刘凡明
(陕西省西安市临潼区地下水工作队,陕西 西安 710600)
滴灌是利用滴头、滴灌管(带),以滴水或细小流水的方式,湿润作物根区附近部分土壤的灌溉技术。与传统的地面灌溉相比,具有灌水均匀,灌溉水利用率高;适时适量供水供肥,作物产量高,品质好;易于调节土壤湿润体内盐分浓度;适应于各种土壤和地形等多方面的优点。本文以绿康泰生态园滴灌工程为例,对滴灌工程的设计过程进行分析。
绿康泰生态园位于临潼区徐杨街道屯刘村、西王村界内,紧靠208县道,占地700亩,园区内主要种植樱桃、葡萄等经济作物。项目区内地势平坦,海拔在374 m~375 m之间,土壤以中壤土为主。土壤容重为1.37 t/m3,孔隙率为40%~50%,田间最大持水量24.3%,pH值为7.88,有机质含量0.84%~1.36%,有机质含量0.84%~1.36%,土方氮磷比32∶1,冻土层厚28 cm。多年平均降水量575.82 mm,频率为50%、75%、90%的降雨量分别为553.4 mm、482.7 mm、427.3 mm。降水具有强烈的季节性,多集中在7月~9月。
项目区属于渭河以北渠井双灌区,由于地处泾惠灌区下游,农灌时水源不能保证灌溉用水,所以灌溉用水以机井补水为主,且该区地下水补给情况良好,水质情况良好,符合农业灌溉用水要求。地层主要以粘土、粗砂、细砂层等为主,农用灌溉机井成井深度80 m~150 m,出水量为15 m3/h~40 m3/h。项目区分为北区和南区,南区长340 m,宽250 m,面积130亩;北区长210 m,宽200 m,面积70亩,总计200亩,均种植樱桃,樱桃的株行距为4 m×4 m。
项目区内原有机井1眼,井深80 m,出水量25 m3/h;另外有200 m3蓄水池1座。为了满足灌溉用水要求,再新打150m深机井1眼,出水量40 m3/h。2眼井共同抽水到蓄水池,再从蓄水池中抽水作为灌溉水源。
根据樱桃的种植方式、土壤质地要求,结合滴灌工程设计标准,确定滴灌工程的设计保证率、设计耗水强度、灌溉水利用系数、土壤设计湿润比、计划湿润层深度、适宜土壤含水量、日灌溉最大运行时数等设计参数。
根据《微灌工程技术规范》(GB/T50485-2009)及项目区经济条件,滴灌工程灌溉设计保证率取90%。日均设计耗水强度Ea=5.0 mm/d。灌溉水利用系数取η=0.90。土壤设计湿润比按公式P=(0.785×DW2/Se×S1)×100%,经计算P=39%。计划湿润层深度取H=1.0 m。机井日最大工作时数td=18 h。
根据果木需水要求、种植方式及灌水器水利特性,采用PE滴灌管,直径16 mm,壁厚1.0 mm,滴头间距0.5 m,设计工作压力0.1 MPa,滴头流量3.0 L/h,流态指数x=0.46。
最大净灌水定额按公式 mmax=0.001γH(θmax-θmin)p 计算,代入相关参数得mmax=23.51 mm,换算为15.68 m3/亩。
灌水周期按公式Tmax=mmax/Ea计算,代入相关参数得:Tmax=4.70d,则 T=4 d。
设计净灌水定额:md=T×Ea=4×5.0=20.0 mm(合13.34 m3/亩)。
设计毛灌水定额:m'=md/η=20.0/0.9=22.22(mm)(合14.82 m3/亩)。
一次灌水延续时间:t=(m'×Se×S1)/qd=(22.22×0.5×4)/3.0=14.8 h。
根据机井稳定出水量和樱桃需水强度,计算机井可控制的灌溉面积,计算按A=(η×QS×td)/10×E计算,将参数代入得:A=21.06 hm2,经换算为315.9亩,大于项目区面积200亩,水源满足滴灌系统要求。
为充分利用蓄水池的作用,两眼井共同抽取地下水至蓄水池,作为灌溉水源。在蓄水池旁修建滴灌首部系统管理房,干管南北方向布设,输水到项目区南北边界,支管按灌溉小区东西方向布设,分支管平行于支管东西方向布设引水到地头,毛管顺樱桃行方向布设,分部在分支管的两侧,呈“丰”字型。干管、支管埋设于地下,分支管及毛管布设于地上。
灌水小区中灌水器的流量差hv=qv/x[1+0.15×(1-x)/xqv],将参数代入得:hv=0.45。工作压力ha=10 m时,灌水小区水头允许偏差为4.5m。微灌小区设计允许水头偏差在支、毛管之间的分配比例为0.45∶0.55,因此灌水小区中允许的最大水头差为Δh支=4.5×0.45=2.05 m;Δh毛=4.5×0.55=2.48 m。
毛管的极限铺设长度按下式计算:
本次设计毛管的长度为75 m,小于毛管的极限铺设长度96 m,因此毛管铺设长度满足设计要求。
管网按干、支、分支管、毛管四级管道布设。干管沿园区道路框架布设;支管东西走向布设;分支管平行于支管输水到地头,毛管垂直于支管按作物行距布设,每4 m布置一道。
允许的轮灌组最大组数为:N=T×c/t=4.86(组),则园区划分为4个轮灌组,8个地块。
毛管流量计算采用公式:Q毛=n×qi=450 L/h。
分支管流量:Q分支=N×Q毛=7.2 m3/h。
支管流量:Q支=N×Q分支=28.8 m3/h。
干管流量Q干=2×28.8=57.6 m3/h。
采用2眼单井水量分别为40 m3/h和25 m3/h的机井向200 m3蓄水池供水作为灌溉水源,大于干管流量57.6 m3/h,所以水量满足设计要求。
选取距离水源较远、面积稍大的第一轮灌组为典型,进行管网水力计算。
3.5.1 毛管水力计算
毛管水力计算采用下式:
f、m、b、F 等 参 数 可 查 《微 灌 工 程 技 术 规 范》(GB/T50485-2009),本设计中毛管采用聚乙烯管f=0.505,m=1.75,b=4.75,F=0.362,经计算:hf毛=1.149m;h毛进口=11.37m。
3.5.2 分支管水力计算
分支管水力计算方法与毛管相同,一条分支管长度为28 m,毛管的间距为4 m,则一条分支管控制的毛管数目为16条,流量为7200 L/h,分支管采用聚乙烯φ63,内径为59 mm,f=0.505,m=1.75,b=4.75,F=0.453,经计算:hf分支=0.140m;h分支进口=11.69 m。
(1)分支管、毛管水头总损失为:
hf毛×1.1+hf分支×1.1=1.42 m<Δh支=2.05 m,满足水头偏差要求。
(2)支管管径:
d=18.8(Q/V)0.5=18.8×(28.8/1.11)0.5=95.76 mm
支管选用φ90UPVC管,壁厚为2.7 mm。
(3)干管管径:
干管选用φ110UPVC管,壁厚为3.2 mm。
(4)干管、支管水利计算,采用下式:
f、m、b、F 等 参 数 可 查 《微 灌 工 程 技 术 规 范》(GB/T50485-2009),本设计中干管、支管采用UPVC管f=0.464,m=1.77,b=4.77,计算结果见表 1。
表1 绿康泰生态园滴灌Ⅰ区管道进口压力计算结果表
表2 绿康泰生态园滴灌其他轮灌区管道进口压力计算结果表
滴灌工程的设计要点首先是根据项目区的土壤性质、种植作物的灌溉需水量、自然气候等条件确定各个设计参数,进而确定灌溉制度。接着是进行管网水力计算,确定轮灌制度、各级管径等,使之满足滴灌工程的水量、流速、水压等要求,达到正常灌溉的目的。
项目区面积200亩,根据实际条件确定合理设计的参数后,设计水源提供水量可灌溉315.9亩;最大需水量57.6 m3/h,可提供的水量为65 m3/h,水源满足要求。项目区划分为4个灌溉小区8个地块,每个轮灌区最多有2条支管,8条分支管,128条毛管。管网分为干管、支管、分支管、毛管4级,毛管铺设长度分别为75 m,水头偏差小于2.48 m;分支管铺设长度分别为28 m水头偏差小于2.05 m,水压满足要求,各级管道水流速度在经济流速范围内。
绿康泰生态园滴灌工程作为临潼区高效节水灌溉工程的一部分,通过水力计算,设计结果满足规范要求,目前该工程已按设计内容施工完成。通过项目的实施,解决了灌溉水源问题,提高了灌溉水的利用系数,起到了高效节水的作用;灌溉设备中采用了自动化控制系统,使灌溉更加方便和准确,达到了省时、省力的效果;提高了作物的产量和品质,增加了群众的经济收入。可为类似滴管工程设计提供借鉴。