濟南紫緣香草園節水灌溉應用淺析

周曉明，曹元青

（濟南市章丘區水務局，山東 濟南 250200）

濟南紫緣香草園成立于2011年12月，是山東地區種植面積最大、品種最多的香草主題現代觀光園區，占地26.67余公頃。香草園內景德福有機農業14.67 hm2，主要種植瓜果蔬菜，可以實施“提水泵站（水肥一體化）+滴灌”的灌溉模式，來實現園區內的高效灌溉。主要為灌溉泵站蓄水池取水后接入的主管道、支管及滴灌管，主管道基本沿灌區地貌形狀鋪設，滴灌管沿作物種植行走向布置。

1 主要建設內容

1.1 高效節水灌溉工程

1）管道系統：由主管道、支管、滴灌管兩級管道組成。

2）泵房系統：采用潛水泵抽水，配備控制柜，變頻器，逆止閥，泄壓閥，底閥。

3）過濾系統：采用自動反沖洗疊片過濾器。

4）一級首部系統：配備水表，減壓持壓閥，逆止閥，空氣閥，渦輪蝶閥。

5）自動化及施肥系統：單線控制系統，單通道施肥機。

1.2 水源工程

本項目工程建1座泵房，均采用統一結構尺寸的整體訂購彩鋼房，地基持力層采用原狀土，地基混凝土強度為C15碎石混凝土。水源利用現有水源作為項目用水。

1.3 信息自動化工程

為實現項目區的自動化、信息化生產、安全化，提高水資源利用效率，增加作物產量，本次信息化建設采用分層、分布、分散式結構，系統建設信息化中心，對提水灌溉系統實時監測、控制，對項目區常規氣象實行監測，在保證整個系統安全可靠運行的前提下，降低運行管理費用，實現節水灌溉自動化、調度科學化，管理信息化，達到項目區的自動化、信息化、安全化生產，提高水資源利用效率，增加作物產量。

1.4 管道布置

根據種植面積，作物生長情況，經濟投入及效益，本項目設置多個輪灌組，分區控制。主管道基本沿灌區現有主干道走向布置。當需要灌溉時，根據輪灌順序，控制田間閥門的啟閉，干、支管送水到相應輪灌區田間滴灌管。支管基本沿灌區現有主干道及田間路走向布置，滴灌管沿作物種植行走向布置。

2 灌溉制度及管道設計

2.1 水量平衡計算

在水源供水流量穩定且無調蓄能力時，根據下式驗證水量是否滿足灌水要求。

式中：A 為灌溉面積，hm2，本項目 A=10.3 hm2；η為灌溉水利用系數，取0.95；Qs為系統所需流量，m3/h；C 為系統每日工作時間，h，取 20 h；Ia為設計供水強度，mm/d，無淋洗要求時，等于設計耗水強度，本設計取5 mm/d。

經計算，該系統所需流量Qs=28.61 m3/h。水源為淺水井且可實現持續供水，因此，水量滿足系統要求。

2.2 確定灌溉制度

1）灌溉強度計算。灌溉強度按下式計算：

式中：IR為灌溉強度，mm/h；qd為滴頭流量，L/h；Se為滴頭間距，m；Sl為滴灌管鋪設間距，m。經計算，灌溉強度IR=1.4 mm/h。

2）設計輪灌組。單個輪灌組運行時間按下式計算：

式中：t為單個輪灌組運行時間，h；Ea為設計耗水強度，mm/d。

經計算，單個輪灌組運行時間t=2.8 h。

輪灌組數按下式計算：

式中：N為輪灌組數目，取整數；Nmax為最大輪灌組數；T為設計灌水周期，d，本設計灌水周期T=1 d，每周灌溉 7 d。

經計算，最大輪灌組數Nmax=5.33，本項目輪灌組數N取為5。

2.3 毛管流量

一條毛管上的流量按下式計算

式中：Q毛為毛管的設計流量，m3/s；Nd為毛管上出水孔的個數；qd為出水孔流量，m3/s。

2.4 支管流量與管徑

本項目區邊界不規則，支管沿邊界或道路布置，滴灌管沿各作物種植向鋪設，鋪設間距為3 m，每行作物一根滴灌管。支管的流量等于該支管負責的同時工作的毛管流量之和：

支管管徑通常根據經濟流速進行推算：

式中：D 為管道內徑，m；Q 支為流量，m3/h；v為流速，m/s。

本設計中，支管選用PVC90/8和PVC63/8，鋪設于凍土層以下。經濟流速取1.3 m/s。

3 管網水力計算

3.1 毛管水力計算

毛管沿程水頭損失采用多孔出流計算，局部水頭損失通常可按沿程水頭損失的比例估算。

式中：H毛進口為毛管進口水頭，m；hf毛為毛管沿程水頭損失，m；hj毛為毛管局部水頭損失，m，可按沿程水頭損失的10%考慮；hd為灌水器工作壓力，m。F為多口系數；f為摩阻系數；Q為流量，L/h；d為管內徑，mm；L 為管段長度，m；m 為流量指數；b為管徑指數。

本設計中取 f=0.505，m=1.75，b=4.75。

3.2 支管水力計算

支管沿程水頭損失按下式計算：

式中：hf支為沿程水頭損失，m；F為多口系數；f為摩阻系數，取 0.505；Q 為流量，L/h；d 為管內徑，mm；L為管段長度，m；m、b為流量指數和管徑指數、聚乙烯管，取m=1.75，b=4.75。

支管進口水頭按下式計算：

式中：H支進口為支管進口水頭，m；hj支為支管局部水頭損失，m，一般按照沿程水頭損失的10%～15%估算，本設計取10%；H毛進口為毛管進口工作壓力，m。

灌水小區設計總的原則是包括支管、毛管在內的整個小區壓力變差控制在22%以內，反映在流量上其變差率低于10%，本設計采用壓力補償滴灌管，其流量變差為0。粗略估算毛管鋪設長度時，應該從單根毛管的最大鋪設長度降低30～40 m作為可行的整個小區實際鋪設長度。

4 其他設計

4.1 首部樞紐設計

主要包括自動反沖洗10 cm×6.67 cm疊片過濾器、13.32 cm離心過濾器、中央控制&施肥一體機、立式泵Q=60 m3/h，H=40 m，P=11 kW水泵及控制量測設施與保護裝置。

4.2 施肥系統

本設計采用全進口單通道施肥機施肥，將施肥機直接安裝在首部系統管的旁路中，管路中水流的功能驅動施肥機工作，通過該施肥機向系統中添加肥料、藥品、各種添加劑等介質目的。

4.3 控制量測設施

水表是控制首部的組成部分，位于過濾器之后，具有高度的精確性（2‰），灌溉系統首部設水表，其作用是準確測量泵所抽取的水量。此設計中的水表讀數為3″。

4.4 灌溉控制系統

整個項目區灌溉控制方式應為自動控制方式，控制器采用NMC JUNIOR灌溉型控制器進行自動控制。

5 工程效益

本工程項目建設完成運行后，項目區內14.67 hm2土地的農田水利基礎設施將有很大的改善，蔬菜、果樹、林業、草坪、香草種植，灌溉、施肥均實現自動化控制，降低了工人勞動強度，灌溉、施肥用工量減少95%左右，年灌溉用水量減少20%～30%，耗油量、用電量相應降低30%，增收蔬菜、經濟作物25%～30%的產量，經濟效益提高20%，起到增產增收、節水、節能、節地、省工的效果。