靖边县超采区滴灌工程五期管网典型设计

高彩芬，王 静，冯 宁

（陕西省榆林市靖边县水资源调度中心,陕西 榆林 718500）

1 工程概况

靖边县高效节水灌溉项目滴灌工程五期工程范围为靖边县靖边县地下水超采区小桥畔村、东坑村、毛窑村、黄家峁村、毛团村、硬地梁村、金鸡沙村、四十里铺村、新建村共53328 亩农田的节水灌溉,设计灌溉保证率为85%。

项目区内现建成有水源1120 眼,均用于农业灌溉,原有水泵型号为为200 QJ（32）40-91、200 QJ（32）40-78潜水泵,机井井径30 cm,深200 m,松散层130 m,岩层70 m,静水位埋深40 m,动水位埋深50 m,下泵深度60 m～80 m不等。项目区在灌溉期,水泵运行时出水量恒定。所以本次不新建水源井,直接利用原有机井500 眼。

项目灌溉水源采用地下水,通过原有机井利用水泵提水至地埋低压管道,分干管间隔100 m布置给水栓,给水栓接支管、支管接毛管进行灌溉,给水栓为双向给水栓,每次灌溉控制1条支管,支管长度为50 m。根据实地踏勘,毛管间距设置为0.9 m,布置在支管两侧,单侧长度为50 m。

2 管网典型设计

选择小桥畔村10 号井（片区）控制的98 亩耕地作为典型地块进行设计。土豆种植方向为东西向,种植两行为一畦。

2.1 基本参数

灌溉方式以滴灌灌溉,灌溉保证率一般取85%～95%,结合项目所在地水文气象、作物组成及经济效益等因素,综合考虑,确定设计灌溉保证率为85%；灌溉水利用系数0.9；系统设计日工作小时数,20 h；其他有关技术参数如下：

①土壤计划湿润层厚度,本次滴灌以土豆为主,微灌土壤湿润层厚度0.6 m。

②微灌设计土壤湿润比,60%。

④土豆作物耗水强度,Ia=5 mm/d 。

2.2 田间管网布置

滴灌系统输水管网采用如下

水源（原有机井）→计量装置（水表、压力表）→施肥罐（施肥控制装置）→干管（地埋PVC管）→支管（PE管）→毛管（滴灌带）。

2.2.1 输配水管网

工程输配水管网包括干管、分干管、支管、毛管,毛管沿作物种植方向铺设,支管垂直于毛管铺设,支管与分干管垂直布设,干管与分干垂直布设。

其中干管、支管埋设在地下,地埋深度大于最大冻土层以下（当地最大冻土层深度为1.3 m）,因此本项目设计管沟开挖深度为1.5 m；支管、毛管均铺设于地面；分干管上布置给水栓,给水栓接支管、毛管进行灌溉,每个给水栓控制1根支管,因地块面积不等,根据轮灌组划分确定每次开启出水栓数量。

出水栓间距100 m,支管间距100 m,单条支管左右两侧布置毛管,毛管间距0.9 m,每条支管控制110 条毛管,单条毛管长50 m。

2.2.2 毛管选择与布置

根据设计湿润深度,结合当地的土壤条件,考虑实际情况,本次毛管（灌水器）采用迷宫式滴灌带,设计流量为qd=2.0 L/h,滴头间距Se=0.3 m。

土豆种植两行为一畦,毛管布置两行土豆中间,平行于作物种植方向,毛管间距0.9 m。

本次毛管为内镶片式滴灌管,外径φ16 mm,滴头间距0.3 m,工作水头hd=8.0 m,流态指数0.5。

2.3 灌溉方法与灌水定额

2.3.1 灌水方法

灌水方法采用滴灌,种植作物为土豆,土豆的种植株行距为0.9 m。

2.3.2 灌水定额确定

式中：mmax为设计灌水定额,mm；γ为土壤容重,1.45 g/cm3；Z为设计土壤湿润层深度,0.6 m；为适宜土壤含水率上下限（占干土重量百分比）。65%；田为田间持水量,24%；P为设计土壤湿润比,60%。

本次设计取25.06 mm,16.7 m3/亩。

2.3.3 设计最大灌水周期

式中：Tmax为最大灌水周期,d ；Ea为作物设计日耗水强度,5 mm/d。

则灌水周期Tmax=25.06/5=5.02 d

计算设计灌水周期取为5 天。

2.3.4 设计毛灌水定额

M=mmax/η=25.06/0.9=27.84 mm（18.57m3/亩）

2.4 灌溉工作制度和流量的确定

2.4.1 灌水器的选择

根据目前国内灌水器的种类和水力性能,拟选用Φ16毛管,滴头技术参数见表1。

表1 滴头性能参数表

2.4.2 一次灌水延续时间

灌水器流量q=2.0 L/h,灌水器间距Se=0.3 m,毛管间距Sl=0.9 m,经计算得：

式中：t为一次灌水延续时间；Se为滴灌出水器间距,m；Sl为毛管间距,m；qd为滴头设计流量,L/h。

则一次灌水延续时间t=3.8 h,取t=3.8 h/组。

2.4.3 轮灌组数目

轮灌区数目计算公式为：

式中：N为轮灌组数目,个；C为系统设计日工作小时数,20 h。

根据实际灌溉,典型地块轮灌组取26个（见表2）。

表2 滴灌区轮灌组划分表

续表2

2.5 田间管道水利计算

2.5.1 灌水小区允许水头差

毛管采用内镶片式滴灌管,单根滴管长50 m,管径16 mm,滴头间距0.3 m,滴头流量2.0 L/h,滴头工作水头ha=8.0 m,流态指数x=0.5。

毛管及支管允许水头差根据下式计算。

当qv=20%时,灌水小区容许水头差：

支、毛管水头差分配比分别为 0.5、0.5,即：

2.5.2 毛管极限长度确定

毛管的极限容许长度按下式进行计算：

式中：Lm为毛管允许的极限长度,m；qa为滴头设计流量,L/h,为2.0 L/h；S为毛管上出水孔间距,为0.3 m；D为毛管内径,mm,为16 mm；K为毛管局部水头损失加大系数,取1.05。

经计算,毛管极限长度为79.6 m,本次毛管（迷宫式滴灌带）长度取50 m,符合要求。

2.5.3 管网流量及管径确定①毛管进口流量

式中：Q滴为设计滴管流量,m3/h ；Se为滴头间距,取0.3 m；L为滴管长度,取50 m；qd为滴头流量,2.0 L/h。

经计算,单条毛管进口流量为0.333 m3/h。

②支管流量及管径确定

根据管网布置和灌溉制度,一次灌溉每条支管同时最多开启55条毛管,则：

式中：Q为设计流量,m3/h；D为管道管径,mm；V为设计流速,1.5 m/s。

经计算,管径为D支=97.46 mm。

本次支管选用φ90 PE管,壁厚2.7 mm , 工作压力0.63 MPa。

③干管流量及管径确定

根据管网布置和灌溉制度,灌溉系统由一条干管控制,灌溉时开启一个轮灌组内所有支管,则：

Q干=38 m3/h（上述最大轮灌组流量）

干管经济流速按1.3 m/s进行计算。

本次干管选取φ110 UPVC管,壁厚2.7 mm,工作压力0.63 MPa。

2.5.4 系统水头损失计算

1.3.该地区岩浆活动较为频繁。岩浆岩分布面积也占到了70%以上，且具有代表性，主要以早期的郭林家超单元以及中生代的燕山，早期新元古代震旦早期的超单元以及双顶超单元和马连庄超单员，有各式种类的入侵和各类蔓延，研究区内的煌斑岩等中基性脉岩与矿体空间构造密切关联，也就是深部岩浆活动的热源释放部位，是其热源释放的中心。

根据典型区管网布置及地形的特点,根据滴灌工作制度,进行水力损失计算,结果见表3。

表3 区块-10（机井10）滴灌系统压力最大时系统的水头损失计算汇总表

①毛管沿程损失水头：

式中：h毛为毛管水头损失,m；F为多孔系数；hf为无旁孔出流时的沿程水头损失,m；hj为毛管局部水头损失取毛管沿程水头损失的20%；Q毛为毛管流量,Q毛=0.333 m3/h；D为管道内径,mm；L为管道长度,m,50 m；N为出口数目,个,取166个；f为摩阻系数,0.505；m为流量指数,1.75；b为管径指数,4.75；x为进口端至第一个出水口的距离与孔口间距之比,为0.5。

毛管的最小水头差hmin=8.0 m,其进口工作压力水头为：② 支管沿程水头损失按下式计算：

式中：H支为支管水头损失,m；F为多孔系数；hf为无旁孔出流时的沿程水头损失,m；hj为支管局部水头损失取支管沿程水头损失的20%；Q支为支管流量,m3/h；D为管道内径,mm；L为管道长度,取50 m；N为出口数目,110个；f为摩阻系数,0.464；m为流量指数,1.75；b为管径指数,4.75；x为进口端至第一个出水口的距离与孔口间距之比,为0.5。

支管进口工作压力水头为：

③干管沿程水头损失按下式计算：

式中：h为总水头损失,m；hf为沿程水头损失,m；hj为局部水头损失取沿程水头损失的 10%；Q为流量,40000 L/h；D为管道内径,mm,104.6 mm；L为管道长度,（到支管J36 所流经管道）；f为摩阻系数,0.464；m为流量指数,1.77；b为管径指数,4.77。

2.6 首部枢纽设计

由《低压管道输水灌溉工程技术规范》可知,管道系统设计扬程应按下式计算：

式中：Hp为水泵设计扬程,m；H0为管网进口压力水头,m；Zd为动水位,50 m；h首为首部设备水头损失,取10 m；h为最不利灌水点与管网进口处的地形差,0.5 m。

通过计算,本项目水泵扬程计算结果=50+0.5+10+22.11=82.61 m。

（2）水泵选型

原机井水泵型号为200QJ40-91/7-18.5kW潜水泵,则本次设计可直接利用原有水泵。

2.7 管道节点压力校核

管道节点压力计算采用下式计算：

式中：Hin为管道节点压力水头,m；∑hf为管网入口压力水头,m；∑hj为计算管线沿程水头损失,m；Z为计算管线局部水头损失,m；为设计控制点与管网入口地面高程差,m。

带入数值,计算选取管道节点水头压力见表4,均满足设计标准。

表4 各滴灌系统管道节点压力计算表

3 结语

项目的实施带动超采区实现滴灌普及,实施后可以产生经济效益3631.71 万元,节地1067 亩,节水426.63 万m3。同时,通过节水灌溉工程的实施,将会改善项目区的农业生产状况,推动农业生产的全面发展,促进了农业结构调整,水资源短缺现象将得到有效缓解,可有效减少灌区地下水的开采量,从而有效遏制地下水位不断下降的趋势。