膜下滴灌輸配水管道系統設計

常玉強

摘要：滴灌系統的輸配水管道設計影響整個滴灌工程質量。詳細介紹膜下滴灌系統確定控制面積的方法以及管網的布置原則，采用公式計算各級管道的設計流量，為膜下滴灌輸配水管道的合理設計提供參考。

關鍵詞：輸配水管道；膜下滴灌；設計；控制面積；流量

中圖分類號：S275.6 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2016）01-0051-03

滴灌是利用專門灌溉設備以間斷或連續的水滴或細流的形式緩慢地將水灌到部分土壤表面和作物根區的灌水方式。直接向作物施水的設備稱為灌水器，其流量不大于12 L/h。滴灌系統由水源工程、首部樞紐、輸配水管道和灌水器組成。輸配水管道的設計關系到整個滴灌工程質量的優劣及其合理性，是決定滴灌工程成敗的重要工作之一。因此，應進行細致的輸配水管道設計，以確保整個滴灌系統的正常運行。

1 控制面積的確定

設計時，首先進行水量平衡計算，以確定合理的控制面積。水源為機井時，應根據機井出流量確定最大可能的控制面積；水源為河、塘、水渠時，應根據水源水量和經濟兩方面的因素確定最佳控制面積。目前，渠水滴灌工程一個首部控制的灌溉面積一般為66.7～133.3 hm2。根據以往設計經驗，較為經濟的控制面積為66.7 hm2，最好不要超過100 hm2，而且大多數是灌溉單一作物。

1） 在水源供水流量穩定且無調蓄能力時，可用下式確定滴灌面積：

A= （1）

式中：A為可灌面積，hm2；Q為可供流量，m3/h；Ia為設計供水強度，mm/d；t為水源每日供水時數，h/d；η為灌溉水利用系數。

Ia=Ea-P0 （2）

式中：Ea為設計耗水強度，mm/d；P0為有效降雨量，mm/d。

2） 在水源有調蓄能力且調蓄容積已定時，可按下式確定滴灌面積：

A= （3）

式中：K為塘壩復蓄系數，K=1.0～1.4；η為蓄水利用系數，η=0.6～0.7；V為蓄水工程容積，m3；Ii為灌溉季節各月的毛供水強度，mm/d；Ti為灌溉季節各月的供水天數，d。

2 管網布置原則

1） 根據作物種植要求及采用的灌溉技術，要求輸水干管要滿足滴灌的要求。

2） 因地制宜。結合首部位置和作物最佳種植方向（東西向）的要求，使管道總長度最短和盡量少穿越其他地物。

3） 確保作物用水要求，調水便捷，管理維修方便。

4） 輸配水干管沿地勢較高位置布設，支管垂直作物種植行布置，滴灌帶（毛管）順作物行布置。

5） 管道縱剖面應力求平順，防止熱脹冷縮和冬季凍害。輸配水干管采用地埋式，埋深1 m，并在管尾修滲水井，以排除管道中的沖砂水和秋季積水。

3 管網結構

該設計管網結構為：離心泵—過濾器（施肥罐）—主干管—分干管—出地豎管—支管—毛管（滴灌帶）。其中，主干管與分干管、分干管與支管、支管與毛管均采用魚骨形布置，以減少沿程水頭損失，降低能耗。干管、分干管為地埋管，分干管垂直主干管布置，支管垂直分干管布置，均采用豎管及三通連接。毛管垂直支管方向布置。

4 系統的工作制度

4.1 輪灌

為減少工程投資、提高設備利用率、增加灌溉面積，滴灌系統通常采用輪灌制度。根據滴灌系統布置原則，為保證系統具有持續穩定的壓力分散水流，以及降低管道水頭損失，將系統劃分若干個輪灌區，各輪灌區采用輪灌制度。

4.2 輪灌組的確定

根據水源流量和各級管道的管徑、輸水能力和作物的需水要求確定輪灌組數量，同時使水源水量與計劃灌溉的面積相協調。一般可根據下式計算：

N≤CT/t （4）

式中：N為輪灌組的數目，以個表示；C為系統每天運行小時數，一般C為18～22 h；T為灌水時間間隔（周期），d；t為次灌水延續時間，h。

實踐表明，輪灌組過多會造成運行管理不便和農戶間用水矛盾。按式（4）計算的N值為允許輪灌組數的最大值，設計時應根據具體情況確定合理的輪灌組數目。

5 各級管道設計流量的確定

各級管道設計流量的確定應按運行方案中最不利組合計算。

5.1 毛管流量

毛管流量等于毛管上各滴頭流量之和，即：

Q毛=Nd×qd （5）

式中：Q毛為單側毛管的總流量；Nd為毛管滴頭個數；qd為設計滴頭流量。

5.2 支管設計流量

Q支=N毛×2Q毛 （6）

式中：N毛為支管上同時工作的毛管數目；Q毛為單側毛管的總流量；Q支為支管的設計流量。

5.3 分干管設計流量

Q分干=N×Q支管 （7）

式中：Q分干為分干管的設計流量；Q支為支管流量；N為同時工作的支管數。

5.4 主干管設計流量

Q主干=N×Q分干 （8）

式中：Q主干為主干管的設計流量；Q分干為分干管流量；N為同時工作的分干管數目。

6 系統各部分設計及相應水力計算

6.1 滴灌系統毛管設計

6.1.1 滴灌毛管的設計原則 滴灌系統毛管安裝有灌水器的管道，毛管從支管取水，然后通過其上的灌水器均勻分布到作物根部。毛管一般采用抗老化低密度或中密度聚乙烯材料。由于滴灌工程的毛管數量較大，因此一般選用較小直徑的毛管，并且要求直徑相同，中間不變徑。毛管設計是在確定灌水器類型、流量和布置間距后進行的，主要確定毛管直徑和在該地形條件下允許的最大鋪設長度。

6.1.2 滴灌帶選型 該滴灌工程毛管選用天業生產的單翼迷宮式滴灌帶，型號為Ф16×300×2.4，毛管工作壓力H=10 m。

6.1.3 毛管極限滴頭個數的確定 毛管極限孔數的計算公式為：

Nm=INT

（9）

式中：Nm為毛管的極限分流孔數；△h2為毛管的允許水頭差，m，一般△h2=β2△h，平地時β2取0.55；△h為灌水小區允許水頭差，m；d為毛管內徑，mm；k為水頭損失擴大系數，一般為1.1～1.2；qd為滴頭設計流量，L/h。

6.1.4 極限長度 Lm= Nm×Se。

6.1.5 毛管水頭損失 根據多孔管計算毛管的水頭損失h毛：

h毛=

-Nm

1- （10）

式中：f，m，b分別為摩阻系數、流量指數和管徑系數；N為出水孔個數；S0為進口至首孔的間距，m。

6.1.6 毛管進口工作壓力 根據平坡條件下多孔出流管壓力分布特點，計算毛管進口工作壓力h0：

h0=hd+R×+ （11）

式中：hd為滴頭設計工作壓力，m；R為平均摩損比。

6.2 滴灌系統支管設計

6.2.1 支管設計的任務及原則 支管是用于連接干管和毛管的管道，它從干管取水分配到毛管中。

6.2.2 支管選型 根據實際地形以及支管過水能力，支管選用Ф75薄壁PE軟管。

6.2.3 支管沿程水頭損失 h支=KfQmL/db。

6.3 滴灌系統干管設計

6.3.1 干管設計任務及原則 因干管埋入地下，因此要求其具有耐腐蝕、壽命長、質量輕、施工安裝方便、水力性能好等特點。干管選用硬聚氯乙烯塑料管，工作壓力為0.4 MPa。出地管采用0.6 MPa的PVC管。干管的經濟管徑根據運行費和一次性費用投資之和最小來確定，同時便于操作。

6.3.2 水頭損失計算 分干管及干管直徑的選擇和各灌水區最不利情況下各段干管的水頭損失計算公式為：

6.3.3 水泵與動力選型

1） 泵的選型原則。水源形式為井水，滴灌工程選擇單級單吸離心泵。水泵的流量和揚程均與滴灌系統設計流量和設計水頭一致，使水泵保持在高效率區工作。所選水泵要求工作穩定，便于操作、維修，并盡可能型號一致，便于管理和零件配換。

2） 水泵揚程H總=H滴+∑△hi+∑△h+△Z。式中：H總為系統總揚程，m；H滴為滴頭工作壓力，m；∑△hi為首部水頭損失，m；∑△h為管網最不利水頭損失，m；△Z為設計參考點高程與水源水面高程之差，m。