节水滴灌工程系统设计

【摘 要】节水滴灌工程系统干管由水源井两侧沿南北方向布置，干管上设14条分干管。分干管进入大棚内连接竖管后，各分出两条支管，支管平行分干管，沿大棚长向布置，支管4条各。垂直支管单向分出60条毛管，毛管间距为0.75m、长度为9m，滴头间距为0.4m，滴头23个。额定工作压力0.1（MPa） ，管 径12 （mm）， 滴头流量3 （L/h） 。水泵选型 ：流量为6.417m3/h，工作水头48.823m，选择200QJ7-65/5型潜水泵，电机功率4KW，水管直径1.5吋。　　1. 工程概况　　（1）项目区内共有人口2670人，其中农业人口2580人，劳动力801人，土地面积0.85万亩，耕地面积0.64万亩，耕地主要以玉米、高梁等为主。经济收入以农业为主，农业年产值260万元，人均收入1980元。　　（2）项目区属温带大陆性季风气候，四季分明，多年平均降雨量489.5mm，多年平均蒸发量1900mm，年平均气温7.9℃。年最高气温24.1℃（七月份平均）年最低气温-10.7℃（一月份平均），最大风力9级，风速4.3m/s，无霜期165天，多年平均日照数2782.1小时，最大冻土深1.78m。　　2. 工程布置　　节水滴灌工程系统干管由水源井两侧沿南北方向布置，干管上设14条分干管。分干管进入棚内连接竖管后，沿北侧墙根布置，在1/4m和3/4m处，各分出两条支管，支管平行分干管，沿大棚长向布置，支管4条各1/4棚长。垂直支管单向分出60条毛管，毛管间距为0.75m、长度为9m，每条滴灌带毛管上滴头间距为0.4m，布置滴头23个。　　3. 灌溉制度　　3.1 灌水定额。　　大棚内种植型式是畦田耕作，畦宽0.75m，畦高0.3m，畦间距0.75m，畦上栽植两行蔬菜间距0.6m，蔬菜株距0.4m，则株行距按0.75×0.4m计算，设计湿润层深度按Z=0.3m计，土壤容重为γ=1.45g/cm3，灌溉水利用系数为η=0.90，设计湿润比为P=50%，土壤湿度上下限分别按土壤田间持水率90%和60%计，土壤田间持水率为22%，则max=1980，　　min=1320，按（1）式计算：　　m=0.1γzP（max-min）/η （1）　　经计算灌水定额m=16mm。　　3.2 一次灌水工作时间。　　一次灌水工作时间t应按（2）式计算：　　t=mSeS1/ηq （2）　　式中： m——设计灌水定额，m=16mm；　　Se——滴头间距，Se=0.4m；　　S1——毛管间距，S1=0.75m；　　η——灌溉水利用系数，η=0.90；　　q——滴头流量，q=3L/h；　　经计算一次灌水时间t=2小时。　　3.3 灌水周期。　　灌水周期T应按（3）式计算：　　T=m/Ea （3）　　式中： m——灌水定额，m=16mm；　　Ea——耗水强度，按大棚蔬菜耗水强度低限值计取，Ea=4mm；　　则灌水周期T=4天。　　3.4 系统工作制度。　　允许的最多轮灌组数目按下式计算：　　Nmax=C·T/nt　　式中：N——允许的轮灌组数目　　C——设计系统工作小时数 （h）C=14h　　T——设计灌水周期 （d）T=4d　　t——一次灌水延续时间 （h）t=2h　　n——一条毛管在所辖区移动次数　　Nmax=14×4/（1×2）=28（组）　　灌区内有14栋暖棚，因此确定系统的工作制度为干管路分7组轮灌，棚内分4组，共28个轮灌组。整个灌区共布置2412条毛管路，根据允许的轮灌组数确定同时工作的平均毛管数最小为87条。这种布置方案方便管理、节省投资并可以保证灌溉均匀。14栋棚规格差异很大，分组原则为同时工作的2条支管路上的毛管数之和接近平均值，以使水泵稳定、高效的运行。　　4. 滴灌系统设计　　根据地势及大棚的规格有差异，选取距离水源井最远且面积最大的14号棚作典型设计。14号棚种植面积为长×宽=180×9.2m，约折合2.5亩。　　4.1 灌水器的选择。　　根据本小区的土壤条件和所种的作物为经济作物，所选迷宫式滴灌带，灌水器性能参数如下：　　额定工作压力0.1（MPa） ，管 径12 （mm）， 滴头流量3 （L/h） ，滴头间距0.4 （m） 。　　4.2 管网设计名。　　采取枝状管网，供水干管路采用P340塑料管，埋于地下1.5m，分干管在棚内首段连接竖管，在棚纵向1/4和3/4处分别连接支管。出水竖管由两部分组成，下部仍为P340塑料管，高0.5m，上部铁管高1.8m，使出水口高出地面0.8m，便于滴灌系统过滤器、施肥罐等安装检修。支管为PE管，利用承插式旁通与PE滴灌带连接。　　4.2.1 选径。　　根据公式d=1.13（Q/v）0.5计算　　式中：d——管内径，m　　Q——管内流量，m3/s　　Q毛=滴头流量×毛管上滴头个数，Q毛=0.003×23=0.069m3/h　　Q支=∑Q毛=0.069×60=4.14m3/h=0.00115m3/s　　Q分干=Q支=0.00115m3/s，　　Q干=∑Q毛=0.069m3/h×93条=6.417m3/h=0.00178m3/s，　　v——经济流速，1.0～1.5 m/s，取v=1.3m/s　　计算得d干=0.0418m=41.8mm，d分干=d支=0.0336=33.6mm　　选择公称外径d干=50mm，d分干=d支=40mm　　4.2.2 极限孔数计算。　　分干管进入大棚顺北侧墙根布置，至大棚90m和135m处，各分出两条支管，支管平行分干管，沿大棚长向布置，支管四条各45m；毛管沿大棚短向布置，每条支管设毛管60条，共设毛管240条各9m。　　根据实践经验棚内滴灌带短向布置不必考虑极限孔数，按下式计算滴灌毛管的极限孔数。　　Nm=INT（5.446[Δh2]d4.75/KSqd1.75）0.364计算。　　4.2.3 干管。　　干管采用50P340管，埋于地下1.5m，由水源井至大棚分出14条分干管。分干管在每个大棚处利用40×50×40变径三通与干管连接。分干管顺大棚北侧墙根布置，在棚内首端连接竖管作为出水口，在大棚1/4和3/4处，分别接40等径三通和4090°弯头，然后分别用短接头接40×40×40等径三通，接40PE支管。　　4.2.4 支管。　　沿大棚长向过道布置，采用40PE管，每条支管上接60根12PE毛管。支管与毛管采用承插旁通连接，在支管末端设40死堵。　　4.2.5 毛管。　　毛管采用12PE管，为减少毛管上分流孔水头偏差，采用短管滴灌形式，沿大棚宽向　　结合作物株行距布置，毛管间距为0.75m，滴头间距为0.4m。在毛管末端设12PE死堵。　　4.2.6 滴头。　　因温室大棚较长，滴头较多，为降低工程造价，在满足各类蔬菜需水量要求的情况下，配置抗阻塞的孔口式滴头，滴头间距为0.4m。　　4.3 管网水力计算。　　4.3.1 毛管水力计算。　　毛管设计进口水头按（4）式计算：　　h0=hd+Khf （4）　　式中 h0——设计毛管进口水头（m）；　　hd——滴头设计水头，hd=10m；　　K——水头损失扩大系数，取K=1.1；　　hf——毛管沿程水头损失按5）式计算；　　hf=（fSqdm/db）[（N+0.48）m+1/（m+1）-（Nm（1-S0/S））] （5）　　f——水头损失计算的函数，取f=0.6；　　m——水头损失计算的指数，取m=1.7；　　b——水头损失计算的指数，取b=4.7；　　S——毛管上分流孔间距，S=0.4m；　　qd——毛管上单孔设计流量，qd=3L/h；　　d——毛管内径，d=12mm；　　N——分流孔总数，N=23；　　S0——毛管进口至第一个分流孔的间距，S0=0.2m；　　经计算，hf毛=0.023m，h0毛=10.025m。　　4.3.2 支管水力计算。　　按（4）和（5）式计算，式中：hd=10.025m、qd=69L/h、d=35.8mm、N=60、S0=0.375m，S=0.75m，其它符号意义相同，经计算支管沿程水头损失hf支=0.700m，支管进口水头h0支=10.795m。　　4.3.3 干管水力计算。　　选择干管进口至分干管末端最后一个出水口，管线最长进行计算。按（6）式计算：　　hf=fLQm/db （6）　　f——沿程水头损失系数，硬塑料管f=94800，铸铁管f=625000；　　L——管路长度，m；　　Q——管内设计流量，m3/h；　　d——管内径，mm；　　m——水头损失计算指数，m=1.77；　　b——水头损失计算指数，b=4.77；　　干管hf=94800×120×6.4171.77/44.44.77=4.24m　　分干管hf=94800×140×4.141.77/35.84.77=6.35　　竖管hf=625000×2.3×4.141.9/35.85.1=0.25m　　4.3.4 系统工作水头。　　H=hd+∑hf+hj+hsg+△Z （7）　　式中 H——干管设计进口水头；　　hd——分干管末端工作水头，hd=h0支=10.795m；　　∑hf——沿程水头损失，∑hf=4.24+6.35+0.25=10.84m；　　hj——局部水头损失，取hj=20%∑hf=2.168m；　　hsg——施肥罐、过滤器的水头损失，hsg=1.5m；　　△Z——典型点与动水位高差，△Z=100.16-76.64=23.52m。　　经计算H=10.795+10.84+2.168+1.5+23.52=48.823m。　　4.4 首部枢纽。　　4.4.1 过滤设施。　　灌溉水源为地下水，腐化物较少，为防止水泥沙等杂质堵塞管路和滴头，故在棚内出水口上设40×120目筛网过滤器。　　4.4.2 施肥设施。　　结合滴灌时施肥和农药，在棚内首部设置10L注塞式施肥罐。　　4.4.3 控制设施。　　本系统通过阀门来控制系统压力和流量，在水泵出口和施肥罐处各安装塑料阀门，以便控制流量和肥料的施用量。　　5. 水泵选型　　根据计算所得流量为6.417m3/h，工作水头48.823m，选择200QJ7-65/5型潜水泵，电机功率4KW，水管直径1.5吋。