滴灌系统在山地茶园中的应用—以商南县过风楼镇产业脱贫安沟生态茶园建设项目为例

滴灌系统在山地茶园中的应用—以商南县过风楼镇产业脱贫安沟生态茶园建设项目为例

陈瑞珍

陕西地建土地勘测规划设计院有限责任公司，陕西 西安 710075

摘要：本次以商南县过风楼镇产业扶贫生态茶园建设项目为实例，介绍了滴灌系统在山地等高落差地区中的实际应用。通过对灌溉制度的确定，核算各级管道压力偏差、计算各级管道管径，完成山地茶园的滴灌系统设计。本次的滴灌设计计算过程较为全面，可为其他类似滴灌设计提供参考。

关键词：山地滴灌；灌水小区；灌溉制度；水头偏差

中图分类号：S275.6 文献标志码：A

0 引言

我国水资源十分紧缺，而农业用水量占全国总用水量的70%以上，而水的有效利用率偏低，1m³水的粮食生产能力也远远低于发达国家^[1-2]。在适宜地区推广节水灌溉技术可缓解我国水资源紧缺，也是现代农业发展的必然选择^[3]。山地滴灌是滴灌技术在地形复杂，落差较大山区、丘陵等地形区的具体应用方式，其最大的特点就是解决了复杂地形下滴灌的灌水均匀度问题和运行安全问题。

近几年，在陕西省南部的山地丘陵区开始涌现出大面积采用滴灌系统的茶园，茶叶正在成为山地滴灌系统的主要作物。本文选择商南县过风楼镇产业扶贫生态化茶园建设项目中的滴灌设计作为实例，拟定了完善的山地滴灌系统方案，进行了滴灌系统的整体设计。为其他滴灌系统方案及水利计算提供参考。

1 项目概况及系统总体布设

1.1 项目概况

项目区位于商南县过风楼镇徐家店社区安沟村，安沟村为陕西省国土资源厅的定点扶贫村，本项目的实施是落实产业脱贫的重要措施。本项目建设总规模为67.10hm²，地形坡度较大，有利的地形为实现自压滴灌创造了条件。项目实施后全部种植茶树，种植总面积为53.87hm²（合808.05亩），种植间距为株距0.7m，行距1.8m。

1.2 系统总体布设

山地滴灌系统因为没有固定的几何形状，所以无法用平地滴灌的管网布置形式来进行管路布置，但其有独特的方式来完成管网布置，本次管网布置采用重力滴灌布置形式，即通过水泵将系统全部需水加压提至整个项目区的最高点的蓄水池内，再经过管道输水至各个灌溉区域。

滴灌系统由灌溉水源工程、首部枢纽工程、输配水管网、灌水器及安全防护装置五部分组成。本项目灌溉水源为采取浅层地下水，在项目区西南侧的毛河附近新打3眼大口井，利用提水水泵将水送至项目区内2个200m³高位蓄水池，配备施肥罐和过滤系统进行施肥和过滤杂质，将水通过干管、支管、辅管、毛管（即滴灌管）输送至田间作物处，通过灌水器进行滴灌灌溉。干管沿山脊线进行布局，支管垂直于等高线布局，辅管接支管且平行于支管布设，滴灌带垂直于辅管进行双侧布设，滴灌管采用内镶式滴灌管。在山地滴灌系统中防护装置是必不可少的，其中包括干管减压阀、干管呼吸阀、支管呼吸阀、首部呼吸阀、水锤防护器等。

2 项目设计标准

根据《微灌工程技术规范》（GB/T50485-2009）中的规定，本次滴灌系统，设计保证率采用90%，灌溉水利用系数采用0.9，设计湿润比采用25%。

微灌系统灌水小区灌水器允许流量偏差率应满足[qv]≤20%，滴头的流态系数X=0.6，则滴灌的允许设计水头偏差率[hv]应为：

（式1）

经计算，取[hv]=0.34。

3 灌溉制度

3.1 设计参数确定

设计日耗水强度，Ea=4mm/d；计划湿润层深度，Z=0.5m；土壤田间持水量β=25%（占体积的百分比）；适宜土壤含水量上、下限分别为90%β、65%β；土壤容重，γ=1.45g/cm³。

选用内镶式滴灌管，滴水器管径Φ12，滴头间距（S_e）为0.7m，行距（S_L）为1.8m，滴头设计流量为q_d=2L/h，设计工作压力为0.1MPa。参考有关资料，湿润带宽度D_w可达0.65m。则按照本次的布置方案，其实际湿润比（P）按照（式2）计算，计算结果为26.32%，而《规范》中茶树滴灌的设计湿润比为25%~40%，满足要求。

（式2）

根据《规范》，系统流量计算公式如下所示：

（式3）

式中：Ea=4.0mm/d，A=53.87hm²，C=22h/d；η=0.9。

经过计算，项目区系统流量为108.8m³/h。根据市场上目前现有的井泵，额定流量与单井出水量接近的有50m³/h和20m³/h两种，因此选取2台50m³/h和1台20m³/h的水泵，则初定系统总流量为120m³/h。

3.2 滴灌灌溉制度

（1）灌水定额的确定

设计灌水定额依照下式计算：

（式4）

式中：m为设计灌水定额（mm）；P为设计土壤湿润比，取实际计算值26.32%；H为土壤计划湿润层厚度，取50cm；

β_max为土壤适宜含水率上限，茶叶取值为22.5%；β_min为土壤适宜含水率下限，茶叶取值为16.25%；γ_土为土壤干容重，取1.45t/m³；γ_水为水容重，取1t/m³； —滴灌水利用系数，取0.9。

经计算，项目区灌溉毛灌水定额m=13.25mm（合8.84m³/亩）。

（2）灌水周期的确定

设计灌水周期T_设计算公式为：

（式5）

本次设计灌水周期取3d，此值为需水高峰期的灌水周期。

（3）一次灌水延续时间

一次灌水延续时间的计算见下式：

（式6）

3.3 灌水小区的水力计算

（1）灌水小区允许水头偏差的分配

灌水小区允许水头偏差［△h］为：

支管加毛管的灌水小区，其分配系数为β2=0.65，β3=0.35

毛管允许水头偏差

辅管允许水头偏差

（2）毛管极限孔数和极限长度

①毛管极限孔数确定

本次毛管沿等高线进行布设，根据《规范》，毛管极限孔数的计算按照平坡条件进行计算，计算公式见下式。

（式7）

式中：Nm—毛管的极限分流孔数；INT（）—将括号内实数舍去小数取为整数；[△h₂]—毛管的允许水头偏差，m，经上述计算取2.21m；d—毛管内径，12mm；k—水头损失扩大系数，为毛管总水头损失与沿程水头损失的比值，k=1.1~1.2，本次计算取1.1；S—毛管上分流孔的间距，取0.3m；q_d—毛管上单孔或灌水器的设计流量，取2L/h。

经计算，可得毛管的极限孔数为128。

②毛管极限长度的计算

L_m=S（N_m-1）+S₀ （式8）

式中：L_m—毛管极限长度，m；S—毛管上分流孔的间距，取0.7m；N_m—毛管的极限分流孔数；S₀—毛管进口至首孔的距离，取0.35m。

经计算，毛管的极限长度为89.25m。

（3）辅管极限孔数和极限长度

①辅管极限孔数

由于辅管长度不大，计算时可按平坡计算。辅管的极限孔数可根据（式7）进行计算，需要注意的是式中的流量为一对毛管的流量，经计算，可得辅管一半的极限孔数Nm=14。

②辅管极限长度

辅管的极限长度可按（式8）计算，经计算，辅管一半的极限长度Lm=23.85m，则辅管的总长为47.7m。

3.4 系统工作制度

（1）轮灌组的划分

根据管网布置形式和滴灌运行管理经验，本工程采用将项目区分为4块面积相近的田块进行轮灌，共计4组轮灌组。项目区一共布置188条辅管，则一个轮灌组至少要运行47条辅管。

（2）各级管道设计流量的确定

系统初选流量为120m³/h，令一个轮灌组各辅管的流量相等，则一条辅管的流量为120/47，即2.55m³/h。一条辅管上带28条毛管，则一条毛管的流量是2.55/28，即0.091m³/h=91L/h，则毛管滴头的流量为91/INT[（50-0.35）/0.7]=1.28L//h，能满足作物灌溉要求，将此流量作为设计流量。

3.5 最终设计参数的确定

（1）滴头设计工作水头

当滴头流量为1.28L/h时，根据压力—流量关系式q=0.528h^0.6，则hd=4.45m。

（2）灌水小区允许水头偏差[△h]

当滴头工作水头为4.45m时，[△h]=0.34×4.45=1.51m。

（3）一次灌水延续时间

当滴头流量为1.28L/h时，一次灌水延续时间用（式6）计算，可得t=10.87h/组。

（4）轮灌组的校核

设计轮灌组不超过最大轮灌组，且与最大轮灌组数越接近越经济，最大轮灌组数N按照下式计算：

（式9）

其中：N—最大轮灌组数目；C—每天能工作的时间，h，取C=22h；t—为一次灌水延续时间，取10.87h；T—为灌水周期，取3d。

经计算，轮灌最大组数N=6.07，取整为6组。本次设计采用轮灌组数为4组，符合规范中的设计要求。

3.6 滴灌系统水力计算

（1）毛管流量的计算

根据上述计算，毛管的设计流量为91L/h。

（2）辅管流量的计算

根据上述计算，一条辅管一半的长度可以带14条毛管，则一条辅管可带毛管数为28条。则一条辅管的流量为Q_辅=28×91L/h=2548L/h=2.55m³/h。

（3）轮灌组各支、干管流量的确定

根据滴灌系统的运行方式，支管流量是支管上同时开启的各条毛管流量的总和，干管流量是干管上一个轮灌组的各条支管流量的总和，支管和干管流量计算方式为：

（式10）

（式11）

式中： —毛管流量，L/h； —支管流量，L/h； —干管流量，L/h；

经计算，可得支管的流量为10.2m³/h，干管流量为33.15m³/h。

3.7 管径的确定

管径计算依据公式：

（式12）

式中：D——管道内径，mm；Q——管道进口流量，m³/s；V——管内经济流速，钢管取2.5m/s，塑料管一般取v=1.5m/s。

经计算，支管管径为54.84mm，选用PE60级管0.8MPa公称压力下的dn75，壁厚5.6mm，内径为63.8mm，可以满足过流要求；干管管径为98.87mm，选用PE60级管0.6MPa公称压力下dn125，壁厚7.1mm，内径为110.8mm，可以满足过流要求；毛管的内径选取12mm，壁厚0.16mm的PE管。

3.8 水头损失计算

滴灌系统中的辅、毛管为多孔口出流，其沿程水头损失可按（式13）进行计算（N≥3）：

（式13）

式中： —等距多孔口出流管沿程水头损失，m；N—毛管分流孔总数，辅管为14，毛管为128； —管上单孔或滴头的设计流量，辅管取一对毛管的流量，182L/h；毛管为滴头流量，1.28L/h； —多孔管进口至首孔的间距，m，辅管取0.9m，毛管取0.35m；S—分流孔间距，m，辅管取1.8m，毛管取0.7m；

根据上述计算，可得毛管的沿程水头损失为0.92m，辅管的沿程水头损失为0.43m。为简化局部水头损失计算，本规划采用局部水头损失取沿程水头损失的10%，可得总的水头损失，毛管的总水头损失为1.02m，辅管的总水头损失为0.48m。

此系统中干、支管为单孔出流管，按照下式计算管道沿程水头损失hf：

（式14）

式中：h_f—为沿程水头损失，m；f—为管材磨阻系数；L—为管长，m，支管长度取267.5m，干管长度取607.39m；Q—为流量，L/h；D—为管道内径，mm；m—为流量指数，与摩阻损失有关；b—为管径指数，与摩阻损失有关；其中，PE管的参数取：f=0.505、m=1.75、b=4.75。

按照上式计算，可得支管水头损失为3.40m，干管水头损失为9.44m。

3.9 管道进口压力的计算

（1）毛管进口压力

根据《规范》，毛管的进口工作水头压力见下式：

（式15）

式中各符号意义如前所示，根据计算，可得毛管进口压力为5.13m。

（2）辅管进口压力

与上式计算原理相同，当孔数为14时，查询《规范》附录C中的表C1，平均磨损比为0.6902，令hd_辅=h_进毛=5.13。按上式进行计算，则辅管的进口压力为5.45m。

根据上述计算结果，毛管、辅管的进口压力加上支管、干管的水头损失即就是首部枢纽压力水头，根据地形图可以看出，首部枢纽的压力水头大于管网系统中各级管道的首端进口压力，可以满足自流灌溉，但需要在各支管接辅管处设置调压设备，将管道压力降低至辅管设计工作压力。

4 结语

本文以山地滴灌系统为例进行了滴灌系统的水力计算，可以达到既要安全运行又要节约成本，在系统模式选择时应首选重力滴灌，可真正实现节能降耗。山地滴灌系统中的各级管道和各个灌水单元的压力与流量均衡问题是山地滴灌设计和实施中的难点和重点。通过对毛管、支管、干管的优化设计做到分析水力计算和做好计算各级管道的管径、铺设长度等设计计算从而为实际施工提供正确的数据，正确的划分轮灌小区对山地滴灌的灌水均匀性有着重要的意义。

参考文献：

[1] 逄焕成.我国节水灌溉技术现状与发展趋势分析[J].中国土壤与肥料，2006（5）：1-6.

[2] 吴文荣，丁培峰，忻龙祚.我国节水灌溉技术的现状与发展趋势[J].节水灌溉，2008（4）：50-54.

[3] 黄兴法，李光永.地下滴灌技术的研究现状与发展[J].农业工程学报，2002，18（2）：176-181.

[4] 顾烈烽.滴灌工程设计图集[M].北京：中国水利水电出版社，2005.

[5] 王成.山地滴灌系统设计研究[D].西北农林科技大学2009届在职攻读硕士学位研究生学位论文，2009.

[6] 水利部农村水利司，中国灌溉排水发展中心.节水灌溉工程使用手册[M].北京：中国水利电力出版社，2005.

[7] 郭元裕.农田水利学[M].3 版.北京：中国水利电力出版社，1995.

作者简介：陈瑞珍（1991-），女，陕西兴平人，硕士，助理工程师，从事土地规划研究。E-mail: 604885267@qq.com