大棚葡萄滴灌系統(tǒng)設計

陳業(yè)芹，王艾艾

（宿遷市水務勘測設計研究有限公司，江蘇 宿遷 223800）

0 引言

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在越來越多的果農(nóng)已經(jīng)認識到果樹滴灌技術(shù)所帶來的效益，不僅投資成本低，節(jié)省勞力，操作方便，而且果美味香產(chǎn)量高，減少農(nóng)藥的擴散保護環(huán)境。滴灌有如下優(yōu)點[1]：

（1）節(jié)水、節(jié)肥、省工。滴灌屬全管道輸水和局部微量灌溉，使水分的滲漏和損失降低到最低限度。同時，又由于能做到適時地供應作物根區(qū)所需水分，又使水的利用效率大大提高。灌溉可方便地結(jié)合施肥，實現(xiàn)水肥同步，提高了肥料的有效利用率。滴灌系統(tǒng)通過閥門人工或自動控制，節(jié)省勞力投入，降低生產(chǎn)成本。

（2）控制溫度和濕度。滴灌屬于局部微灌，大部分土壤表面保持干燥，且滴頭均勻緩慢地向根系土壤層供水，對地溫的保持、回升，減少水分蒸發(fā)，降低室內(nèi)濕度等均具有明顯的效果。出流孔小，流速緩慢，每次灌水時間比較長，土壤水分變化幅度小，故可控制根區(qū)內(nèi)土壤能夠長時間保持在接近于最適合作物生長的濕度。

（3）保持土壤結(jié)構(gòu)。滴灌水分緩慢均勻地滲入土壤，對土壤結(jié)構(gòu)能起到保持作用，并形成適宜的土壤、水、肥、熱環(huán)境。

（4）改善品質(zhì)、增產(chǎn)增效。由于應用滴灌減少了水肥、農(nóng)藥的施用量以及病蟲害的發(fā)生，可明顯改善產(chǎn)品的品質(zhì)。

本文以宿城區(qū)某大棚種植葡萄滴灌系統(tǒng)為例，系統(tǒng)地研究了滴灌系統(tǒng)設計的原則、步驟、計算內(nèi)容。

1 基本資料

土壤：園區(qū)內(nèi)土壤主要成分為粉土，土壤干容重1.49 g/cm3。

水文氣象情況：宿城區(qū)屬于暖溫帶季風性氣候，光熱資源比較優(yōu)越，四季分明，氣候溫和，具有明顯的季風區(qū)氣候特點。年平均氣溫14.1℃，年均日照2315 h，全年作物生長期為310.5 d。多年平均降水量為900.6 mm，全區(qū)蒸發(fā)相對較為平衡，多年平均蒸發(fā)量856.6 mm，蒸降比為0.95∶1。

園區(qū)現(xiàn)狀：①位置：大棚葡萄園位于宿城區(qū)陳集鎮(zhèn)，種植面積3.6 hm2；②葡萄種植情況：大棚寬度為6 m、長度為50 m，凈距1.5 m；每座大棚內(nèi)葡萄行間距為2.5 m，株距0.4 m，大棚兩側(cè)各留0.5 m寬道路。

基本設計參數(shù)：根據(jù)《噴灌工程設計手冊》《微灌工程技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50485-2009）選定滴灌的設計參數(shù)：①葡萄設計日耗水e=7.0 mm/d；②土壤濕潤比為P≥30%;③設計灌水均勻度95%；④計劃濕潤層深度1.0 m；⑤灌溉水有效利用系數(shù)0.85。

2 大棚滴灌總體布置

擬在葡萄園中部施打機井一眼，作為水源，滴灌系統(tǒng)的控制樞紐均安置在水井房內(nèi)，有利于滴灌系統(tǒng)的布置和管理。

毛管與滴頭的布置：滴灌采用內(nèi)鑲式滴灌管。滴灌管垂直于大棚短邊，沿葡萄栽培方向南北布置，長50 m，間距2.5 m，每個大棚布設3條毛管，滴灌管滴頭間距0.4 m，額定工作壓力100 kPa，流量3.0 L/H。

干、支管的布置：干管從水源起南北方向布置至大棚邊緣，支管東西布置，接分支管。

3 灌水定額和灌水周期的擬定

（1）設計最大毛灌水定額

按照設計灌水定額公式計算：

式中：

m—設計最大灌水定額，mm；

h—作物土壤計劃濕潤層的深度，采用h=1.0 m；

γs—土壤容重，取1.49 g/cm3；

θmax—灌后土層允許達到的含水量的上限，取田間持水率的95%，砂土地區(qū)田間持水率的25%；

θmin—灌前土層含水量下限，取田間持水率的70%；

η—灌溉水有效利用系數(shù)，取0.85；

p—土壤濕潤比，取0.30。

（2）設計灌水周期

設計灌水周期按下式計算：

式中：

T—設計灌水周期，d；

e—作物耗水最旺時期的日平均耗水量，mm/d，葡萄取e=7.0mm/d。

4 擬定噴灌工作制度

1次灌水所需時間t按下式計算：

式中：

t—1次灌水所需時間，h；

q—一個滴頭的流量，L/h；

b—滴灌帶間距，m；

a—滴頭間距，m。

5 灌溉制度

葡萄園區(qū)域一共有大棚80個，考慮到節(jié)約投資與管理方便，將80個大棚分為4個輪灌組，1#～20#為輪灌組一，21#～40#為輪灌組二，41#～60#為輪灌組三，61#～80#為輪灌組四。4個輪灌組同時工作，每組輪灌組5個大棚同時工作，即4個輪灌組同時工作20個大棚，每天工作11 h。

6 管道設計

（1）分支管設計

滴灌帶間距2.5 m，滴頭間距0.4 m，由此可知每個大棚總共需布置3條滴灌帶，每條滴灌帶上總共125個滴頭。

按管道設計流速選擇管徑，計算公式如下：

式中：

Q—設計流量，Q=3×125×3=1125 L/h；

v—設計經(jīng)濟流速，取1.2 m/s[2]。

代入公式（4）計算得d=18.23 mm，所以分支管選φ25，壁厚2 mm的PE管，內(nèi)徑為21 mm。

（2）支管管徑選擇

每個輪灌組同時工作的大棚為5個，每條支管控制2個輪灌組，則支管的流量為：Q=1.125×10=11.25 m3/h，代入公式（4）得d支管=57.7 mm，支管選φ75，壁厚4.5 mm的PE管，內(nèi)徑為66 mm。

（3）干管管徑選擇

干管控制2條支管的工作，則干管的流量：Q=11.25×2=22.5 m3/h，代入公式（4）得d干管=81.6mm

干管選φ110，壁厚6.6 mm的PE管，內(nèi)徑為96.8 mm。

7 管網(wǎng)壓力計算

取最不利工作點作為計算點，取離水井較遠的位置進行管網(wǎng)壓力計算，即20#大棚或80#大棚起計算管網(wǎng)壓力。

（1）計算支管入口壓力

采用公式（5）計算分支管、支管的水頭損失[3]：

式中：

hf—等距多孔管沿程損失，m；

S—分流孔間距，m；

S0—多孔管進口至首孔的間距，m；

N—分流孔總數(shù)；

Q—單孔設計流量，L/h；

k—損失系數(shù)

f、m、b—管道沿程水頭損失計算系數(shù)、指數(shù)。

管 道 采 用 PE管，所以 f=0.505，m=1.75，b=4.75，k=1.1。

每條分支管長6 m，每間距2.5 m布置1條長為50 m滴灌帶，每條滴灌帶的流量為375 L/h，分支管的流量為1.125 m3/h，d內(nèi)徑=21 mm，S=2.5 m，S0=0.5 m，N=3。

滴灌帶設計進口壓力hp=100 kPa，約合10 m水頭，考慮到分水管和連接管的水頭損失，取0.5 m，則分支管出口壓力水頭為

h毛=hp+h毛+0.5=10+0.14+0.5=10.64 m

支管分成兩段計算：輪灌組一最遠處的工作組為17#～18#大棚，該4個大棚同時工作時輪灌組的其余大棚均不工作，故在17#大棚之前的支管無分流，故將支管分成兩段計算。第一段為支管與干管分流處至17#大棚處，總長175 m，第二段為17#～18#大棚棚前支管，總長25 m。支管的流量為11.25 m3/h，d內(nèi)徑=66 mm。第二段 S=6 m，S0=0.5m，N=4。

h支=2.77+0.15=2.92m

（2）干管水頭損失采用式（6）[3]計算

式中：

h—水頭損失，m；

f、m、b—管道沿程水頭損失計算系數(shù)、指數(shù)；

L—干管長度，m；

Q—干管流量，L/h。

干管設計流量Q=22.5 m3/h，工作長度L=15 m，d內(nèi)徑=96.8 mm，k=1.1，f=0.505，m=1.75，h干=0.13 m。

則總設計壓力為10.64+2.92+0.13=13.69 m。

8 首部樞紐設計

滴灌系統(tǒng)首部樞紐設計包括水泵選型、過濾、施肥、控制、量測和安全設備配置等。

8.1 水泵選型及動力配套

（1）水泵設計流量

水泵設計流量應為全部同時工作的滴頭流量之和，即22.5 m3/h。

（2）水泵設計揚程

水泵設計揚程公式為

式中：

H總—總干管入口壓力水頭，為13.69 m；

Σhf1—水泵吸水管路的沿程水頭損失之和，取1.5 m；

Σhj1—水源至總干管入口所有局部水頭損失之和，取1 m；

ΔZ1—水泵安裝高程與水源水位之間高差，取5 m。

則水泵所需揚程為：H=13.69+1.5+1+5=21.19 m。（3）泵型及配套動力

根據(jù)泵站設計揚程H=21.19 m和設計流量Q=22.5 m3/h，選擇1臺套200QJ32-26/2型水泵，設計揚程為33 m，設計流量為32 m3/h，滿足設計工況，該水泵配套電機轉(zhuǎn)速2850 r/min，功率為4 kW。

8.2 過濾器、施肥罐選用

過濾器在滴灌系統(tǒng)中是對水源過濾處理的重要設備，通過過濾攔截把各類雜質(zhì)百分百攔截，讓水和水溶肥通過，通過管道輸送到滴灌帶，來滿足葡萄水肥的生長需要[4]。本次在首部樞紐中選用離心網(wǎng)式過濾器施肥罐組合，在每根分支管上安裝網(wǎng)式過濾器。

8.3 控制、量測和安全設備配置

為監(jiān)測管網(wǎng)工作狀況，在管網(wǎng)首部安裝壓力表。為防止停機后管網(wǎng)水流回灌，引起水泵倒轉(zhuǎn)，在水泵出口處安裝逆止閥。為控制各支管的工作，支管首部設控制閘閥，各閘閥砌筑閥門井保護[5]。為防止支管控制閥啟閉過快，使管道內(nèi)產(chǎn)生水錘引起爆管，經(jīng)計算，支管閥門的啟閉時間在10 s以上，即防止水錘效應的發(fā)生。

在地埋管路中，為防止管線充水時發(fā)生位移，在干管、支管三通、彎頭、變徑接頭、堵頭、閥門及出水口處有不平衡力作用的地方設置鎮(zhèn)墩，通過它安全地把力傳遞給地基，使管道定位。

9 結(jié)束語

滴灌的配水方式有別于傳統(tǒng)的漫灌方式，是從每一個滴水源遵循土壤水力特性規(guī)律向土壤滲透的過程，僅在作物根系范圍內(nèi)進行局部灌溉，也可根據(jù)需要將化肥和農(nóng)藥等隨水滴入作物根系。因此，滴灌設計中，為了提高滴灌系統(tǒng)的水分和養(yǎng)分的有效利用，提高滴灌系統(tǒng)的水分和養(yǎng)分的有效利用率，滴頭間距和滴頭流量必須與土壤的濕潤特性和作物的灌水頻率周期及灌水時間相適應。

[ 1 ]王留遠，楊路華 . 低壓管道輸水灌溉工程技術(shù)[ M ] . 鄭州：黃河水利出版社，2011 .

[ 2 ]郭元裕 . 農(nóng)田水利學[ M ] . 北京：中國水利水電出版社，2011 .

[ 3 ]王文焰，遲道才 . 節(jié)水灌溉理論與技術(shù)[ M ] . 北京：中國水利水電出版社，2011 .

[ 4 ]黃秋生 . 實用農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉工程規(guī)劃與設計[ M ] . 北京：中國水利水電出版社，2010 .

[ 5 ]吳持恭 . 水力學（第四版）[ M ] . 北京：高等教育出版社，2008 .