沒出流的流量系數(shù)μ0:

(6)

(3)根據(jù)水力學(xué)原理計算調(diào)水池最大淹沒出流量Q調(diào)：

(7)

式中：A管為進(jìn)水管面積，m2；d為管徑，m；L為進(jìn)水管長，m；z為調(diào)水池和集水桶間的水位差，m；λ為進(jìn)水管沿程阻力系數(shù)；ξ1為進(jìn)水管進(jìn)口局部水頭損失系數(shù)；ξ2為進(jìn)水管出口局部水頭損失系數(shù)。

假設(shè)管徑d，代入式(7)計算Q調(diào)，計算值Q調(diào)與Q集進(jìn)行校核(或者Q集反算求A管)，直至滿足平衡式(1)為止。

3 結(jié) 語

(1)本文介紹實用新型專利滴水調(diào)節(jié)器和無用電過濾裝置的結(jié)合運用方法，建立渠道進(jìn)水流量、調(diào)水池的調(diào)節(jié)流量、集水桶的供水流量及系統(tǒng)流量間的平衡關(guān)系，闡述了系統(tǒng)流量的計算方法，解決了無電灌區(qū)水源的過濾、過濾網(wǎng)的自行沖洗、排沙等問題，為牧業(yè)灌區(qū)實現(xiàn)節(jié)水灌溉技術(shù)提供理論依據(jù)。

(2)節(jié)省滴灌工程沉淀池的投資，根據(jù)自壓灌溉面積的大小適當(dāng)加大集水桶的尺寸，可持續(xù)利用。為有地形坡度的牧業(yè)灌區(qū)實現(xiàn)節(jié)水灌溉工程，預(yù)防水土流失、土壤鹽堿化提供理論依據(jù)。

□

[1] 穆哈西,趙經(jīng)華,馬英杰，等.用于自壓滴灌工程的無用電調(diào)節(jié)水溫過濾裝置: 中國，ZL201420199913.6[P]. 2014-09-10.

[2] 史海濱,劉清華.灌溉排水學(xué)[M].北京:中國水利水電出版社，2006:13-75.

[3] 張志新.滴灌工程規(guī)劃設(shè)計原理與應(yīng)用[M].北京:中國水利水電出版社，2007:60-141.

[4] 穆哈西,馬英杰,洪 明，等.地下垂直分層水壓及鹽分調(diào)控裝置:中國，ZL201320498814.3[P]. 2014-01-15.

[5] 張國祥.微灌技術(shù)探索與創(chuàng)新[M].鄭州:黃河水利出版社，2012:16-100.

[6] 汪志農(nóng),馮 浩.節(jié)水灌溉管理決策專家系統(tǒng)[M].鄭州:黃河水利出版社，2001:34-52.

[7] 邱秀云.水力學(xué)[M].烏魯木齊:新疆電子出版社，2008:139-156.