膜下滴灌非轮灌制度下灌溉管道设计

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简介： 本文主要阐述膜下滴灌轮灌制度设计条件的人工低压灌溉状态的管道设计极限条件,以确保极限条件下棉花的最低需水要求.
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膜下滴灌管道设计主要以现行国家及行业规范《微灌工程技术规范——SL103-85》为主，并参照相关PVC-U管水力设计方法进行。由于近年来投资方对工程费用要求逐年降低的趋势，在管材价格居高不下的今天，许多设计方往往采用降低管径的作法来减少工程总造价，主要降径方法如下：

　　1.水泵附近管道压力较高，其分支干管道入口采用近2m/s的流速。

　　2.在该区域的分支干管上加上一小段降压水阻管，以降低进入毛管的管道压力。

　　3.采用多条分支干管同时轮灌的灌溉方式，以减小管径，最为普遍设计为2-3条支管同时工作。

　　以上的设计方法虽然能部分降低工程造价，但并不实用于非轮灌制度下的单管全灌模式。主要原因是部分业主为减轻田间灌溉作业强度而采用单分支干管上毛管全灌方式——即不按设计轮灌制度进行灌溉。虽然该灌溉方式灌水均匀度低，但只要能保证最不利点供水量大于作物蒸腾作用所必需的最低耗水量，肯定能够达到比沟灌作物产量增产目的。特别是在一个大型灌溉系统存在多用户承包的情况下，该灌水方法更有利于水电费和施肥费用的分户核算。

　　采用小管径的设计方法在实施非轮灌制度灌溉后容易出现部分条田局部区域因无水可滴造成作物枯萎，而水泵周围的作物则会因为灌水量偏大出现过分增长态势。因此，在减小管径及降低工程造价的同时，必须考虑管道设计应满足部分业主在实施非轮灌制度下的最低灌水要求，故在设计前应确定管道设计允许最低的边界条件。

　　一、实际设计时按非轮灌制度下考虑灌溉管道设计应遵循的条件

　　条件1：水泵附近的管道降压方式不应设在分支干管的入口处，最好设在出地桩出口处。采用出口恒流阀门作为首选的降压方式，无条件时可采用人工阀门调压，但人工调压阀门必须与开关阀门分开设置，即执行开关功能的阀门不能用于调压功能。调压阀门的安装位置应有一定的隐蔽性，以避免误操作使管网压力失控。具体方法为——将调压阀门设置在地面以下100-200mm处，在系统调试完毕后用土盖上即可。

　　条件2：首部过滤器至田间滴头水损范围为10-15m，最大不宜大于20m。如果大于上述范围，则会因为末端水损过大而使大部份水量直接流入首部附近的田间区域，造成整块条田的灌溉均匀度过低。

　　条件3：主管设计流速考虑经济管径因素一般控制在1.2-1.5m/s较为合理，最大流速不宜大于1.8m/s。选择流速越低，非轮灌制度的灌溉均匀度越高。

　　条件4：地形应为水平或顺坡，且顺坡坡度在1‰—3‰最为理想，坡度过大则会影响非轮灌制度的灌溉均匀度。如果为逆坡灌溉，实施非轮灌制度灌溉时的面积则会比顺坡小。而此时为保证整块条田全灌，必须提高水泵扬程和流量，造成管径增大。单条分干管控制条田的分区个数在不大于15时基本能满足单管全灌的均匀度要求，但过小的分区个数也会使管径增大。逆坡度在1‰—3‰时，分区个数可下降至10个以下。因此，最好不要逆坡布置管道。

　　条件5：通常条田因为原采用沟灌而必须设置坡度，不管主管布置是否逆坡，双向铺设的毛管必须按逆坡短、顺坡长的方式布置，实际长度应通过均匀坡毛管水力计算确定。

　　条件6：顺坡布置时控制条田分干管上各出地桩之间的最大水损不宜大于6m，水平布置则不应大于4m，而逆坡布置则应减至2-3m以下。

　　条件7：末端控制毛管的阀管条数不宜过大，一般以阀管流速作为控制依据，流速为3-4m/s时最佳，最大设计阀管流速应控制在5m/s以下。（因为过大的流速只对靠近首部的毛管减压有利，而末端毛管则会因压力过小而造成水量不足。为解决这一矛盾，可采用不等距出地桩布置法——即靠近首部的出地桩间距长，未端短的作法。实际设计时应从末端按3m/s开始设计管径，反推至首部升至低于5m/s即可完成设计。）

　　条件8：水泵流量的确定需考虑实际安装时因管道及阀门渗漏对管网压力的不利影响，即设计时需考虑按计算流量加5-10℅安全系数。

　　二、边界水力求解：（按四川源田现代节水有限责任公司生产的内镶式紊滴带1.7L/h计算）

　　滴灌带为非补偿紊流防堵型 ,额定流量1.7L/h，工作压力100kPa，毛管内径为Φ16,壁厚为0.2mm,水力特性为Q=0.153*P^0.523,两分干管独立工作,日工作小时数为20小时。

　　解：1.滴头进口最低工作压力确定

　　0.75m*0.3m*5.4mm/10h=0.1215L/h

　　由于非轮灌制度下灌溉工作压力远低于滴头额定工作压力，而水力特性公式仅反映在额定工作压力范围内水力特性。因此按水力特性公式确定灌溉工作压力则必须考虑适当的安全系数。通过采用灌溉水力计算软件V1。00进行试算，最终计算出水平铺设毛管的工作压力为0.1m时，设计最大铺设长度接近正常工作压力下的铺设长度（约79m左右）。此时的滴头流量为额定流量的9℅左右,即为0.153L/h。但考虑到压力降为0.1m时流量并非按线性减小，为降低系统总投资，实际边界计算压力按0.1m考虑比较合理。

　　2.按最低工作水压0.1m时求滴头的流量

　　Q=0.153*1^0.523=0.153 L/h

　　3.大型灌区设计分支干管入口管径最常用的为Φ160PVC-U管，边界设计暂选此管径。

　　条件：管内径为Φ152.6mm，设计流速为1.5m/s，坡降为+5‰。

　　结果：水力损失为1.27m，最大设计流量为100m^3/h。

　　(具体计算采用灌溉水力计算软件，计算过程略。)

　　4．控制面积确定

　　按滴带行距0.75m，滴头间距0.3m计算

　　0.75m*0.3m*100m^3/h*1000/0.153L/h=147058m^2

　　5．按日工作20小时计算灌溉水量

　　灌溉水量为 0．153*20/（0.75*0.3*2）=6.8mm/d >5.4mm/d

　　由于灌溉水量大于日耗水量，即使是实际管网水损因有安装或坡度等不利因素影响，采用此管径下控制的条田面积仍可满足最大耗水要求。

　　6.实际灌溉状态分析与总结

　　1）由于主管己有近1.27m 的水力损失，接近首部的滴头流量偏大，首末端流量偏差远远大于20℅。但由于首端消耗的为水泵多余的扬程，未端管道仍有部分余压水头，这就最低限度保证了整个条田的全灌要求。

　　2）边界设计由于是按照水平铺设时的最大控制面积计算，考虑到有利的顺坡条田铺设管道时可控制面还可以增加，但增加幅度不宜大于边界设计的50℅。

　　3）有局部逆坡的条田其控制面积则相应减小，其减小幅度可简化为除去逆坡面积后的条田控制面积。

　　4)满足非轮灌制度灌溉的基本条件为主管道上不得设计有降压功能的水阻管或其它减压装置，如果必须设置减压装置则应在该处加装旁通装置。

　　5)坡度为3‰时各管径支管最大可控面积（计算过程略）：

　　（注意如果条田逆坡大于10‰，则无法实现单管全灌）。

非轮灌制度下各种管径分支干管控制的最大条田面积

序号管外径坡度为3‰坡度为0灌区类型设计日耗水量1Φ9062000 m^243400 m^2小型灌区5.4 mm/d2Φ11094000 m^265800 m^2中小型灌区5.4 mm/d3Φ160200000 m^2140000 m^2中型灌区5.4 mm/d4Φ200300000 m^2210000 m^2大型灌区5.4 mm/d5Φ250460000 m^2322000 m^2大型灌区5.4 mm/d