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6.1概述

6.1.1微灌及其特点

(一)微灌的种类

微灌是利用微灌设备组装成微灌系统,将有压水输送分配到田间,通过灌水器以微小的流量湿润作物根部附近土壤的一种灌水技术。微灌按灌水器及出流形式的不同,主要有滴灌微喷灌小管出流、渗灌等形式。

1滴灌

滴灌是利用安装在末级管道(称为毛管)上的滴头,或与毛管制作成一体的滴灌带(或滴灌管)将压力水以水滴状湿润土壤,在灌水器流量较大时,形成连续细小水流湿润土壤。通常将毛管和灌水器放在地面,也可以把毛管和灌水器埋入地面以下30cm左右。前者称为地表滴灌,后者称为地下滴灌滴灌灌水器的流量通常为1.14~10L/h

2.微喷灌

微喷灌是利用直接安装在毛管上或与毛管连接的微喷头将压力水以喷洒状湿润土壤。微喷头有固定式和旋转式两种。前者喷射范围小,水滴小;后者喷射范围较大,水滴也大些,故安装的间距也比较大。微喷头的流量通常为20~250L/h。另外还有微喷带也属于微喷灌系列,微喷带又称多孔管、喷水带,是在可压扁的塑料软管上采用机械或激光直接加工出水小孔,进行微喷灌的设备。

3.小管出流

小管出流是利用Φ4的小塑料管与毛管连接作为灌水器,以细流(射流)状局部湿润作物附近的土壤,小管出流的流量常为40~250L/h。对于高大果树通常围绕树干修一渗水小沟,以分散水流,均匀湿润果树周围土壤。在国内,为增加毛管的铺设长度,减少毛管首末端流量的不均匀,通常在小塑料管上安装稳流器,以保证每个灌水器流量的均匀性。

4.渗灌

渗灌是利用一种特别的渗水毛管埋入地表以下30cm左右,压力水通过渗水毛管管壁的毛细孔以渗流的形式湿润其周围土壤。由于渗灌能减少土壤表面蒸发,从技术上来讲,是用水量很省的一种微灌技术,但目前使用起来,渗灌管常埋于地下,由于作物根系有向水性,渗灌管经常遭受堵塞问题困扰。渗灌管的流量常为2~3L/(h·m)

(二)微灌的优缺点

1.优点

微灌可以非常方便地将水灌到每一株植物附近的土壤中,经常维持较低的水压力满足作物生长需要。微灌具有以下诸多优点:

1)省水、省工、节能。微灌是按作物需水要求适时适量地灌水,仅湿润根区附近的土壤,因而显著减少了水的损失。微灌是管网供水,操作方便,劳动效率高,而且便于自动控制,因而可明显节省劳力。同时微灌大部分属局部灌溉,大部分地表保持干燥,减少了杂草的生长,也就减少了用于除草的劳力和除草剂费用。肥料和药剂可通过微灌系统与灌溉水一起直接施到根系附近的土壤中,不需人工作业,提高了施肥、施药的效率和利用率。微灌灌水器的工作压力一般为50~150KPa,比喷灌低得多,又因微灌比地面灌溉省水,对提水灌溉来说意味着减少了能耗。

2)灌水均匀。微灌系统能够做到有效地控制每个灌水器的出水流量,灌水均匀度高,一般可达80%~90%

3)增产。微灌能适时适量地向作物根区供水供肥,为作物根系活动层土壤创造了很好的水、热、气、养分状况,因而可实现稳产,提高产品质量。

4)对土壤和地形的适应性强。微灌的灌水强度可根据土壤的入渗特性选用相应的灌水器,并对其调节,不产生地表径流和深层渗漏。微灌是采用压力管道将水输送到每棵作物的根部附近,可以在任何复杂的地形条件下有效工作,甚至在某些很陡的土地或在乱石滩上种的树也可以采用微灌

2.缺点

微灌系统投资一般要高于地面灌;微灌灌水器出口很小,易被水中的矿物质或有机物堵塞,减少系统水量分布均匀度,严重时会使整个系统无法正常工作,甚至报废;微灌毛管一般铺设在地面,使用中会影响田间管理,有时会被拉断、割破,发生漏水,增加了后期维护费用。

6.1.2微灌系统的组成及分类

(一)微灌系统的组成

微灌系统由水源、首部枢纽、输配水管网和灌水器以及流量、压力控制部件和量测仪表等组成,如图6-1所示。

6-1 微灌系统示意图

1.水源

河流、渠道、湖泊、水库、井、泉等均可作为微灌水源,但其水质需符合微灌要求。

2.首部枢纽 首部

枢纽包括水泵、动力机、肥料和化学药品注入设备、过滤设备、控制阀、进排气阀、压力流量量测仪表等。其作用是从水源取水增压并将其处理成符合微灌要求的水流送到微灌系统中去。

微灌常用的水泵有潜水泵、深井泵、离心泵等,动力机可以是柴油机、电动机等。

在供水量需要调蓄或含砂量很大的水源,常要修建蓄水池和沉淀池。沉淀池用于去除灌溉水源中的大固体颗粒,为了避免在沉淀池中产生藻类植物,应尽可能将沉淀池或蓄水池加盖。

过滤设备的作用是将灌溉水中的固体颗料滤去,避免污物进入系统,造成系统堵塞。过滤设备应安装在输配水管道之前。

肥料和化学药品注入设备用于将肥料、除草剂、杀虫剂等直接施入微灌系统,注入设备应设在过滤设备之前。

流量压力量测仪表用于测量管线中的流量或压力,包括水表、压力表等。水表用于测量管线中的流过的总水量,根据需要可以安装于首部,也可以安装于任何一条干、支管上,如安装在首部,须设于施肥装置之前,以防肥料腐蚀。压力表用于测量管线中的内水压力,在过滤器和密封式施肥装置的前后各安设一个压力表,可观测其压力差,通过压力差的大小能够判定施肥量的大小和过滤器是否需要清洗。

控制器用于对系统进行自动控制,一般控制器具有定时或编程功能,根据用户给定的指令操作电磁阀或水动阀,进而对系统进行控制。

阀门是直接用来控制和调节微灌系统压力流量的操纵部件,布置在需要控制的部位上,其型式有闸阀、逆止阀、空气阀、水动阀、电磁阀等。

3.输配水管网

输配水管网的作用是将首部枢纽处理过的水按照要求输送分配到每个灌水单元和灌水器,输配水管网包括干、支管和毛管三级管道。毛管是微灌系统的最末一级管道,其上安装或连接灌水器。

4.灌水器

灌水器是微灌设备中最关键的部件,是直接向作物施水的设备,其作用是消减压力,将水流变为水滴或细流或喷洒状施入土壤,包括滴头、滴灌带滴灌管微喷头微喷带、渗灌管等,灌水器多数是用塑料制成的。

(二)微灌系统的分类

由于组成微灌系统的灌水器不同,相应的分为滴灌系统、微喷灌系统、小管出流系统以及渗灌系统等。

根据配水管道在灌水季节中是否移动,每一类微灌系统又可分为固定式、半固定式和移动式。

固定式微灌系统的各个组成部分在整个灌水季节都是固定不动的,干管、支管一般埋在地下,根据条件,毛管有的埋在地下,有的放在地表或悬挂在离地面一定高度的支架上。固定式微灌系统常用于经济价值较高的经济作物。

半固定式微灌系统的首部枢纽及干、支管是固定的,毛管连同其上的灌水器是可以移动的。根据设计要求,一条毛管可以在多个位置工作。

移动式微灌系统各组成部分都可移动,在灌溉周期内按计划移动安装在灌区内不同的位置进行灌溉。移动式微灌系统提高了微灌设备的利用率,降低了单位面积微灌的投资,但操作管理比较麻烦,适合在经济条件较差的地区使用。

6.2微灌主要设备

6.2.1灌水器

灌水器的作用是把末级管道(毛管)的压力水流均匀而又稳定地灌到作物根区附近的土壤中,灌水器质量的好坏直接影响到微灌系统的寿命及灌水质量的高低。灌水器的种类繁多,各有特点,适用条件也各有差异。

(一)灌水器的种类与结构特点

按结构和出流形式不同灌水器主要有滴头滴灌带微喷头微喷带涌水器、渗灌管等。

1.滴头

通过流道或孔口将毛管中的压力水流变成滴状或细流状的装置称为滴头。其流量一般不大于12 L/h。按滴头的压力补偿与否可把它分为如下两种。

1)非压力补偿滴头

非压力补偿滴头是利用滴头内的固定水流流道消能,其流量随压力的提高而增大。

2)压力补偿型滴头

压力补偿型滴头的流量不随压力而变化。在水流压力的作用下,滴头内的弹性体(片)使流道(或孔口)形状改变或过水断面面积发生变化,当压力减小时,增大过水断面积,压力增大时,减小过水断面积,从而使滴头出流量保持稳定,压力补偿滴头同时还具有自清洗功能。

2滴灌带(管

滴头与毛管制造成一个整体,兼具配水和滴水功能的带(管)称为滴灌带(管)。按滴灌带(管)的结构可分为两种。

1内镶式滴灌带(管)

内镶式滴灌带(管)是在毛管制造过程中,将预先制造好的滴头镶嵌在毛管内的滴灌带(管)。内镶滴头有两种,一种是片式,另一种是管式。

2)薄壁滴灌带

薄壁滴灌带为在制造薄壁管的同时,在管的一侧热合出各种形状的流道,灌溉水通过流道以滴流的形式湿润土壤。

滴灌带也有压力补偿式与非压力补偿式两种。

3.微喷头

微喷头是将压力水流以细小水滴喷洒在土壤表面的灌水器。单个微喷头的喷水量一般不超过250L/h,射程一般小于7m。按照结构和工作原理,微喷头分为旋转式、折射式、离心式和缝隙式四种。

1)旋转式微喷头

水流从喷水嘴喷出后,集中成一束向上喷射到一个可以旋转的单向折射臂上,折射臂上的流道形状不仅可以使水流按一定喷射仰角喷出,而且还可以使喷射出的水舌反作用力对旋转轴形成一个力矩,从而使喷射出来的水舌随着折射臂作快速旋转。旋转式微喷头一般由三个零件构成,即折射臂、支架、喷嘴。旋转式微喷头有效湿润半径较大,喷水强度较低,由于有运动部件,加工精度要求较高,并且旋转部件容易磨损,因此使用寿命较短。

2)折射式微喷头

折射式微喷头的主要部件有喷嘴、折射锥和支架,水流由喷嘴垂直向上喷出,遇到折射锥即被击散成薄水膜沿四周射出,在空气阻力作用下形成细微水滴散落在四周地面上。折射式微喷头的优点是水滴小,雾化高,结构简单,没有运动部件,工作可靠,价格便宜。

4.微喷带

微喷带又称多孔管、喷水带,是在可压扁的塑料软管上采用机械或激光直接加工出水小孔,进行微喷灌的设备,微喷带的工作水头100~200KPa

5.小管灌水器

小管灌水器是由Φ4的小塑料管和接头连接插入毛管壁而成。它的工作水头低,孔口大,不容易被堵塞。在使用中,为增加毛管的铺设长度,减少毛管首末端流量的不均匀性,通常在小塑料管上安装稳流器,以保证每个灌水器流量的均匀性。这种稳流器在一定的压力范围内,出流量保持不便。目前,国内生产的稳流器的流量已形成系列化。如下是稳流器外形图,

6.渗灌管

渗灌管是用大约2/3比例的废旧橡胶(多为旧轮胎)和1/3比例的PE塑料混合制成可以沿管壁向外渗水的多孔管。使用中常将渗灌管埋入地下,是非常省水的灌溉技术。

6.2.2首部枢纽

首部枢纽一般由取水阀、止回阀、进排气阀、计量装置、施肥器、过滤器等部分组成。下面是一种简单的首部枢纽图。

(一)取水阀

一般起打开取水和闭和断水作用,常用的取水阀类型有闸阀、蝶阀、球阀等,材质有铸铁、钢质、塑料等。这些阀门参数都有标准可循,下面是微灌工程中一些常用的取水阀。

1.闸阀

这种阀门具有开启和关闭力小,对水流的阻力小,并且水流可以两个方向流动等优点,但结构比较复杂。50mm以上的阀门多用法兰连接,50mm以下的阀门用螺纹连接。闸阀外形如下,

2.蝶阀

3.球阀

球阀在微灌系统中应用广泛,主要用在支管进口处。球阀构造简单,体积小,对水流的阻力也小,缺点是如果开启动作太快会在管道中产生水锤。因此在微灌系统的主干管上不宜采用球阀,但可在干、支管末端装上球阀作冲洗之用,其冲洗排污效果好。

(二)止回阀

也叫逆止阀或单向阀,水流只能沿一个方向流动。当切断水流时,用于防止含有肥料的水倒流进水源,还可防止水流倒流引起水泵叶轮倒转,进而保护水泵。

(三)进排气阀

也叫空气阀,一般安装在微灌系统的最高处,用于放出管网中积累的空气,防止管道发生震动破坏,或在系统需要泄水时,起到进气作用。

(四)量测装置

如水表、压力表等。

1.水表

微灌工程中常用水表来计量管道输水流量大小和计算灌溉用水量的多少。水表一般安装在首部枢纽中过滤器之后的干管上。设计时,根据微灌系统的设计流量大小、选择大于或接近额定流量的水表为宜,绝不能单纯以输水管径大小来选定水表口径,否则,容易造成水表的水头损失过大。

微灌工程中常用的水表有旋翼式水表和螺翼式水表两种。这两种水表的外形、工作水温、允许最大工作压力基本相同,不同之处主要在于:在同样口径个工作压力条件下,螺翼式水表通过的流量比旋翼式水表大1/3左右,且水头损失和水表体积都比旋翼式小。

2.压力表

微灌系统中经常使用弹簧管压力表测量管路中的水压力。压力表内有一根椭圆形截面的弹簧管,管的一端固定在插座上并与外部接头相通,另一端封闭并与连杆和扇形齿轮连接,可以自由移动。当被测液体进入弹簧内时,在压力作用下弹簧管的自由端产生位移,这位移使指针偏移,指针在度盘上的指示读数就是被测液体的压力值。测正压力的表称为压力表,测负压力的表称为真空表。压力表外形如下,

(五)施肥器

微灌系统中常用的施肥装置有压差式施肥罐、文丘里施肥器、比例自动施肥泵等。

1.压差式施肥罐

压差式施肥罐由储液罐、进水管、出水管、调压阀等几部分组成。压差式施肥罐施肥工作原理与操作过程是待微灌系统正常运行后,首先把可溶性肥料或肥料溶液装入储液罐1内,然后把罐口封好,关紧罐盖。接通输液管7并打开其上的阀门6,再接通进水管2并打开阀门4,此时肥料罐的压力与灌溉输水管道的压力相等。为此关小微灌输水管道上的施肥调压阀门5,使其产生局部阻力水头损失,使阀后输水管道内压力变小,阀前管道内压力大于阀后管道压力,形成一定压差(根据施肥量要求调整该阀),使罐中肥料通过输肥管进入阀后输水管道中,又造成化肥罐压力降低,因而阀前管道中的灌溉水即由供水管2进入化肥罐内,而罐中肥料溶液又通过输液管进入微灌管网及所控制的每个灌水器,如此循环运行,化肥罐内肥料浓度降至接近零时,即需重新添加肥料或肥溶液,继续施肥。

压差式施肥罐的优点是,加工制造简单,成本较低,不需外加动力设备。缺点是溶液浓度变化大,无法实时控制。罐体容积有限,添加肥料次数频繁且较麻烦,输水管道因设有调压阀而调压造成一定的水头损失。

2.文丘里施肥器

文丘里施肥器可与开敞式肥料罐配套组成一套施肥装置。其构造简单,造价低廉,使用方便,主要适用于小型微灌http://www.pharmash.com/系统。文丘里施肥器的缺点是如果直接装在骨干管道上注入肥料,则水头损失较大,这个缺点可以通过在管路中并联一个文丘里器来克服,构造如下图,

3.比例施肥泵

比例施肥泵的特点:不用电驱动,以水压作动力,肥料的溶液剂量与进入设备的水量严格成比例,无论流经管路的流量和压力变化如何,注入的溶液剂量总是与流经水管的水量成比例,外部可灵活调节比例。外形如下

(六)过滤器

微灌技术要求灌溉水中不含造成灌水器堵塞的污物和杂质,而实际上任何水源,如湖泊、库塘、河流和沟溪水中,都有不同程度含有污物和杂质,即使是水质良好的井水,也会含有一定数量的砂粒和可能产生化学沉淀的物质。因此对灌溉水进行严格的过滤是微灌工程中首要的步骤,是保证微灌系统正常运行、延长灌水器使用寿命和保证灌水质量的关键措施。

微灌系统中常用的过滤设备有:砂石过滤器、www.9473.com 、筛网过滤器、叠片式过滤器等。在选配过滤设备时,主要根据灌溉水源的类型、水中污物种类、杂质含量等,同时考虑所采用的灌水器的种类、型号及流道端面大小等来综合确定。

1.  砂石过滤器

主要用于水库、塘坝、沟渠、河湖及其他开放水源。可分离水中的水藻、漂浮物、有机杂质及淤泥。

过滤原理:砂石过滤器是通过均质颗粒层进行过滤的,其过滤精度视砂粒大小而定。过滤过程为:水从壳体上部的进水口流入,通过在介质层孔隙中的运动向下渗透,杂质被隔离在介质上部。过滤后的净水经过过滤器里面的过滤元件进入出水口流出,即完成水的过滤过程。选用时,可以单独使用,也可和其他过滤器组合使用。

砂石过滤器选型参数表(参考)

规格型号

连接接口

流量(m³/h)

外形尺寸(mm)

重量(Kg)

50mm

50螺纹

5-17

600*800*1520

120

80mm

80法兰

10-35

950*2200*2100

250

100mm

100法兰

30-70

1900*2200*2100

480

150mm

150法兰

50-100

2600*2200*2100

780

200mm

200法兰

80-140

3300*2200*2100

1150

使用中应注意事项:要严格按设计流量使用,因过大的流量可造成砂床流道效应,导致过滤精度下降;过滤器的清洗通过反冲洗装置进行,砂床表面的最污染层,应用干净砂粒代替,视水质情况而定,一年处理1-4次。

2.www.9473.com

www.9473.com 主要用于含砂水流的初级过滤,可分离水中的砂子和石块。在满足过滤要求的条件下,分离效果:60-150目砂石98-92%

过滤原理:此类过滤器基于重力及离心力的工作原理,清除重于水的固体颗粒。水由进水管切向进入www.9473.com 体内,旋转产生离心力,推动泥砂及密度较高的固体颗粒沿管壁移动,形成旋流,使砂子和石块进入集砂罐,净水则顺流沿出水口流出,即完成水砂分离。过滤器需定期进行排砂清理,时间按当地水质情况而定。

www.9473.com 选型参数表(参考)

规格型号

连接接口

流量(m³/h)

外形尺寸(mm)

重量(Kg)

25mm

25螺纹

1-8

420*250*550

9

50mm

50螺纹

5-20

500*300*830

21

80mm

80法兰

10-40

800*500*1320

51

100mm

100法兰

30-70

950*600*1700

90

125mm

125法兰

60-120

1350*1000*2400

180

150mm

150法兰

80-160

1400*1000*2600

225

使用中注意事项:www.9473.com 在开泵和停泵的工作瞬间,由于水流失稳,影响过滤效果,因此,常与网式过滤器同时使用效果更佳;在进水口前应安装一段与进水口等径的直通管,长度是进水口直径的10-15倍,以保证进水水流平稳。

3.筛网过滤器

筛网过滤器是一种简单而有效的过滤设备,造价也较为便宜,在国内外的微灌系统中使用最为广泛。

筛网过滤器的种类繁多。如果按安装方式分,有立式与卧式两种;按制造材料分类,有塑料和金属两种;按清洗方式分类又有人工清洗和自动清洗两种;按封闭与否分类则有封闭式和开敞式两种。筛网过滤器主要由进水口,滤网、出水口和排污冲洗口等几部分组成,安装时,应注意水流方向与过滤器的安装方向一致。外形如下,

滤网形状如下

筛网过滤器选型参数表(参考)

规格

最大过流量m³/h

最大承压KPa

25mm (1”)

5

800

32mm (11/4”)

10

800

40mm (11/2”)

10

800

50mm (2”)

20

800

80mm (3”)

50

800

筛网过滤器主要用于过滤灌溉水中的粉粒、砂和水垢等污物,尽管它也能用来过滤含有少量有机污物的灌溉水,但有机物含量稍高时过滤效果很差,尤其是当压力较大时,大量的有机污物会透过滤网而进入管道,造成微灌系统与灌水器的堵塞。

4.叠片过滤器

叠片过滤器的外形与筛网过滤器基本相同,主要不同在于过滤芯不同,叠片过滤器是由数量众多的片状滤片叠在一起组成,每片滤片上有流道,水从两个滤片之间的缝隙穿过,污物档在滤片外周,从而达到过滤作用。

6.2.3管道及附件

微灌系统绝大多数使用塑料管道,常用的有聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)和聚乙烯(PE)管。在首部枢纽、穿路、高架等特殊情况也使用一些其他管道,如镀锌钢管等。

(一)聚氯乙烯(PVC)塑料管

根据我国塑料工业的发展,水利部颁布了行业标准SL/T96.1-94《喷灌用塑料管基本参数及技术条件——硬聚氯乙烯管》,将聚氯乙烯(PVC)管材的使用压力分为0.250.40.631.001.25Mpa级。

聚氯乙烯管的管道连接主要有专用黏结剂连接和止水圈承插连接两种,一般情况下,管径小于90mm的用黏结剂连接,大于90mm的用止水圈承插连接。

聚氯乙烯管的管件依次是:阀门、三通、90度弯头、45度弯头、直通、变径直通、堵头、内丝接头、法兰盘、活接头、伸缩节、专用黏结剂等。

(二)聚丙烯(PP)管

聚丙烯管是采用共聚聚丙烯,经挤出工艺生产的管材。行业标准为SL/T96.2-94《喷灌用塑料管基本参数及技术条件——聚丙烯管》。压力等级为0.250.40.63Mpa1.00Mpa级。聚丙烯管及管件外形如下,

(三)聚乙烯(PE)管

聚乙烯管是聚乙烯树脂,经挤出工艺生产的管材。依据树脂的密度,聚乙烯管可分为低密度聚乙烯管、中密度聚乙烯管和高密度聚乙烯管。

低密度聚乙烯管具有加工方便和可缠绕运输,易于打孔和连接,因而在微灌系统中广泛应用于支管、毛管,用量往往很大。微灌系统毛管一般置于地面,对聚乙烯管材的抗老化、抗晒、抗磨性能提出了很高的要求。

对于聚乙烯管,目前采用SL/T96.2-94《喷灌用塑料管基本参数及技术条件——低密度聚乙烯管》,工作压力等级分为0.25Mpa0.40Mpa

目前国内主流市场上的低密度聚乙烯管分内径和外径两大类,低密度聚乙烯管外形如下。

低密度聚乙烯管管件依次是PE等径弯头、PE变径弯头、PE阳螺纹弯头、PE阴螺纹弯头、PE等径三通、PE变径三通、PE阳螺纹三通、PE阴螺纹三通、PE同径直通、PE变径直通、PE阳螺纹直通、PE阴螺纹直通、PE堵头、PE皮带旁通、PE鞍座等。

6.3微灌工程的规划设计

6.3.1作物需水量计算

(一)作物需水量计算

作物需水量包括作物蒸腾量和棵间土壤蒸发量。估算作物需水量的方法很多,可参见《农田水利学》等资料。

(二)设计耗水强度

设计耗水强度是指在设计条件下微灌作物的耗水强度。它是确定微灌系统最大输水能力的依据,设计耗水强度越大,系统的输水能力越高,但系统的投资也就越高,反之亦然。因此,在确定设计耗水强度时既要考虑作物对水分的需要,又要考虑经济上合理可行。规范SL103-95微灌工程技术规范》规定:应取设计年灌溉季节月平均耗水强度峰值作为设计耗水强度,以mm/d计。无资料时可按下表适当选取。

作物

滴灌

微喷灌

蔬菜(保护地)

2-3

---

蔬菜(露天地)

4-7

5-8

粮棉等作物

4-6

5-8

葡萄、瓜类

3-6

4-7

果树

3-5

4-6

(三)设计灌水均匀度

为保证微灌的灌水质量,灌水均匀度应达到一定的要求。在田间,影响灌水均匀度的因素很多,如灌水器工作压力的变化,灌水器的制造偏差,堵塞情况,水温变化,地形变化等。目前在设计微灌工程时能考虑的只有水力(水压变化)和制造偏差两种因素对均匀度的影响。

微灌灌水均匀度可以用克里斯琴森均匀系数来表示,即

 

式中:

——均匀系数;

——灌水器的平均流量;

——每个灌水器的流量与平均流量之差的绝对值的平均值;

——每个灌水器的流量;

——灌水器的数量;

1.只考虑水压力因素影响时设计的均匀度

考虑水压力影响因素,微灌均匀度系数与灌水器的流量偏差率存在一定的近似关系,见下表。

Cu%

98

95

92

qv%

10

20

30

另外,在平地或均匀坡条件下微灌的流量偏差率与工作水头偏差率的关系为

式中:

——灌水器的流态指数;

——灌水器的最大工作水头,m

——灌水器的最小工作水头,m

——灌水器的平均工作水头,m

——相应于hmax时的灌水器的流量,L/h

——相应于hmin时的灌水器的流量,L/h

——灌水器的平均流量,L/h

若选定了灌水器,已知流态指数,并确定了均匀系数,则可用上式求出允许的压力偏差率,从而可以确定毛管的设计工作压力变化范围。

2.设计灌水均匀度的确定

在设计微灌工程时,选定的灌水均匀度越高,灌水质量越高,水的利用率也就越高,系统的投资也越大。因此,设计灌水均匀度应根据作物对水分的敏感程度、经济价值、水源条件、地形、气候等因素综合考虑确定。

建议采用的设计均匀度为:当只考虑水压力因素时,取,或;当考虑水力和灌水器制造偏差两个因素时,取

()灌溉水利用系数的确定

只要设计合理、设备可靠、精心管理,微灌工程不会产生输水损失、地面径流和深层渗漏。微灌的主要水量损失是由灌水不均匀和某些不可避免的损失所造成。微灌水利用系数一般采用0.9-0.95。规范SL103-95规定:对于滴灌,灌溉水利用系数应不低于0.9;微喷应不低于0.85

6.3.2设计灌溉制度

不同的灌溉方法有不同的设计灌溉制度,但对喷灌、微喷灌、滴灌等来说,其原则和计算方法是一样的。由于在整个生育期内的灌溉是一个实时调整的问题,设计中常常只计算一个理想的灌溉过程。设计灌溉制度是指作物全生育期(对于果树等多年生作物则为全年)中设计条件下的每一次灌水量(灌水定额)、灌水时间间隔(或灌水周期)、一次灌水延续时间、灌水次数和灌水总量(灌溉定额),它是确定灌溉工程规模的依据,也可以作为灌溉管理的参考数据,但在具体灌溉管理时应根据作物生育期内土壤的水分状况而定。

(一)设计灌水定额计算

微灌系统的设计灌水定额可由下式计算求得:

式中:

——设计灌水定额,mm

——土壤中允许消耗的水量占土壤有效水量的比例(取决于土壤、作物和经济等因素,一般为30%-60%,对土壤水分敏感的如蔬菜等,采用下限值,对土壤水分不敏感的如成龄果树,可采用上限值),%

——土壤田间持水率和作物凋萎系数(占土体积的%),(Fd-ω0)表示土壤中保持的有效水分数量,不同类型土壤的()值见下表;

各种土壤有效水分含量(占土体积的百分比)

土壤类型

土(细粒)

43

30

13

粘壤土(细粒)

31

22

9

壤土(中等)

17

7

10

砂壤土(中等)

12

4

8

砂土(粗粒)

4

1

3

——土壤计划湿润层深度(根据各地的经验,各种作物的适宜土壤湿润层深度:蔬菜为0.2-0.3m,大田作物为0.3-0.6m,果树为1-1.5m),m

——土壤湿润比(取决于作物种类、生育阶段及土壤类型等因素),%

式中:

——每棵作物滴头数,个;

——滴头沿毛管上的间距,m

——湿润带宽度(也等于单个滴头的湿润直径),m

——作物株距,m;;

——作物行距,m

设计灌水定额也可用下式计算:

式中:

——田间持水率,以占干土重的百分数为计,%

——灌前土壤含水率,为作物允许土壤含水率下限,以占干土重的百分数计,%

水——土壤的干密度和水的密度,t/m3

其余符号意义同前。

下表为各类土壤干密度和两种水分常数,可供设计时参考。

不同土壤干密度和水分常数

土壤

干密度

t/m3

水分常数

重量比(%

体积比(%

凋萎系数

田间持水率

凋萎系数

田间持水率

紧砂土

1.45-1.60

 

16-22

 

26-32

砂壤土

1.36-1.54

4-6

22-30

2-3

32-42

轻壤土

1.40-1.52

4-9

22-28

2-3

30-36

中壤土

1.40-1.55

6-10

22-28

3-5

30-35

重壤土

1.38-1.54

6-13

22-28

3-4

32-42

轻粘土

1.35-1.44

15

28-32

 

40-45

中粘土

1.30-1.45

12-17

25-35

 

35-45

重粘土

1.32-1.40

 

30-35

 

40-50

(二)设计灌水周期的确定

设计灌水周期是指在设计灌水定额和设计日耗水量的条件下,能满足作物需要,两次灌水之间的最长时间间隔。这只是表明系统的能力,而不能完全限定灌溉管理时所采用的灌水周期,有时为了简化设计,可采用1天。设计灌水周期可按下式计算:

式中:

——设计灌水周期,d

——设计净灌水定额,mm

——设计时选用的作物耗水强度,mm/d

()一次灌水延续时间的确定

单行毛管直线布置,灌水器间距均匀情况下,一次灌水延续时间由下式确定。对于灌水器间距非均匀安装的情况下,可取为灌水器的间距的平均值。

式中:

——一次灌水延续时间,h

——灌水器的间距,m

——毛管间距,m

——设计净灌水定额,mm

——田间水利用系数,η=0.9-0.95

——灌水器流量,L/h

对于果树,每棵树装有n个灌水器时,则

式中:

——果树的株距和行距,m

其余符号意义同前。

(四)灌水次数与灌溉定额

使用微灌技术,作物全生育期(或全年)的灌水次数比传统的地面灌溉要多。根据我国使用的经验,北方果树通常一年灌水15-30次;在水源不足的山区也可能一年只灌3-5次。灌水总量为生育期或一年内(对于多年生作物)各次灌水量的总和。

6.3.3微灌系统工作制度的确定

微灌系统的工作制度通常分为全系统续灌和分组轮灌两种情况。不同的工作制度要求的流量不同,因而工程费用也不同。在确定工作制度时,应根据作物种类,水源条件和经济条件等因素综合作出合理的选择。

(一)全系统续灌

全系统续灌是对系统内全部管道同时供水,对设计灌溉面积内所有作物同时灌水的一种工作制度。它的优点是灌溉供水时间短,有利于其他农事活动的安排。缺点是干管流量大,管径粗,增加工程的投资和运行费用;设备的利用率低;在水源流量小的地区,可能缩小灌溉面积。

(二)分组轮灌

较大的微灌系统为了减小工程投资,提高设备利用率,增加灌溉面积,通常采用轮灌的工作制度。一般是将支管分成若干组由干管轮流向各组支管供水,而支管内部同时向毛管供水。

1.划分轮灌组的原则

1)轮灌组控制的面积应尽可能相等或接近,以使水泵工作稳定,效率提高。

2)轮灌组的划分应照顾农业生产责任制和田间管理的要求。例如,一个轮灌组包括若干片责任地,尽可能减少农户之间的用水矛盾,并使灌水与其他农业措施如施肥、修剪等得到较好的配合。

3)为了便于运行操作和管理,通常一个轮灌组管辖的范围宜集中连片,轮灌顺序可通过协商自上而下进行。有时,为了减少输水干管的流量,也采用插花操作的方法划分轮灌组。

2.确定轮灌组数

按作物需水要求,全系统划分的轮灌组数目如下:

式中:
——允许的轮灌组最大数目,取整数;

——一天运行的小时数,一般为12-20h,对于固定式系统不低于16h

——灌水时间间隔(周期),d

——一次灌水持续时间,h

实践表明,轮灌组过多,会造成各农户间的用水矛盾,按上式计算的值为允许的最多轮灌组数,设计时应根据具体情况灵活确定合理的轮灌组数目。

3.轮灌组的划分方法

通常在支管的进口安装闸阀和流量调节装置,使支管所辖的面积成为一个灌水单元,称为灌水小区。一个轮灌组可包括一条或若干条支管,即包括一个或若干个灌水小区。

6.3.4微灌系统的流量计算

(一)毛管流量的计算

一条毛管的进口流量为灌水器或出水口流量之和,即

式中:

—毛管进口流量,L/h

——毛管上灌水器或出水口的数量;

——第i个灌水器或出水口的流量,L/h

设毛管上灌水器或出水口的平均流量为qa,则

为了方便,设计时可用灌水器的设计流量qd代替平均流量qa,即

(二)支管流量计算

通常支管双向给毛管配水,如下图所示,支管上有N排毛管,由上而下编号为12N-1N,每段编号相应于下端毛管的编号,任一支管段n的流量为

式中:

——支管第n段的流量,L/h

——第i排左侧毛管和右侧毛管进口流量,L/h

——支管分段号

支管配水示意图

支管进口流量(n=1:

当毛管流量相等时,即

(三)干管流量推算

1.续灌情况

任一干管段的流量等于该段干管以下支管流量之和。

2.轮灌情况

任一干管段的流量等于通过该管段的各轮灌组中最大的流量。

6.3.5管道水力计算

管道水力计算是压力管网设计非常重要的内容,在系统布置完成之后,需要确定干、支管和毛管管径,均衡各控制点压力以及计算首部加压系统的扬程。管道水力计算的主要内容:计算各级管道的沿程水头损失。确定各级管道的直径。计算各毛管入口工作压力。计算各灌溉小区入口工作压力。计算首部水泵所需扬程。

(一)微灌管道水力计算常用公式

有压管道沿程摩阻损失基本表达式是达西韦斯巴赫公式:

式中:

——沿程水头损失,m

——沿程阻力系数;

——管道过水断面平均流速,m/s

——管道长度,m

——管道内径,m

达西韦斯巴赫公式是有压管道水力计算的通用公式。由于沿程阻力系数与管内壁的粗糙度和管道内的流态有关,因而计算较为复杂。

微灌系统常用的塑料管,其流态除滴头内部和毛管末端可能处于层流外,毛管大部、支管及干管均属于光滑管紊流,因而可采用下式计算沿程损失:

式中:

——系数;

——流量,L/h

——管内径,mm

——管长,m

其余符号同前。

SL103-95微灌工程技术规范》给出了上式中的系数和指数值,可供设计参考,见下表。

管材

f

m

b

硬塑料管

0.464

1.77

4.77

 

聚乙烯管

D8mm

0.505

1.75

4.75

D≤8mm

Re2320

0.595

1.69

4.69

Re≤2320

1.75

1

4

注:D为管径;Re为雷诺数。

(二)多口出流管道的沿程水头损失计算

多口出流管道在微灌系统中一般是指毛管和支管。在滴灌系统中,由于毛管一般由厂家提供了不同管径不同滴头和不同间距条件下铺设长度与水头损失关系曲线,故一般不需要计算。如厂家提供的数据中滴头间距不能满足设计要求,此时需进行计算,但滴头和微喷头与毛管连接处的局部水头损失应充分考虑,可初选一个值,利用厂家提供的数据反推,得出适宜的局部水头损失值。在微喷灌系统中,也可使用厂家提供的水头损失与管径、微喷头流量和间距的关系曲线。因而多孔出流管沿程水头计算一般指支管的计算。

1.管道沿程压力分布

管道沿程任一断面的压力等于进口压力水头、进口至该断面处的水头损失及地形高差的代数和,即

式中:

——断面i处的压力水头,m

——进口处的压力水头,m

——进口至i断面的水头损失,m

——进口处与i断面处的地形高差,顺坡为正,逆坡为负,m

2.多口出流管道的沿程损失计算

可以分别计算各分流口之间管段的沿程水头损失,然后再累加起来,得到多口出流管全长的沿程水头损失。将管段从上游往下游顺序编号,第n管段水头损失计算公式为

式中:

——第n段管的长度,亦即第n-1号与第n号出流口间距,m

——第i出流口的流量,L/h

当出水口较多时,分段计算将很繁琐。对于等距、等量的多口出流管的沿程水头损失可按下述的简易方法计算。

先以多口管进口流量按式计算出无分流管道的沿程水头损失,再乘以多口系数F,即

式中:

——多口管沿程水头损失,m

——多口系数;

——无多口出流时的沿程水头损失,m

——出口数目;

——流量指数;

——进口端至第一个出水口的距离与孔口间距之比。

微灌中支毛管均为塑料管,为了便于计算,通常取m=1.77,并将多孔系数制成表格备查,如下表,

多孔系数(m=1.77

出水口数目N

多口系数

出水口数目N

多口系数

出水口数目N

多口系数

X=1

X=0.5

X=1

X=0.5

X=1

X=0.5

2

0.648

0.530

12

0.404

0.378

24

0.382

0.369

3

0.544

0.453

13

0.400

0.376

26

0.380

0.368

4

0.495

0.432

14

0.397

0.375

28

0.379

0.368

5

0.467

0.408

15

0.395

0.374

30

0.378

0.367

6

0.448

0.398

16

0.393

0.373

35

0.375

0.366

7

0.435

0.392

17

0.390

0.372

40

0.374

0.366

8

0.425

0.387

18

0.389

0.372

50

0.371

0.365

9

0.418

0.384

19

0.388

0.371

100

0.366

0.363

10

0.413

0.382

20

0.387

0.371

100

0.361

0.361

11

0.407

0.379

22

0.384

0.370

 

 

 

3.多口管局部水头损失计算

多口管分流口多,局部损失一般不宜忽略,应按供应商的资料选用。无资料时,局部水头损失可按沿程损失的一定比例估算,这一比例支管为0.05-0.1,毛管为0.1-0.2

6.3.6支、毛管设计

(一)设计原则

毛管设计的内容是在满足灌水均匀度要求下,确定毛管长度、毛管进口的压力和流量。在平整的地块上,一般最经济的布置是在支管的两侧双向布置毛管。毛管入口处的压力相同,毛管长度也相等。

在沿毛管方向有坡度的地块上,支管布置应向上坡移动,使逆坡毛管的长度适当减少,而顺坡毛管长度适当加大。这样地形变化加上水头损失使得整条毛管出流均匀。

支管的间距是由地形条件、毛官和滴头的水力特性决定的。下图是滴灌系统中常用的一些简单布置形式。

(二)支管设计

微灌系统支管是指在连接干管与毛管的管道,是从干管取水分配到毛管中。支管同毛管一样也是多孔出流管道,与毛管不同的是其流量要大得多,因而支管一般是逐段变细的,这主要是为了在一定压力差范围内使投资更小。

支管设计包括确定管径以及支管入口压力。当沿支管地形坡度小于3%时,通常情况下最经济的方式是支管沿干管双向布置。当沿支管地形坡度大于3%时,干管应向上坡方向移动,使逆坡支管长度减少,而顺坡的支管长度增加。

为了降低投资,支管一般设计成由2-4种管径组成,为了保证支管的冲洗,最小管径不应小于最大管径的一半。通常支管内流速应限制在2m/s以内。

由于挑压阀安装位置不同,支管的允许压力差也就不同,支管设计应按以下两种情况分别考虑。

1)毛管入口处安装调压阀或使用补偿式灌水器,此时支管设计只要保证每一毛管入口压力在调压阀的工作范围内且不小于毛管要求的进口压力即可。具体水力计算按多口出流管进行。

2)不采用补偿式灌水器且毛管入口处未安装调压阀时支管和毛管设计是通盘考虑的。在设计毛管时已经将分配给支管的水头偏差确定了,可据此设计支管。当计算出支管管径过大时,可修改毛管设计,以获得最经济的设计。水力计算按多口出流管进行。

(三)毛管设计

味灌系统毛管是指安装有灌水器的管道,毛管从支管取水,然后通过灌水器均匀地分配到作物根部。一般采用耐老化低密度聚乙烯制造,毛管直径一般为10-25mm,有时也用到32mm。由于滴灌工程毛管数量相对较大,因此一般选用较小直径的毛管,最常用毛管直径10-20mm。毛管一般选用同一直径,中间不变径。

毛管设计是在确定了灌水器类型、流量和布置间距后进行的,通常只有选用单个滴头时,毛管设计才是必须的,对于一体化滴灌管,可依靠厂家提供有关毛管的参数。毛管设计的任务是确定毛管直径和在该地形条件下允许铺设最大长度。对于这个问题,由于选用不同类型的灌水器,其设计方法也是不同的。

1.毛管允许水头偏差和灌水器最大、最小工作水头及流量的确定

根据设计标准和灌水器的设计流量,在较小的坡度下灌水小区内灌水器最大、最小出流量可按下式估算:

相应灌水器水头为

为了计算方便,以设计灌水器工作水头hd计算允许的水头偏差率为

此时灌水器的流量偏差率为

                                            x=1

x<1

 

式中:

——灌水器最大和最小流量,L/h

——灌水器的设计流量,L/h

——灌水器的设计水头,m

——与qmaxqmin相对应的灌水器最大和最小工作水头,m

——灌水器流态指数;

——设计流量偏差率;

——设计水头偏差率。

当在毛管进口安装调压装置后,允许水头偏差将全部分配到每条毛管上。就是每条毛管上灌水器的最大、最小水头。

2.判别最大工作水头灌水器的位置

在沿毛管地形坡度的情况下,毛管上最大工作水头灌水器的位置,在上游的第一孔。在下坡条件下可能出现在毛管上游第一孔或下游第N孔端,其判别条件

1

1孔和第N

N

式中:

——(N-1)孔毛管的总水头损失,m

J——沿毛管的地形坡度;

S——滴头间距,m

3.按供应商提供的资料选择毛管

若毛管入口处安装有调压阀,也就是说一条毛管上各滴头流量偏差率不超过10%,即压力偏差率不超过20%。如沿毛管方向坡度小于3%,可按供应商所提供的最大毛管铺设长度表选择。下面是某供应商的滴灌管铺设长度表:

内镶式滴灌管(滴头流量为2.8L/h)入口压力为10m水头时最大铺设长度表

滴头间距m

0.3

0.4

0.5

0.6

0.75

1.00

1.25

1.5

流量偏差率±5%

71

87

101

114

132

160

185

208

流量偏差率±7.5%

80

97

113

127

148

179

207

232

流量偏差率±10%

89

108

126

142

165

200

231

258

注:滴灌管直径为16mm

6.3.7干管及首部枢纽设计

(一)干管设计

干管是指从水源向田间支毛管输送灌溉水的管道。干管的管径一般较大,灌溉地块较大时,还可分为总干管和各级分干管。干管设计的主要任务是根据轮灌组确定的系统流量选择适当的管材和管道直径。

1.干管管材的选择

微灌系统干管一般选用塑料管道,可选用的管材有聚氯乙烯(PVC)管、聚乙烯管(PE)和聚丙烯(PP)管。干管管材的选择应考虑以下因素:

1)根据系统压力,选用不同压力等级的塑料管。塑料管道的压力等级分为:0.250.400.631.00Mpa1.25Mpa。不同材质的塑料管的抗拉强度不同,因此同一压力等级,不同材质塑料管的壁厚也不相同。对于较大的灌溉工程或地形变化的山丘区灌溉工程,由于系统压力变化较大,应根据不同的压力分区选用不同压力等级的管材。

对于压力不大于0.63Mpa的管道,以上四种塑料管均可使用,压力大于0.63Mpa的管道,推荐使用聚氯乙烯(PVC)管材。

2)考虑系统的安装以及管件的配套情况,选用不同的塑料管材。聚氯乙烯(PVC)管材可选用扩口粘接和胶圈密封方式进行连接。高密度聚氯乙烯(PVC)和聚丙烯(PP)管材,由于没有粘接材料,只能采用热熔对接或电熔连接。低密度聚乙烯管(LDPE)管材只能用专用管件进行连接。管道直径小于20mm时,可使用内插台式密封,而使用组合密封式管件。由于大口径密封式管件,结构复杂,体积和重量较大,价格相对较高,因而微灌常用的低密度聚乙烯管材口径一般在63mm以下。

3)考虑市场价格和运输距离选择适当的管材。塑料管道体积较大,重量轻,因而运输费用相对较大,在选择管道时,应就近选择适当管材,以降低费用。

2.干管管径的选择

干管的管径选择与投资造价及运行费用、压力分区等密切相关。管径选择较大,其水头损失较小,所需水泵扬程降低,运行费用减少,但管网投资相应提高了。管径选择较小,其水头损失较大,所需水泵扬程较大,运行费用增加,但管网的投资可减少。由于微灌系统年运行时数较少,运行费用相对较低,一般情况下,应根据系统的压力分区以及可选择水泵的情况综合考虑,通过技术经济比较来选择干管直径。

(二)水泵选型计算

1.系统设计扬程的确定

由最不利轮灌组推求的总水头就是系统的设计扬程。设计扬程的计算式为

式中:

——系统设计扬程,m

——最不利轮灌组所要求的干管进口工作水头,m

——干管进口至水源的水头损失(包括首部各组成部分的水头损失),m

——干管进口处的地面高程,m

——水源动水位,m

(1)       干管进口所要求的工作水头H0。干管进口所要求的工作水头应按下式计算:

式中:

——最不利灌水小区的进口水头,m

——从最不利灌水小区的进口处至干管进口各级管短的水头损失,m

——最不利灌水小区的进口处高程,m

2)水泵进水管入口至干管入口处的损失Hj。这部分损失包括水泵的吸水管、水泵出口至干管进口段、阀门、接头、肥料注入装置、过滤器及水表等水头损失。需特别指出的是,过滤器的水头损失是这部分水头损失最大的一部分,应根据系统流量和所选过滤器的级数、规格和型号,参照有关过滤器的性能曲线选择。

2.系统设计流量的确定

流量可用下式计算:

式中:

——系统设计流量,m3/h

——毛灌水定额,mm

——灌溉面积,hm2

——轮灌周期,d

——水泵日工作时间,h/d

当只用一台水泵工作时,上式即为水泵流量。当用多台水泵工作时,则可按水泵进行流量分配。

3.水泵选型

根据系统设计扬程和流量可以选择相应的水泵型号,一般所选择的水泵参数应略大于系统的设计扬程和流量,然后再由该水泵的性能曲线校核其他轮灌组要求的流量和压力是否满足。

(三)首部枢纽设计

集中安装于系统进口部位的加压、调节、控制、净化、施肥(药)、保护及量测等设备的集成称为首部枢纽。首部枢纽的设计就是正确选择和合理配置有关设备和设施,以保证微灌系统实现设计目标。首部枢纽对微灌系统运行的可靠性和经济性起着重要作用,因此,在设计时应给予高度重视。

在选择设备时,其设备容量必须满足系统过水能力,使水流经过各设备时的水头损失比较小。在布置上必须把易锈金属件和肥料(药)注入器放在过滤器器上游,以确保进入管网的水质满足灌溉要求。

1.水泵

离心泵和潜水泵是微灌系统应用最普遍的泵型,选型时要注意工作点 高效区。

2.过滤器

选择过滤设备主要是要考虑水质和经济两个因素。筛网过滤器是普遍使用的过滤设备。含有有机污物较多的水源使用砂石过滤器能得到更好的过滤效果,含沙量的水源可采用离心式过滤器,且最好与筛网过滤器配合使用。筛网的网孔尺寸或砂过滤器的滤沙应满足灌水器对水质过滤的要求。过滤器设计水头损失一般为2-5m

3.水表

水表的选择要考虑水头损失值在可接受的范围内,并配置于肥料注入口的上游,防止肥料对水表的腐蚀。

4.压力表

选择测量范围比系统实际水头略大的压力表,以提高测量精度,最好在过滤器的前后均设置压力表,以便根据压差大小确定是否进行清洗。

5.进排气阀与排水阀

进排气阀一般安装在微灌系统管网的高处或局部高处,在首部枢纽应在过滤器顶部和下游管上各设一个。其作用为在系统开启充水时排除空气,系统关闭时向管网补气,以防止负压产生,系统运行时排除水中夹带的空气,以免形成气阻。

进排气阀的选用,目前可按四比一法进行,即进排气阀全开直径不小于管道内径的1/4。如100mm内径的管道上应安装内径为25mm的进排气阀。

另外在干、支管末端和管道最低位置宜安装排水阀,以便冲洗管道和排空管内积水

(四)蓄水池的设计

蓄水池除调蓄水量外,也可起到沉沙、去铁的作用。蓄水池的出水口(或水泵进水口)应设在高出池底0.3-0.4m处,既避免带走沉淀物,又充分利用水池容积;在有条件的地方,尽可能安设冲洗孔;温暖地区的蓄水池很容易滋生水草和藻类,对微灌系统工作影响较大,目前最佳的办法是加盖避光。

微灌系统既需要沉淀池又需要蓄水池时,设计时首先考虑二者合一的方案,根据工作条件尽可能减少容积、降低投资。

2.镇墩设计

镇墩是指用混凝土、浆砌石等砌体定位管道,借以承受管中由于水流方向改变等原因引起的推力。直管中由于自重和温度变形产生的推、拉力。三通、弯头、变径接头、堵头、阀门等管件处也需要设置镇墩,尤其是管径比较大者。镇墩设置要考虑所受力的大小和方向,并使之安全地传递给地基。镇墩的推力和传压面面积可由下表查出有关数据,经计算确定。

管件

90度弯头

45度弯头

三通堵头闸阀

管件

90度弯头

45度弯头

三通堵头闸阀

管径mm

管径mm

25mm

70

40

50

63mm

500

270

350

32mm

120

60

80

75mm

700

400

500

40mm

180

100

130

90mm

1150

600

800

50mm

280

150

200

110mm

1650

880

1150

微灌系统的干、支管道一般埋入地下,此时传力面积应正交于推力方向。对于设置于地表的管道,其推力尚要叠加最不利工作条件下的温度变形力。陡坡管段还要考虑管道自重、管内水重的分力,由稳定计算确定镇墩的大小。实际施工时,镇墩常根据经验进行施工。

6.4滴灌工程设计示例

6.4.1基本情况

某基地种植葡萄面积118亩,过去采用大水漫灌方式进行灌溉,灌水定额大,水肥损失严重,为此拟采用先进的滴灌灌水方法。

该地块地势平坦,地形规整,葡萄南北向种植,株距0.8m、行距2m。地面以下1m土层为壤土,土壤干容重14kN/m3,田间持水率24%

地块西边距离地边50m处有水井一眼(具体见平面布置图),机井涌水量为32m3/h,静水位埋深60m,动水位80m,井口高程与地面齐平。机井水质据周边村庄引水工程检验结果分析,水质满足《农田灌溉水质标准》,但含砂量稍高,整体看来,可作为滴灌工程水源。

380V三相电源已经引至水源处。

6.4.2滴灌系统参数的确定

1)灌溉保证率不低于85%

2)灌溉水利用系数95%

3)设计土壤湿润比不小于40%

4)设计作物耗水强度Ea=5.0mm/d

5)设计灌溉均匀度不低于80%

6)设计湿润层深0.6m

6.4.3选择灌水器,确定毛管布置方式

1.选择灌水器

根据工程使用材料情况比较,本工程采用以色列某公司生产的压力补偿式滴灌管,产品性能如下:滴灌毛管外径16mm,滴灌毛管进口压力0.1MPa,滴头间距0.5m,滴头流量q=2.75L/h,水平最大铺设长度90m

2.确定毛管布置方式

因葡萄种植方向为南北向,并且成行成列,非常规整,因此,毛管布置采用每行葡萄铺设一条滴灌管,根据地块实际长度和产品的最大水平铺设长度确定毛管的长度为80m,毛管直接铺设在葡萄根部附近。

3.计算湿润比

根据公式:

式中:

——每棵作物滴头数,个;

——滴头沿毛管上的间距,m

——湿润带宽度(也等于单个滴头的湿润直径),m

——作物株距,m

——作物行距,m

代入公式得

由此可见:满足设计土壤湿润比不小于40%的要求。

6.4.4管网系统布置

根据工程范围内的地形图,干管沿区内生产路布置,自水井向西至最末端;分干管沿葡萄种植行与干管垂直布置,直至地块中点;支管沿垂直分干(垂直葡萄行方向)左右两侧等距离至轮灌区边界;毛管沿葡萄种植方向布置。

具体见系统平面布置图

6.4.5灌溉制度、工作制度及灌水均匀度

1.灌溉制度

(1)       设计净灌水定额

´

式中:

——田间持水率,以占干土重的百分数为计,%

——灌前土壤含水率,为作物允许土壤含水率下限,以占干土重的百分数计,%

——土壤的干密度和水的密度,t/m3

*  ——土壤设计湿润层深度,m

(2)       设计毛灌水定额:

3)设计灌水周期:

(3)       一次灌水延续时间t

式中:

——次灌水延续时间,h

——灌水器的间距,m

——毛管间距,m

——设计净灌水定额,mm

——田间水利用系数;

——灌水器流量,L/h

t=20.16×0.5×2/0.95×2.75=7.72h

2.系统工作制度

本系统拟采用轮灌方式进行灌溉,日工作时间18h,则最大允许轮灌组数目为

式中:

——允许的轮灌组最大数目,取整数;

——天运行的小时数,h

——灌水时间间隔(周期),d

——次灌水持续时间,h

C=18ht=7.72hT=4d,则N=18×4/7.72=9.32

根据实际资料,本工程设计分为8个轮灌区,每个轮灌区毛管数为30条(双向,既N1=30),每根毛管长=80×2=160m,则滴头数N2=L/Se=160/0.5=320个,故每个轮灌组的流量为

小于水井供水流量32m3/h,满足要求。

3.灌水均匀度

由于采用了压力补偿式滴头,允许水头变化范围为10-40m,可满足灌水均匀度80%的要求。

6.4.6流量计算及管径确定

1.各级管道流量计算:

(1)       每条毛管流量:

(2)       每条支管的流量:

(3)       干管的流量:

2.管径的确定

根据输送流量、经济流速(<2m/s)等,选取各级管道直径如下:

干管:流量为,选取110mmPVC管道(承压0.63MPa,壁厚3.2mm),流速为0.915m/s

干支管:流量为,选取90mmPVC管道(承压0.63MPa,壁厚2.7mm),流速为1.373m/s

支管:最大流量为,选取50mmPE管道(承压0.4MPa,内径50mm),属于多孔出流管。

毛管:为16mm压力补偿式滴灌管。

6.4.7系统扬程的确定

1.毛管水头损失计算

由于采用了补偿式滴头,允许水头变化在10-40m范围内,根据厂家提供的铺设长度要求,不再进行毛管损失计算,毛管进口处要求水头为10m水柱高。

2.支管水头损失计算

支管选用50mmPE管(内径50mm),负担30条毛管的供水任务,双向铺设,支管单向承担15个出水口。

根据下式计算支管沿程水头损失:

式中:

——系数;

——流量,L/h

——管内径,mm

——管长,m

查表得:;局部水头损失取沿程水头损失的11%,即则支管水头损失为

(成果见支管水头损失计算表,取最大值)

支管进口压力为

支管水头损失计算表

f

m

b

i

L

(m)

D

(mm)

Qi

(m3/h)

hi

(m)

∑△Hi

(m)

0.505

1.75

4.75

1

1

50

13.895

0.076

0.835

0.505

1.75

4.75

2

2

50

12.968

0.135

0.759

0.505

1.75

4.75

3

2

50

12.042

0.119

0.623

0.505

1.75

4.75

4

2

50

11.116

0.103

0.504

0.505

1.75

4.75

5

2

50

10.189

0.089

0.401

0.505

1.75

4.75

6

2

50

9.263

0.075

0.312

0.505

1.75

4.75

7

2

50

8.337

0.063

0.237

0.505

1.75

4.75

8

2

50

7.410

0.051

0.174

0.505

1.75

4.75

9

2

50

6.484

0.040

0.123

0.505

1.75

4.75

10

2

50

5.558

0.031

0.083

0.505

1.75

4.75

11

2

50

4.632

0.022

0.052

0.505

1.75

4.75

12

2

50

3.705

0.015

0.030

0.505

1.75

4.75

13

2

50

2.779

0.009

0.015

0.505

1.75

4.75

14

2

50

1.853

0.004

0.006

0.505

1.75

4.75

15

2

50

0.926

0.001

0.001

3.干支管、干管水头损失计算

沿程水头损失计算公式和支管计算一样,查表:局部水头损失按沿程水头损失的11%考虑,即

干支管流量,选取90mmPVC管道(承压0.63MPa,壁厚2.7mm),d=90-5.4=84.6mmL=86m,则

干支管水头损失为

干支管入口处的进口压力为

干管流量Q=27.78 m3/h=27780L/h,选取110mmPVC管道(承压0.63MPa,壁厚3.2mm),d=110-6.4=103.6mmL=280m,则

干管水头损失为

干管入口处的进口压力为

4.系统扬程确定

首部枢纽由离心+筛网组合过滤器、闸阀、水表、施肥装置、弯头等组成,过滤器水头损失可由产品说明书查得:;其他管件局部水头损失取2m

泵管选用DN80镀锌管道,L=87m,则

系统扬程为

6.4.8首部枢纽设计

1)水泵选型

根据,查阅水泵型号表,选取井用潜水泵型号为:175QJ32-120/10,电机功率N=18.5KW

2)过滤器

根据水源水质状况,水中含有少量的沙,选用3”www.9473.com 1台,23”筛网过滤器(过滤等级为200目)并联,进行组合过滤。

3)施肥系统

选用压差式施肥罐进行施肥。

4)其他附件

止回阀、闸阀、螺翼水表、进排气阀、压力表等,详细见首部枢纽图。

 

 

6.4.9工程预算

葡萄滴灌工程材料预算清单

序号

设备

型号

数量

单位

参考单价(元)

复价

备注

首部枢纽

 

 

 

 

31263

 

1

水泵

175QJ32-120/10

1

7200.0

7200.0

3电缆

2

镀锌钢管

DN80

88

46.0

4048.0

 

3

钢法兰盘

DN80

2

45.0

90.0

 

4

铸铁闸阀

DN80

1

388.8

388.8

 

5

止回阀

DN80

1

288.0

288.0

 

6

PVC法兰盘

90mm

12

56.0

672.0

 

7

www.9473.com

LX-DN80

1

7800.0

7800.0

 

8

螺翼水表

DN80

1

570.0

570.0

水平式

9

压差式施肥罐

 

1

4200.0

4200.0

 

10

施肥阀

DN80

1

480.0

480.0

 

11

PVC活接头

90mm

4

85.0

340.0

 

12

PVC内丝接头

90*3"

4

32.0

128.0

 

13

筛网过滤器

1203"

2

1500.0

3000.0

塑料材质

14

PVC正三通

90mm

2

40.8

81.6

 

15

PVC异径三通

90*50

2

31.0

62.0

 

16

PVC异径直通

50*32

1

6.2

6.2

 

17

PVC平口球阀

32mm

1

13.7

13.7

 

18

PVC异径直通

32*20

1

1.0

1.0

 

19

PVC内丝接头

20*1/2"

1

1.0

1.0

 

20

压力表

0.63MPa

1

38.0

38.0

 

21

进排气阀

40mm

1

56.0

56.0

 

22

PVC外丝接头

50*11/2"

1

4.5

4.5

 

23

PVC平口球阀

50mm

1

25.0

25.0

 

24

PVC异径直通

110*90

1

25.6

25.6

 

25

PVC90度弯头

90mm

16

33.0

528.0

 

26

PVC

110mm/0.63MPa

4

33.8

135.2

带承插口

27

PVC

90mm/0.63MPa

12

23.4

280.2

带承插口

28

辅材

 

1

800.0

800.0

 

地下管网

 

 

 

 

32104

 

1

PVC

110mm/0.63MPa

264

33.8

8923.2

带承插口

2

PVC直通

110mm

6

28.9

173.4

 

3

PVC伸缩节

110mm

1

45.0

45.0

 

4

PVC90度弯头

110mm

2

56.0

112.0

 

5

PVC堵头

110mm

1

21.6

21.6

 

6

PVC异径三通

110*90

8

74.8

598.4

 

7

PVC法兰盘

90mm

16

56.0

896.0

 

8

铸铁闸阀

DN80

8

388.8

3110.4

 

9

PVC

90mm/0.63MPa

688

23.4

16064.8

带承插口

10

PVC堵头

90mm

8

14.5

116.0

 

11

PVC异径三通

90*63

8

35.6

284.8

 

12

PVC

63mm/0.63MPa

16

11.7

187.2

 

13

PVC平口球阀

63mm

2

35.7

71.4

泄水阀

14

辅材

 

1

1500.0

1500.0

 

地上管网及灌水器

 

 

 

 

69626

 

1

PVC90度弯头

63mm

8

10.1

80.8

 

2

PVC内丝接头

63*2"

8

6.9

55.2

 

3

PE螺软变接头

50mm

8

12.0

96.0

 

4

PE正三通

50mm

8

8.9

71.2

 

5

PE(防老化)

50mm/0.4MPa

480

9.4

4531.2

内径管

6

PE直通

50mm

4

6.4

25.6

 

7

PE堵头

50mm

16

4.0

64.0

 

8

卡箍

 

16

1.0

16.0

 

9

旁通接头

滴灌管专用

496

1.9

942.4

 

10

滴灌管

2.75L/h,0.5m

38600

1.6

61760.0

 

11

滴灌管堵头

16mm

480

0.8

384.0

 

12

辅材

 

1

1600.0

1600.0

 

其它附件

 

 

 

 

3910

 

1

PVC胶水

1Kg

30

78.0

2340.0

 

2

打孔器

旁通专用

5

120.0

600.0

 

3

螺栓螺母

M16

180

5.0

900.0

 

4

生料带

 

20

3.5

70.0

 

材料费总计

 

 

 

 

136903

 

备注:此清单不含土建、运费及安装等费用,材料单价随市场价格波动,只供参考。