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西安市临潼区绿康泰生态园滴灌工程设计实例分析
刘凡明（西安市临潼区地下水工作队 陕西 西安710600）
摘 要 滴灌是利用滴头、滴灌管（带），以滴水或细小流水的方式，湿润作物根区附近部分土壤的灌溉技术。与传统的地面灌溉相比，具有灌水均匀，灌溉水利用率高；适时适量供水供肥，作物产量高，品质好；易于调节土壤湿润体内盐分浓度；适应于各种土壤和地形等多方面的优点。本文通过实例分析滴灌工程的设计过程，为广大基层水利工作者提供参考和借鉴，共同提高滴灌工程设计水平。
关键词 滴灌；实例；分析
1 项目区基本情况
1.1自然条件
绿康泰生态园位于临潼区徐杨街道屯刘村、西王村界内，紧靠208县道，占地700亩，主要种植樱桃、葡萄等经济作物。项目区内地势平坦，海拔在374-375之间，土壤以中壤土为主。土壤容重为1.37t/m3，孔隙率为40～50%，田间最大持水量24.3%，PH值为7.88，有机质含量0.84～1.36%，有机质含量0.84～1.36%，土方氮磷比32：1，冻土层厚28cm。多年平均降水量575.82毫米，频率为50%、75%、90%的降雨量分别为553.4mm、482.7mm、427.3mm。降水具有强烈的季节性，多集中在七、八、九三个月。
1.2工程设施条件
项目区属于渭河以北渠井双灌区，由于地处泾惠灌区下游，农灌时水源不能保证灌溉用水，所以灌溉用水以机井补水为主，且该区地下水补给情况良好，水质情况良好，符合农业灌溉用水要求。地层主要以粘土、粗砂、细砂层等为主，农用灌溉机井成井深度80-150 m，出水量为15-40m3/h。项目区分为北区和南区，南区长340 m，宽250 m，面积130亩；北区长210 m，宽200 m，面积70亩，总计200亩，均种植樱桃，樱桃的株行距为4 m×4 m。
1.3水源条件
项目区内原有机井1眼，井深80m，出水量25m3/h；另外有200 m3蓄水池1座。为了满足灌溉用水要求，再新打150m深机井1眼，出水量40m3/h。2眼井共同抽水到蓄水池，再从蓄水池中抽水作为灌溉水源。
2 设计参数的确定
根据樱桃的种植方式、土壤质地要求，结合滴灌工程设计标准，确定滴灌工程设计参数。
2.1设计保证率
根据《微灌工程技术规范》（GB/T50485-2009）及项目区经济条件，滴灌工程灌溉设计保证率取90%。
2.2设计耗水强度
以往灌溉实测结果表明，樱桃耗水高峰在5月，该月日均设计耗水强度Ea=5.0mm/d。
2.3灌溉水利用系数
滴灌工程的灌溉水利用系数区η=0.90
2.4设计土壤设计湿润比
根据果树株行距，确定毛管和灌水器的布置方式，毛管采用单行直线铺设、滴头均匀分布。土壤设计湿润比计算如下：
P=(0.785×DW2/Se×S1)×100%
本次设计中毛管间距S1=4.0m，滴头间距Se=0.5m,毛管湿润带宽度DW=1.0m。将参数代入上式，计算结果： P=39%。
2.5计划湿润层深度
根据作物及灌水方式确定计划湿润层深度。果木滴灌，根据经验计划湿润层深度取H=1.0m。
2.6适宜土壤含水量
适宜土壤含水量上下限分别为θmax =19.80%和θmin =15.40%。土壤干容重γ=1.37g/cm3，
2.7日灌溉最大运行时数
根据机井工况情况，机井日最大工作时数td=18h。
3 灌水器的选择
根据果木需水要求、种植方式及灌水器水利特性，拟采用PE滴灌管，直径16mm，壁厚1.0mm，滴头间距0.5m，设计工作压力0.1Mpa，滴头流量3.0L/h，流态指数χ=0.46。
4 设计灌溉制度
4.1 最大净灌水定额
滴灌项目区计划湿润层深H为1.0m，土壤的湿润比p为39%，适宜土壤含水量上下限分别为θmax =19.80%和θmin =15.40%。土壤干容重γ=1.37g/cm3，灌溉水利用系数η=0.9；
则最大净灌水定额为：
mmax =0.001γH（θmax-θmin）p
=0.001×1.37×1.0×(19.80－15.40) ×39%
=23.51mm
经计算，最大灌水定额为23.51mm，换算为15.68 m3/亩
4.2灌水周期T
Tmax=mmax/Ea=23.51/5.0=4.70天
设计灌水周期T。
T≤Tmax T =4天
4.3设计灌水定额
设计净灌水定额md=T×Ea =4×5.0=20.0mm（合13.34m³/亩)。
设计毛灌水定额m＇=md/η
=20.0/0.9=22.22（mm）（合14.82m³/亩)
式中：m＇为设计毛灌水定额；
md为设计净灌水定额，md =20.0mm；
η为灌溉水利用系数，η=0.9。
4.4一次灌水延续时间t
t=( m＇×Se×S1)/qd
式中：t为一次灌水延续时间，h；
m＇为设计毛灌水定额，mm；
Se为灌水器间距，m，Se=0.5m；
S1 为毛管间距，m，S1=4m；
qd 为灌水器流量，L/h，qd =3.0L/h
将参数代入得: t=( 22.22×0.5×4)/3.0
=14.8h
5 水量平衡计算
根据机井稳定出水量和樱桃需水强度，计算机井可控制的灌溉面积，计算公式如下：
A=(η×QS×td)/10×Ea
式中 A为灌溉面积，hm2；
QS为水源可供水量，m3/h；
td为水泵日供水小时数，h；
其他符号意义同前。
灌溉水利用系数取0.90，水源可供水量65m3/h，水泵日供水小时数取18h，设计耗水强度5.0mm/d。将参数代入得：
A=(η×QS×td)/10×Ea=(0.9×65×18)/10×5=21.06 hm2
经换算为315.9亩，大于项目区面积200亩，水源满足滴灌系统要求。
6 工程规划布置
为充分利用蓄水池的作用，两眼井共同抽取地下水至蓄水池，作为灌溉水源。在蓄水池旁修建滴灌首部系统管理房，干管南北方向布设，输水到项目区南北边界，支管按灌溉小区东西方向布设，分支管平行于支管东西方向布设引水到地头，毛管顺樱桃行方向布设，分部在分支管的两侧，呈“丰”字型。干管、支管埋设于地下，分支管及毛管布设于地上。
7 系统工作制度的确定
考虑到作物种类、水源条件和经济状况等因素，确定系统实行轮灌工作制度。
8 灌溉小区设计
9.1水头偏差计算
灌水小区中灌水器的流量差异取决于灌水器的水头差异，灌水器的水头偏差率与流量偏差率的关系为
hv=qv/χ[1+0.15×(1-χ)/ χ qv]
式中 hv为灌水小区中灌水器水头偏差率（%）；
qv为灌水小区中灌水器偏差率，取qv=20%。
χ为灌水器流态指数，χ=0.46。将参数代入得：
hv=qv/χ[1+0.15×(1-χ)/ χ qv]
=0.2/0.5[1+0.15×(1-0.5)/0.5×0.2]=0.45
工作压力ha=10m时，灌水小区水头允许偏差为4.5m。
微灌小区设计允许水头偏差在支、毛管之间的分配比例为0.45 ：0.55，因此灌水小区中允许的最大水头差为
Δh支=4.5×0.45=2.05m
Δh毛=4.5×0.55=2.48m
9.2毛管极限长度计算
毛管的极限铺设长度可按下式计算：
Lm=INT(5.446×Δh毛×d4.75/k×s×qd1.75)0.364×s
=96m。
本次设计毛管的长度为75m，小于毛管的极限铺设长度96m，因此毛管铺设长度满足设计要求。
9 输水管网布置
管网按干、支、分支管、毛四级管道布设。干管沿园区道路框架布设；支管东西走向布设；分支管平行于支管输水到地头，毛管垂直于支管按作物行距布设，每4m布置一道。
管网平面布置图
10 轮灌组划分与管道设计流量的确定
允许的轮灌组最大组数为
N= T×c/t
=4×18/14.81=4.86(组)
根据实际，园区划分为4个轮灌组，8个地块。
毛管流量计算采用公式
Q毛=n×qi
=150×3＝450 L /h=450 L／h
式中qi=3 L /h n为一条毛管上的滴头数n＝150个
分支管流量Q分支=N×Q毛
=16×0.45 m³／h =7.2 m³／h
支管流量Q支=N×Q分支
=4×7.2 m³／h =28.8m³／h
每条支管控制4条分支管，则一条支管控制的毛管数数目N＝64个
干管流量
Q干=2 ×28.8=57.6 m³／h
则可知，每个轮灌区最多有2条支管，8条分支管，128条毛管。
采用2眼单井水量分别为40m3/h和25m3/h的机井向200m3蓄水池供水作为灌溉水源，水量满足设计要求。
11 管网水力计算
选取距离水源较远、面积稍大的第一轮灌组为典型，进行管网水利计算
11.1毛管水力计算
毛管沿程水头损失采用多流出流计算，局部水头损失可按沿程损失的比例计算。水力分析表明，在平坡条件下，滴头平均工作水头出现于毛管长度1/3处附近。应先计算最大工作水头所在的滴头号，再由此向上推算毛管进口的工作水头。通过计算，由于毛管水头损失较小，对整个系统的水力计算影响可以忽略不计。假设最末端滴头的工作水头等于设计工作水头。毛管水力计算采用下式：
h毛进口=hf毛+hj毛+hd+ΔZAB
hf毛=f(Qgm/Db)L×F
式中 h毛进口为毛管进口水头，m
hf毛为毛管沿程水头损失，m
hj毛为毛管局部水头损失，m，一般hj毛=0.1 hf毛
hd为灌水器工作压力，m
ΔZAB为A与B两点高程差，0.1m
f为摩阻系数
Qg为管道流量，L/h
D为管道内径，mm
L为管长，m
m为流量指数
b为管径指数
F为多口系数
f、m、b、F等参数可查《微灌工程技术规范》（GB/T50485-2009），本设计中毛管采用聚乙烯管f=0.505，m=1.75，b=4.75，F=0.362,经计算：
hf毛=f(Qgm/Db)L×F
= 0.505×(0.451.75/164.75) ×75×0.362=1.149m
h毛进口=hf毛+hj毛+hd+ΔZAB
=1.15+1.15×0.1+10+0.1=11.37m
11.2分支管水力计算
分支管水力计算方法与毛管相同，一条分支管长度为28m，毛管的间距为4m，则一条分支管控制的毛管数目为16条，流量为7200 L/h，分支管采用聚乙烯φ63，内径为59mm , f=0.505，m=1.75，b=4.75，F=0.453,经计算：
hf分支=f(Qgm/Db)L×F
= 0.505×(72001.75/594.75) ×28×0.453=0.140m
h分支进口=hf分支×1.1+ h毛进口
=0.299×1.1+ 11.37=11.69m
分支管、毛管水头总损失为：
hf毛×1.1+ hf分支×1.1=1.149×1.1+0.140×1.1=1.42 m＜Δh支=2.05m，满足水头偏差要求。
11.3支管、干管水力计算
支管、干管水力计算方法与毛管、分支管不同，不再考虑多流出流系数。利用经济流速估算管径，计算公式如下：
a.干管管径
d=18.8(Q/V)0.5=18.8×（57.6/1.48）0.5=117.28mm
式中 d—管道内径（mm）
v—管道内经济流速（m/s）, v=1.48m/s
Q—流量（m3/h）
干管选用φ110UPVC管，壁厚为3.2 mm。
b.支管管径
d=18.8(Q/V)0.5=18.8×（28.8/1.11）0.5=95.76mm
式中 d—管道内径（mm）
v—管道内经济流速（m/s）, v=1.11m/s
Q—流量（m3/h）
干管选用φ90UPVC管，壁厚为2.7 mm。
c.干管、支管水利计算
采用下式：
H管进口=hf+hj+h上一级管进口+ΔZBc
hf=f(Qgm/Db)LF
式中 h管进口为管道进口水头，m
hf为沿程水头损失，m
hj为局部水头损失，m，一般hj=0.1 hf
hd为灌水器工作压力，m
ΔZBC为B与C两点高程差，0m
f为摩阻系数
Qg为管道流量，L/h
D为管道内径，mm
L为管长，m
m为流量指数
b为管径指数
F为多口系数
f、m、b、F等参数可查《微灌工程技术规范》（GB/T50485-2009），本设计中干管、支管采用UPVC管f=0.464，m=1.77，b=4.77，计算结果如下表：
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绿康泰生态园滴灌Ⅰ区管道进口压力计算结果表 |
|||||||||||||
|
工程分区 |
管道名称 |
管道出口压力(m) |
设计流量(m3/h) |
管长(m) |
计算管径(mm) |
设计管径(mm) |
壁厚(mm) |
设计流速（m/s) |
沿程水头损失(m) |
总水头损失(m) |
地形高差(m) |
进口压力(m) |
管道压力（Mpa） |
|
Ⅰ区 |
支管 |
11.69 |
28.8 |
100 |
95.76 |
90 |
2.7 |
1.11 |
1.73 |
1.90 |
0.30 |
13.89 |
0.6 |
|
干管 |
13.89 |
57.6 |
170 |
117.28 |
110 |
3.2 |
1.48 |
3.85 |
4.24 |
0.4 |
18.53 |
0.6 |
|
其他轮灌组水力计算结果
|
绿康泰生态园滴灌其他轮灌区管道进口压力计算结果表 |
|||||||||||||
|
工程分区 |
管道名称 |
管道出口压力(m) |
设计流量(m3/h) |
管长(m) |
计算管径(mm) |
设计管径(mm) |
壁厚(mm) |
设计流速（m/s) |
沿程水头损失(m) |
总水头损失(m) |
地形高差(m) |
进口压力(m) |
管道压力（Mpa） |
|
Ⅱ区 |
支管 |
11.69 |
28.8 |
100 |
95.76 |
90 |
2.7 |
1.11 |
1.73 |
1.90 |
0.30 |
13.89 |
0.6 |
|
干管 |
13.89 |
57.6 |
50 |
117.28 |
110 |
3.2 |
1.48 |
1.13 |
1.25 |
0.4 |
15.54 |
0.6 |
|
|
Ⅲ区 |
支管 |
11.69 |
21.6 |
85 |
82.93 |
90 |
2.7 |
1.11 |
0.88 |
0.97 |
0.30 |
12.96 |
0.6 |
|
干管 |
12.96 |
43.2 |
310 |
101.57 |
110 |
3.2 |
1.48 |
4.22 |
4.64 |
0.4 |
18.00 |
0.6 |
|
|
Ⅳ区 |
支管 |
11.69 |
10.08 |
85 |
56.65 |
90 |
2.7 |
1.11 |
0.23 |
0.25 |
0.30 |
12.24 |
0.6
|
