海宁市万星精品水果园滴灌水力计算与分析

王伟锋

(海宁市水利勘测设计所,浙江 海宁 314400)

1 工程概况

海宁市万星精品水果园位于海宁市斜桥镇万星村,总面积为27.067 hm2(406亩),根据种植户分4个灌溉首部。主要种植以葡萄等果树为主,灌溉形式采用滴灌,滴灌系统采用半固定管道式,即干、支管为地埋式固定管道,滴灌管为移动管道。每行地铺设1条滴灌管,滴灌选用φ 16内镶式迷宫滴灌管,流量2.73 L/h,单条长度以60 m为最佳(最长不超过75 m),滴头间距0.3 m。灌溉水源选取项目区内河水网,水量充足,新建滴灌泵站4座,建进水池150 m3,按设计要求配备QS型7.5 kW 潜水电泵(共7台),每座泵站配1台变频控制器,田间地下PVC管网φ 160～75的管长5 689m,田间滴灌管长119 000 m,田间区块控制阀门30套,滴灌配套零星配件若干。具体管网平面设计见图1。

图1 滴灌管网平面布置图

由于以往在工程设计中不重视水力计算或者参数选择的性,造成工程安全系数低、系统稳定性差、后期运行费用增加。此次通过工程的研究分析,植物对计算参数的要求和通过详细的水力计算保证系统的安全、稳定、高效。

2 耗水强度计算

2.1 设计最大净灌水定额

计算公式如下:

式中:γ为土壤密度(γ=1.334 g/cm3);H为计划湿润土层深度(m);P为土壤湿润比(%);βmax为以干土重计的田间最大持水率(%);βmin为允许土壤含水率下限(%)。

有关参数选取分析如下:

2.1.1 设计土壤湿润比

式中:P为土壤湿润比(%);n为作用在1棵植物上的滴头数;Sw为湿润带宽度 (m);Se为灌头间距 (m);St为植物的株距 (m);Sl为毛管间距 (植物的行距)(m)。

根据工程布置Sw=0.75 m,Se=0.3 m,St=1.2 m,Sl=2.5 m,经计算 P=30%。

2.1.2 计划湿润土层深度

葡萄是深根作物,根深可达1.0～1.6 m,滴灌根系主要分布在0～80 cm深度内,考虑到本地区地下水位较高、土壤自身含水率和其它葡萄果园的用水效率,确定计划湿润土层深度取0.4 m较为适宜。

2.1.3 土壤适宜含水率上下限

滴灌设计中所指的土壤适宜含水率上下限是指满足葡萄生长和成熟期的需水要求,土壤适宜含水率上下限值,一般用占田间持水率的百分数表示。对常规沟灌土壤适宜含水率上下限一般取田间持水率的100%和60%。滴灌是一种控制灌溉,可适时适量控制滴灌水量,调节水分含量。通过试验和分析,土壤计划润湿层内土壤水分上限控制在80%～90%,下限控制在60%～65%较适宜。本工程土壤含水率上下限百分比取为90%和60%,则 βmax=27%,βmin=18%;

故葡萄设计最大净灌水定额为:

2.2 设计灌水周期

灌水周期又叫轮灌周期,实测滴灌时果树日最大耗水强度Ea(月平均峰值)3.5 mm/d,所以滴灌的灌水周期为:

2.3 1次灌水延续时间

1次灌水延续时间计算用以下公式:

式中:t为1次灌水延续时间(h);Se为滴头间距(m);Sl为毛管间距(m);η为灌溉水利用系数(η=0.9);qd为灌水器流量(L/h)。

(1)毛管间距的确定。根据葡萄生长需要,植株行距确定为2.5 m,故毛管间距也为2.5 m。

(2)滴头流量和滴头间距的确定。通过对不同滴头流量,不同土质条件下的土壤水分运动规律研究可以得出,重壤土的土壤水分分布形状如 “碗”形,滴水点处水分增量最大,越向深处越小,湿润峰的宽深比较大。在一定水量下,流量越大,湿润深度越浅,湿润宽度越大。当滴头流量达到3.0 L/h时,地表出现径流迹象。对中壤土来说,在滴水量相同时,滴头流量越大,湿润宽度就越大,而湿润深度差别不大。当滴头流量＞3.0 L/h时,开始出现径流迹象,当滴头流量为4.0 L/h时,径流更加明显。对砂土而言,土壤水分主要以垂直入渗为主,当滴水量达到4.0 L/h时,砂土湿润深度可达60 cm,此时地表湿润宽度为35 cm左右。综上所述,重壤土和中壤土滴头流量不宜超过3.0 L/h,在不产生地表径流情况下取较大值 (从滴头抗堵效果考虑)。另外,根据土壤湿润峰的变化情况,滴头间距也没必要太小,一般重壤土可选择0.30～0.50 m,中壤土可选择0.40 m左右。对砂土来说,滴头流量宜选择较大值,可取到3～4 L/h,滴头间距不宜超过0.30 m。本工程经综合考量后确定滴头间距为0.3 m、滴头流量为2.73 L/h。

故1次灌溉延续时间 t=16.01×0.3×2.5/2.73=4.4 h,取t=4.0 h。

3 滴灌系统工作制度的确定

根据轮灌组划分原则,结合具体地块分布和各区面积,使各组灌溉面积大体相当。由于相同面积上的灌水器数量也基本相同,因此相同面积上的总流量也大体相等。为了减小系统的流量,降低工程投资,本系统采用轮灌工作制度,轮灌组数目为 N≤CT/t,根据目前供电保证程度以及人员工作情况,本项目设计每台水泵工作18 h/d。

葡萄轮灌组数N=18×4/4=18(片),实际划分为 N=14(片)。

综合其整体情况,具体的轮灌分组规划见图1。

4 系统流量计算

4.1 毛管流量的计算

式中:Lu为毛管长度(m);Se为滴头间距(m);q′为滴头流量(m3/h)。

4.1.1 滴灌区总流量计算

滴灌总流量以单行流量和单行作为计算依据,Q=滴灌总长度×滴头流量÷滴头间距,具体计算如下:

风影跟到了天井里，站定了，看着头顶青色的天空。以往寺院的大门关了的时候，他也经常来到这里，抬头看天空，白天看云飘过，夜晚看星闪亮。这里还可以听到虫子的鸣叫，声音很好听，就像弹琴一样。听着虫叫，聊解寂寞。风影开始想爹想娘了，他想娘比想爹要多一点，因为爹有时脾气火爆，对他很凶，而娘从来都温柔如水，从来不凶巴巴的。他心里想哭，眼泪开始在眼眶里面打转，小和尚的心思没有谁知道，小和尚的伤心也就没有谁能抚慰。

(1)A区=16 000×0.002 73÷0.3=145.6(m3/h),该区共分3个轮灌组,每组流量为48.53 m3/h。

(2)B区=38 000×0.002 73÷0.3=345.8(m3/h),该区共分5个轮灌组,每组流量为69.16 m3/h。

(3)C区=23 250×0.002 73÷0.3=211.58(m3/h),该区共分5个轮灌组,每组流量为43.32 m3/h。

(4)D区=36 000×0.002 73÷0.3=327.6(m3/h),该区共分5个轮灌组,每组流量为65.52 m3/h。

4.1.2 轮灌区总流量的计算

轮灌区总流量的具体计算与滴灌区总流量的计算相同。

5 轮灌顺序确定

本项目区种植类型简单,灌溉方式相同,以最不利的B区为例:

表1 滴灌轮灌次序表

6 水力计算

管道水头损失计算主要包括管路沿程水头损失 (干管、分干管及支管)和局部水头损失(阀门、各种管件等),由于计算比较复杂,局部水头损失一般可按管路沿程损失的10%计。通过水头损失的计算确定管路管径大小、系统首部压力及确定系统安全保护设备等。

本设计中D区最大,因分区较小,故选取B区作为典型计算;B区的B6为计算组最不利灌组,第B10作为校核组进行计算。

水头损失可根据GB/T 50485—2009《喷灌工程技术规范》 表5.1.1进行计算。

式中:hf为沿程水头损失(m);f为摩阻系数,对于硬塑料管(UPVC管)f取9.48×105;L为管道的长度(m);Q为通过管道的流量(m3/h);d为管道内径(mm);m为流量指数,硬塑料管取m=1.77;n为管径指数,硬塑料管取n=4.77。

6.1 支管水头损失

应根据分区情况计算各支管水头损失,但对于规则地块的设计,可以采用最不利的设计方案,即在保证系统最不利情况能正常工作,推求系统首部压力、流量等,而后校核其它情况下的系统运行情况,本设计中选最不利区支管组为152 m。计算结果见表2。

表2 各支管水头损失计算结果表

6.2 干管及分干管水头损失

根据上面轮灌组划分,系统主管路(最大过流为43.68 m3/h),主干管及分干管采用φ 160UPVC、φ 110UPVC管,壁厚分别为4.7,3.2 mm,承压均为0.63 MPa。水头损失采用分段计算 (见表3)。

表3 干管及分干管水头损失计算表

6.3 泵房出水口压力推算

(1)滴灌压力需求为15.00 m;

(2)由表2第2行,支管要求压力15.00+2.25=17.25(m);

(3)由表3第1、2行,主管入水口要求压力17.25+1.40=18.65(m);

(4)考虑泵房设备压力损失8.00 m,水泵出水口压力18.65+8.00=26.65(m)。

6.4 校核葡萄滴灌区压力许可

(1)滴灌压力要求15.00 m;

(2)由表2第1行,支管要求进水压力15.00+1.82=16.82(m);

(3)由表3第3行,主管入水口要求压力16.82+0.39=17.21(m);

(4)首部损失8.00 m,水泵出水口压力17.21+8.00=25.21(m)。

系统压力满足要求。

7 水泵选配

7.1 设计扬程和设计流量

水泵设计扬程由以上计算得知:

水泵出水口所需扬程为H出=26.65m

水泵设计扬程下的对应流量:

由表1的1个轮灌时间内第1个时序时最大轮灌流量为87.36(m3/h)。

7.2 水泵及配套设备的选配

因该工程设计采用恒压变频设备对水泵进行调节,由于是灌溉大小的不同及地形变化的可调节性,存在着某些特殊的灌溉场合,如灌溉类型分布或灌溉时间要求不同,此时灌溉工程所需的流量有变化。

为了解决流量变化时水泵运行的节能问题,本方案采用变频主泵+变频辅泵的方法,变频柜采用PLC控制,程序采用模块化设计。灌溉工程运行时,按主泵循环软启动变频供水模式,当灌溉需水量减小时,主泵频率逐渐降低,当频率低于小流量频率时,PCS-PID调节器发出低频切换信号,延时2 min,系统自动进入水泵变频供水模式。当用水量增大,水泵流量不能满足系统需要时,PCS-PID调节器发出满频信号,延时5min,系统自动返回主泵循环软启动变频供水模式。

根据以上原则,初选潜水泵,型号为:

主泵1台:QS50-36/3-7.5;电泵总长度1 060 mm,重量90 kg,配套管径90 mm,配套φ 90法兰。

辅泵1台:QS50-36/3-7.5;电泵总长度1 060 mm,重量90 kg,配套管径90 mm,配套φ 90法兰。

QS50-36/3-7.5型潜水泵的主要技术指标见表4。

表4 QS50-36/3-7.5型潜水泵主要技术指标表

7.3 其它设计

泵房设计根据设备安装尺寸要求,但要注意与周围景观的协调。从用水经济性、安全性方面考虑,选用园内原有河流水作为灌溉主水源。水泵安装调频装置使电流工作频率随着系统流量的变化而变化,从而大大提高了使用效率,也降低了运行成本。针对地表水源水质的特点,拟采用叠片式过滤器组合的过滤系统,灌溉系统采用2级过滤,第1级为20～40目的预过滤网片,第2级为120目的叠片式过滤器。第2级过滤器组成过滤站,拦截水中有机物、藻类、微小的生物体、泥沙及肥料中的细小未溶解物质,并根据压力差,通过控制系统进行反冲洗。使用必要的安全防护和计量等设备。

8 结 语

随着浙江省农业两区建设的推进,以喷滴灌为主的高效节水灌溉技术成为现代化农业园区灌溉的主要手段。本次结合海宁市万星滴灌园区的设计实践,重点分析了设计过程中的水力计算,为其它相关工程的设计、建设提供借鉴实例。