基于自壓滴灌工程過濾裝置尺寸的確定及應(yīng)用

穆哈西，杰恩斯·馬坦，吾買爾·吐爾遜

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052；2.新疆水利廳改水辦，烏魯木齊 830000)

0 引 言

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)的發(fā)展和區(qū)域人口的增多，大量開墾荒地，農(nóng)業(yè)用水量劇增，各用水部門間的矛盾日益突出，天然草場荒漠化。尤其是牧業(yè)灌區(qū)無電供應(yīng)，水源無法過濾，實現(xiàn)節(jié)水灌溉的難度大[1,2]。目前新疆牧業(yè)灌區(qū)存在的問題有：①由于進行地面灌溉，灌水量多、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地下水位上升導致土壤鹽堿化，棄田面積逐漸擴大。為解決上述問題要實施滴灌工程措施。

無電供應(yīng)的牧業(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。通過實地進行測量，根據(jù)無電牧業(yè)灌區(qū)灌溉面積的特點，研發(fā)了自壓滴灌工程無用電過濾裝置，同時該過濾裝置模型進行了試驗。以滴灌工程特點及水力學原理相結(jié)合，渠道水、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，實例說明自壓滴灌工程系統(tǒng)流量、首部過濾系統(tǒng)尺寸的計算方法，為新疆牧業(yè)灌區(qū)實現(xiàn)節(jié)水灌溉技術(shù)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

采用有機玻璃板制作模型，調(diào)水池高度為50 cm，長度為50 cm，寬度50 cm。圓形集水桶高度為50 cm，直徑為20 cm的。渠道長度為15 m，渠底寬為20 cm，高度為30 cm。

1.2 方 法

①水源的過濾方法：首先渠邊適宜處修建進水閘，進水閘前設(shè)兩級濾網(wǎng)，兩級濾網(wǎng)間設(shè)太陽能板啟動的反沖洗裝置(沖洗濾網(wǎng)上的沾物質(zhì)和兩級過濾網(wǎng)間的沉積物)，打開進水閘后渠水經(jīng)過兩級過濾流入調(diào)水池中，水在調(diào)水池里再次沉淀，調(diào)水池和集水桶底部都設(shè)置排污管。②計算方法：地形適宜處確定進水閘的位置、測量控制面積、確定作物類型、管道鋪設(shè)長度和寬度及相關(guān)參數(shù)，然后確定輪灌支管數(shù)，計算相應(yīng)的支管(系統(tǒng))流量。最后系統(tǒng)流量推算確定調(diào)水池與集水桶之間的進水管流量。

2 結(jié)果與分析

2.1 無用電過濾裝置的工作原理

工作原理：打開渠邊閘門后渠水經(jīng)過兩級過濾流入調(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)生負壓，在集水桶內(nèi)的負壓作用下集水桶不斷吸入調(diào)水池的水量，從而渠道水位、調(diào)水池和集水桶水位齊平。渠道、調(diào)水池和集水桶連成整體(圖1和圖2所示)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)水池的調(diào)節(jié)流量，是指進水管末端流出來供給集水桶的流量，m3/s；Q集為集水池的集水量，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。

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1 渠道連接無用電過濾器剖面圖Fig.1 Channel connection useless filter section

圖2 無用電過濾裝安裝圖Fig.2 Useless electric filter installation plan

2.2 實例分析

2.2.1 設(shè)計參數(shù)

(1)工程概況：灌區(qū)位于福海縣東南50 km處，作物以苜蓿草為主。該灌區(qū)從中線干渠分水閘引水灌溉，分水流量Q分=4.5 m3/s，渠水含沙量少，水源充足。地勢東高西低，上游陡下游平緩，引水渠與項目區(qū)地形落差6～25 m不等，地勢平均比降J為3%～15% 。土壤為沙壤土，凍土層厚1.5 m，土壤密度1.4 g/cm3。毛管沿地形大坡度布置(由東向西)，除了毛管外，各級滴灌管道淺埋地下0.5 m，作物行距St為0.1 m，毛管間距SL為0.4 m。由于該灌區(qū)屬于靠山灌區(qū)，因此采用小流量滴灌帶，滴頭流量為1.0 L/h，滴頭間距為Se=0.3 m，參照作物最大日平均蒸散量為6.5 mm/d。

(2)計算流程：作物類型和種植方向確定之后，首先選定毛管類型、毛管內(nèi)徑d、滴頭流量qi等參數(shù)。根據(jù)地形條件和作物種植模式確定毛管間距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。毛管實際鋪設(shè)長度除于滴頭距再乘滴頭流量，從而獲得一條毛管的流量[3]。根據(jù)地形條件確定支管長度L支計算相應(yīng)的支管流量，然后同時工作支管與調(diào)節(jié)流量Q集與Q系進行校核，直至滿足平衡式(1)為止。

(3)灌水定額的計算。根據(jù)當?shù)胤N植作物的要求，計劃濕潤層深度H=40 cm；土壤密度λ=1.4 g/cm3；田間持水量θ=28%；土壤含水量上下限(β1和β2)以占田間持水量的60%～40%計；灌水定額由式(2)計算確定：

m凈=0.1λHp(β1-β2)θ

(2)

(4)土壤濕潤比p的計算。每個滴頭均控制周圍的24棵苜蓿草，則n=0.042，滴灌帶滴頭間距Se=0.3 m，濕潤比寬度Dw=0.4 m、株距St=0.05 m、平均行距Sr=0.15 m，代入下式計算土壤濕潤比。

(3)

(5)最大設(shè)計灌水周期T的計算。

(4)

(6)一次灌水延續(xù)時間t的計算。內(nèi)囊疊片式滴灌帶滴水量qd為1.0 L/h；灌溉水利用系數(shù)η根據(jù)規(guī)范取0.9：

(5)

(7)系統(tǒng)工作制度。此滴灌項目無水泵設(shè)計，因此滴灌系統(tǒng)可連續(xù)24 h工作。

系統(tǒng)允許的輪灌數(shù)目計算公式為：

(6)

2.2.2 管網(wǎng)水力計算及管道設(shè)計

(1)最不利點作為典型設(shè)計。該灌區(qū)以地形落差hd=6 m的灌區(qū)小區(qū)為典型。根據(jù)規(guī)范滴水器設(shè)計流量允許偏差率qv應(yīng)不大于20%[4,5]。該設(shè)計qv=20%，支管及毛管水頭差分配為：

(7)

(8)

式中：hmax為滴水器允許最大水頭，m；hmin為滴頭允許最小水頭，m；hd為自壓滴灌地形落差，也就是滴頭工作水頭，m；qv為滴水器設(shè)計流量允許偏差率，%；x為流態(tài)指數(shù)。

系統(tǒng)允許最大水頭差ΔHs=hmax-hmin。

(2)水頭偏差計算。根據(jù)支、毛管水頭偏差分配比按式(9)、式(10)計算：

ΔH毛=0.55ΔHs

(9)

ΔH支=0.45ΔHs

(10)

(3)毛管極限長度Lm計算。滴灌帶直徑16 mm，局部損失的加大系數(shù)k=1.1，毛管極限長度Lm按式(11)計算：

(11)

(4)毛管實際水頭損失計算。F毛為毛管多口系數(shù)；N為管道上出水孔數(shù)目(個)；x為進口端至第一個出水口的距離與孔口間距比，x取0.5 m；m為流量指數(shù)，m取1.75。

(12)

(5)毛管實際損失按式(13)計算：

(13)

(6)毛管進口水頭損失計算。毛管進口處ΔZ=0.03 m，毛管進口出水頭損失按式(14)計算：

h毛進口=ΔHs+ΔH毛實+ΔZ

(14)

管道鋪設(shè)長度小于管道極限長度Lm。綜合考慮地形條件和可控面積，地形落差為6 m的為例，該片區(qū)毛管鋪設(shè)長度為40 m，一條毛管有INT(40/0.3)=133個滴水孔。

2.2.3 支管計算

由于自壓滴灌無法控制地形落差提供的壓力，因此毛管進水口處安裝滴水調(diào)節(jié)器時，毛管每個滴水孔出流量與壓力無關(guān)的等流多孔管[6]。將滴頭流量qd、hd為常數(shù)，L毛、L支為變量，計算支管流量Q支。支管流量Q支是指支管上的毛管流量Q毛之和，如下式計算確定：

(15)

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(L/h或換算成m3/s)。

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，n條支管同時工作時，系統(tǒng)流量為Q系=nQ支。

(1)管道損失計算。管道(支管和毛管)長度計算局部損失、沿程水頭損失和總損失(hf+hw)，地形落差即工作水頭hd，該工作水頭必須滿足各級管道進水要求。各級管道進水要求：按計算支管及毛管水頭差分配比計算相應(yīng)的管道進口水頭損失(支管進口水頭損失ΔH毛進和毛管進口水頭損失ΔH支進)，使hd≥ΔH毛進+ΔH支進+hi(hi為管道進口處水頭損失)是否滿足要求。滿足要求的流量是支管流量(Q支)。

根據(jù)式(15)試算確定支管長度和流量，然后按式(16)計算支管水頭損失：

ΔH支實際=ΔHs-ΔH毛實

(16)

(2)管徑計算。支管直徑按式(17)計算：

(17)

根據(jù)計算值選取管道尺寸為：直徑/壁厚/公稱壓力分別為φ63/2.0/0.25 MPa的PE管。

(3)支管水頭損失計算。支管長度L支為40 m，經(jīng)計算得F支=0.37，k=1.05；支管水頭損失按式(18)計算：

(18)

支管進口水頭按式(19)計算確定：

ΔH支進口=h毛進口+ΔH支PE+ΔZ

(19)

(4)系統(tǒng)流量計算。系統(tǒng)流量的計算結(jié)果如表1所示。

表1 不同落差所控制面積及系統(tǒng)流量Tab.1 Divide the control area and different system flow

由表1可看出，地形落差為6 m時，毛管鋪設(shè)長度應(yīng)在40 m左右為宜，支管長度不能超過40 m，原因是有限的落差滿足不了支管進口的壓力，使hd≥ΔH毛進+ΔH支進+hi時可滿足要求，式中hi為管道進口處水頭損失、過濾裝置水頭損失及干管水頭(沿程水頭損失和局部水頭損失)損失之和，通過推算得hi=0.6 m。

2.3 調(diào)水池調(diào)節(jié)流量的計算

調(diào)水池和集水桶間進水管末端流出的流量大于等于集水桶的出流量Q集時，集水桶內(nèi)的水量保持穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)表1計算的輪灌組流量Q系,然后選定進水管管徑，計算調(diào)節(jié)流量Q調(diào)滿足等式(1)為止。

(1)進水管管徑d=0.4 m，管長L=10 m，上下游水位差z=2 m,沿程阻力系數(shù)λ=0.025，進口局部水頭損失系數(shù)ξ1=0.5，出口局部水頭損失系數(shù),ξ2=0.8，打開排氣閥開始時刻進水管初末端流速相等，隨后集水池的水位上升，C-C斷面流態(tài)為有壓非恒定淹沒出流(圖1所示)，進水管流量逐漸降低，最終使調(diào)水池和集水池的水位齊平，根據(jù)水力學原理計算確定調(diào)水池的最大淹沒Q調(diào)出流量[7,8]。計算過程如下：

管道過水斷面面積：

(20)

淹沒出流的流量系數(shù)：

(21)

將g=9.8 m/s2代入下式計算確定調(diào)水池與集水池間的送水管流量。即：

(22)

(2)集水桶尺寸的計算：集水桶高度2.5 m，其中集水桶底部不動水位高程0.5 m，上部高程為0.5 m，集水高程h=2.0 m ，集水桶直徑d=3 m，則集水桶的集水面積為：

3 結(jié) 語

(1)該文實例說明無用電過濾裝置尺寸的確定方法。渠道進水流量、調(diào)水池的調(diào)節(jié)流量、集水桶的供水流量及系統(tǒng)流量間建立平衡關(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)提供依據(jù)。

(2)整個計算Excel連接流程完成，只調(diào)節(jié)毛管和支管長度，結(jié)果自動形成。

(3)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加大集水桶的尺寸，可持續(xù)利用。為牧業(yè)灌區(qū)實現(xiàn)節(jié)水灌溉工程，預防水土流失、土壤鹽堿化提供依據(jù)。

[1] 穆哈西.用于自壓滴灌工程的無用電調(diào)節(jié)水溫過濾裝置[P].中國專利：ZL201420199913.6,2014.09.10.

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

[3] 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.

[4] 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.

[5] 穆哈西.地下垂直分層水壓及鹽分調(diào)控裝置[P].中國專利：ZL201320498814.3,2014.01.15.

[6] 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.

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

[8] 陳明杰,潘孝兵.水力分析與計算[M].北京:中國水利水電出版社,2011:29-76.