小管出流灌溉技术在果园灌溉系统中的应用

  李家振

（徐州市山区节水灌溉示范基地管理处  221000）

摘  要：小管出流灌溉技术是主要的节水灌溉技术之一，果园应用小管出流灌溉非常普遍，小管出流灌溉系统应如何进行规划设计，才能达到要求，笔者在徐州市汉王镇果园基地节水灌溉项目实施中就此问题进行了研究探讨。

关键词：果园　小管出流　节水灌溉

0  引言

小管出流灌溉系统主要针对国产节水灌溉微灌系统在使用过程中，灌水器易被堵塞的难题和农业管理水平不高的现实，打破微灌灌水器流通的截面通常尺寸，而采用超大流道，以Φ4PE塑料小管代替微管滴头，并辅以田间渗水沟，形成一套以小管出流灌溉为主体的符合实际要求的微灌系统。该系统具有堵塞问题小，水质净化处理简单；施服方便；省水；适应性强；操作简单，管理方便等优点，该技术特别适合于果树灌溉。

1  基本情况

    果园基地灌区位于徐州市汉王镇境内，基地田块南北长300m，东西长400m，总面积180亩，地势平坦，土质为砂壤土。种植作物为杏树、桃树及石榴等果树。作物株距4m，行距4m，每行37棵果树（150m/行)，共200行。考虑到本区长期缺水，灌水较为频繁，灌区拟采用小管出流节水灌溉技术模式。 

2  工程方案

2.1  工程布置

根据汉王镇果园基地的总体规划，发展小管出流灌溉面积180亩。为了减少输水损失，在灌区的中间打机井1眼，作为灌溉水源。系统首部枢纽布置在水源附近，用一干管将压力水流输送进微灌管网。

2.2  管网布置

2.2.1毛管与小管布置：果树株距4m，行距 4m，南北向种植。毛管沿作物行向布置，毛管间距4m，小管间距4m。本系统毛管铺设长度150m，每条毛管上有37个小管。

2.2.2干、支布置：干管从水源井东西向布置，支管和干管平行。干管和支管都垂直于作物种植方向。

2.2.3控制、调节和保护装置：在水泵的出口处安装逆止阀。各支管进口处安装控制阀门，在干管和支管的首端安装进、排气阀，在每条支管的末端要安装冲洗排污阀。

2.3  灌水器选择

根据目前国内灌水器的种类和水力性能，拟选用直径D=4mm的PE管，PE管的流态指数X=0.7，在毛管和PE管之间安装稳流器，保证工作水头在10―30m之间时，出水流量为q=30L/h，PE管长度L=1.5m。

2.4  工程技术参数

根据实践经验，结合该地实际情况，该系统采用如下设计参数：工程设计保证率为90%；设计日耗水量Ea=5mm/d；土壤湿润比p=30%；设计灌水均匀度Cu=95%；灌溉有效利用系数η=0.9。

3  小管出流灌溉制度设计及计算

3.1  一次灌溉用水量计算

    设计一次灌水量由下式计算： I =β(F_d-W_o)ZP/1000

    式中：I―一次灌溉用水量，mm；β―土壤中允许消耗的水量，以占土壤有效含水量的比例计，取50%；F_d―田间持水量，占土体12%；W_o―土壤调萎含水量占土体4%；Z―计划湿润层深度，取1.1m；P―土壤湿润比，为30%。

    将以上数据代入上式计算求得设计一次灌水量 I = [50×(12-4)×1.4×30]/1000 = 16.8(mm)

3.2  设计灌水周期的计算

    两次灌水之间的时间间隔为灌水周期，计算公式为：  T = I/ Ea   式中：Ea―微灌日耗水强度，Ea=4mm/d；T―轮灌周期，d。将I和Ea值代入公式，计算得： T = 16.8/4 =4.2(d)  取T=4d。

3.3  一次灌水延续时间计算

t = IS_eS_L /ηq    式中：t― 一次灌水延续时间，h；I― 一次微灌用水量(mm)，取16.8mm；s_e―灌水器间距(m)，取4m；s_L―毛管间距(m)，取4m；η―灌溉水利用系数，η=0.9；q―灌水器流量(L/h)，取30L/h。将以上数据代入上式,计算得： t = 16.8×4×4 /（0.9×30） = 10(h) 。     

3.4  轮灌组数的确定

    为了使每个轮灌组灌水时水泵出水量基本相等，压力比较均匀，缩小管径，降低工程投资，本系统设计采用轮灌工作制度。即根据实际支管情况，对支管实行分组轮流供水，每次灌溉只有一条支管工作。轮灌组数计算如下：  N = CT / t

    式中：C― 每天灌溉时间，取C=20h； 将以上数据代入上式，则轮灌组数目： N = 20×4 /10 = 8(组)   

4  灌溉系统流量推算

4.1  毛管流量推算：  一条毛管的进口流量为   Q′_毛 = qL_毛/S   式中：q―毛管出水口流量，q=30L/h； L_毛―毛管长度，L_毛=148m； S_毛―毛管上出水口间距，S=4.0m。 将以上数据代入上式，计算出各条毛管的流量为： Q′_毛 = 30×148/4 = 1110(L/h)。               

4.2  支管流量计算

                      n

    一条支管的流量为Q_支 = ΣQ_毛，每条支管为双向控制。

                     i=1

    每条支管控制25条毛管，左边控制13条，流量为14430l/h；右边控制12条，流量为13320L/h。

4.3  干管流量推算：干管流量Q_干 = Q_支 =14430+13320=27750(L/h)。

5  系统管网水力计算

5.1  毛管水力计算

5.1.1  毛管管径的选择

    根据本灌区所确定的灌溉均匀度Cu=95%，或流量偏差率q_v=0.2，小管流态指数X=0.7，Φ4PE小管设计工作水头h_d=10m。按下式计算一条毛管上灌水器的允许工作水头偏差率H_V为：

 H_V = 1 / X ×q_v[1+0.12×（1-X） /X×q_v]=1/0.7 ×0.2[1+0.12×(1-0.7)/0.7×0.2] =0.29

    取D=20mm，可用下式求得，毛管允许的最大孔数N_m=[(m+1)h_dH_v / Kasq_d^m]^1/(m+1)+0.52        

    式中：K―局部损失加大系数，取1.1；S―出水口间距，取4m；q_d--毛管单孔出水量，取30L/h；a―系数，a =1.006×10^-5D^{-(0.123LgD+4.885)}=3.14×10^-7；m―指数，m=1.753(D/2.5)^0.018=1.746；h_d―设计水头，取10m。将以上数据代入上式得： N_m=[(1.746+1)×10×0.29/（1.1×3.14×10^-7×4×30^1.746）]^1/(1+1.46)+0.52=37(个) 。      

    则毛管允许的最大长度L_m=N_mS=37×4=150(m)。由于该地块毛管铺设长度为150m，满足设计要求，故取D=20mm符合设计要求。

5.1.2  毛管进口压力h_o计算

    毛管沿树行平行布置，灌水器最大工作压力水头在毛管进口处第一个出水口处。进口压力h_o计算由式h_o=h_max+ka(Nq_d)^mS_o；式中：h_max―灌水器最大工作水头；S_o―毛管进口到第一个出水口距离。

h_o=h_max+ka(Nq_d)^mS₀=12.24+1.1×3.14×10^-7(37×30)^1.746×2=12.38(m)。

5.2  系统总扬程的确定与水泵选择

    经比较，离干管最远的轮灌组，为最不利工作情况，因此，根据该轮灌组工作时的情况推求系统总扬程。

5.2.1  支管水头损失计算

    假定支管用Φ50PVC管，则支管内径D=46mm，用下式计算支管沿程水头损失。                                                    

    h_干= KfSq_d^m / d^b [（N+0.48)^m+1）/（  m+1） - N^m(1- S_o/ S)]                                              

式中：h_干―等距多孔管沿程水头损失，m；S_o―多孔管进口至首孔的间距，m，取2m；N―分流孔总数，取13个；            q_d―单孔设计流量l/h，取1110L/h；m―流量指数，取1.77；b―管径指数，取4.77； f―摩阻系数，取0.464；d―管内径，mm，取d=57mm。 把以上数据代入上式计算得：

  h_干=1.1×0.464×4×1110^1.77/46^4.77[(13+0.48)^1.77+1/ （1.77+1）- 13^1.77(1- 1/2)]=2.58(m)。     

5.2.2  干管水头损失

    假定干管用Φ90PVC管材，则干管内径d=84mm，干管水头损失用下式计算： h_干=kf Q^m / d^b L ；式中f=0.464，m=1.77，b=4.77，Q=27750L/h，L=210m。 将以上数据代入上式计算得：h_干=1.1×0.464×27750^1.7 /84^4.777×210=5.20(米)。

5.2.3  系统总扬程

H=H_干+H_支+h_o+△H+h_动水位  式中：H―系统总扬程；△H―水泵、吸水管及首部设备的水头损失，假定为4米；h_动水位―水源动水位，取6米。 将以上数据代入上式计算得：  H=5.2+2.58+12.38+4+6=31.85(米)。

5.2.4  水泵选型

    根据系统扬程H=31.85m，流量27.750m³/h，查水泵性能表，选用150Q32-36/6电泵，电机功率5.5kw。通过干、支管压力分布分析，可以看出干管和支管管径符合支、毛所需进口水头，故干管选用Φ90PVC管村，支管选用Φ50PE管材。

6  首部枢纽选用和管网选用

6.1  小管出流灌溉系统首部枢纽设备包括水泵、变频调速器、过滤器、化肥注入器、水表、闸阀、逆止阀、进排气阀等，各种设备的选用如下：①水泵选用150QJ32-36/6电泵，电机功率5.5KW；②过滤器。选用200目筛网式全塑过滤器；③化肥注入器。采用压差式施肥罐；④水表和压力计。水表用容积水表，压力表用弹簧压力表；⑤进排气阀。干管进排气阀采用1.5″，支管进排气阀采用1.0″；⑥逆止阀。逆止阀用Φ75。

6.2  灌溉系统管网由干管、支管、毛管三级管道组成，支管以上各级管道的首端设置Φ80控制阀，在地埋管道的阀门处设置阀门井，在干、支管道的首端设置进排气阀，末端设置冲洗排污阀。在干支管的拐弯处，末端应设置固定墩。固定塑料管道每隔50m间距设置伸缩节。干管埋深0.8米，支管埋深 0.7米。

7　小　结

　　采用上述技术方法直观，计算准确，工程采用该技术方案进行施工安装，达到了原来设计要求，灌溉效果比较理想。鉴于徐州市目前果树种植面积在逐年扩展，需要推广应用小管出流等微灌节水灌溉技术。项目技术方案是关键，只有抓好工程方案择选工作，才能保证节水灌溉工程达到技术要求。

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