浅谈小管出流工程设计——以黄花滩田间配套工程为例_刘兴国.pdf

农业工程农业与技术2023，Vol.43，No.06浅谈小管出流工程设计以黄花滩田间配套工程为例以黄花滩田间配套工程为例刘兴国(兰州新区市政设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730000)摘要:目前甘肃省内灌区多采用渠灌、管灌、滴灌和微喷等多种节水灌溉方式，考虑到灌区水源条件、地形坡度、作物生长期、风速、蒸发量、土壤的渗透性和保水性、土壤含盐量、作物品种、群众管理水平等影响因子，灌区需采用适宜的田间节灌模式，古浪县黄花滩田间配套工程项目区土地为新开垦土地，地形平缓，区域适宜灌溉种植经济林、饲草、山药、枸杞等作物，该工程已实施运行，效果良好，本文以该工程 1#地块小管出流为设计实例，对其他地区小管出流设计具有参考意义。关键词:灌区;节灌;小管出流中图分类号:S274文献标识码:ADOI:10.19754/j.nyyjs.20230330012收稿日期:20230131作者简介:刘兴国(1990)，男，本科，工程师。研究方向:水利工程建设和节水灌溉研究。1基本资料古浪县黄花滩田间配套工程项目区土地为新开垦土地，地形平缓，区域适宜灌溉种植经济林、饲草、山药、枸杞等作物，采用渠灌、管灌、滴灌和微喷等多种节水灌溉方式，考虑灌区水源条件、地形坡度、作物生长期风速、蒸发量、土壤的渗透性和保水性、土壤含盐量、作物品种、群众管理水平等影响因子，分析认为灌区紧邻沙漠，风沙较大，不适宜明渠输水，适宜的田间节灌模式应以大田滴灌为主，经济林以微灌(小管出流)为主1。该工程 1 号地块灌溉面积 33.33hm2，种植作物为枸杞，采用小管出流灌溉方式，灌溉水源为景电二期古浪灌区北分干渠。2设计参数参照 微灌工程技术规范SL103 规定，并根据灌区自然条件和经济条件，小管出流设计参数取值如下。设计灌溉保证率 90%;设计土壤湿润比，根据灌区的气候条件、土壤质地、作物、灌水器布置方式以及投资因素，取设计土壤湿润比为 40%;计划湿润层深度，根据作物根系分布状况，取 65cm;作物耗水高峰期日耗水强度，根据当地气象条件、作物类型，参照灌溉试验资料和 微灌工程技术规范，作物耗水高峰期日耗水强度取 4.5mmd1;灌溉水的利用系数 0.90;土壤容重，典型区土壤为壤土，干容重取1.5gcm3;田间持水率 24%(占干土重%)2。3灌溉制度3.1设计灌水定额 mm=0.1zp maxmin()/式中，m 为设计灌水定额，mm;为土壤容重，1.5gcm3;z 为计划土壤的湿润层深度，0.65m;max、min为土壤适宜含水率(占干土重量的百分比)的上下限，分别 90%、60%;为灌溉水利用系数，0.90。项目区土壤为沙壤土，田间持水率为 22%30%，设计取 24%。经计算，设计灌水定额 m=31.2mm。3.2设计灌水周期 TT=(m/Ea)式中，m 为灌水定额，mm;Ea为作物日耗水强度，鉴于作物类型、气象条件，高峰期日耗水强度为4.5mmd1;为灌溉水利用系数，0.90;计算得 T=6.2d，采用 6d。3.31 次灌水时间 t灌水时间计算公式:t=mStSrnq滴式中，t 为 1 次灌水延续的时间，h;q滴为灌水器设计流量，10Lh1。经计算，需水高峰期的轮灌组 1 次延续灌水时间为 6.2h。3.4轮灌组划分N CTt式中，N 为轮灌组的数目，个;C 为系统 1d 的运942023，Vol.43，No.06农业与技术农业工程行小时数，20h。计算得，N18，故最大轮灌组数为 18 组。4系统工作制度4.1管网布置1 号地块划分为一个灌溉系统，利用已建沉淀池，从北分干渠取水，经沉淀池沉淀后，系统采用钢管联接离心泵加压供给微灌系统，水泵采用一用一备，首部枢纽安装在设备房内，设备房布置在沉淀池旁。系统管网呈梳齿状布置，水泵出水口布置干管3，长330m，垂直干管布置支管，共 5 条，总长 3739m，具体见 1 号地块平面布置图。4.2轮灌组划分1 号地块控制灌溉面积 33.33hm2，140 个灌水小区。为使系统流量减小，工程投资降低，系统采用轮灌工作制度，每天灌水时间为 20h，因此轮灌组数为18 组，微灌系统轮灌组划分情况见表 2。图 11 号地块平面布置图表 1小管出流系统灌溉制度计算成果表作物名称灌水器流量 q/(Lh1)滴头间距se/m毛管间距sl/m灌溉水利用系数 土壤的容重 r/(gcm3)湿润深度Z/m湿润比P田间持水量/%含水率上限 max含水率下限 min最大净灌水定额mmax/mm最大灌水周期T/d毛灌水定额m/mm一次灌水延续时间 t/h枸杞10120.91.50.650.4240.2160.14428.086.231.26.2表 21 号地块微灌系统轮灌制度表天数轮管组号组内灌水小区编号日工作小时数/h第 1 天11112211212312223242152627282516171832921013142132333420第 2 天421336215311312218315220535214373839310216217622122222322431331421931620第 3 天72253173183193204142438321322323324444546479325326327328484941041120第 4 天10329330412413414515253113313324154164175455561233333441841942057585920第 5 天13335336421422423510511512143373384244254265135145151533934042742842951651751820第 6 天164304314324335195205215221743443552352452552618436437438527528529205灌水小区设计5.1作物种植情况项目区枸杞采用小管出流灌溉方式，种植模式:行距株距(2.0m1.0m)。5.2灌水器选择与布置5.2.1灌水器选择小管出流的灌水器由 4 塑料小管、稳流器和接05农业工程农业与技术2023，Vol.43，No.06头连接插入盲管壁而成，其工作压力低，孔口大、不易被堵塞，小管间距为 1m。盲管采用内镶式滴灌管，管径 16mm，盲管布置方向与枸杞种植方向一致，根据种植的行距，每行作物布置一条灌水盲管，盲管间距 2.0m。稳流器流量 10Lh1，设计工作压力 10m，流态指数 0.4，稳流器后接 4mm 出流小管引水至作物根部灌溉，使用年限 35a。5.2.2滴灌管、盲管最大铺设长度计算5.2.2.1允许水头偏差率灌水器设计允许流量的偏差率 qv20%，由流量偏差率 qv推求灌水器工作水头偏差率 HV。hv=qvx(1+0.151 xx qv)根据上式计算可得 hV=34%。5.2.2.2灌区小区允许水头的偏差 h=hv hd允许的水头偏差计算为 3.4m。5.2.2.3小区允许水头偏差分配盲管及辅管间的分配，分配比例为 0.45 0.55。盲管允许水头的偏差:h2=b2 h=0.453.4=2.35m辅管允许水头的偏差:h3=b3 h=0.553.4=2.87m5.2.2.4盲管极限孔数和极限长度计算盲管极限孔数:Nm=INT(5.446 h2 d4.75kSeqd1.75)0.364计算得出盲管极限孔数为 36 个。盲管极限长度计算公式:Lm=S(Nm 1)+S0计算得出盲管极限长度为 36m。5.2.2.5辅管极限孔数和极限长度计算辅管极限孔数:Nm=INT(5.446 h3 d4.75kSlqd1.75)0.364辅管极限长度计算:Lm=S(Nm 1)+S0计算出盲管极限孔数 N=36 个，即盲管极限长度36m。计算出辅管极限孔数 N=29 个，极限长度为56m。辅 管 允 许 水 头 偏 差 H辅=2.35m，选 用63PE 管，毛管间距 2.0m。根据地块实际情况，按平坡计算辅管的极限长度，盲管及辅管极限长度计算结果见表 3。表 3盲管及辅管极限长度计算表作物名称分配系数盲管支管滴管带直径 d/mm支管直径d/mm损失扩大系数滴头流量 q/(Lh1)允许流量偏差率 qv流态指数x灌水器水头偏差 hv/m灌水小区允许水头偏差盲管/m支管/m盲管滴头间距/m盲管孔间距/m盲管滴孔数/个盲管极限长度/m辅管极限长度/m盲管单向盲管双向枸杞0.150.8516631.1100.20.40.520.784.44124545126800.250.7516631.1100.20.40.521.313.92125454106680.350.6516631.1100.20.40.521.833.4012626292600.450.5516631.1100.20.40.522.352.8712686882520.550.4516631.1100.20.40.522.872.3512737372460.650.3516631.1100.20.40.523.401.8312777764400.750.2516631.1100.20.40.523.921.3112818154340.850.1516631.1100.20.40.524.440.781285854428本次设计中辅管双向布置，盲管单向布置，长度随地块大小及作物的种植方向不同而不同。5.3系统流量计算5.3.1盲管设计流量盲管采用滴灌管，出水孔流量 qd=10Lh1，出水孔间距 1m，管径 16mm，设计工作压力为 10m。5.3.2辅管设计流量设计采用辅管向盲管配水，流量为其控制的盲管流量之和。5.3.3支管、系统设计流量根据轮灌方式，每次在 1 条支管上最多开启 11条辅管。支管流量:Q支=NQ辅式中，Q辅为支管上辅管的平均流量;N 为支管上同时开启辅管的数量。5.4管材、管径选择5.4.1辅管及盲管选择参考已建工程经验对管材及管径进行初步确定，结合水力计算，综合确定辅管采用 PE 管外径为63mm(壁厚 3.6mm)，盲管采用 PE 滴灌管 16mm(壁厚 1.2mm)。152023，Vol.43，No.06农业与技术农业工程5.4.2干支管选择干支管管材选择应满足在管网系统最大压力下安全运行，统筹考虑运输安装使用难易程度及方便性、运行可靠性、管道里耐久性、工程造价等多方面，综合比较，本次干、支管均选用 UPVC 管道。干、支管管径按经济流速初选，在兼顾远期调整为管灌供水可能性的同时，管径适当选择富裕。管径计算公式:D=18.8QV式中，D 为管道的内径，mm;Q 为设计流量，m3h1;V 为经济流速，ms1，取 V=1.2ms1。根据计算，干管选择 250mm 级别，支管选择160mm。详见表 4。5.5管网水力计算5.5.1盲管水头损失计算盲管沿途水头损失计算公式:hf=fsqdmdbN+0.48()M+1m+1 Nm1 s0s()式中，hf为等距多孔管沿程水头损失，m;S 为分流孔间距，1.0m;S0为多孔管进口至首孔的间距，0.5m;N为分流孔总数;qd为滴头设计流量，10Lh1。局部水头损失按沿程水头损失的 10%计。表 41 号地干支管管径选择计算表渠道名称桩号管长/m设计过流量/(m3h1)经济管径/mm选择管径/mm干管(0+0000+330)330136219250支管所有支管67.761411605.5.2辅管水头损失计算辅管为多孔管，水头损失按照多孔出流计算。5.5.3主干管、支管水力计算主干管、支管水头损失计算公式:hf=KfLQmdb式中，hf为沿程水头损失，m;K 为局部水头损失，m，K=1.1;f 为摩阻系数，f=0.505;L 为管长，m;Q 为流量，Lh1;d 为管道内径，mm;m、b 为流量指数和流态指数，m=1.77，b=4.77。经计算得出，节点压力及流量满足灌溉系统要求，见表 5 水力计算结果。表 5管网水力学计算成果编号管道名称分水口名称管长高程/m起点终点设计流量/(m3h1)选配管径/mm外径 D 内径 e流速/(ms1)自由水头/m水头损失/m动压/m静压/m设计内水压力/m设计管道级别/MPa1水源及首部1#水池32系统首部250.30136250236.40.860.315.117.20.30.450.632干管干管3#支管14318021806136250236.40.8640.412.82.33.450.634#支管5918061802136250236.40.8640.216.66.39.450.635#支管10018021800136250236.40.8620.318.38.312.450.633支管支管1#支管82618031793681601521.04105.916.912.318.450.632#支管93818031789681601521.04146.720.116.324.450.633#支管83418031786681601521.04175.923.919.328.950.634#支管88018021787681601521.04156.325.421.331.950.635#支管102918001786681601521.04147.325.022.333.450.636首部设计首部枢纽设备包括加压泵、逆止阀、压力表、砂石过滤器、进排气阀、施肥罐、闸阀、压力表、网式过滤器、水表等。6.1过滤系统系统水源为地表水，泥沙含量相对较大，考虑灌水器对水质的的要求，在已经布设沉沙池的基础上，系统过滤器选择砂石过滤器加筛网过滤器两级组合式过滤器，1 号地灌溉系统的最不利轮灌组设计流量为136m3h1，选配 SW150 两级组合过滤器。6.2设备系统首部枢纽设置在管理房内，闸阀、排气阀、压力表、水表等为选用的控制、保护、量测设备，逆止阀设于过滤器之前，避免停泵时肥液倒流入沉淀池。压力表设于过滤器前后，若压差大于允许值，过25农业工程农业与技术2023，Vol.43，No.06滤器应当冲洗及时。6.3泵选型管网总水头损失取最不利轮灌组，稳流器设计工作水头按 10m 计算，首部设备水头损失、水泵吸程高共取 15m，流量及扬程满足灌溉系统工作要求，水泵选型具体见表 6。6.3.1管网入口压力Hin=(hf+hj)Z+Hg式中，(hf+hj)为总损失(各级管网水头损失之和)，m;Z 为地面变差(管网入口至管网计算点)，m;Hg为 10m，灌水器的工作压力5。6.3.2系统首部的水头损失主要为管件及设备的局部损失，取系统首部及水泵进水管的水头损失 h首=11.5m。6.3.3水泵安装高程本工程水泵安装采用地下式，进水管位于池底，将加压泵安装在设备房旁边的泵井中，安装高程根据沉淀池池底高程综合确定，本工程中水泵相对安装高程为3.5m。6.3.4水泵扬程Hp=Hin+h首+hs式中，Hp为水泵扬程，1 号地为 26m;Hin为压力(管网入口)，11.01m;h首为水头损失(系统首部)，11.5m;hs 为水泵安装高程，3.5m。表 6小管出流各地块过滤器、水泵选型表地块名称系统名称最不利设计流量 Q/(m3h1)过滤器型号水泵型号额定流量 Q/(m3h1)扬程/m功率/kW吸入口直径/mm1 号地136SW150150S50B16032.0222007其它建筑物其他建筑物包括闸阀井、排水阀井、设备房、水泵井4。7.1管沟开挖干、支管埋深 1.5m 以下，管沟开挖底宽按照200mm 以上管径为“直径+0.5m”，200mm 以下管径为“直径+0.3m”设计，开挖边坡 1 0.4。7.2闸阀井、排水井干、支管连接处设闸阀井，闸阀井为圆形，采用成品塑井，直径 1.8m，深 2.0m，支座直径 1.8m，高0.21m，井盖直径 0.7m，厚 6cm。支管末端设排水井，排水井内径 1.2m，采用预制砼结构，井底设碎石渗水。7.3设备房设计设备房为一层砖混结构，面积 36m2，开间为 9m，进深为 4m，层高 3.0m。主体采用 M10 水泥砂浆砌砖结构、240mm 砖墙，房屋四角设置钢筋砼构造柱，屋顶采用现浇 C25 钢筋砼结构，内墙粉刷为混合砂浆，外墙为粉刷涂料墙面，勒脚为外墙砖屋面防水材料为二道 SBS，门窗采用钢质门窗，每座设备房开门 1 扇，结构尺寸 2.1m1.8m，单开;设备房内安装闸阀、砂过滤器、压力表、排气阀、施肥罐、网式过滤器等首部设备。7.4水泵井设计水泵井布置在设备房旁，呈矩形，泵井尺寸为5m3m4m。井壁和井底为 C25 钢筋砼结构，井壁厚30cm，井底厚 40cm。8结束语目前甘肃省内灌区多采用渠灌、管灌、滴灌和微喷等多种节水灌溉方式，考虑到灌区水源条件、地形坡度、作物生长期、风速、蒸发量、土壤的渗透性和保水性、土壤含盐量、作物品种、群众管理水平等影响因子，灌区需采用适宜的田间节灌模式，黄花滩田间配套工程已实施运行，效果良好，本文以该工程 1#地块小管出流为实例，对其他地区小管出流设计具有参考意义。参考文献 1徐先英，孙保平，唐进年，等 干旱荒漠风沙区沙化土地综合整治技术研究 以古浪县黄花滩治沙示范区为例 J 中国沙漠，2007，27(04):539545 2 贾宙 土建工程及管道技术设计操作程序与应用 J 农业科技与信息，2018(21):127128 3 李逸 西北干旱区地表水大田滴灌项目典型设计 J 乡村科技，2021，12(14):116118 4 陈少明 高效节水灌溉管道地下阀门井积水及防水措施探讨J 农村科技，2011(05):7172 5 薛黎明 固拉哈马镇高效节水项目实施方案研究 D 太原:太原理工大学，2022(责任编辑常佳琪)35