济南紫缘香草园节水灌溉应用浅析

周晓明，曹元青

（济南市章丘区水务局，山东 济南 250200）

济南紫缘香草园成立于2011年12月，是山东地区种植面积最大、品种最多的香草主题现代观光园区，占地26.67余公顷。香草园内景德福有机农业14.67 hm2，主要种植瓜果蔬菜，可以实施“提水泵站（水肥一体化）+滴灌”的灌溉模式，来实现园区内的高效灌溉。主要为灌溉泵站蓄水池取水后接入的主管道、支管及滴灌管，主管道基本沿灌区地貌形状铺设，滴灌管沿作物种植行走向布置。

1 主要建设内容

1.1 高效节水灌溉工程

1）管道系统：由主管道、支管、滴灌管两级管道组成。

2）泵房系统：采用潜水泵抽水，配备控制柜，变频器，逆止阀，泄压阀，底阀。

3）过滤系统：采用自动反冲洗叠片过滤器。

4）一级首部系统：配备水表，减压持压阀，逆止阀，空气阀，涡轮蝶阀。

5）自动化及施肥系统：单线控制系统，单通道施肥机。

1.2 水源工程

本项目工程建1座泵房，均采用统一结构尺寸的整体订购彩钢房，地基持力层采用原状土，地基混凝土强度为C15碎石混凝土。水源利用现有水源作为项目用水。

1.3 信息自动化工程

为实现项目区的自动化、信息化生产、安全化，提高水资源利用效率，增加作物产量，本次信息化建设采用分层、分布、分散式结构，系统建设信息化中心，对提水灌溉系统实时监测、控制，对项目区常规气象实行监测，在保证整个系统安全可靠运行的前提下，降低运行管理费用，实现节水灌溉自动化、调度科学化，管理信息化，达到项目区的自动化、信息化、安全化生产，提高水资源利用效率，增加作物产量。

1.4 管道布置

根据种植面积，作物生长情况，经济投入及效益，本项目设置多个轮灌组，分区控制。主管道基本沿灌区现有主干道走向布置。当需要灌溉时，根据轮灌顺序，控制田间阀门的启闭，干、支管送水到相应轮灌区田间滴灌管。支管基本沿灌区现有主干道及田间路走向布置，滴灌管沿作物种植行走向布置。

2 灌溉制度及管道设计

2.1 水量平衡计算

在水源供水流量稳定且无调蓄能力时，根据下式验证水量是否满足灌水要求。

式中：A 为灌溉面积，hm2，本项目 A=10.3 hm2；η为灌溉水利用系数，取0.95；Qs为系统所需流量，m3/h；C 为系统每日工作时间，h，取 20 h；Ia为设计供水强度，mm/d，无淋洗要求时，等于设计耗水强度，本设计取5 mm/d。

经计算，该系统所需流量Qs=28.61 m3/h。水源为浅水井且可实现持续供水，因此，水量满足系统要求。

2.2 确定灌溉制度

1）灌溉强度计算。灌溉强度按下式计算：

式中：IR为灌溉强度，mm/h；qd为滴头流量，L/h；Se为滴头间距，m；Sl为滴灌管铺设间距，m。经计算，灌溉强度IR=1.4 mm/h。

2）设计轮灌组。单个轮灌组运行时间按下式计算：

式中：t为单个轮灌组运行时间，h；Ea为设计耗水强度，mm/d。

经计算，单个轮灌组运行时间t=2.8 h。

轮灌组数按下式计算：

式中：N为轮灌组数目，取整数；Nmax为最大轮灌组数；T为设计灌水周期，d，本设计灌水周期T=1 d，每周灌溉 7 d。

经计算，最大轮灌组数Nmax=5.33，本项目轮灌组数N取为5。

2.3 毛管流量

一条毛管上的流量按下式计算

式中：Q毛为毛管的设计流量，m3/s；Nd为毛管上出水孔的个数；qd为出水孔流量，m3/s。

2.4 支管流量与管径

本项目区边界不规则，支管沿边界或道路布置，滴灌管沿各作物种植向铺设，铺设间距为3 m，每行作物一根滴灌管。支管的流量等于该支管负责的同时工作的毛管流量之和：

支管管径通常根据经济流速进行推算：

式中：D 为管道内径，m；Q 支为流量，m3/h；v为流速，m/s。

本设计中，支管选用PVC90/8和PVC63/8，铺设于冻土层以下。经济流速取1.3 m/s。

3 管网水力计算

3.1 毛管水力计算

毛管沿程水头损失采用多孔出流计算，局部水头损失通常可按沿程水头损失的比例估算。

式中：H毛进口为毛管进口水头，m；hf毛为毛管沿程水头损失，m；hj毛为毛管局部水头损失，m，可按沿程水头损失的10%考虑；hd为灌水器工作压力，m。F为多口系数；f为摩阻系数；Q为流量，L/h；d为管内径，mm；L 为管段长度，m；m 为流量指数；b为管径指数。

本设计中取 f=0.505，m=1.75，b=4.75。

3.2 支管水力计算

支管沿程水头损失按下式计算：

式中：hf支为沿程水头损失，m；F为多口系数；f为摩阻系数，取 0.505；Q 为流量，L/h；d 为管内径，mm；L为管段长度，m；m、b为流量指数和管径指数、聚乙烯管，取m=1.75，b=4.75。

支管进口水头按下式计算：

式中：H支进口为支管进口水头，m；hj支为支管局部水头损失，m，一般按照沿程水头损失的10%～15%估算，本设计取10%；H毛进口为毛管进口工作压力，m。

灌水小区设计总的原则是包括支管、毛管在内的整个小区压力变差控制在22%以内，反映在流量上其变差率低于10%，本设计采用压力补偿滴灌管，其流量变差为0。粗略估算毛管铺设长度时，应该从单根毛管的最大铺设长度降低30～40 m作为可行的整个小区实际铺设长度。

4 其他设计

4.1 首部枢纽设计

主要包括自动反冲洗10 cm×6.67 cm叠片过滤器、13.32 cm离心过滤器、中央控制&施肥一体机、立式泵Q=60 m3/h，H=40 m，P=11 kW水泵及控制量测设施与保护装置。

4.2 施肥系统

本设计采用全进口单通道施肥机施肥，将施肥机直接安装在首部系统管的旁路中，管路中水流的功能驱动施肥机工作，通过该施肥机向系统中添加肥料、药品、各种添加剂等介质目的。

4.3 控制量测设施

水表是控制首部的组成部分，位于过滤器之后，具有高度的精确性（2‰），灌溉系统首部设水表，其作用是准确测量泵所抽取的水量。此设计中的水表读数为3″。

4.4 灌溉控制系统

整个项目区灌溉控制方式应为自动控制方式，控制器采用NMC JUNIOR灌溉型控制器进行自动控制。

5 工程效益

本工程项目建设完成运行后，项目区内14.67 hm2土地的农田水利基础设施将有很大的改善，蔬菜、果树、林业、草坪、香草种植，灌溉、施肥均实现自动化控制，降低了工人劳动强度，灌溉、施肥用工量减少95%左右，年灌溉用水量减少20%～30%，耗油量、用电量相应降低30%，增收蔬菜、经济作物25%～30%的产量，经济效益提高20%，起到增产增收、节水、节能、节地、省工的效果。