小管出流在农田水利工程中的应用

（宿迁市水务勘测设计研究有限公司 宿迁 223800）

随着种植结构的不断优化，发展特色农业已成为我国农业结构战略调整的必然趋势，传统的灌溉方式已不适应现代农业需求。发展高效、节水、实用性强的灌溉方式已成为今后农业发展的趋势。小管出流是介于管道输水灌溉与滴管之间的一种灌溉技术，因其适应性强、操作方便、管理简单、节水节能等优点，已被广泛应用于温室大棚、果树、苗圃等作物的灌溉。本文针对陕西省商洛市商州区小农水重点县探讨小管出流在农田水利工程中的应用。

1 基本资料

陕西省商洛市商州区小农水重点县张村某片区地形较为复杂，岗冲交错，起伏剧烈，地面坡度较陡，耕地为河谷阶地，分布于河道两侧，较为分散、狭长，兼具山区灌区与丘陵灌区的特点。该片区土壤为沙壤土，主要经济作物为核桃，灌溉面积150 亩，灌溉水源主要为河道。新建加压提水泵站，铺设灌溉管网进行灌溉。

根据该项目区农业生产现状及《节水灌溉工程技术规范》《微灌工程技术规范》，该系统所采用的参数如下：

沙壤土田间持水率：θ田=20%～22%，取22%；

灌溉水利用系数：η=0.85；

工程设计保证率：Cu=90%；

设计日耗水强度（核桃）：Ea=3～7mm，取5mm；

计划湿润层深度：z=120mm；

设计土壤湿润比：p=30%；

采用稳流器及Φ4 小管作物灌水器，流量60L/h，其工作压力0.05～0.4MPa。

2 管网布置

管网布置形式根据水源位置、田块形状、控制范围等条件，确定管网采用树枝状布置。张村某片区位于葆榆河右岸，管网采用“干管—支管—毛管”三级配置。干、支管与出地管为地埋管，位于冻土层以下且不低于0.7m。

因地势起伏较大，在坡面较高位置建一座稳压池，干管几乎平行于等高线布置，支管垂直于作物种植方向，毛管位于支管两侧，呈“丰”字形布置。因地形起伏较大，灌水器采用稳流器加1.5mΦ4 小管。在超过灌水器工作压力范围外的区域，支管应分为两段或多段，并在支管连接处增设减压阀井。

根据田块及管网布置情况，同时考虑管理方便，管网系统采用干管续灌，支管分组轮灌的方式。

3 灌溉制度的确定

3.1 一次灌溉用水量（毛灌水定额）

式中：m—设计灌水定额，mm；r—土壤容重，1.40g/cm3；p—设计土壤湿润比，据工程技术规范取35%； z—计划湿润层深度120cm；θmax—适宜土壤含水量上限，取田间持水量的90%；θmin—适宜土壤含水量下限，取65%田间持水量；η—灌溉水利用系数取0.85。

将各数据代入计算得：m=43.24mm。

3.2 设计灌水周期

式中：T—灌水周期，d；m—灌水定额mm；Ea一日耗水强度5mm/d。

计算得：T=8.648d，取T=8d。

3.3 灌水延续时间

式中：t—灌水延续时间，h；m—毛灌水定额，43.24mm；Se—行距m，4.0m；Sr—株距，4.0m；q—灌水器流量，60L/h；n—灌水器个数，本次取1。

将各数值代入计算灌水延续时间t=11.53h，取t=12h。

4 系统工作制度的确定

系统采用支管轮灌的工作制度，每次灌溉位于不同分干管上的多条支管，若每次灌水时间为12h，全部灌完需86.5h，按每天灌水工作时间为20h 计算，全部灌完一遍需86.5/20=4.325d＜8d，满足设计要求。

轮灌组数目：

N ≤CT/t

式中：N—轮灌组数目；C—系统设计日工作小时数，20h；T—设计灌水周期，5d；t—一次灌水延续时间，14h。

计算得：N ≤20×5/14=7.14

本次取八组。

5 系统流量推算及水力计算

5.1 各级管道的设计流量

式中：Q—系统设计流量，m3/h；qd—灌水器设计流量，本次取60L/h；n0—同时工作的灌水器个数。

计算得，毛管设计流量为1.44m3/h，支管设计流量为34.56m3/h。

干管设计流量应为水泵供水量，本次取50m3/h，由此反推同时工作的灌水器最大数量[n0]=50×1000/60=833（个）。

5.2 管径计算

根据工程技术规范推荐，结合PE 管具有良好的经济性，材料抗冲击性好、抗开裂、耐老化、耐腐蚀、水流阻力小、接口稳定可靠等一系列优点，设计中采用PE 管作为输水管道。

管径采用下式进行计算：

式中：D—管道管径，m；Q—系统设计流量，m3/h；v—经济流速，一般取1.5～2.0m/s。

计算得，毛管内径为0.0185m，支管内径为0.0783m，干管内径为0.0942m。考虑管道水锤防护并结合PE 管道规格表，毛管选择PE100 级De25×2.3mm，支 管 选择PE100 级De90×5.4mm，干管选择PE100 级De140×8.3mm，泵站至稳压池输水管选择PE100 级De110×6.6mm。

5.3 管道水头损失计算

干管、泵站至稳压池输水管水头损失按下式计算：

式中：hf—管道沿程水头损失，m；f—摩阻系数，PE 管取0.505；Qg—管道流量，50m3/h；D—管道内径，干管123.4mm，输水管96.8mm；L—管道长度，干管450m，输水管300m；m—流量系数，取1.750；b—管道指数，取4.750。

计算得：hf=4.43m。同理得泵站至稳压池输水管水头损失9.35m。

支、毛管水头损失按下式计算：

式中：hf′—等距、等量分流多孔管沿程水头损失，m；hf—管道沿程水头损失，m；F—多口系数，查表得，支管与毛管均为0.38。

代入支、毛管长度及流量数据，得hf支′=0.8m，

5.4 灌水器水头偏差率与流量偏差率

根据《微灌工程技术规范》（GB/T50489-2009），微观系统灌水器设计允许流量偏差率[qv]不应大于20%。

灌水器工作水头偏差率与流量偏差率的关系式为：

式中：hv—灌水器水头偏差率，%；hmax—灌水器最大工作水头，计算得14.98m；hmin—灌水器最小工作水头，计算得12.65m；hd—灌水器设计工作水头，取15m；qv—灌水器流量偏差率，取20%；qmax—灌水器最大流量；qmin—灌水器最小流量；qd—灌水器设计流量，取60L/h；x—灌水器流态指数，取0.6。

由于采用稳流器，水头变化在5～40m 范围内，流量保持60L/h，即qmax=qmin，qv=0，qv＜[qv]=20%，灌水器流量偏差率满足规范要求。

代入计算，得[hv]≤34%。

最不利毛管hv=15.54%＜[hv]，灌水器水头偏差率满足规范要求。

6 水泵选型计算

6.1 稳压池最低运行水位

稳压池采用钢筋混凝土结构，容积一般取水泵供水量的20%，即为10m3（2.5×2×2），最低运行水位按下式计算：

式中：H0—稳压池最低运行高程，m；Zp—典型灌水小区管网进口的高程，662.5m；h0—典型灌水小区进口设计水头，取15m；∑hf—系统进口至典型灌水小区进口的管道沿程水头损失（含首部枢纽沿程水头损失），7.17m；∑hj—系统进口至典型灌水小区进口的管道沿程水头损失（含首部枢纽沿程水头损失），取0.2 ∑hf，1.44m。

计算得：H0=662.5+15+7.17+1.44=686.11m。

稳压池底板高程比稳压池最低运行高程低0.5m， 即686.11-0.5=685.61m；稳压池最高运行水位H0′比最低运行高程高1.0m，即H0′=686.11+1.0=687.11m。

6.2 水泵设计扬程

水泵设计扬程按下式计算：

式中：H—水泵设计扬程，m；H0′-H′—稳压池最高运行水位高程与水源高程之间的高差，25m；∑h管—输水管总水头损失，11.22m；ΔH首部—首部水头损失，包含水泵吸水管、水泵出水口至干管进水口段、阀门、连接件、过滤器、量测设备等的水头损失；过滤系统水头损失取为8.0m，水泵吸水管水头损失为2.0m，得ΔH首部=8.0+2.0=10.0m。

计算得：H=25+11.22+10=46.22m。

6.3 水泵选型

水泵选型应根据设计流量，设计扬程及实用性、可行性作为依据。根据潜水泵选型手册，选用200QJ50-52/4 型井用潜水泵，电机功率11kW，控制开关DZ15-40。

7 结语

小管出流是农业高效节水灌溉的一项重要技术，因其实用性及适应性强等优点而被广泛应用于山区丘陵地区。随着农业种植结构的不断优化，高效节水灌溉已成为现代农业必不可少的灌溉方式，小管出流灌溉技术必将为现代农业的发展做出更大的贡献■