滴灌工程设计中支管设计与选择探析

□王 燕(新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司石河子分公司)

0 前言

滴灌是将肥料、水分以及农药等物质通过滴灌直接作用到植物的根系、降低植物棵间的蒸发从而有利于作物生产和发育的现代化灌溉技术。滴灌技术的基本原理是将有压水进行过滤，必要时连接可溶性的农肥等物料一起，通过管路系统输送到滴头，以水滴形式向农作物供给水分和养分。滴灌中支管是重要的组成部分，对于滴灌系统作用的发挥意义重大。

1 滴灌设计中支管的质量与检测标准

目前常用于滴灌系统的支管类型主要有2种：低密度聚乙烯管和纳米材料改性PE输水软管。

1.1 低密度聚乙烯管

根据国家标准GB6674-86以及行业标准SL/T96.2-1994使用。上述国家标准以及行业标准规定低密度聚乙烯树脂为主要原料，经过加压成型，用于输送滴灌用水过程中所应满足的技术条件、基本参数以及检测规则。

用于滴灌的低密度聚乙烯管公称压力等级可以分为0.25MPa和0.40MPa。管材规格用de*e/p来表示，其中de为公称外径（mm），e为公称壁厚（mm），p为公称压力（MPa）。

1.2 纳米材料改性PE输水软管

该软管一般的包装是每卷净重>9 kg，并且每卷段数净重在4 kg以上。外壁、内壁光滑，色泽均匀，不能有1mm以上的晶点，晶点不能团聚出现。管壁厚度要满足国家相关规定（具体规定见表1），公称外径以及极限偏差需要满足表2规定，物理性能满足表3规定。通过对于软管的测试采用在20℃0.20MPa压力下，水管保持1 h的不渗漏不破裂为合格产品。

2 支管选择探究

2.1 滴灌工程中支管的选择是滴灌系统的关键因素

支管长度要以满足灌区内灌水的均匀度作为基本要求。灌水区域的流量偏差值以及内压力要满足《规范》的相关要求。在规范中，通过一条支管控制的灌区为一个区域，灌水区域主要构成是支管以及支管所控制的相关毛管。采用不同的灌水器、改变调压位置，就会产生不同的灌水区域，同时灌水压力设计也不同。

表1 PE管壁厚以及偏差表

表2 PE管公称外径和偏差表

表3 PE管物理参数指标表

支管与毛管所构成的灌水系统，允许水头的偏差要控制在毛管间进行分配，支管管径根据上述分配的允许水头偏差值进行确定。而支管、辅管以及毛管所组成的灌水区域，区域内允许的水头偏差要在支管及辅管和毛管间进行分配。运行时，多个或单个灌水区域构成一个轮灌组。在滴灌系统设计过程中，主要任务是确定允许水头偏差，根据偏差分配并确定毛管的孔数和长度，以及确定支管的合适长度和选择材料。

2.2 支管间距由毛管实际铺设长度所制约

根据铺设方向地块的面积合理调整和决定。毛管长度长，支管间距就大，支管列数相应减少，这对于降低管网系统的投资和经济性有重要作用。

2.3 支管实际铺设长度决定分干管的列数

铺设长度长，分干管列数会相应减少，对降低管网系统投资起到明显的积极作用。在滴灌设计过程中，为了满足系统压力均衡，必要时要在支管的进口处设置压力流量调节器。

3 滴灌系统中支管设计计算应用

3.1 项目地理位置与情况

北泉镇在新疆石河子地区境内，位于天山北麓中段，准噶尔盆地南缘，地处玛纳斯河洪积扇和冲积平原交接处，北纬44°18′49″～44°38′26″，东经 85°52′31″～86°07′25″，土地总面积37304.60 hm2。总场东北隔玛纳斯河与玛纳斯县相望，西与石河子地区毗邻，南隔乌伊公路与石河子城区相接，南北地域分属石河子市和石河子地区，具有紧靠城市的地缘优势。

3.2 项目区域自然条件

3.2.1 地形地貌

石河子北泉镇海拔高度360~449m之间，镇内地形基本平坦，总的趋势是南高北低，东高西低，地面坡降南部较大，并由南向北逐渐变缓，镇内自然沟多，在南半部由东向西比较大的泉沟有蔡家沟、乱泉沟、小泉沟、百泉沟、大泉沟、二龙泉等，在西岸大渠以北除了大泉沟和小泉沟贯穿全场以外，还有板桥河、响水沟等泉沟。

3.2.2 气候

项目区地处亚欧大陆腹地，受西风带控制，远离海洋，是典型的大陆性气候，除天气变化多端、冷暖交替明显的特点外，还具有夏季干热、短促，冬季酷冷而漫长，冬夏温度趋于极端，春季急剧升温，秋季急剧降温的特点。

3.2.3 水资源

3.2.3.1 地表水

北泉镇农业具有典型的灌溉绿洲农业特点，降水稀少，蒸发强烈。农业用水地表水主要来源于4条河流，自东向西依次为玛纳斯河、小泉沟、大泉沟和秦家渠，皆为南北流向。北泉镇年均引水量为15933万m3，主要引用玛纳斯河水量为7300万m3，其余3条河流年均引水总量为8633万m3。项目区由于地下水丰富，加之引用的地表水水质太差，不适宜灌溉，目前项目区全部开采地下水，没有使用地表水资源。

3.2.3.2 地下水

项目区地下水主要来源于玛纳斯河河道渗漏补给，其次是上游田间灌溉渗入以及泉水渗出补给。

从勘探试验井的情况看，项目区地下水水质很好，为淡水、优质水，安全适用，具有开采价值。水化学类型较优，矿化度为0.15~0.58 g/L，总硬度为60.50～205.16mg/L，适宜灌溉。根据水利局提供的资料，项目区地下水补给量4734.66万m3，开采系数取0.40，可开采量为1893.90万m3。

3.3 支管管径设计与计算

项目区种植作物为棉花，根据当地经验，确定棉花种植模式为：一膜两管六行,行间距(10cm+66 cm+10 cm)+66 cm+(10 cm+66 cm+10 cm)。滴灌带平均间距1.14m，毛管选用单翼迷宫式滴灌带(型号为WDF16/2.1-100)，内径为16mm，毛管间距为1.38m，滴孔间距0.30m，滴孔额定流量2.10 L/h(额定压力10m水头)，工作水头10m，支管长度为30m，毛管长度为50m。3.3.1水头偏差率计算

为了保证滴头滴水均匀度，根据《微灌工程技术规范》(GB/T50485-2009)要求，灌水器设计流量允许偏差率qv≤20%。灌水器水头偏差和流量偏差之间满足关系式：

式中：x—滴头流态指数，取0.60；qV—设计灌水器流量偏差率，20%；hV—设计灌水器水头偏差率，%。

代入数据，计算得到允许水头偏差hV=0.33。灌水器工作压力为10m，允许压力偏差为3.30m，是毛管和支管允许压力差的和。为了利用允许的压力差获得合理的管径，本设计的允许压力差按管网布置、毛管实际的损失进行分配，除去毛管总损失后，就是支管的允许压力差。

3.3.2 支管流量计算

毛管进口流量:Q毛=Nmq支管进口流量:Q支=Nq

式中：Q毛—毛管进口流量，L/h；Q支—支管进口流量，L/h；Nm—1条毛管上的灌水器数量；Nz—1条支管所辖毛管上的灌水器总数；q—灌水器滴头流量，L/h。

3.3.3 支管允许压力差计算

支管允许压力计算采用下式计算：

式中：hf—管道沿程水头损失，m；F—摩阻系数；Q—管道流量，L/h；d—管道内径，mm；L—管长，m；m—流量指数；b—管径指数。

由于项目选用的为PE管，所以：摩阻系数f=0.505；流量指数m=1.75；管径指数b=4.75。

带入数据计算，得到

4 结语

支管是滴灌系统中一个主要的组成部分，对灌水起着控制作用。在进行支管设计和选择时，一是根据灌水区域灌水器流量的偏差率≤20%的相关规定以及压力偏差率和流量差的关系计算支管、毛管共同水头损失；二是采取允许压力差来计算和选择支管的管径，这也要满足支管、毛管共同损失≤3.30m的控制性指标的要求。