賽衣旦·艾力

(新疆水利水電科學研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 概述

吐魯番市位于新疆維吾爾自治區(qū)中部，東臨哈密，西、南與巴音郭楞蒙古自治州的和靜、和碩、尉犁、若羌縣毗連，北隔天山與烏魯木齊市及昌吉回族自治州的奇臺、吉木薩爾、木壘縣相接。艾丁湖鄉(xiāng)位于吐魯番市西南15 km處，所在位置低于海平面100 m。

艾丁湖鄉(xiāng)由于獨特的地理環(huán)境，區(qū)內(nèi)日照充足，光熱資源豐富，年總?cè)照諘r數(shù)為3000 h～3200 h，日照率為69%，年平均氣溫為14.1℃，極端最高氣溫為47.7℃，全年無霜期271 d，全年降雨量為16.6 mm，蒸發(fā)量為2844.9 mm。由于艾丁湖鄉(xiāng)得天獨厚的地理位置及豐富的光熱資源條件，有利于多種植物生長，形成了以糧、棉、瓜菜、葡萄、孜然為主的多種種植結(jié)構(gòu)。

吐魯番市位于天山東部盆地，四面環(huán)山，氣候為典型的大陸性暖溫帶荒漠氣候。項目區(qū)地形較平坦，總的地形為南高北低，坡度3‰；地形起伏不大，各田塊的地形坡度大部分在1‰～3‰之間。

2 工程設(shè)計

20世紀90年代開始滴灌在新疆兵團地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是以棉花為代表，不僅節(jié)約了水量，也提高了產(chǎn)量。本文選擇具有典型代表性的滴管形式進行典型設(shè)計，依托吐魯番市艾丁湖鄉(xiāng)機井加壓葡萄滴灌工程。

本工程擬在吐魯番市艾丁湖鄉(xiāng)實施300畝葡萄滴管，水源為井水、采用機井加壓滴灌的灌溉型式。單井出水量100 m3/h，井水的水質(zhì)、水量均滿足滴灌用水的要求。工程建設(shè)內(nèi)容主要包含田間地埋管道工程、田間地面管道工程、首部設(shè)備和變配電設(shè)備及安裝工程。

2.1 基本資料

項目區(qū)為山前傾斜平原，由北向南部艾丁湖傾斜，第四系沉積厚度200 m～700 m，地下水儲存特征受地貌控制呈現(xiàn)縱向和橫向的變化。縱向上由山前沖洪積扇頂部以卵礫石地層為主，向南過渡艾丁湖一帶以粘土地為主，地下水類型也相應(yīng)由單一潛水過渡到潛水、承壓水、自流水共存，富水性由富到貧，在橫向上，受火焰山水系及吐魯番構(gòu)造缺口的控制，表現(xiàn)為橫向差異，在各泉水溝口及吐魯番構(gòu)造缺口地下水儲存條件較好，而在其扇間地帶地下水賦存條件變差。項目區(qū)土壤質(zhì)地為灌耕土，土壤容重1.5 g/cm3，田間持水量為27%(干土重量)，土層較厚，土壤宜耕性較好，適宜耕種。

2.2 工程設(shè)計參數(shù)

項目區(qū)種植葡萄，種植模式采用行株×距行為4.5 m×1 m。主要的設(shè)計內(nèi)容包括水源設(shè)計、設(shè)計耗水強度的確定、土壤濕潤比的選擇以及滴灌帶的選擇和布設(shè)方式。

1)水源設(shè)計

本次滴灌系統(tǒng)采用井水作為灌溉水源，機井動水位20 m，單井出水量100 m3/h，系統(tǒng)設(shè)計流量99.95 m3/h。根據(jù)《井用潛水泵型式和基本參數(shù)》水泵選型為250QJ100-54，額定流量100 m3/h，額定揚程54 m，配套功率25 kW。

因為井水滴灌區(qū)在全生育期內(nèi)全靠井水灌溉，故必須考慮單井出水量所能擔負的灌溉面積。本次設(shè)計根據(jù)擬采用滴灌條田的具體情況，再根據(jù)單井所能控制面積的大小來具體確定系統(tǒng)的規(guī)模。

單井可灌溉面積依據(jù)《微灌工程技術(shù)規(guī)范》計算：

Ia=IC-P0

式中：A為灌溉面積，hm2；η為灌溉水有效利用系數(shù)，根據(jù)規(guī)范取0.9；Q為水井的出流量，100 m3/h；Ia為設(shè)計供水強度，mm/d；8 mm/d；t為水源每日供水時數(shù)，18 h/d；P0為有效降雨量，吐魯番市降水量小，P0可忽略不計。

單井出水量代入上式計算得：單井應(yīng)控制面積303畝，根據(jù)地塊管網(wǎng)布置后系統(tǒng)實際滴灌面積300畝。項目區(qū)防護林位于條田周邊，灌溉時與作物錯開時間進行灌溉。

2)設(shè)計耗水強度的確定

①設(shè)計耗水強度根據(jù)以下公式計算得：

IC=KCKrEO

式中：IC為設(shè)計日水強度，mm/d；KC為作物修正系數(shù)，葡萄KC=1；Kr為覆蓋率影響系數(shù)，Kr=1；EO為最大蒸散7月份日平均參照作物蒸發(fā)量，吐魯番市EO=8 mm/d(當?shù)貙崪y)。

代入上式，計算得：IC=8 mm/d。

②系統(tǒng)有效工作時間C，取19 h。

3)滴灌帶選擇及布設(shè)方式

在土壤質(zhì)地一定的情況下，滴灌帶上的滴頭流量、間距以及滴灌帶布設(shè)間距是影響土壤濕潤比的主要因素；同時滴灌帶上的流量和間距還是影響滴灌帶鋪設(shè)長度的關(guān)鍵因素。因此，滴灌的選擇和布設(shè)是非常重要的技術(shù)環(huán)節(jié)，應(yīng)根據(jù)土壤質(zhì)地、葡萄的種植方式、支管間距等因素合理選取。

為達到滿意的鋪設(shè)長度并滿足土壤濕潤比的要求以及生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品，選擇內(nèi)徑φ16 mm的單翼迷宮式滴灌帶(PE)，壁厚0.18 mm，滴水口間距0.3 m，工作壓力0.05 MPa～0.1 MPa，滴灌帶的參數(shù)表見表1。項目區(qū)土壤質(zhì)地中等，為砂壤土，種植葡萄，葡萄種植模式為：行距4.5 m×株距1 m，毛管兩管一行。滴灌帶平均鋪設(shè)間距為2.25 m，沿種植方向鋪設(shè)。

表1 滴灌帶參數(shù)表

4)土壤設(shè)計濕潤比的確定

《微灌工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50485-2009)中明確了葡萄、瓜類的設(shè)計濕潤比為30%～50%，經(jīng)計算，本設(shè)計土壤濕潤比根據(jù)《滴灌工程規(guī)劃設(shè)計原理與應(yīng)用》中公式計算：

式中：P為土壤濕潤比；n為每棵作物的滴頭數(shù)，n=3.3333；Se為滴頭沿毛管的間距，Se=0.3 m；Dw為濕潤帶寬度，Dw=1.64 m；St為每棵作物株距，St=1 m；Sr為作物平均行距，Sr=4.5 m；因此濕潤比P=3.3333×0.3×1.64/1/4.5=36.44%。

2.3 設(shè)計灌溉制度的確定

1)最大凈灌水定額Mmax

由項目區(qū)土壤資料，土壤干容重為1.5 g/cm3，田間持水量為27%(重量比)。葡萄的計劃濕潤層深度采用110 cm；土壤濕潤比為36.44%；土壤含水量上下限選用90%和65%，計算最大灌水定額為：mmax=0.001γzp(θmax-θmin)Mmaxγzp(θmax-θmin)，計算得Mmax=40.59 mm

2)設(shè)計灌水周期T

T=mmax/Ia=5.07 d，設(shè)計灌水周期T應(yīng)≤Tmax，因此葡萄設(shè)計灌水周期取5 d。

3)設(shè)計灌水定額

m設(shè)凈=T×Ia=5×8=40 mm=26.68 m3/畝

m毛=m設(shè)凈/η=26.68/0.9=29.64 m3/畝

4)設(shè)計一次灌水延續(xù)時間

5)輪灌組數(shù)N

日工作時數(shù)19 h，則：N≤CT/t=19×5/19=5，即一個灌水周期最多采用5個輪灌組。

6)日工作輪灌組數(shù)

n=N/T=19/19=1組

具體設(shè)計參數(shù)見表2。

表2 系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)匯總表

2.4 田間系統(tǒng)設(shè)計

1)管網(wǎng)布置

系統(tǒng)控制區(qū)灌溉面積300畝，控制區(qū)地勢南高北低，西高東低，地面坡降3/1000左右。地塊東西長400 m，南北寬500 m。機井位于地塊南側(cè)中部，管網(wǎng)采用“梳”式布置，分為干管→分干管→支管(PE軟帶)→毛管，四級管道結(jié)構(gòu)，一條支管(PE軟帶)與其控制的毛管構(gòu)成一個灌水小區(qū)。具體布置見圖1。

圖1 葡萄滴管典型設(shè)計布置圖

2)灌水小區(qū)水力設(shè)計

①流量偏差率qυ

《微灌工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50485-2009)3.0.9條規(guī)定，灌水器設(shè)計流量允許偏差率應(yīng)不大于20%，本工程取qυ=20%。

②水頭偏差率[hυ]

滴灌帶流態(tài)指數(shù)x=0.6，qυ=20%，代入得：

③灌水小區(qū)允許壓力偏差

[Δh]=[hυ]·ha，公式，又因ha=hd，可得：[Δh]=3.4 m

④小區(qū)允許水頭偏差的分配

小區(qū)允許水頭偏差在支管和毛管間分配，由于地面坡降0.3%左右，視為平坡。平坡分配比例取β2=0.5。

[Δh毛]=β2[Δh]=0.5×3.4=1.7 m；

[Δh支]=β2[Δh]=0.5×3.4=1.7 m

⑤滴灌帶極限孔數(shù)和極限長度

毛管鋪設(shè)方向為東西向，項目區(qū)地形坡度較小，計算毛管鋪設(shè)長度時不考慮地形影響。

滴灌帶極限孔數(shù)Nm按《微灌工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50485-2009)公式計算得。

式中：qd為滴頭的設(shè)計流量，qd=3.2 L/h；d為滴灌帶直徑，管內(nèi)徑d=16 mm；[Δh2]為毛管允許水頭偏差，1.7 m：k為水頭損失擴大系數(shù)，k=1.1～1.2，本設(shè)計中k取大值為1.1；Se為毛管上分流孔的間距，Se=0.3 m。

計算得Nm=193個。

滴灌帶極限鋪設(shè)長度Lm：

Lm=Se(Nm-1)+S0=0.3(193-1)+0.15=57.75 m

根據(jù)上述計算，滴灌帶的極限鋪設(shè)長度為57.75 m，本次管網(wǎng)設(shè)計中滴灌帶單向鋪設(shè)長度控為50 m。

⑥支管設(shè)計

根據(jù)上述計算，支管極限鋪設(shè)長度為78.75 m，本次管網(wǎng)設(shè)計中的支管單項鋪設(shè)長度為62.5 m。

支管長度62.5 m，一條支管62.5/4.5=14對毛管，即支管上有14個出水孔，毛管單向鋪設(shè)長度50 m時，支管上單孔流量為1060 L/h，支管流量為1060×14=14960 L/h。

支管(PE軟帶)內(nèi)徑采用張志新主編《滴灌工程規(guī)劃設(shè)計原理與應(yīng)用》一書中公式(13-32)計算確定：

支管各計算參數(shù)取值見表3。經(jīng)計算，設(shè)計支管選用外徑63 mm的增強PE管，壁厚0.9 mm，壓力等級為0.25 MPa。

表3 支管管徑計算表

2.5 各級管道及水力計算

1)設(shè)計流量推算

①毛管流量

毛管長度均為50 m，滴頭流量為3.2 L/h，滴頭間距為0.3 m，毛管流量為：Q毛=(L毛/Se)×qd=(50/0.3)×3.2=530 L/h。

②支管流量

支管長度均為62.5 m，毛管流量為530 L/h，毛管間距為4.5 m，支管流量為：Q支=(L支/SL)×Q毛=(62.5/4.5)×530×2=14960 L/h。

③分干管流量

一條分干管流量為同一分干管上同時開啟的所有支管流量之和。根據(jù)系統(tǒng)管網(wǎng)布置方案及輪灌方式，1條分干管上同時開啟2條支管，故：Q分干=Q支×2=29.92 m3/h。

④干管流量計算

按照系統(tǒng)設(shè)計運行工況，同時工作的分管流量等于干管流量，干管流量就是系統(tǒng)總流量，即：Q干管=29.92×4=119.68 m3/h。

2)干管、分干管管徑計算

管道管徑的確定方法選擇經(jīng)濟流速法，塑料管材的經(jīng)濟流速一般取v=1.2 m/s～1.8 m/s，取v=1.5 m/s，PE管材不大于3.5 m/s。

管徑計算公式：

式中：d為管內(nèi)徑，m；Q為管內(nèi)流量，m3/s；v為管內(nèi)流速，m/s。

按照干管、分干管最大流量代入上式計算管內(nèi)徑。根據(jù)計算的結(jié)果參照廠家管材規(guī)格，結(jié)合系統(tǒng)運行方式選取合適干管和分干管管徑，系統(tǒng)PVC干管選用管徑125×3.9/0.63、90×2.8/0.63，分干管選用管徑90×2.8/0.63。

3)水頭損失計算

①干管、分干管水頭損失計算

管道沿程水頭損失依據(jù)《微灌工程技術(shù)規(guī)范》計算得：

局部水頭損失為沿程損失的10%估算。

②支管、毛管沿程水頭損失計算

支管、毛管沿程水頭損失可按下式計算：

hf′=hf×F

式中：F為多孔系數(shù)。

局部水頭損失可按沿程水頭損失的一定比例估算，支管宜為0.05～0.1，毛管宜為0.1～0.2。

4)設(shè)計管道系統(tǒng)工作水頭

按照規(guī)范滴灌系統(tǒng)設(shè)計水頭，應(yīng)在最不利輪灌組條件下按下式計算：

H0=Zp-Zb+h0+∑hf+∑hj

滴灌系統(tǒng)管網(wǎng)水頭計算結(jié)果見表4。

表4 典型系統(tǒng)最不利線路水頭損失及設(shè)計水頭計算表

通過上述計算內(nèi)容，可以確定管道的型號及首部水泵的型號及材料等。

3 結(jié)語

本次設(shè)計選取吐魯番市艾丁湖鄉(xiāng)300畝葡萄為例，充分利用地勢地形，在灌水小區(qū)布設(shè)服從葡萄栽培田間林網(wǎng)及道路規(guī)劃，主要根據(jù)葡萄田間管理要求和防護林布置要求確定，滴管技術(shù)在葡萄中的應(yīng)用較大的提高了葡萄的產(chǎn)量，為今后在吐魯番地區(qū)其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)土壤栽培技術(shù)上提供了設(shè)計依據(jù)。