西北干旱区地表水大田滴灌项目典型设计

李 逸

（兰州资源环境职业技术学院，甘肃 兰州730021）

1 项目概况

景电灌区的国家级高效节水灌溉示范项目位于甘肃省白银市景泰县，滴灌工程实施地点为草窝滩镇西和村，种植作物为枸杞。项目区属黄河流域，自产地表水极为缺乏，灌溉用水全部来自景电高扬程提灌工程提取的黄河水。试验区位于白银市景泰县草窝滩镇西和村北干4支21斗灌溉控制范围内。该典型设计为地表水滴灌工程，水源为黄河水，系统供水量为318 m3/h。管网系统由干管、支管、分支管、滴灌带组成［1］。干管、支管、排水管均为聚氯乙烯（Polyvinylchlorid，PVC）管，干管DN315，支管外径DN225，排水管DN50，公称压力为0.63 MPa；竖管、分支管均为DN90PE管，公称压力为0.40 MPa。DN16PE滴灌带额定流量q=5 L/h，额定工作水头10.0 m，滴头间距1.5 m，间距2.0 m。

2 设计参数的确定

根据设计要求，设计保证率取值90%，灌溉水的利用率为0.9，设计系统的日工作小时数为20～22 h，滴灌设计土壤湿润比为75%，设计耗水强度为4 mm/d，设计灌水均匀度为0.95。

3 首部设施及供水方式

3.1 水源工程

该项目水源为黄河水，水源泥沙含量高，但经长距离渠道输水，基本没有推移质泥沙，以悬移质泥沙为主。景电总干渠水质监测资料显示，平均悬移质输沙量含量888 mg/L，颗粒级配成果见表1。

表1 悬移质泥沙颗粒级配成果

3.2 调蓄预沉池

从泥沙颗粒级配成果可知，景电总干悬移质泥沙含量较高，且粒径主要集中在0.05 mm以下，说明水中含泥量较大。根据《微灌工程技术规范》（GB/T 50485—2009），水质无法满足滴灌需求，必须设置沉淀池［2］。根据运行情况，河水入池后沉淀两三天，即可满足滴灌水质要求。

4 灌溉系统参数设计

4.1 设计参数

依据《微灌工程技术规范》（GB/T 50485—2009）规定，并根据项目区自然条件和经济条件，滴灌设计参数取值如下：①土壤湿润层深度h=55 cm；②适宜土壤含水量上限β1取田间持水率的90%，下限β2取65%；③根据当地气象条件、作物类型，作物耗水高峰期日耗水强度E=4.5 mm/d；④灌溉水利用系数η=0.90；⑤典型区土壤为沙壤土，干容重γ=1.33 g/cm3；⑥田间持水率β=25.0%（占干土质量的百分比）；⑦灌溉系统工作时间t=21 h。

4.2 种植模式

项目区土壤是为沙壤土，现主要种植作物为枸杞，种植规格为行距200 cm、株距150 cm。根据作物种植形式，滴灌管布置形式与种植规格相同，即一管一行，沿枸杞种植方向布置，滴灌管间距为200 cm，所以，选用DN16PE的滴灌管，滴头间距为150 cm。

4.3 灌溉制度

灌溉制度是确定灌溉系统设计流量的主要依据，直接影响工程规模和投资额［3］。根据当地作物、土壤及气候特点，确定枸杞滴灌灌溉制度。

4.3.1 滴灌系统需水量。项目区土壤主要为沙壤土，无淋洗要求，种植作物为枸杞，种植面积133.73 hm2，滴灌系统的最大需水量按《微灌工程技术规范》（GB/T 50485—2009）中式（1）和式（2）计算确定：

式（1）中，Qs为需水量（m3/h）；A为灌溉面积（hm2），取值133.73；Ia为设计供水强度（mm/d）；η为灌溉水利用系数，取值0.90；td为水泵日供水小时数（h/d），取值21。

式（2）中，Ia为设计供水强度（mm/d）；Ea为设计耗水强度（mm/d），取值4.5。

通过计算得出，系统需水量为318 m3/h，所以，枸杞滴灌系统的供水量应不小于318 m3/h。

4.3.2 灌水定额。灌水定额按式（3）进行计算：

式（3）中，γ为土壤容重（g/cm3），取值1.33；Z为土壤计划湿润土层深度（cm），取值55 cm；P为设计土壤湿润比，取值50%；θmax、θmin分别为适宜土壤适宜含水率的上、下限（质量百分比），取值分别为田间持水率的90%、65%，田间持水率为24.5%。

经计算，对于667 m2田块，mmax=14.9 m3。

4.3.3 灌水周期。灌水周期按式（4）进行计算：

式（4）中，T为设计灌水周期（d）；M为灌水定额（mm）；Ia为作物日耗水强度（mm/d），取值4.5。

经计算，灌水周期T=4.98 d，取整为5 d。

4.3.4 一次灌水延续时间。根据式（5）进行计算：

式（5）中，t为一次灌水延续时间（h）；M为设计灌水定额（mm），取值22.4；Se为滴头间距（m），取值1.50；SL为毛管间距（m），取值2.00；qd为灌水器设计流量（L/h），取值5.0。

经计算，t=13.4 h，即一次灌水延续时间为14 h。

4.4 工作制度

4.4.1 灌水小区。单根分支管控制面积为一个灌水小区，其特性见表2。

表2 单个小区布置一览表

4.4.2 轮灌组划分。按照下列公式计算确定：

式（6）中，N为轮灌组数；C为设计日工作小时数（h），取值21。

经计算得，轮灌组数为8个。

根据轮灌组划分结果，共有16条支管，即有196个灌水单元。按照各级管道流量最小原则，干管续灌，支管和毛管轮灌，依次进行分片轮流灌溉［4］。设计每个轮灌组的组合为干管上同时运行2条支管，每条支管各运行5条分支管，则196条分支管分20组运行。系统每天工作时间按21 h计，667 m2灌水定额为15 m3时，一次灌水延续时间为5 h，每灌完一轮水需要5 d，即灌水周期5 d。

在具体运行和分区上，在利于管理的同时，灌水单元尽量均匀分配在分干管的上、中、下游。另外，灌溉时根据实际运行情况，合理调整工作制度。

5 管道系统设计

5.1 管网布置与选择

5.1.1 管道分级。根据地表水源位置及灌溉地块分布的实际情况，输配水管网分干管、支管和分支管三级，干管续灌，支管和分支管轮灌［5］。

5.1.2 管道布置方案。管网布置要考虑多方面因素，针对布置区的地形特点，滴灌管布置方向与枸杞种植方向一致，布置形式为一管一行。滴灌系统管网由输水干管、支管、出地竖管、分支管和滴灌管构成，支管垂直干管布置，分支管平行支管布置，滴灌管垂直分支管按照“丰”字形布置。

5.1.3 管材选择。该典型设计结合管道的耐久性、运输和安装条件，干、支管均选用0.6 MPa的PVC管道，分支管和毛管均选用0.4 MPa的PE管。

5.1.4 管径选择。典型区由景电二期总干渠直接引水至2万m3调蓄预沉池，再用加压泵输送至田间进行灌溉。系统总需水量为318 m3/h，故管道流量按318 m3/h计算。管道管径按经济流速确定，经济流速一般控制在1.0～1.5 m/s，取经济流速V=1.2 m/s，管道的初估管径用式（7）计算：

式（7）中，D为管道计算内径（m）；Q为管段设计流量（m3/s）；Ve为经济流速（m/s），取值1.2。

经计算得，d=0.306 m，干管选用DN315。

同理，支管管径为DN225，分支管管径为DN90。干管、支管埋于地面1.1 m以下，分支管及毛管均为地面铺设。

5.2 管网水力计算

5.2.1 滴灌系统水头损失。根据地形图及管网布置，选择最不利条件下的情况计算各级管道的水头损失，并设计确定各级管材的压力级别。该设计选取1#、2#和15#支管控制的最远的一条分支管及毛管分别进行最不利条件下的管道水利计算。

沿程水头损失采用式（8）计算确定：

式（8）中，hf为沿程水头损失（m）；Q为流量（m3/s）；d为管道半径（mm）；L为管长（m）；f、m、b分别为摩阻系数、流量指数和管径指数。

经计算，当毛管长度为50.00 m时，其总水头损失为2.21 m，其中局部水头损失按沿程水头损失的10%计算。

滴头设计工作水头10.00 m，首部设备水头损失取5.00 m，考虑以上情况及地形落差，经计算，最不利滴头处所需压力分别为19.30 m、14.90 m和5.50 m。

5.2.2 水击压强计算。由于该滴灌系统利用地形自然落差工作原理，总干管进水口水面至最不利工作点的高差为-4.50 m，总水头损失为8.30 m，系统不会产生水击破坏，且管道选用承压能力为0.6 MPa的PVC管，故无须验算水击压力。

由于影响水击压力的主要因素有阀门启闭时间、管道长度和管内流速，因此，在操作中应缓慢启闭阀门，阀门启闭时间应大于4 s，可避免产生直接水击，降低间接水击压力。

6 结语

通过滴灌技术工程的合理设计，同时进行水泵选型、管槽设计、附属工程设计等实施推广，可以达到节能、节财、节水、增产等目的。滴灌在很大程度上改善了当地的农业生产条件，有利于合理高效利用水资源，有利于加快高效节水事业发展。