大棚葡萄滴灌系统设计

陈业芹，王艾艾

（宿迁市水务勘测设计研究有限公司，江苏 宿迁 223800）

0 引言

随着现代农业技术的发展，现在越来越多的果农已经认识到果树滴灌技术所带来的效益，不仅投资成本低，节省劳力，操作方便，而且果美味香产量高，减少农药的扩散保护环境。滴灌有如下优点[1]：

（1）节水、节肥、省工。滴灌属全管道输水和局部微量灌溉，使水分的渗漏和损失降低到最低限度。同时，又由于能做到适时地供应作物根区所需水分，又使水的利用效率大大提高。灌溉可方便地结合施肥，实现水肥同步，提高了肥料的有效利用率。滴灌系统通过阀门人工或自动控制，节省劳力投入，降低生产成本。

（2）控制温度和湿度。滴灌属于局部微灌，大部分土壤表面保持干燥，且滴头均匀缓慢地向根系土壤层供水，对地温的保持、回升，减少水分蒸发，降低室内湿度等均具有明显的效果。出流孔小，流速缓慢，每次灌水时间比较长，土壤水分变化幅度小，故可控制根区内土壤能够长时间保持在接近于最适合作物生长的湿度。

（3）保持土壤结构。滴灌水分缓慢均匀地渗入土壤，对土壤结构能起到保持作用，并形成适宜的土壤、水、肥、热环境。

（4）改善品质、增产增效。由于应用滴灌减少了水肥、农药的施用量以及病虫害的发生，可明显改善产品的品质。

本文以宿城区某大棚种植葡萄滴灌系统为例，系统地研究了滴灌系统设计的原则、步骤、计算内容。

1 基本资料

土壤：园区内土壤主要成分为粉土，土壤干容重1.49 g/cm3。

水文气象情况：宿城区属于暖温带季风性气候，光热资源比较优越，四季分明，气候温和，具有明显的季风区气候特点。年平均气温14.1℃，年均日照2315 h，全年作物生长期为310.5 d。多年平均降水量为900.6 mm，全区蒸发相对较为平衡，多年平均蒸发量856.6 mm，蒸降比为0.95∶1。

园区现状：①位置：大棚葡萄园位于宿城区陈集镇，种植面积3.6 hm2；②葡萄种植情况：大棚宽度为6 m、长度为50 m，净距1.5 m；每座大棚内葡萄行间距为2.5 m，株距0.4 m，大棚两侧各留0.5 m宽道路。

基本设计参数：根据《喷灌工程设计手册》《微灌工程技术规范》（GB/T 50485-2009）选定滴灌的设计参数：①葡萄设计日耗水e=7.0 mm/d；②土壤湿润比为P≥30%;③设计灌水均匀度95%；④计划湿润层深度1.0 m；⑤灌溉水有效利用系数0.85。

2 大棚滴灌总体布置

拟在葡萄园中部施打机井一眼，作为水源，滴灌系统的控制枢纽均安置在水井房内，有利于滴灌系统的布置和管理。

毛管与滴头的布置：滴灌采用内镶式滴灌管。滴灌管垂直于大棚短边，沿葡萄栽培方向南北布置，长50 m，间距2.5 m，每个大棚布设3条毛管，滴灌管滴头间距0.4 m，额定工作压力100 kPa，流量3.0 L/H。

干、支管的布置：干管从水源起南北方向布置至大棚边缘，支管东西布置，接分支管。

3 灌水定额和灌水周期的拟定

（1）设计最大毛灌水定额

按照设计灌水定额公式计算：

式中：

m—设计最大灌水定额，mm；

h—作物土壤计划湿润层的深度，采用h=1.0 m；

γs—土壤容重，取1.49 g/cm3；

θmax—灌后土层允许达到的含水量的上限，取田间持水率的95%，砂土地区田间持水率的25%；

θmin—灌前土层含水量下限，取田间持水率的70%；

η—灌溉水有效利用系数，取0.85；

p—土壤湿润比，取0.30。

（2）设计灌水周期

设计灌水周期按下式计算：

式中：

T—设计灌水周期，d；

e—作物耗水最旺时期的日平均耗水量，mm/d，葡萄取e=7.0mm/d。

4 拟定喷灌工作制度

1次灌水所需时间t按下式计算：

式中：

t—1次灌水所需时间，h；

q—一个滴头的流量，L/h；

b—滴灌带间距，m；

a—滴头间距，m。

5 灌溉制度

葡萄园区域一共有大棚80个，考虑到节约投资与管理方便，将80个大棚分为4个轮灌组，1#～20#为轮灌组一，21#～40#为轮灌组二，41#～60#为轮灌组三，61#～80#为轮灌组四。4个轮灌组同时工作，每组轮灌组5个大棚同时工作，即4个轮灌组同时工作20个大棚，每天工作11 h。

6 管道设计

（1）分支管设计

滴灌带间距2.5 m，滴头间距0.4 m，由此可知每个大棚总共需布置3条滴灌带，每条滴灌带上总共125个滴头。

按管道设计流速选择管径，计算公式如下：

式中：

Q—设计流量，Q=3×125×3=1125 L/h；

v—设计经济流速，取1.2 m/s[2]。

代入公式（4）计算得d=18.23 mm，所以分支管选φ25，壁厚2 mm的PE管，内径为21 mm。

（2）支管管径选择

每个轮灌组同时工作的大棚为5个，每条支管控制2个轮灌组，则支管的流量为：Q=1.125×10=11.25 m3/h，代入公式（4）得d支管=57.7 mm，支管选φ75，壁厚4.5 mm的PE管，内径为66 mm。

（3）干管管径选择

干管控制2条支管的工作，则干管的流量：Q=11.25×2=22.5 m3/h，代入公式（4）得d干管=81.6mm

干管选φ110，壁厚6.6 mm的PE管，内径为96.8 mm。

7 管网压力计算

取最不利工作点作为计算点，取离水井较远的位置进行管网压力计算，即20#大棚或80#大棚起计算管网压力。

（1）计算支管入口压力

采用公式（5）计算分支管、支管的水头损失[3]：

式中：

hf—等距多孔管沿程损失，m；

S—分流孔间距，m；

S0—多孔管进口至首孔的间距，m；

N—分流孔总数；

Q—单孔设计流量，L/h；

k—损失系数

f、m、b—管道沿程水头损失计算系数、指数。

管 道 采 用 PE管，所以 f=0.505，m=1.75，b=4.75，k=1.1。

每条分支管长6 m，每间距2.5 m布置1条长为50 m滴灌带，每条滴灌带的流量为375 L/h，分支管的流量为1.125 m3/h，d内径=21 mm，S=2.5 m，S0=0.5 m，N=3。

滴灌带设计进口压力hp=100 kPa，约合10 m水头，考虑到分水管和连接管的水头损失，取0.5 m，则分支管出口压力水头为

h毛=hp+h毛+0.5=10+0.14+0.5=10.64 m

支管分成两段计算：轮灌组一最远处的工作组为17#～18#大棚，该4个大棚同时工作时轮灌组的其余大棚均不工作，故在17#大棚之前的支管无分流，故将支管分成两段计算。第一段为支管与干管分流处至17#大棚处，总长175 m，第二段为17#～18#大棚棚前支管，总长25 m。支管的流量为11.25 m3/h，d内径=66 mm。第二段 S=6 m，S0=0.5m，N=4。

h支=2.77+0.15=2.92m

（2）干管水头损失采用式（6）[3]计算

式中：

h—水头损失，m；

f、m、b—管道沿程水头损失计算系数、指数；

L—干管长度，m；

Q—干管流量，L/h。

干管设计流量Q=22.5 m3/h，工作长度L=15 m，d内径=96.8 mm，k=1.1，f=0.505，m=1.75，h干=0.13 m。

则总设计压力为10.64+2.92+0.13=13.69 m。

8 首部枢纽设计

滴灌系统首部枢纽设计包括水泵选型、过滤、施肥、控制、量测和安全设备配置等。

8.1 水泵选型及动力配套

（1）水泵设计流量

水泵设计流量应为全部同时工作的滴头流量之和，即22.5 m3/h。

（2）水泵设计扬程

水泵设计扬程公式为

式中：

H总—总干管入口压力水头，为13.69 m；

Σhf1—水泵吸水管路的沿程水头损失之和，取1.5 m；

Σhj1—水源至总干管入口所有局部水头损失之和，取1 m；

ΔZ1—水泵安装高程与水源水位之间高差，取5 m。

则水泵所需扬程为：H=13.69+1.5+1+5=21.19 m。（3）泵型及配套动力

根据泵站设计扬程H=21.19 m和设计流量Q=22.5 m3/h，选择1台套200QJ32-26/2型水泵，设计扬程为33 m，设计流量为32 m3/h，满足设计工况，该水泵配套电机转速2850 r/min，功率为4 kW。

8.2 过滤器、施肥罐选用

过滤器在滴灌系统中是对水源过滤处理的重要设备，通过过滤拦截把各类杂质百分百拦截，让水和水溶肥通过，通过管道输送到滴灌带，来满足葡萄水肥的生长需要[4]。本次在首部枢纽中选用离心网式过滤器施肥罐组合，在每根分支管上安装网式过滤器。

8.3 控制、量测和安全设备配置

为监测管网工作状况，在管网首部安装压力表。为防止停机后管网水流回灌，引起水泵倒转，在水泵出口处安装逆止阀。为控制各支管的工作，支管首部设控制闸阀，各闸阀砌筑阀门井保护[5]。为防止支管控制阀启闭过快，使管道内产生水锤引起爆管，经计算，支管阀门的启闭时间在10 s以上，即防止水锤效应的发生。

在地埋管路中，为防止管线充水时发生位移，在干管、支管三通、弯头、变径接头、堵头、阀门及出水口处有不平衡力作用的地方设置镇墩，通过它安全地把力传递给地基，使管道定位。

9 结束语

滴灌的配水方式有别于传统的漫灌方式，是从每一个滴水源遵循土壤水力特性规律向土壤渗透的过程，仅在作物根系范围内进行局部灌溉，也可根据需要将化肥和农药等随水滴入作物根系。因此，滴灌设计中，为了提高滴灌系统的水分和养分的有效利用，提高滴灌系统的水分和养分的有效利用率，滴头间距和滴头流量必须与土壤的湿润特性和作物的灌水频率周期及灌水时间相适应。

[ 1 ]王留远，杨路华 . 低压管道输水灌溉工程技术[ M ] . 郑州：黄河水利出版社，2011 .

[ 2 ]郭元裕 . 农田水利学[ M ] . 北京：中国水利水电出版社，2011 .

[ 3 ]王文焰，迟道才 . 节水灌溉理论与技术[ M ] . 北京：中国水利水电出版社，2011 .

[ 4 ]黄秋生 . 实用农业节水灌溉工程规划与设计[ M ] . 北京：中国水利水电出版社，2010 .

[ 5 ]吴持恭 . 水力学（第四版）[ M ] . 北京：高等教育出版社，2008 .