小管出流在農(nóng)田水利工程中的應(yīng)用

（宿遷市水務(wù)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司 宿遷 223800）

隨著種植結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，發(fā)展特色農(nóng)業(yè)已成為我國(guó)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略調(diào)整的必然趨勢(shì)，傳統(tǒng)的灌溉方式已不適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)需求。發(fā)展高效、節(jié)水、實(shí)用性強(qiáng)的灌溉方式已成為今后農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。小管出流是介于管道輸水灌溉與滴管之間的一種灌溉技術(shù)，因其適應(yīng)性強(qiáng)、操作方便、管理簡(jiǎn)單、節(jié)水節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于溫室大棚、果樹、苗圃等作物的灌溉。本文針對(duì)陜西省商洛市商州區(qū)小農(nóng)水重點(diǎn)縣探討小管出流在農(nóng)田水利工程中的應(yīng)用。

1 基本資料

陜西省商洛市商州區(qū)小農(nóng)水重點(diǎn)縣張村某片區(qū)地形較為復(fù)雜，崗沖交錯(cuò)，起伏劇烈，地面坡度較陡，耕地為河谷階地，分布于河道兩側(cè)，較為分散、狹長(zhǎng)，兼具山區(qū)灌區(qū)與丘陵灌區(qū)的特點(diǎn)。該片區(qū)土壤為沙壤土，主要經(jīng)濟(jì)作物為核桃，灌溉面積150 畝，灌溉水源主要為河道。新建加壓提水泵站，鋪設(shè)灌溉管網(wǎng)進(jìn)行灌溉。

根據(jù)該項(xiàng)目區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀及《節(jié)水灌溉工程技術(shù)規(guī)范》《微灌工程技術(shù)規(guī)范》，該系統(tǒng)所采用的參數(shù)如下：

沙壤土田間持水率：θ田=20%～22%，取22%；

灌溉水利用系數(shù)：η=0.85；

工程設(shè)計(jì)保證率：Cu=90%；

設(shè)計(jì)日耗水強(qiáng)度（核桃）：Ea=3～7mm，取5mm；

計(jì)劃濕潤(rùn)層深度：z=120mm；

設(shè)計(jì)土壤濕潤(rùn)比：p=30%；

采用穩(wěn)流器及Φ4 小管作物灌水器，流量60L/h，其工作壓力0.05～0.4MPa。

2 管網(wǎng)布置

管網(wǎng)布置形式根據(jù)水源位置、田塊形狀、控制范圍等條件，確定管網(wǎng)采用樹枝狀布置。張村某片區(qū)位于葆榆河右岸，管網(wǎng)采用“干管—支管—毛管”三級(jí)配置。干、支管與出地管為地埋管，位于凍土層以下且不低于0.7m。

因地勢(shì)起伏較大，在坡面較高位置建一座穩(wěn)壓池，干管幾乎平行于等高線布置，支管垂直于作物種植方向，毛管位于支管兩側(cè)，呈“豐”字形布置。因地形起伏較大，灌水器采用穩(wěn)流器加1.5mΦ4 小管。在超過(guò)灌水器工作壓力范圍外的區(qū)域，支管應(yīng)分為兩段或多段，并在支管連接處增設(shè)減壓閥井。

根據(jù)田塊及管網(wǎng)布置情況，同時(shí)考慮管理方便，管網(wǎng)系統(tǒng)采用干管續(xù)灌，支管分組輪灌的方式。

3 灌溉制度的確定

3.1 一次灌溉用水量（毛灌水定額）

式中：m—設(shè)計(jì)灌水定額，mm；r—土壤容重，1.40g/cm3；p—設(shè)計(jì)土壤濕潤(rùn)比，據(jù)工程技術(shù)規(guī)范取35%； z—計(jì)劃濕潤(rùn)層深度120cm；θmax—適宜土壤含水量上限，取田間持水量的90%；θmin—適宜土壤含水量下限，取65%田間持水量；η—灌溉水利用系數(shù)取0.85。

將各數(shù)據(jù)代入計(jì)算得：m=43.24mm。

3.2 設(shè)計(jì)灌水周期

式中：T—灌水周期，d；m—灌水定額mm；Ea一日耗水強(qiáng)度5mm/d。

計(jì)算得：T=8.648d，取T=8d。

3.3 灌水延續(xù)時(shí)間

式中：t—灌水延續(xù)時(shí)間，h；m—毛灌水定額，43.24mm；Se—行距m，4.0m；Sr—株距，4.0m；q—灌水器流量，60L/h；n—灌水器個(gè)數(shù)，本次取1。

將各數(shù)值代入計(jì)算灌水延續(xù)時(shí)間t=11.53h，取t=12h。

4 系統(tǒng)工作制度的確定

系統(tǒng)采用支管輪灌的工作制度，每次灌溉位于不同分干管上的多條支管，若每次灌水時(shí)間為12h，全部灌完需86.5h，按每天灌水工作時(shí)間為20h 計(jì)算，全部灌完一遍需86.5/20=4.325d＜8d，滿足設(shè)計(jì)要求。

輪灌組數(shù)目：

N ≤CT/t

式中：N—輪灌組數(shù)目；C—系統(tǒng)設(shè)計(jì)日工作小時(shí)數(shù)，20h；T—設(shè)計(jì)灌水周期，5d；t—一次灌水延續(xù)時(shí)間，14h。

計(jì)算得：N ≤20×5/14=7.14

本次取八組。

5 系統(tǒng)流量推算及水力計(jì)算

5.1 各級(jí)管道的設(shè)計(jì)流量

式中：Q—系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量，m3/h；qd—灌水器設(shè)計(jì)流量，本次取60L/h；n0—同時(shí)工作的灌水器個(gè)數(shù)。

計(jì)算得，毛管設(shè)計(jì)流量為1.44m3/h，支管設(shè)計(jì)流量為34.56m3/h。

干管設(shè)計(jì)流量應(yīng)為水泵供水量，本次取50m3/h，由此反推同時(shí)工作的灌水器最大數(shù)量[n0]=50×1000/60=833（個(gè)）。

5.2 管徑計(jì)算

根據(jù)工程技術(shù)規(guī)范推薦，結(jié)合PE 管具有良好的經(jīng)濟(jì)性，材料抗沖擊性好、抗開裂、耐老化、耐腐蝕、水流阻力小、接口穩(wěn)定可靠等一系列優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)中采用PE 管作為輸水管道。

管徑采用下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：D—管道管徑，m；Q—系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量，m3/h；v—經(jīng)濟(jì)流速，一般取1.5～2.0m/s。

計(jì)算得，毛管內(nèi)徑為0.0185m，支管內(nèi)徑為0.0783m，干管內(nèi)徑為0.0942m。考慮管道水錘防護(hù)并結(jié)合PE 管道規(guī)格表，毛管選擇PE100 級(jí)De25×2.3mm，支 管 選擇PE100 級(jí)De90×5.4mm，干管選擇PE100 級(jí)De140×8.3mm，泵站至穩(wěn)壓池輸水管選擇PE100 級(jí)De110×6.6mm。

5.3 管道水頭損失計(jì)算

干管、泵站至穩(wěn)壓池輸水管水頭損失按下式計(jì)算：

式中：hf—管道沿程水頭損失，m；f—摩阻系數(shù)，PE 管取0.505；Qg—管道流量，50m3/h；D—管道內(nèi)徑，干管123.4mm，輸水管96.8mm；L—管道長(zhǎng)度，干管450m，輸水管300m；m—流量系數(shù)，取1.750；b—管道指數(shù)，取4.750。

計(jì)算得：hf=4.43m。同理得泵站至穩(wěn)壓池輸水管水頭損失9.35m。

支、毛管水頭損失按下式計(jì)算：

式中：hf′—等距、等量分流多孔管沿程水頭損失，m；hf—管道沿程水頭損失，m；F—多口系數(shù)，查表得，支管與毛管均為0.38。

代入支、毛管長(zhǎng)度及流量數(shù)據(jù)，得hf支′=0.8m，

5.4 灌水器水頭偏差率與流量偏差率

根據(jù)《微灌工程技術(shù)規(guī)范》（GB/T50489-2009），微觀系統(tǒng)灌水器設(shè)計(jì)允許流量偏差率[qv]不應(yīng)大于20%。

灌水器工作水頭偏差率與流量偏差率的關(guān)系式為：

式中：hv—灌水器水頭偏差率，%；hmax—灌水器最大工作水頭，計(jì)算得14.98m；hmin—灌水器最小工作水頭，計(jì)算得12.65m；hd—灌水器設(shè)計(jì)工作水頭，取15m；qv—灌水器流量偏差率，取20%；qmax—灌水器最大流量；qmin—灌水器最小流量；qd—灌水器設(shè)計(jì)流量，取60L/h；x—灌水器流態(tài)指數(shù)，取0.6。

由于采用穩(wěn)流器，水頭變化在5～40m 范圍內(nèi)，流量保持60L/h，即qmax=qmin，qv=0，qv＜[qv]=20%，灌水器流量偏差率滿足規(guī)范要求。

代入計(jì)算，得[hv]≤34%。

最不利毛管hv=15.54%＜[hv]，灌水器水頭偏差率滿足規(guī)范要求。

6 水泵選型計(jì)算

6.1 穩(wěn)壓池最低運(yùn)行水位

穩(wěn)壓池采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，容積一般取水泵供水量的20%，即為10m3（2.5×2×2），最低運(yùn)行水位按下式計(jì)算：

式中：H0—穩(wěn)壓池最低運(yùn)行高程，m；Zp—典型灌水小區(qū)管網(wǎng)進(jìn)口的高程，662.5m；h0—典型灌水小區(qū)進(jìn)口設(shè)計(jì)水頭，取15m；∑hf—系統(tǒng)進(jìn)口至典型灌水小區(qū)進(jìn)口的管道沿程水頭損失（含首部樞紐沿程水頭損失），7.17m；∑hj—系統(tǒng)進(jìn)口至典型灌水小區(qū)進(jìn)口的管道沿程水頭損失（含首部樞紐沿程水頭損失），取0.2 ∑hf，1.44m。

計(jì)算得：H0=662.5+15+7.17+1.44=686.11m。

穩(wěn)壓池底板高程比穩(wěn)壓池最低運(yùn)行高程低0.5m， 即686.11-0.5=685.61m；穩(wěn)壓池最高運(yùn)行水位H0′比最低運(yùn)行高程高1.0m，即H0′=686.11+1.0=687.11m。

6.2 水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程

水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程按下式計(jì)算：

式中：H—水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程，m；H0′-H′—穩(wěn)壓池最高運(yùn)行水位高程與水源高程之間的高差，25m；∑h管—輸水管總水頭損失，11.22m；ΔH首部—首部水頭損失，包含水泵吸水管、水泵出水口至干管進(jìn)水口段、閥門、連接件、過(guò)濾器、量測(cè)設(shè)備等的水頭損失；過(guò)濾系統(tǒng)水頭損失取為8.0m，水泵吸水管水頭損失為2.0m，得ΔH首部=8.0+2.0=10.0m。

計(jì)算得：H=25+11.22+10=46.22m。

6.3 水泵選型

水泵選型應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)流量，設(shè)計(jì)揚(yáng)程及實(shí)用性、可行性作為依據(jù)。根據(jù)潛水泵選型手冊(cè)，選用200QJ50-52/4 型井用潛水泵，電機(jī)功率11kW，控制開關(guān)DZ15-40。

7 結(jié)語(yǔ)

小管出流是農(nóng)業(yè)高效節(jié)水灌溉的一項(xiàng)重要技術(shù)，因其實(shí)用性及適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于山區(qū)丘陵地區(qū)。隨著農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，高效節(jié)水灌溉已成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)必不可少的灌溉方式，小管出流灌溉技術(shù)必將為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)■