淺談小管出流工程設計
——以黃花灘田間配套工程為例

劉興國

(蘭州新區市政設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

1 基本資料

古浪縣黃花灘田間配套工程項目區土地為新開墾土地，地形平緩，區域適宜灌溉種植經濟林、飼草、山藥、枸杞等作物，采用渠灌、管灌、滴灌和微噴等多種節水灌溉方式，考慮灌區水源條件、地形坡度、作物生長期風速、蒸發量、土壤的滲透性和保水性、土壤含鹽量、作物品種、群眾管理水平等影響因子，分析認為灌區緊鄰沙漠，風沙較大，不適宜明渠輸水，適宜的田間節灌模式應以大田滴灌為主，經濟林以微灌(小管出流)為主[1]。

該工程1號地塊灌溉面積33.33hm2，種植作物為枸杞，采用小管出流灌溉方式，灌溉水源為景電二期古浪灌區北分干渠。

2 設計參數

參照《微灌工程技術規范》SL103規定，并根據灌區自然條件和經濟條件，小管出流設計參數取值如下。設計灌溉保證率90%；設計土壤濕潤比,根據灌區的氣候條件、土壤質地、作物、灌水器布置方式以及投資因素，取設計土壤濕潤比為40%；計劃濕潤層深度，根據作物根系分布狀況，取65cm；作物耗水高峰期日耗水強度，根據當地氣象條件、作物類型，參照灌溉試驗資料和《微灌工程技術規范》，作物耗水高峰期日耗水強度取4.5mm·d-1；灌溉水的利用系數0.90；土壤容重，典型區土壤為壤土，干容重取1.5g·cm-3；田間持水率24%(占干土重%)[2]。

3 灌溉制度

3.1 設計灌水定額m

m=0.1γzp(θmax-θmin)/η

式中，m為設計灌水定額，mm；γ為土壤容重，1.5g·cm-3；z為計劃土壤的濕潤層深度，0.65m；θmax、θmin為土壤適宜含水率(占干土重量的百分比)的上下限，分別90%、60%；η為灌溉水利用系數，0.90。

項目區土壤為沙壤土，田間持水率為22%～30%，設計取24%。

經計算，設計灌水定額m=31.2mm。

3.2 設計灌水周期T

T=(m/Ea)η

式中，m為灌水定額，mm；Ea為作物日耗水強度，鑒于作物類型、氣象條件，高峰期日耗水強度為4.5mm·d-1；η為灌溉水利用系數，0.90；計算得T=6.2d，采用6d。

3.3 1次灌水時間t

灌水時間計算公式：

式中，t為1次灌水延續的時間，h；q滴為灌水器設計流量，10L·h-1。

經計算,需水高峰期的輪灌組1次延續灌水時間為6.2h。

3.4 輪灌組劃分

式中，N為輪灌組的數目，個；C為系統1d的運行小時數，20h。

計算得，N≤18，故最大輪灌組數為18組。

4 系統工作制度

4.1 管網布置

1號地塊劃分為一個灌溉系統，利用已建沉淀池，從北分干渠取水，經沉淀池沉淀后，系統采用鋼管聯接離心泵加壓供給微灌系統，水泵采用一用一備，首部樞紐安裝在設備房內，設備房布置在沉淀池旁。系統管網呈梳齒狀布置，水泵出水口布置干管[3],長330m，垂直干管布置支管，共5條，總長3739m，具體見1號地塊平面布置圖。

4.2 輪灌組劃分

1號地塊控制灌溉面積33.33hm2，140個灌水小區。為使系統流量減小，工程投資降低，系統采用輪灌工作制度，每天灌水時間為20h，因此輪灌組數為18組，微灌系統輪灌組劃分情況見表2。

圖1 1號地塊平面布置圖

表1 小管出流系統灌溉制度計算成果表

表2 1號地塊微灌系統輪灌制度表

5 灌水小區設計

5.1 作物種植情況

項目區枸杞采用小管出流灌溉方式，種植模式：行距×株距(2.0m×1.0m)。

5.2 灌水器選擇與布置

5.2.1 灌水器選擇

小管出流的灌水器由Φ4塑料小管、穩流器和接頭連接插入盲管壁而成，其工作壓力低，孔口大、不易被堵塞，小管間距為1m。盲管采用內鑲式滴灌管，管徑16mm，盲管布置方向與枸杞種植方向一致，根據種植的行距，每行作物布置一條灌水盲管，盲管間距2.0m。穩流器流量10L·h-1，設計工作壓力10m，流態指數0.4，穩流器后接Φ4mm出流小管引水至作物根部灌溉，使用年限3～5a。

5.2.2 滴灌管、盲管最大鋪設長度計算

5.2.2.1 允許水頭偏差率

灌水器設計允許流量的偏差率qv≤20%，由流量偏差率qv推求灌水器工作水頭偏差率HV。

根據上式計算可得hV=34%。

5.2.2.2 灌區小區允許水頭的偏差

[△h]=[hv]hd

允許的水頭偏差計算為3.4m。

5.2.2.3 小區允許水頭偏差分配

盲管及輔管間的分配，分配比例為0.45∶0.55。

盲管允許水頭的偏差：

[△h2]=b2[△h]=0.45×3.4=2.35m

輔管允許水頭的偏差：

[△h3]=b3[△h]=0.55×3.4=2.87m

5.2.2.4 盲管極限孔數和極限長度計算

盲管極限孔數:

計算得出盲管極限孔數為36個。

盲管極限長度計算公式：

Lm=S(Nm-1)+S0

計算得出盲管極限長度為36m。

5.2.2.5 輔管極限孔數和極限長度計算

輔管極限孔數：

輔管極限長度計算：

Lm=S(Nm-1)+S0

計算出盲管極限孔數N=36個，即盲管極限長度36m。計算出輔管極限孔數N=29個，極限長度為56m。輔管允許水頭偏差[ΔH]輔=2.35m，選用Φ63PE管，毛管間距2.0m。根據地塊實際情況，按平坡計算輔管的極限長度，盲管及輔管極限長度計算結果見表3。

表3 盲管及輔管極限長度計算表

本次設計中輔管雙向布置，盲管單向布置，長度隨地塊大小及作物的種植方向不同而不同。

5.3 系統流量計算

5.3.1 盲管設計流量

盲管采用滴灌管，出水孔流量qd=10L·h-1，出水孔間距1m，管徑16mm，設計工作壓力為10m。

5.3.2 輔管設計流量

設計采用輔管向盲管配水，流量為其控制的盲管流量之和。

5.3.3 支管、系統設計流量

根據輪灌方式，每次在1條支管上最多開啟11條輔管。

支管流量：

Q支=NQ輔

式中，Q輔為支管上輔管的平均流量；N為支管上同時開啟輔管的數量。

5.4 管材、管徑選擇

5.4.1 輔管及盲管選擇

參考已建工程經驗對管材及管徑進行初步確定，結合水力計算，綜合確定輔管采用PE管外徑為Φ63mm(壁厚3.6mm)，盲管采用PE滴灌管Φ16mm(壁厚1.2mm)。

5.4.2 干支管選擇

干支管管材選擇應滿足在管網系統最大壓力下安全運行，統籌考慮運輸安裝使用難易程度及方便性、運行可靠性、管道里耐久性、工程造價等多方面，綜合比較，本次干、支管均選用U-PVC管道。

干、支管管徑按經濟流速初選，在兼顧遠期調整為管灌供水可能性的同時，管徑適當選擇富裕。管徑計算公式：

式中，D為管道的內徑,mm；Q為設計流量，m3·h-1；V為經濟流速，m·s-1，取V=1.2m·s-1。

根據計算，干管選擇250mm級別，支管選擇160mm。詳見表4。

5.5 管網水力計算

5.5.1 盲管水頭損失計算

盲管沿途水頭損失計算公式：

式中，hf為等距多孔管沿程水頭損失,m；S為分流孔間距，1.0m；S0為多孔管進口至首孔的間距，0.5m；N為分流孔總數；qd為滴頭設計流量，10L·h-1。

局部水頭損失按沿程水頭損失的10%計。

表4 1號地干支管管徑選擇計算表

5.5.2 輔管水頭損失計算

輔管為多孔管，水頭損失按照多孔出流計算。

5.5.3 主干管、支管水力計算

主干管、支管水頭損失計算公式：

式中，hf為沿程水頭損失,m；K為局部水頭損失,m，K=1.1；f為摩阻系數，f=0.505；L為管長，m；Q為流量，L·h-1；d為管道內徑，mm；m、b為流量指數和流態指數，m=1.77，b=4.77。

經計算得出，節點壓力及流量滿足灌溉系統要求，見表5水力計算結果。

表5 管網水力學計算成果

6 首部設計

首部樞紐設備包括加壓泵、逆止閥、壓力表、砂石過濾器、進排氣閥、施肥罐、閘閥、壓力表、網式過濾器、水表等。

6.1 過濾系統

系統水源為地表水，泥沙含量相對較大，考慮灌水器對水質的的要求，在已經布設沉沙池的基礎上，系統過濾器選擇砂石過濾器加篩網過濾器兩級組合式過濾器，1號地灌溉系統的最不利輪灌組設計流量為136m3·h-1，選配SW-150兩級組合過濾器。

6.2 設備

系統首部樞紐設置在管理房內，閘閥、排氣閥、壓力表、水表等為選用的控制、保護、量測設備，逆止閥設于過濾器之前，避免停泵時肥液倒流入沉淀池。壓力表設于過濾器前后，若壓差大于允許值，過濾器應當沖洗及時。

6.3 泵選型

管網總水頭損失取最不利輪灌組，穩流器設計工作水頭按10m計算，首部設備水頭損失、水泵吸程高共取15m，流量及揚程滿足灌溉系統工作要求，水泵選型具體見表6。

6.3.1 管網入口壓力

Hin=∑(hf+hj)-ΔZ+Hg

式中，∑(hf+hj)為總損失(各級管網水頭損失之和)，m；ΔZ為地面變差(管網入口至管網計算點)，m；Hg為10m，灌水器的工作壓力[5]。

6.3.2 系統首部的水頭損失

主要為管件及設備的局部損失，取系統首部及水泵進水管的水頭損失h首=11.5m。

6.3.3 水泵安裝高程

本工程水泵安裝采用地下式，進水管位于池底，將加壓泵安裝在設備房旁邊的泵井中，安裝高程根據沉淀池池底高程綜合確定，本工程中水泵相對安裝高程為-3.5m。

6.3.4 水泵揚程

Hp=Hin+h首+hs

式中，Hp為水泵揚程，1號地為26m；Hin為壓力(管網入口)，11.01m；h首為水頭損失(系統首部)，11.5m；hs為水泵安裝高程，-3.5m。

表6 小管出流各地塊過濾器、水泵選型表

7 其它建筑物

其他建筑物包括閘閥井、排水閥井、設備房、水泵井[4]。

7.1 管溝開挖

干、支管埋深1.5m以下，管溝開挖底寬按照Φ200mm以上管徑為“直徑+0.5m”，Φ200mm以下管徑為“直徑+0.3m”設計，開挖邊坡1∶0.4。

7.2 閘閥井、排水井

干、支管連接處設閘閥井，閘閥井為圓形，采用成品塑井，直徑1.8m，深2.0m，支座直徑1.8m，高0.21m，井蓋直徑0.7m，厚6cm。支管末端設排水井，排水井內徑1.2m，采用預制砼結構，井底設碎石滲水。

7.3 設備房設計

設備房為一層磚混結構，面積36m2，開間為9m，進深為4m，層高3.0m。主體采用M10水泥砂漿砌磚結構、240mm磚墻，房屋四角設置鋼筋砼構造柱，屋頂采用現澆C25鋼筋砼結構，內墻粉刷為混合砂漿，外墻為粉刷涂料墻面，勒腳為外墻磚屋面防水材料為二道SBS，門窗采用鋼質門窗，每座設備房開門1扇，結構尺寸2.1m×1.8m，單開；設備房內安裝閘閥、砂過濾器、壓力表、排氣閥、施肥罐、網式過濾器等首部設備。

7.4 水泵井設計

水泵井布置在設備房旁，呈矩形，泵井尺寸為5m×3m×4m。井壁和井底為C25鋼筋砼結構，井壁厚30cm，井底厚40cm。

8 結束語

目前甘肅省內灌區多采用渠灌、管灌、滴灌和微噴等多種節水灌溉方式，考慮到灌區水源條件、地形坡度、作物生長期、風速、蒸發量、土壤的滲透性和保水性、土壤含鹽量、作物品種、群眾管理水平等影響因子，灌區需采用適宜的田間節灌模式，黃花灘田間配套工程已實施運行，效果良好，本文以該工程1#地塊小管出流為實例，對其他地區小管出流設計具有參考意義。