山区滴灌工程灌溉参数与减压阀位置设计

侯新明，杨立魁，刘渊，高昌珍

(1.山西省水利机械厂, 山西 太原 030001;2.山西农业大学 工学院, 山西 太谷 030801; 3.华北水利水电大学 水利学院, 河南 郑州 450045)

山区滴灌工程灌溉参数与减压阀位置设计

侯新明1，杨立魁2，刘渊3，高昌珍2

(1.山西省水利机械厂, 山西 太原 030001;2.山西农业大学 工学院, 山西 太谷 030801; 3.华北水利水电大学 水利学院, 河南 郑州 450045)

滴灌具有高效节水、省工节地、增加产量等优点。山地滴灌工程设计、灌溉参数的设计与压力控制是保证工程正常运行的关键，为了充分发挥滴灌工程效益，结合实际工程，对微灌工程的耗水强度、补水强度、土壤湿润比、灌水均匀度等参数做了计算，对管道布置、毛管长度、轮灌组做了设计并对支管入口压力与减压阀位置做了分析，得出了滴灌耗水强度和补水强度均为6 mm·d-1，湿润带宽75 cm，灌溉湿润比值48%，在计算水压为3～4 kg范围内安放减压阀的结论，可为类似的工程设计提供参考。

滴灌;灌溉参数;减压阀位置

滴灌是通过灌溉管网系统，将水流均匀缓慢地送入作物根部，使根系周围土壤达到一定的含水率，保证作物生长需水要求的一种微灌方式[1]。滴灌可在首部系统安装施肥罐，实现水肥一体化，降低了人工成本，具有很大的优势。自上世纪70年代我国从墨西哥引进滴灌设备以来[2]，滴灌在我国大面积推广，滴灌投资回收期短，在提高作物产量方面效益明显，是一种较好的灌溉方式。为了提高滴灌工程效益，本文结合实际工程，对滴灌工程中灌溉参数与减压阀的位置设计做了分析。

1 滴灌工程设计要点

1.1 总体布局规划

在整个工程的规划上，首先要对各地块高程、面积进行地形测量与绘图，以便确定水源位置、管网布局等要素，尤其地形复杂的山区，管路布置不同于平原地区，应根据地形设置输水管，由输水管接出干管，干管垂直等高线布置。对于面积较大的山地，干管上还可引出分干管，再由分干管连接引向个地块的支管，最后引出平行于等高线沿作物行分布的滴管带。管网布置原则是：在保证作物灌溉要求的前提下，以成本最低、投资最小、施工难度低为目标，逐步确定最佳方案[3]。通过绘图软件，初步选好几个管路布置方案，结合水源地、施工难度、经济因素等条件选出较为合理的布设方案[4]。

1.2 轮灌组划分

灌溉方式分为轮灌和续灌，山区通常采用轮灌工作制度。采用轮灌方式供水时，管道间歇性的轮流输水，灌水时间和灌水量均较集中，有利于农业操作与田间管理相配合，并可提高灌水的工作效率[1]。轮灌组划分时要使该组流量与上级流量相适应，应先经过水力计算后，在满足上级管道流量情况下尽量控制轮灌组数目，以方便灌溉管理。

1.3 滴灌带铺设长度

滴灌带铺设长度影响灌水均匀度和轮灌组的划分，滴灌带铺设过长，地势较高处出水较少，地势低处出水过大；滴灌带铺设过短，使轮灌组划分过多，造成管理不便。在确定滴灌带铺设长度时，应严格按照规范，对毛管极限长度进行计算后，结合实际情况，确定滴灌带铺设最佳长度。

1.4 安全防护装置

对于山地滴灌工程来讲，由于地形因素，使水流压力不均匀，在地势较低处因水压较大需要增厚管壁，增加了工程投资；阀门突然打开后，由于水流过快流出，使管内形成真空，大气压对管壁压力很大，影响管道安全性能；在管道转弯处，由于水流冲击作用，对管壁产生较大的力，使管道受力不均。因而需要在管道压力较大处安装减压阀，用来降低管内压强；在管道首部末端安装进排气阀，用来破坏真空作用[5]；在管道分叉、水流转弯处设置镇墩，管道中间设置支墩，用来抵消水流冲击作用，保障管道不发生滑动、偏移，使管道在运行期间更加安全[6]。

2 实例分析

2.1 项目概况

该项目位于山西省晋中市太谷县，项目区面积66.7 hm2，种植作物为葡萄，株、行距为1 m×2.3 m，灌溉方式为滴灌，土壤为重壤土，土壤重度为1.4 g·cm-3，土层厚度为80～150 cm，田间持水量为28%，年平均降雨量为530.3 mm，年平均蒸发量为1718.4 mm，最大冻土层深度为120 cm。当地共有水库1座，蓄水池3座，由机井及雨水补给，水中有机质含量较低，水库由2个管径为150 mm的出水管引水，蓄水池有直径为80 mm的出水口。

2.2 灌溉参数

2.2.1 微灌耗水强度

滴灌系统设计按照6、7月份最大耗水强度进行规划设计，保证滴灌系统的灌水保证率(由于缺乏实测资料，因此根据影响作物需水量的因素估算Ea值)。

微灌耗水强度[2](日耗水量)：

Ea=KrEp

(1)

(2)

Ea为微灌的作物耗水强度/mm·d-1；Kr为作物遮荫率对耗水量的修正系数；Cc为作物遮荫率，又称作物覆盖率，随作物种类和生育阶段而变化，有严重霜冻地区的成年葡萄5月份开始生长，9月中旬开始收摘，生长中期6、7月份地面覆盖率为0.7、0.8。

2.2.2 灌溉补充强度

微灌的灌溉补充强度取决于作物耗水量、降雨量和土壤含水量等条件，在干旱地区降雨量很少，地下水很深，作物生长消耗的水量全部由微灌提供。此种情况灌溉补充强度至少要等于作物的耗水强度，由于该灌区条件满足上述情况，作物耗水量全部由微灌提供，因此本次设计作物耗水强度取Ia=Ea，由于山西太谷属干旱地区，因此取规定最大值Ia=6 mm·d-1(《微灌工程技术规范SL103-95》中规定葡萄滴灌耗水强度为3～6 mm·d-1)。

2.2.3 来、需水量平衡计算

日毛灌溉用水量计算采用下式[5]：

(3)

式中：W日为微灌日毛用水量/m3·d-1；Ia为设计耗水强度/mm·d-1；η为微灌灌溉水利用系数，滴灌取η=0.95；A为灌溉面积，66.7 hm2。

该灌区种植总面积约66.7 hm2，该地区最大耗水强度Ia=6 mm·d-1，η取0.95，则项目区灌溉用水量为4212 m3·d-1。灌区内原有1000 m3蓄水池3座，每个蓄水池每小时可补30 m3，日最大补水量720 t，后修建4万方水库一座，同时可按80 m3·d-1的流量进行补给，最多可补水1920 t，雨季也对水库进行补给。因此水源可满足灌区内最大日需灌溉的用水量，富裕水量用于山地荒坡改造绿化种植与山脚下平缓地带后期葡萄种植水量补充。

2.2.4 微灌土壤湿润比

因滴灌湿润体积难计算，常用地面下20～30 cm处的湿润面积占总灌水面积的比来表示。规范中要求葡萄微灌土壤湿润比为30%～50%。在干旱月份，灌溉不充分的情况下，由于根系的向水性，葡萄根系向较深土层和外部伸展。在雨量充足或灌溉充分的情况下，葡萄根系根系密度可控制在一定范围内。因此该设计计划湿润层为60 cm，滴灌管单行布置。由于灌区内土壤为粘壤土，若灌水量过大，水滴在入渗过程中易横向扩展，因此滴头流量不能过大，取2.0 L·h-1，土壤湿润比采用公式[1]计算：

(4)

式中，P为土壤湿润比/%；DW为水分扩散直径或湿润带/m，大小取决于土壤质地、滴头流量和灌水量的大小，要求0.8 m；Se为灌水器或出水点间距，0.4 m，Sl-毛管间距，2.3 m。求得P=54.6%。

其灌溉湿润比大于《微灌工程技术规范》[7]要求，因此需减少湿润带宽，降低灌溉湿润比值，由《微灌工程技术规范》[7]，根据毛管有效间距、滴头流量及土壤特性查出P值为48%。在实际工程中，湿润比过小，降低了投资和运行费，但作物水量需求得不到满足；湿润比过大，满足了作物需求，但投资和运行费较高；综合考虑当地降雨量、作物需水量和工程投资费用，该计划湿润比取48%，经计算湿润带宽为75 cm，计划湿润层深为60 cm。

2.2.5 灌水均匀度的确定

根据该工程作物、经济价值、水源、地形、和气候综合考虑，取灌溉均匀度Cv=95%，灌水器流量偏差为20%。

2.3 管路设计

该项目主管径选用φ90，干管选用φ63管道，支管选择φ32管道，毛管选用φ16 mm内镶柱状滴灌管，间距为2.3 m，管材选用低密度聚乙烯管。每行葡萄布置一条毛管。支管垂直于分干管，单向布置，阀门井位于路边，方便管理。主管埋深1.2 m，干管埋深1 m，为管理方便，毛管吊挂在葡萄架上，距地面40～50 cm。

2.4 轮灌组划分

按作物需水要求，全系统轮灌组的数目计算采用公式[2]

(5)

N为允许的轮灌组最大数目，取整数；C为天运行的小时数；T为灌水时间间隔(周期)；t为次灌水延续时间；计算后得出N=6.14，轮灌组确定为6个。以2号蓄水池为例，轮灌划分见表1。

2.5 滴灌带铺设长度

滴灌管的最大铺设长度为107 m，为达到更理想的滴灌效果，本次设计最长的滴灌管长度控制在80 m以内；每个小区内支管的水头损失控制在2 m以内。

2.6 支管入口设计压力计算

支管入口压力=滴灌管的设计压力+支管损失+毛管的损失+阀门损失[8]，该滴灌管的设计压力为10 m。根据毛管的最大铺设长度校核计算得知，支管损失控制在2 m以内，毛管损失控制在2.5 m以内，通过查询阀门压力损失表得知，合理的过流范围之内选定阀门的损失不超过3 m。经计算支管最小入口压力为17.5 m。此数值为本次灌溉设计的支管入口压力。

2.7 输水管减压阀位置设计

本工程选用承压等级为8 kg的管道，在3～4 kg内安装减压阀，以保证管道的压力降到灌溉设计的最小压力，可以使管道正常运行，提高灌溉的均匀度。

(6)

式中，h干为干管沿程水头损失/m；f为摩阻系数；Q为流量/L·h-1；d为干管内径/mm；L为管长/m；m为流量指数；b为管径指数。

通过管道水头损失、管道高差、灌溉设计标准压力值来确定减压阀的位置，以2号蓄水池为例，结果见表2。

表1 2号蓄水池轮灌划分表

表2 2号蓄水池减压阀位置对照计算表

3 讨论与结论

(1)经过分析计算，滴灌耗水强度和补水强度均为6 mm·d-1，设计灌溉计划湿润层深60 cm，计划湿润带宽75 cm，灌溉湿润比值48%；灌溉均匀度 ，灌水器流量偏差为20%。经来需水量平衡计算，蓄水池水量可以满足灌溉的要求。

(2)减压阀位置确定应根据水力计算先来确定水流对管壁的压强，在计算水压为3～4 kg处安放减压阀，以减轻管内压力，保证管道安全。

(3)今后制定更合理的滴灌工程灌溉制度与发展智能远程滴灌控制系统应是学者研究的重点。

[1]汪志农.灌溉排水工程学[M].北京：中国农业出版社,2010:80-187.

[2]李大美.水力学[M].武汉：武汉大学出版社,2010:80-187.

[3]汪志农.农田水利学[M].北京：中国水利水电出版社,2010:133-154.

[4]金玉洁，张展羽，汪光宇,等.山丘区滴灌工程设计方法研究[J].节水灌溉,2009(6):9-41.

[5]水利部农水司.管道输水工程技术规范[M].北京:中国水利水电出版社，1998:6-10.

[6]康璇，陈倩，王秀茹，等.低山区土地整理中的农田水利工程设计[J].湖北农业科学，2011，50(16):3395-3420.

[7]水利部.微灌工程技术规范SL103-95[S].北京：中国水利水电出版社,1995:6-12.

[8]水利部.低压管道输水灌溉工程技术规范SL/T153-95[S].北京：中国水利水电出版社,1995:3-8.

TheDesignofIrrigationParametersandPressureReducingValvePositionofDripIrrigationinMountainArea

Hou Xinming1,Yang Likui2,Liu Yuan3,Gao Changzhen2

(1.ShanxiProvinceWaterConservancyMachineryFactory,TaiyuanShanxi030001,China; 2.CollegeofEngineering,ShanxiAgriculturalUniversity,TaiguShanxi030801,China; 3.CollegeofWaterConservancy,NorthChinaUniversityofWaterConservancyandElectricPower,ZhengzhouHenan450045,China)

Drip irrigation has the virtue of water-saving, labor-saving, land-saving, and raising production. Irrigation parameters design and pressure control are the key to ensure the normal operation of mountain drip irrigation engineering. In order to give full play to the drip irrigation engineering benefit, combining with the actual project, the water consumption, water supplement, moist soil, irrigation uniformity parameters of micro-irrigation engineering were calculated, pipe layout, capillary length, rotational irrigation were designed, and the inlet pressure of branch pipe and the pressure reducing valve position were also analyzed. It is concluded that the drip irrigation water consumption intensity and water supplement intensity are all 6mm per day, moist bandwidth 75cm, humid irrigation ratio 48%. The pressure reducing valve is set with water pressure ranging from 3 to 4kg. The findings can provide a reference for similar engineering design.KeywordsDrip irrigation; Irrigation parameters; Pressure reducing valve position

2014-03-10

2014-05-24

侯新明(1967-)，男(汉)，山西太原人，工程师，研究方向：水利水电工程。

高昌珍，教授，硕士生导师。Tel：0354-6288400;E-mail：497470495@qq.com

山西省农业科技推广示范行动(SNJTGSFXD201203)

TV698

A

1671-8151(2014)04-0375-05

(编辑：马荣博)