农业科技园滴灌工程设计研究——以辰宇生态循环经济科技园为例

冯 乐

（平凉市泾东水利水电勘测设计有限责任公司，甘肃 平凉 744000）

1 项目区概况

设计项目位于甘肃省静宁县葫芦河流域威戎镇李沟村万亩现代农业核心区，受益区为辰宇生态循环经济科技园。项目区水源地拟选在葫芦河右岸，水源地为旁河水源地类型；项目区地貌单元属葫芦河右岸Ⅰ级阶地分布地段，分布宽度150 ～300 m，地面高程1 587 ～1 591 m。

项目区农村电网已全部形成，供电设施齐全，电力供应有保障；通信系统健全，通信便捷；各类建筑材料的采购与开采条件较好。

2 项目区需水量预测

2.1 作物种植结构和灌水方式

此次规划灌溉面积13.33 hm，设计灌溉面积13.33 hm。灌区所在地属半干旱地区，种植作物为果树，株距为2.5 m，行距为4.0 m。设计选用滴灌方式，设计滴灌带间距4.0 m，滴头间距2.5 m。

2.2 灌溉水利用系数

根据《微灌工程技术标准》（GB/T 50485—2020）规定，灌溉设计保证率不小于85%。根据灌区规划报告，并结合灌区实际情况，该改造配套工程灌溉设计保证率取90%（见表1）。

表1 滴管灌溉保证率及水利用系数取值

2.3 设计水平年灌溉制度及灌水率确定

项目设计以2021 年为现状基准年，2022 年为设计水平年。灌溉作物为苹果树，根据下式计算出苹果树的灌水定额和灌水周期后，确定该灌区的设计灌溉制度。

①设计灌水定额：

式（1）中：表示设计灌水定额，单位为 mm；表示土壤容重，=1.36 g/cm；表示计划土壤湿润层深度，果树取值80 mm；表示设计土壤湿润比，果树取值40%；、表示适宜土壤含水量的上、下限（一般为田间最大持水量的90%，为田间最大持水量的75%）；表示灌溉水的有效利用系数，取0.95。根据式（1）计算得出，项目区的设计灌水定额为15 mm。

②设计灌水周期：

式（2）中：表示设计灌水周期，单位为 d；表示最大设计灌水周期，单位为 d；表示最大净灌水定额，取值15 mm；I表示滴灌系统设计日耗水强度，取值5 mm/d。根据计算及当地灌溉经验，果树设计灌水周期为3 d。

③灌区设计一次灌水延续时间：

式（3）中：表示一次灌水延续时间，单位为 h；表示设计灌水定额，单位为mm；S表示滴头间距，单位为m；S表示毛管间距，单位为m；表示滴头流量，单位为L/h。

灌区采用PE 滴灌带，沿果树的种植方向一行一管布设，滴灌带铺设间距为4.0 m，滴头（果树）间距为2.5 m，流量为8 L/h。经式（3）计算得=18.75 h，此次设计取值为19 h。

④系统允许的最大轮灌组数

式（4）中：表示设计最大轮灌组数，单位为个；表示系统日工作时间，单位为h，取值20；表示设计灌水周期，单位为d；表示设计每次最大灌水时间，单位为h。由式（4）计算可得=2.84 个，考虑到项目区水源井最小出水量为32 m/h，故此次设计最大轮灌组数3 组。

根据以上计算数据和当地实际灌水需要，灌溉延续时间为10 d，每天不大于20 h，平均灌溉时间为13.5 h，确定 667 m净灌水定额 47.5 m、667 m毛灌水定额50.0 m。

2.4 灌溉用水量

灌区设计灌水率取最大灌水率1.65×10m/（s·hm），滴灌灌溉水利用系数为0.95，采用下式计算设计流量：

式（5）中：表示整个灌区设计流量，单位为m/s；表示设计灌水率，为 1.65×10m/（s·hm）；表示管道控制的灌溉面积，为13.33 hm；表示灌溉水有效利用系数，取值0.95；经计算，=0.002 m/s。灌区灌溉保证率为=90%，全年灌溉用水量为3.0 万m。

3 水量平衡分析

3.1 供水量分析

该工程是从项目区农田中利用大口井取水。区内地形较为平坦，西高东低，地形坡度为1%左右。地下水流自西向东，水源地含水层主要为白垩系（K）砂岩，含水层平均厚度20 m，渗透系数=65 ～75 m/d，属强透水含水层。项目区潜水完整井单井最小出水量=1 440 m/d，单井出水量为60 m/h，能满足灌区年用水量的需求。其水质符合《农田灌溉水质标准》（GB 5084—2021）中的各项标准。

3.2 需水量分析

滴灌区总面积13.33 hm，灌溉总用水量为3.0 万m。

3.3 供需平衡分析

从流量方面分析，工程项目实施后，保证率=90%时，设计输水流量为0.002 m/s，大口井最小出水流量为0.017 m/s，此水源井最小出水流量完全满足该工程的灌溉要求。从总水量方面分析，设计灌溉需水量3.0 万m，水源井年总有效出水量为20 万m，总出水量远远大于总需水量，通过水量平衡分析，无缺水现象，完全满足灌溉要求。

4 工程等别及防洪标准

根据《灌溉与排水工程设计标准》（GB 50288—2018）及《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252—2017）规定，装机流量小于 25 m/s，装机功率小于0.01 万kW，该工程等级为Ⅴ等，属小（2）型工程，建筑物级别为5 级，洪水设防标准为10 a。

5 工程设计

5.1 工程总体布置

该工程水源采自地下潜水，规划在项目区农田中打一眼大口井。井内安装井用潜水泵1 台，配套变频设备经首部枢纽过滤后直接向田间输配水。配水管网分为干管、分干管、支管、毛管4 级管道布置。配水干管从西到东布设，支管垂直干管呈“丰”字形布设，支管与毛管采用DN16PE 管旁通连接。毛管根据株距，每行布设1 排。毛管沿种植方向布置，采用一行一管的地埋式布置形式。毛管在植物根部打孔，孔间距为2.5 m，滴孔流量为8 L/h。滴灌管以支管为中心双向铺设，利用按扣和三通连接。为确保灌水均匀度，毛管铺设长度按顺坡不大于50 m、逆坡不大于45 m 进行控制。根据《喷灌与微灌工程技术管理规程》（SL 236—1999），干管与分干管、支管连接处设置1 闸阀井，井内在每条支管进口设1 个闸阀，在干管处设1 个节制阀。

5.2 工程设计方案

根据近年该灌区及临近灌区的实际灌溉经验，结合甘肃省水利厅印发的《甘肃农业灌溉用水定额》，根据相关设计依据和项目区基本资料确定基本设计参数。根据果树作物灌制度，每次灌水时间最长10 d，一天工作不超过20 h。为保证运行安全及灌溉质量，在运行过程应严格按设计的灌溉制度进行操作。

5.2.1 基本参数。土壤湿润比为40%；滴灌设计耗水强度为5.0 mm/d；根据《微灌溉技术标准》的要求，设计灌溉水利用系数取为0.95；日工作时间为18 h；设计灌溉保证率为90%；设计湿润深度为80 mm。

5.2.2 滴管工程设计

5.2.2.1 水源工程。该滴灌系统的水源为井水，根据设计水资源供需平衡分析，水量完全能满足灌区灌溉要求。井水内含有少量泥沙，无悬浮物和杂物，需要经过田间过滤器过滤，方可完全符合农田灌溉水质标准。

5.2.2.2 首部枢纽。①自动反冲洗叠片过滤器系统。该系统可对水中的杂质进行过滤，过滤能力为32 m/h，可满足滴灌工程水质要求。②施肥系统。微灌与施肥一体化是实现增产、增收的关键，也是高效节水灌溉的核心技术之一。根据各种施肥技术类型的特点，并结合项目区作物的需肥要求，此次设计灌溉系统均采用150 L 塑料施肥罐+0.5 m/h 注肥泵的施肥系统。③控制设备。首部安装2 套控制蝶阀，过滤器进口处安装1 个，可调节进水量；蝶阀采用2"蜗轮蝶阀，该类型阀门的开启和关闭时间不少于30 s，可防止水锤发生。④量测设备。在过滤器进口和出口处各安装1个压力表，通过1 个三向阀门可检测过滤器进水口和出水口的压力，用于灌溉系统的压力监控及过滤器清洁程度和清理时间的判定；水表安装在过滤器出口处，采用数字直读干式水表。该水表读数区不进水，减少肥料对水表的腐蚀，可延长水表的使用时间。

5.2.2.3 输配水管网。系统输配水管网由干管、地面支管和毛管组成。静宁县最大冻土深度为0.91 m，故干管、分干管埋深1.5 m 即可满足防冻要求。支管垂直等高线布置，每条支管均有1 个阀门控制，便于对轮灌组的管理；毛管垂直于支管并沿农作物耕作垄平行铺设，每行苹果树铺设1 根毛管，铺设间距4.0 m，由地面支管及阀门控制灌溉。

5.2.2.4 灌水器。灌水器是直接向作物施水的设备，其作用是把末级管道即毛管中的压力水流均匀、稳定地分配到田间。灌水器质量直接影响灌水质量。对灌水器的要求是出流量小、出水均匀、抗堵塞性能好、制造精度高、便于安装、坚固耐用、价格低廉等。该项目区采用直径为16 mm 外镶式滴灌管线，每株树旁边安置1 个滴头，流量8 L/h。

5.2.2.5 灌水区水力设计。在该工程中，一条支管和其供水的毛管构成了一个灌水小单元，沿毛管铺设方向，坡度小于1‰，按平坡计。

①灌水器设计允许水头偏差：

式（6）中：h表示灌水器工作水头偏差率，取值0.45；h表示设计滴头工作水头，取值10 m。由式（6）计算得出，［△］=4.5 m。对于灌水小区允许水头偏差分配，该系统按=0.45、=0.55分别分配给支管、毛管，则支管允许水头偏差［△］=0.45［△］=2.025 m，毛管允许水头偏差［△］=0.55［△］=2.475 m。

②平铺条件下毛管极限孔数：

式（7）中：N表示毛管极限孔数，单位为个；表示毛管直径，取值16 mm；表示毛管水头损失扩大系数，=1.1 ～1.2，该设计取1.1；表示滴头平均间距，取值2.5 m；q表示滴头流量，取值8.0 L/h。由式（7）计算得出，N=57 个。

③极限长度：

式（8）中：L表示毛管极限长度，单位为 m；表示滴头平均间距，单位为m；N表示毛管极限孔数，单位为个；表示毛管进口至首孔的距离，单位为m。由式（8）计算得出，L=143 m。

5.2.2.6 配水管网水力计算和各级管径确定。依据《微灌工程技术标准》，对多孔滴灌带各级管道进口流量均采用下式计算：

式（9）中：表示各级管道的进口流量，单位为L/h；q表示第个下一级管道灌水器或出水栓的流量，单位为L/h；表示下一级管道上灌水器或出水栓的数量。

各级管道的管径采用下式计算：

式（10）中：表示管道内径，单位为 m；表示管道设计流量，单位为m/s；V表示经济流速，取值1 m/s。

5.2.3 系统运行方案确定。滴灌系统压力控制在100 ～150 kPa。由于效益区地势平坦，地下水埋深约在16 m，持水层较浅，水位较为稳定，可确保灌溉均匀度和灌溉用水量达到设计要求。实际灌溉时可开启1 个灌溉系统进行轮灌，每天灌溉用时17.1 h，在设计范围内15 d 可保证灌溉正常进行。

5.2.4 系统管道水力计算

5.2.4.1 毛管铺设极限长度确定。毛管选用φ16 mm 的滴灌管，滴头间距2.5 m，滴头流量8 L/h，流态指数0.600。由式（8）计算得出，毛管铺设极限长度为143 m，考虑到条田的长宽和纵坡，确定毛管实际铺设长度顺坡最长为120 m。

5.2.4.2 毛管流量确定。1 条毛管流量按下式计算：

式（11）中：表示毛管流量，单位为 m/h，计算得0.386m/h；表示毛管长度，取值120 m。

5.2.4.3 支管流量确定。根据每条支管控制的毛管条数，即得出支管流量：

式（12）中：表示支管流量，单位为 m/h；表示毛管流量，单位为m/h；表示毛管条数，取值28个。经计算，支管流量最大为10.8 m/h。

另外，由式（10）计算得出支管内径为57 mm，因此，支管采用工作压力为0.25 MPa 的DN63UPVC 管。

5.2.4.4 输、配水干管流量及水力计算。输配水干管道内径根据式（10）计算确定，其中配水干管设计流量为0.006 m/s。经计算，干管内径为62 mm，采用工作压力为0.63 MPa 的DN90UPVC 管。干管水头损失按下式计算：

式（13）中：h表示沿程水头损失，单位为 m；表示计算管段的长度，取值768 m；表示管段流量，取值0.006 m/s；表示管道内径，取值88.8 m。

各管段局部水头损失h按管段沿程水头损失的10%计算。经计算，水头总损失=h+h=12.22 m。

5.2.4.5 管网压力情况。经管网水头计算可得出各级管段末最不利流量状态下的工作压力。

5.2.5 系统总扬程计算及水泵选型

5.2.5.1 输水管管径计算。依据轮灌组划分确定水泵流量，水泵设计流量为32 m/h，输水管管径按式（10）计算，其中水泵取水管流量32 m/h、流速1.0 m/s，计算得出输水管内径为75.2 mm。因此，采用工作压力为3.0 MPa 的Dg100（外径114 mm，壁厚6 mm，内径102 mm）无缝钢管。

5.2.5.2 取水泵设计扬程计算。水泵沿程水头损失按下式计算：

式（14）中：表示单位管长水头损失，单位为m/m；表示输水管的长度，单位为m。

输水管采用无缝钢管段，单位管长水头损失按下式计算：

式（15）中：表示管段流速，取值 1.088 m/s；表示管道内径，取值102 mm。

经计算，=0.000 05 m。

局部水头损失可按沿程水头损失的10%计取，则总水头损失=0.000 05+12.22+9.57+1.62=23.41 m。

5.2.5.3 取泵站设计扬程计算及选型。根据《泵站更新改造技术规范》（GB/T 50510—2009），由以上各项计算可知，项目区内输水管道水头损失为23.41 m，几何扬程15.00 m，设计扬程38.45 m，则水泵设计额定扬程为52.00 m，富余水头13.55 m，查水泵性能表，选配200QJ32-52/4 型潜水泵1 台，额定流量32 m/h，额定扬程52.00 m，配套电动机功率7.5 kW。为减小水锤压力，保证水泵电机安全，在潜水泵出口处安装DN100 闸阀及缓闭式止回阀，最大工作压力1.6 MPa，规格为 DN100。

5.3 供电设计

泵站供电架设10 kV 的高压线0.5 km，电源引自明星村明星社附近高压干线；采用单回路供电，水泥电杆长12 m，档距为50 m；架设低压线路0.3 km。考虑到水泵、照明及管理生活用电，在大口井傍各架设杆式变压器，选用S11-20/10 型变压器1 台，其容量为20 kVA。

6 实施效益分析

该工程实施后，苹果园667 m增产59 kg，增长率为10%；产量总体增加3.56 万kg，苹果按11 元/kg 计算，年增加效益39.16 万元；与常规灌溉工程相比可节水1.3 万m，节水效益为1.00 万元。