滴灌技術在柑橘高效節水灌溉設計中的應用

張紹輝 廖功磊,2 鐘林濤 余欣,2

1.四川省機械研究設計院（集團）有限公司，四川成都

2.四川省農業工程學會，四川成都

本次柑橘灌溉設計位于南充市南部縣雄獅鎮金山村內，總面積為61.67 hm2，灌溉面積為34.67 hm2，種植作物類型為柑橘，水源通過元山村西河取水泵房抽水至該村北面山頂水池內，再通過管道自壓進入項目區。柑橘種植模式為5.0 m×3.0 m，原灌溉方式為溝灌，水利用系數不高。雖然本項目區年總降雨量十分豐富，但降雨時空分布不均衡，常年出現冬旱夏澇，非常不利于柑橘的生長和發育。為提高本地區柑橘產量和品質，擬采用管上式補償式滴灌系統作為本項目的柑橘作物的灌溉方式，此種方式能最大程度地解決項目區水利設施的配套和高效灌溉用水問題。

1 柑橘灌溉方式確定

項目區現在灌溉方式為溝灌，灌溉水量大，灌水周期較長，這種粗放的灌溉方式不利于柑橘的正常生長。噴灌是高效節水灌溉中用水量最大的一種灌溉方式，但用水量較溝灌減少20%～30%，且更接近于自然降雨，但考慮到項目區引水管線較長，沿線用水經常出現搶水現象，只宜選擇用水量較少的微灌方式。根據四川的氣候及柑橘作物生長特性，選擇滴灌是柑橘灌溉最為適合的方式之一。

2 柑橘灌溉需水量確定

項目區位于東經105.8°，北緯31.4°，地面高程為386 m，7月多年平均氣溫25.0℃，多年平均降雨量990.9 mm，多年平均蒸發量1 260.3 mm，2.0 m高處多年平均風速為1.3 m/s，平均日照時數1 353 h。

2.1 依據《微灌工程技術指南》，計算參照作物騰發量

1）確定水汽壓差（ea-ed)。相對濕度Rh=55%,查表3-1得ea=31.7 mb，平均水汽壓為ed=Rh×ea=0.55×31.7=17.44 mb，水汽壓差為（ea-ed)=31.7-17.44=14.26 mb。

2）確定風函數f（U）值。己知2.0m高處多年平均風速為1.3 m/s，查表3-2得風函數f（U）=0.28。

3）確定加權系數W，己知T=25.0℃，高程為386 m，查表3-4得W=0.75，（1-W)=0.25。

4）求凈輻射Rn。查表3-5和表3-6得Ra=16.8mm/d，N=13.9h/d，實測日照n=1 353/135=10.02 h/d。

則 n/N=10.02/13.9=0.72，則：

查表3-8至3-10得f（T） =16.2，f（ed） =0.15，f（n/N）=0.72，由式（3-10）得：

取α=0.25，得：

5）確定修正系數C。己知U=112.3 km/d，Ud=1.3 m/s，Rhmax=90%，Rs=10.25 mm/d。查表3-11得C=1.05。

6）計算參照作物騰發量E0。

2.2 計算柑桔的作物需水量

已知7月份項目地平均濕度為Rh=55%，風速Ud=1.3 m/s，氣候特征為干燥大風等級，查表3-16得Kc=0.7，則需水量：

2.3 計算微灌耗水強度

己知成年柑橘樹株行距為5.0 m×3.0 m，覆蓋率Gc=3.14×1.42/(3×5)=0.41，按《微灌工程技術指南》（3-12）公式計算覆蓋率修正系數：

由《微灌工程技術指南》（3-11）公式計算柑橘耗水強度：

3 灌溉制度設計

3.1 輪灌制度

1）土壤濕潤比。依據單行直線毛管布置（帶狀濕潤）公式計算土壤濕潤：

式中：p為土壤濕潤比，32%；n為一棵果樹下布置的滴頭數量，4個；Se為滴頭間距，0.75 m；Sw為濕潤帶寬度1.6 m；St為樹果樹株距，5.0 m；Sr為果樹行距，3.0 m。

2）最大凈灌水定額：

mmax=0.001γzp(θmax-θmin)

式中：m max為最大凈灌水定額，mm；γ為計劃濕潤層土壤干容重， 1.32 g/cm3；z為土壤計劃濕潤土層深度，50 cm；p為設計土壤濕潤比，32%；θmax取20.7%；θmin取14.95%。

經計算，mmax=12.14 mm，折合121.44 m3/hm2。

3）最大灌水周期為：

式中：T為設計灌水周期，6 d；Tmax為最大灌水周期，6.32 d；Ia為設計耗水強度，1.92 mm/d。

4）設計灌水定額：

式中：md為設計凈灌水定額，mm；m毛為設計毛灌水定額，mm；η為灌溉水利用系數0.90。

5）一次灌水延續時間t。

式中：t為一次灌水延續時間，12 h；Se為灌水器間距，取0.75 m；Sl為毛管間距，取5.0 m；qd為設計的灌水器流量，取4.0 L/h。

6）輪灌組數。輪灌組數按下式計算：

式中：N為輪灌組數；T為灌水周期；t為灌水時間；C為每天運行小時數。

3.2 灌溉管道選擇

根據現場丘陵山地的地形特征，項目區主管及支管全部采用PE管，埋地主支管連接方式為熱熔焊接，地面以上的PE管采用滴灌專用快速管件連接。考慮到同一灌水小區中高程差達20.0 m的實際情況，非補償的滴灌灌水器無法滿足需求，擬選用管上式壓力補償式滴頭則比較適合，滴灌管采用外徑為16 mm，耐壓等級為0.4 MPa。滴頭平均布置間距為0.75 m，滴灌管布置間距為5.0 m，單一管上式補償滴頭為4 L/h。

4 管網水力計算

4.1 管徑選擇采用下列經驗公式進行分析計算：

式中：D為管道直徑，mm；Q為計算管段的設計流量，m3/h。

經計算：管網主干管徑分別為Φ90、Φ110、Φ160；支管管徑為Φ63、Φ40。毛管管徑為Φ16×1 mm滴灌毛管。

4.2主管道單出口沿程水頭損失利用下式計算，支毛管多口出流管道利用多口系數法進行水力計算，管道沿程水頭損失計算如下：

式中：hf為沿程水頭損失，m；L為管長，m；f為沿程摩阻系數，f=0.948×105；Q為流量 ，m3/h；d為管內徑（mm）；m為流量系數，取1.75；b為管徑指數，取4.75；

按最不利灌水小區法計算灌溉系統最低供水壓力，經計算管道總水損為21.9 m，加上首部過濾7.0 m，滴頭最低工作壓力10.0 m，灌溉系統最低供水壓力為38.9m。

水源出水口高程為380.0 m，最不利出水口滴頭高程為382.0 m，高程差2.0 m。首部水源水壓力為43.4 m，最不利滴頭實際工作壓為43.4-2-38.9+10.0=12.5 m。因滴頭實際工作壓力（12.5 m）＞滴頭最低工作壓力（10.0 m），則本系統靠水源的自壓力完全能滿足滴灌正常工作壓力要求，首部除過濾系統外不需要再設置水泵加壓系統。

5 管網系統布置

5.1 滴灌毛管

滴頭及毛管的工作壓力為0.1～0.3 MPa，經計算，Φ16×1mm滴灌毛管在0.1 MPa的工作壓力時水平最大鋪設長度不大于73.5 m，在0.3 MPa的工作壓力時最大鋪設長度不大于109.5 m，考慮到現場地形因素影響，Φ16×1mm滴灌毛管沿等高線鋪設時宜控制在80.0 m以內，垂直于等高線鋪設時高程差應控制在20.0 m以內。

5.2 埋地主支管

與Φ16×1 mm滴灌毛管相連接的支管為Φ40PE管，額定工作壓力為1.0 MPa，采用滴灌專用旁通連接。Φ40PE管最大水平鋪設長度不宜超過80.0m，其設計流量不應大于8m3/h；Φ63PE支管設計流量不應大于18 m3/h；Φ90PE管設計流量不大于35 m3/h；Φ110PE管設計流量不大于50 m3/h，Φ160PE管設計流量不大于110 m3/h。灌水小區若為長條地形，管道布設時若出現接近或超過最大允許鋪設長度的情況時，則管道內的設計流量應做相應減少，以滿足同一小區內最大和最小的流量偏差率控制在10%以內。

5.3 管件安裝

受丘陵地區地形高差的影響，不同高程灌溉區域供水壓力相差較大，為減小因壓差過大對管道和灌水器造成破壞，在垂直于等高線Φ90以上的管道，壓力差達到50.0 m以上時應設置減壓閥門，Φ90及以下的管道設置壓力調節器。

5.4 其它事項

無論任何情況之下，輪灌組最大分組數不能超過11組。為確保每個灌水小區的輸入壓力不超過管道的額定工作壓力，管道入口建議安裝持壓閥，以防止因末端出水閥突然關閉造成管道壓力升高而出現管道爆裂；管溝開挖深度為0.7 m，寬為0.4 m。首部設置施肥罐，120目疊片式過濾器，壓力表，遠傳流量計等，管道最高點應安裝進排氣閥，管道最底點安裝排污閥。

6 結束語

近幾年高效節水灌溉技術在高標準農田建設中逐漸得到推廣與應用，取得了明顯的經濟效益和社會效益。滴灌技術應用于柑橘灌溉具有節水增產的效果，水利用系數可達90%以上，搭配水肥一體化設備，可提高肥效1倍以上。本文用工程實際案例，對滴灌技術在柑橘種植的應用做了詳細計算與設計，對高效節水灌溉應用于柑橘種植具有一定的參考意義。