滴灌技术在柑橘高效节水灌溉设计中的应用

张绍辉 廖功磊,2 钟林涛 余欣,2

1.四川省机械研究设计院（集团）有限公司，四川成都

2.四川省农业工程学会，四川成都

本次柑橘灌溉设计位于南充市南部县雄狮镇金山村内，总面积为61.67 hm2，灌溉面积为34.67 hm2，种植作物类型为柑橘，水源通过元山村西河取水泵房抽水至该村北面山顶水池内，再通过管道自压进入项目区。柑橘种植模式为5.0 m×3.0 m，原灌溉方式为沟灌，水利用系数不高。虽然本项目区年总降雨量十分丰富，但降雨时空分布不均衡，常年出现冬旱夏涝，非常不利于柑橘的生长和发育。为提高本地区柑橘产量和品质，拟采用管上式补偿式滴灌系统作为本项目的柑橘作物的灌溉方式，此种方式能最大程度地解决项目区水利设施的配套和高效灌溉用水问题。

1 柑橘灌溉方式确定

项目区现在灌溉方式为沟灌，灌溉水量大，灌水周期较长，这种粗放的灌溉方式不利于柑橘的正常生长。喷灌是高效节水灌溉中用水量最大的一种灌溉方式，但用水量较沟灌减少20%～30%，且更接近于自然降雨，但考虑到项目区引水管线较长，沿线用水经常出现抢水现象，只宜选择用水量较少的微灌方式。根据四川的气候及柑橘作物生长特性，选择滴灌是柑橘灌溉最为适合的方式之一。

2 柑橘灌溉需水量确定

项目区位于东经105.8°，北纬31.4°，地面高程为386 m，7月多年平均气温25.0℃，多年平均降雨量990.9 mm，多年平均蒸发量1 260.3 mm，2.0 m高处多年平均风速为1.3 m/s，平均日照时数1 353 h。

2.1 依据《微灌工程技术指南》，计算参照作物腾发量

1）确定水汽压差（ea-ed)。相对湿度Rh=55%,查表3-1得ea=31.7 mb，平均水汽压为ed=Rh×ea=0.55×31.7=17.44 mb，水汽压差为（ea-ed)=31.7-17.44=14.26 mb。

2）确定风函数f（U）值。己知2.0m高处多年平均风速为1.3 m/s，查表3-2得风函数f（U）=0.28。

3）确定加权系数W，己知T=25.0℃，高程为386 m，查表3-4得W=0.75，（1-W)=0.25。

4）求净辐射Rn。查表3-5和表3-6得Ra=16.8mm/d，N=13.9h/d，实测日照n=1 353/135=10.02 h/d。

则 n/N=10.02/13.9=0.72，则：

查表3-8至3-10得f（T） =16.2，f（ed） =0.15，f（n/N）=0.72，由式（3-10）得：

取α=0.25，得：

5）确定修正系数C。己知U=112.3 km/d，Ud=1.3 m/s，Rhmax=90%，Rs=10.25 mm/d。查表3-11得C=1.05。

6）计算参照作物腾发量E0。

2.2 计算柑桔的作物需水量

已知7月份项目地平均湿度为Rh=55%，风速Ud=1.3 m/s，气候特征为干燥大风等级，查表3-16得Kc=0.7，则需水量：

2.3 计算微灌耗水强度

己知成年柑橘树株行距为5.0 m×3.0 m，覆盖率Gc=3.14×1.42/(3×5)=0.41，按《微灌工程技术指南》（3-12）公式计算覆盖率修正系数：

由《微灌工程技术指南》（3-11）公式计算柑橘耗水强度：

3 灌溉制度设计

3.1 轮灌制度

1）土壤湿润比。依据单行直线毛管布置（带状湿润）公式计算土壤湿润：

式中：p为土壤湿润比，32%；n为一棵果树下布置的滴头数量，4个；Se为滴头间距，0.75 m；Sw为湿润带宽度1.6 m；St为树果树株距，5.0 m；Sr为果树行距，3.0 m。

2）最大净灌水定额：

mmax=0.001γzp(θmax-θmin)

式中：m max为最大净灌水定额，mm；γ为计划湿润层土壤干容重， 1.32 g/cm3；z为土壤计划湿润土层深度，50 cm；p为设计土壤湿润比，32%；θmax取20.7%；θmin取14.95%。

经计算，mmax=12.14 mm，折合121.44 m3/hm2。

3）最大灌水周期为：

式中：T为设计灌水周期，6 d；Tmax为最大灌水周期，6.32 d；Ia为设计耗水强度，1.92 mm/d。

4）设计灌水定额：

式中：md为设计净灌水定额，mm；m毛为设计毛灌水定额，mm；η为灌溉水利用系数0.90。

5）一次灌水延续时间t。

式中：t为一次灌水延续时间，12 h；Se为灌水器间距，取0.75 m；Sl为毛管间距，取5.0 m；qd为设计的灌水器流量，取4.0 L/h。

6）轮灌组数。轮灌组数按下式计算：

式中：N为轮灌组数；T为灌水周期；t为灌水时间；C为每天运行小时数。

3.2 灌溉管道选择

根据现场丘陵山地的地形特征，项目区主管及支管全部采用PE管，埋地主支管连接方式为热熔焊接，地面以上的PE管采用滴灌专用快速管件连接。考虑到同一灌水小区中高程差达20.0 m的实际情况，非补偿的滴灌灌水器无法满足需求，拟选用管上式压力补偿式滴头则比较适合，滴灌管采用外径为16 mm，耐压等级为0.4 MPa。滴头平均布置间距为0.75 m，滴灌管布置间距为5.0 m，单一管上式补偿滴头为4 L/h。

4 管网水力计算

4.1 管径选择采用下列经验公式进行分析计算：

式中：D为管道直径，mm；Q为计算管段的设计流量，m3/h。

经计算：管网主干管径分别为Φ90、Φ110、Φ160；支管管径为Φ63、Φ40。毛管管径为Φ16×1 mm滴灌毛管。

4.2主管道单出口沿程水头损失利用下式计算，支毛管多口出流管道利用多口系数法进行水力计算，管道沿程水头损失计算如下：

式中：hf为沿程水头损失，m；L为管长，m；f为沿程摩阻系数，f=0.948×105；Q为流量 ，m3/h；d为管内径（mm）；m为流量系数，取1.75；b为管径指数，取4.75；

按最不利灌水小区法计算灌溉系统最低供水压力，经计算管道总水损为21.9 m，加上首部过滤7.0 m，滴头最低工作压力10.0 m，灌溉系统最低供水压力为38.9m。

水源出水口高程为380.0 m，最不利出水口滴头高程为382.0 m，高程差2.0 m。首部水源水压力为43.4 m，最不利滴头实际工作压为43.4-2-38.9+10.0=12.5 m。因滴头实际工作压力（12.5 m）＞滴头最低工作压力（10.0 m），则本系统靠水源的自压力完全能满足滴灌正常工作压力要求，首部除过滤系统外不需要再设置水泵加压系统。

5 管网系统布置

5.1 滴灌毛管

滴头及毛管的工作压力为0.1～0.3 MPa，经计算，Φ16×1mm滴灌毛管在0.1 MPa的工作压力时水平最大铺设长度不大于73.5 m，在0.3 MPa的工作压力时最大铺设长度不大于109.5 m，考虑到现场地形因素影响，Φ16×1mm滴灌毛管沿等高线铺设时宜控制在80.0 m以内，垂直于等高线铺设时高程差应控制在20.0 m以内。

5.2 埋地主支管

与Φ16×1 mm滴灌毛管相连接的支管为Φ40PE管，额定工作压力为1.0 MPa，采用滴灌专用旁通连接。Φ40PE管最大水平铺设长度不宜超过80.0m，其设计流量不应大于8m3/h；Φ63PE支管设计流量不应大于18 m3/h；Φ90PE管设计流量不大于35 m3/h；Φ110PE管设计流量不大于50 m3/h，Φ160PE管设计流量不大于110 m3/h。灌水小区若为长条地形，管道布设时若出现接近或超过最大允许铺设长度的情况时，则管道内的设计流量应做相应减少，以满足同一小区内最大和最小的流量偏差率控制在10%以内。

5.3 管件安装

受丘陵地区地形高差的影响，不同高程灌溉区域供水压力相差较大，为减小因压差过大对管道和灌水器造成破坏，在垂直于等高线Φ90以上的管道，压力差达到50.0 m以上时应设置减压阀门，Φ90及以下的管道设置压力调节器。

5.4 其它事项

无论任何情况之下，轮灌组最大分组数不能超过11组。为确保每个灌水小区的输入压力不超过管道的额定工作压力，管道入口建议安装持压阀，以防止因末端出水阀突然关闭造成管道压力升高而出现管道爆裂；管沟开挖深度为0.7 m，宽为0.4 m。首部设置施肥罐，120目叠片式过滤器，压力表，远传流量计等，管道最高点应安装进排气阀，管道最底点安装排污阀。

6 结束语

近几年高效节水灌溉技术在高标准农田建设中逐渐得到推广与应用，取得了明显的经济效益和社会效益。滴灌技术应用于柑橘灌溉具有节水增产的效果，水利用系数可达90%以上，搭配水肥一体化设备，可提高肥效1倍以上。本文用工程实际案例，对滴灌技术在柑橘种植的应用做了详细计算与设计，对高效节水灌溉应用于柑橘种植具有一定的参考意义。