滴灌系統(tǒng)設計示例

 

按照兵團水利局、兵團節(jié)水辦“關于召開兵團節(jié)水灌溉規(guī)劃設計研討會的通知”的要求，根據(jù)農(nóng)八師幾年來在大田作物膜下滴灌技術上的實踐和研究，此次滴灌系統(tǒng)典型設計綜合農(nóng)八師的具體情況做如下簡要介紹：

 

一、 基本資料

（一） 地形

農(nóng)八師墾區(qū)地處天山北麓中段，古爾班通古特沙漠南緣。全墾區(qū)土地面積7529平方公里。墾區(qū)地勢由東南向西北傾斜。墾區(qū)地形由南向北依次為天山山區(qū)、山前丘陵區(qū)、山前傾斜平原、洪水沖積平原、風成沙漠區(qū)。

（二） 土壤

農(nóng)八師土壤缺氮面積大，全氮含量低于1%的面積占78%，堿解氮低于60ppm的面積占76%。土壤普遍缺磷，含量低于10ppm的面積占77.5%。土壤含鉀豐富，約在100ppm以上。

土壤多系灰漠土、潮土、草甸土，土質多系礫質土、沙質土、粘質土等。根據(jù)農(nóng)八師土壤普查結果，本設計取占范圍較廣的砂壤土。

（三） 作物

全墾區(qū)有效灌溉面積266萬畝，其中以棉花為主。棉花種植面積占總播種面積的46.5%。本設計示例選棉花。種植模式采用：一膜兩管四行--寬窄行30×60cm,滴灌帶間距90cm；一膜一管四行--（25+30+25）×60cm，滴灌帶間距140cm。

1、 滴灌工程設計參數(shù)的確定

根據(jù)農(nóng)八師目前棉花種植模式和多年實踐，確定如下設計參數(shù)。

典型滴灌系統(tǒng)設計基本資料

 

（四） 水源

墾區(qū)水資源來源主要為地表水（庫水、河水）和地下水。目前墾區(qū)滴灌節(jié)水工程水源以井水為主,單井流量為80立方米/小時，動水位埋深在40米左右。

（五） 氣象

墾區(qū)平均海拔300-500米左右，呈典型的溫帶大陸性氣候，冬季長而嚴寒，夏季短而炎熱。年平均氣溫7.5℃-8.2℃，日照2318-2732小時，無霜期147-191天，年降雨量180-270毫米，年蒸發(fā)量1000-1500毫米。蒸發(fā)強烈，降水稀少，氣候十分干燥，光照充足，熱資源豐富。

（六） 動力

原有機井泵大多為250QJ80-60/3或250QJ80-40/2，需更換水泵及變壓器。但原有高壓電線不需更換。

 

二、 設計內容

按照農(nóng)八師多數(shù)條田的規(guī)劃布置方式，采用東西長800米，南北寬450米的條田進行規(guī)劃設計。種植作物為棉花，種植模式采用寬窄行60×30cm與60×（25+30+25）cm，一膜兩管四行與一膜一管四行，滴灌帶間距0.9米與1.4m。作物東西方向種植。耕層土壤為砂壤土。

1. 管道系統(tǒng)

滴灌系統(tǒng)采用如下結構：

水源（井水加壓）→計量裝置（水表、壓力表）→離心式過濾器（進排氣裝置）→施肥罐（施肥控制裝置）→網(wǎng)式過濾器（排砂控制裝置）→分干管（地埋PVC管）→支管（地面PE黑管）→附管（地面PE黑管）→滴灌帶→滴頭。

為減少水頭沿程損失，降低能耗，管道系統(tǒng)中支管與分干管，滴灌管（帶）與支管，干管與分干管按各條田的具體形狀，以優(yōu)化方式采用魚骨式或梳型兩種方式布置，目的是達到操作管理方便，系統(tǒng)投資和運行費用最低的效果。

2. 泵站

根據(jù)水力計算結果，選擇250QJ80-80/4的潛水泵，可滿足滴灌系統(tǒng)工作壓力和設計流量。

在過濾器出口安裝水表、逆止閥，在過濾器和施肥罐的前后分別設置一個壓力表，觀察其壓力變化。

在滴灌系統(tǒng)的最高處設置進排氣閥，以調節(jié)管網(wǎng)進氣和排氣，防止停水時管網(wǎng)內產(chǎn)生負壓，和開始供水時，管網(wǎng)排氣不暢產(chǎn)生氣阻，使管網(wǎng)破壞，影響正常供水。

3. 水源

灌溉用水以井水為水源，單井出水量80m3/h。動水位埋深40米。

水量平衡計算

A=ηQt/10Ia

4. 運行方案

系統(tǒng)布置兩條分干管，兩條分干管分別運行，采取輪灌的方式。同時開啟的支管做為一個輪灌組，共分四個輪灌組。每個輪灌組有9個輪灌小區(qū)。先開啟一分干的支1-支6，每條支管各開一條附管做為一個輪灌小區(qū)，一次灌水延續(xù)時間為4.2小時,一個輪灌組分9次灌完。當一個灌水小區(qū)灌水結束后，先開下一個小區(qū)，然后關閉灌水結束小區(qū)，嚴禁先關后開。

一分干的支7-支12做為一個輪灌組，二分干的支13-支18做為一個輪灌組，二分干的支19-支24做為一個輪灌組，其運行方式同一分干的支1-支6。

5. 設備投資預算及經(jīng)濟分析

本工程投資預算編制,依據(jù)新水基字[1992]第11號和[96]第004號文進行編制。其綜合費用、臨時費用、其他費用均按兵團水利局水利水電處發(fā)《新疆兵團2000年灌區(qū)續(xù)建配套及節(jié)水灌溉示范項目實施方案編制》執(zhí)行，按示范項目計取。工程投資預算及設備投資預算分析表如下：

 

 

 

 

 

滴灌工程預算表

                                        單位:萬元

 

滴灌工程主要材料投資分析表

                                            單位：元

平均材料費:一膜兩管(0.9m)  426.65元/畝

一膜一管(1.4m)  371.16元/畝  

三、 灌水定額和灌水周期的擬定

(1) 灌水定額。

     m=0.1γzp(θmax-θmin)/η

棉花灌水定額

注：此定額為棉花花鈴期的灌水定額。

(2) 灌水周期。(T)

根據(jù)大田實測取棉花日耗水量Ea=4mm/d，則灌水周期

T=m滴/Ea·η=32.6/4×0.9=7.34d

取灌水周期為8天。

(3) 一次灌水延續(xù)時間（t）

t0.9m=（m滴·Se·SL）/qd=32.6×0.3×0.9÷2.1=4.2h

輪灌組N=20h/d×8d÷4.2h/組=38，根據(jù)實際情況取N=36組。 

t1.4m=（m滴·Se·SL）/qd=32.6×0.3×1.4÷2.6=5.27≈5.3h

輪灌組N=20h/d×8d÷5.3h/組=30組,根據(jù)實際情況取N=28組。

(4) 灌溉制度確定

根據(jù)農(nóng)八師五年來大田棉花膜下滴灌灌溉制度的研究和實踐應用，確定灌溉定額如下表：

棉花膜下滴灌灌溉制度表

 

四、 確定管系總體布置

典型設計地塊形狀及系統(tǒng)布置見附圖，設計條田分南、北兩個地塊。棉花東西播種。水源井位于地塊的西頭。由水源井沿地邊分別向南、北分出一條主干管，在南、北地塊的中間分別布置一條分干管，并垂直于主干管。干管和分干管管材選用PVC管材，管徑為φ160。支管垂直于分干管，兩邊布置，便于雙向控制，地下埋深80cm。支、附、毛管鋪設在地面，均是魚骨式布置。支管的間距是由毛管的鋪設長度決定的，即毛管最大鋪設長度的兩倍，經(jīng)計算為134m。支管的管材選用φ63PE黑管。附管平行支管布置，由一個球閥控制,便于輪灌組的管理和化分。毛管垂直于附管與支管布置，毛管間距為0.9m與1.4m。每兩行棉花布置一條毛管或每四行棉花布置一條毛管。毛管選用φ16.5mm的單翼迷宮式滴灌帶.首部樞紐裝置布置在水泵的旁邊,便于操作與管理。為沖洗管道的淤積物和冬季到來之前排干管中的積水，在分干管的末端（較低處）布置了排水井。

五、 滴灌設備選型

滴灌設備包括水泵、過濾裝置及干、支、附、滴灌管。機井流量為80m3/h，控制面積540畝，根據(jù)水量平衡計算及水力計算結果，選潛水泵250QJ80-80/4。根據(jù)機井水質情況, 由于機井中含有一定的泥沙及有機物，采用4″/120目組合式過濾器。首級過濾器為離心過濾器（LX-400-100 1件），次級過濾器為網(wǎng)式過濾器（WS-160×50  4件并聯(lián)）。查性能曲線可知,水頭損失為6-8m。施肥系統(tǒng)選用容量為150L。

六、 擬定滴灌系統(tǒng)的工作制度

本系統(tǒng)運行時,每次運行一條分干管,并開啟分干管上的6條支管,因此分4個輪灌組；然后每次開啟支管上的一條附管，就是經(jīng)計算確定的一個輪灌小區(qū),使附管上的所有毛管同時供水。

經(jīng)計算，每條支管上有9條（7條）附管，即9（7）個輪灌小區(qū)。一條附管帶26（22）條或28（24）條毛管，一個輪灌小區(qū)共有156（132）或168（144）條毛管。

故典型滴灌系統(tǒng)的輪灌組為4個，輪灌小區(qū)有36（28）個。

七、 編制輪灌順序，確定各級管道設計流量

典型滴灌設計輪灌順序表

八、 管道設計及水力計算

滴灌帶選用單翼迷宮式滴頭，當?shù)晤^間距0.3m,滴頭流量q=2.1L/h時，q=0.502h0.607；當?shù)晤^間距0.3m,滴頭流量q=2.6L/h時，q=0.653h0.600。

1. 毛管與滴頭間距的確定

棉花種植模式為一膜兩管四行或一膜兩管八行，滴灌帶選用新疆天業(yè)塑化集團生產(chǎn)的內徑為16mm的PE單翼迷宮式滴灌帶，以該產(chǎn)品的參數(shù)進行設計。一膜兩管模式：一根毛管灌兩行棉花，滴灌帶間距0.9m，滴頭間距0.3m，滴頭流量2.1L/h，流態(tài)指數(shù)X=0.607；一膜一管模式：一根毛管灌四行棉花，滴灌帶間距1.4m，滴頭間距0.3m，滴頭流量2.6L/h,流態(tài)指數(shù)X=0.600。 

2. 毛管極限長度的校核

毛管的極限孔數(shù)（毛管按均勻地形坡計算）：

Nm=INT{(5.466[△h2]d4.75)/( kSqd1.75)}0.364 

 

毛管的鋪設長度L毛= Nm×0.3,根據(jù)地塊的實際長度,可布6條支管，12條毛管,取毛管的長度為66.67米。

3. 各級管道管徑的確定及水力計算

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=1.2~1.8m/s

(1) 毛管水頭損失的計算：

Q毛=n滴·qd=222×2.1=466L/h

n滴=66.67÷0.3=222個

毛管內徑為16mm>8mm ，可認為管內流態(tài)為光滑紊流，故可計算：       

沿程水頭損失hf毛=fsqdm/db[（N+0.48）m+1/(m+1)-Nm(1-So/S)]

(5) 附管水頭損失的計算：

沿程水頭損

hf附=fSqdm/db[(N+0.48)m+1/m+1-Nm(1-S0/S)]

(6) 配水支管管徑及水頭損失計算：

d支=[4Q支/(πv)]0.5

    =[4×13.3÷（3.14×1.8×3600）] 0.5=51mm

v—塑料管經(jīng)濟流速，m/s,一般取v=1.2~1.8m/s

Q支—支管流量，m3/h，Q支=Q/6=80/6=13.3 m3/h。

根據(jù)聚乙稀微灌管規(guī)格，支管擬選用PE63×4.7/0.4

沿程水頭損失

hf支=fQ支mL/db

(7) 干管管徑及水頭損失計算：

d干=[4Q干/(πv)]0.5

     =[4×80÷（3.14×1.5×3600）] 0.5

     =137.4mm

根據(jù)聚氯乙稀微灌管規(guī)格，總、分干管擬選用PVC160×4.7/0.6。由于考慮以后的滴灌改噴灌及運行方式的調整，干管不考慮變徑。

沿程水頭損失

hf干=f(∑Q干nmLn/dnb) 

九、 水泵選型

（1） 計算微灌系統(tǒng)設計水頭H

H=Zp-Zb+h0+∑hf+∑hw

H—微灌系統(tǒng)設計水頭，m；

Zp-Zb—典型毛管進口與水源設計水位之間的高差，m；

Ho—典型毛管進口的設計水頭，取h0=10m；

∑hf—水泵至典型毛管進口的管道沿程水頭損失，m；

∑hw—水泵至典型毛管進口的管道局部水頭損失，m。

取二級過濾沖洗排污的水頭損失之和為10m，機井動水位取40m,抽水損失為4.84m，樞紐中各級閘閥的局部水頭損失之和為1.0m。

則H= 78m

（2） 機泵選型

機井的穩(wěn)定動水位取40m，據(jù)管網(wǎng)設計流量和工作壓力，查水泵手冊，初選井用潛水泵，250QJ80-80/4。

 

 

滴灌區(qū)潛水泵性能參數(shù)

 

 

十、 管網(wǎng)結構設計

   因塑料管的線脹系數(shù)很大,為使管線在溫度變化時可自由伸縮,初步擬定干管上每100m設置一個雙括管(即伸縮節(jié))。

   在直徑大于50mm的管道末端、轉彎、分岔和閥門處應設鎮(zhèn)墩，干管每隔200m設一鎮(zhèn)墩60×60cm。為保證系統(tǒng)管網(wǎng)的正常運行，需在管路上安裝控制和保護裝置。

管道埋深根據(jù)地面荷載和機耕要求,干管埋深60cm,為控制各分干管的運行,分干管首部設控制閘閥,尾部設泄水閥,各閘閥均砌閥門井保護。

 

十一、 繪制技施設計圖

滴灌系統(tǒng)工程平面圖、管系結構示意圖及閥門井示意圖詳見圖1-圖3。

十二、 主要設備與投資預算

典型示范區(qū)540畝滴灌工程總投資27.8679萬元。其中建筑工程費用3.5751萬元，設備費23.0391萬元，臨時工程費用0.0715萬元，其他工程費用0.9063萬元，預備費用0.2759萬元。節(jié)水灌溉材料設備、規(guī)格、數(shù)量及價格見表六。項目主要設備選型表、臨時工程費及其他工程費詳見預算：表一至表五。一膜一管膜式的投資預算及材料表見表七至表十二。

十三、 工程效益分析與技術指標計算

1、 工程年增效益（B）

項目區(qū)棉花單產(chǎn)由滴灌前的83公斤（皮棉），提高到107公斤，提高28%。540畝棉花凈增12960公斤。按現(xiàn)行價每公斤10元計，可增收129600元。

2、 滴灌工程年費用（C）的計算

（1） 能耗費（C1）

取棉花多年平均累計灌水次數(shù)為12次，每次平均灌水定額15m3/畝，灌溉定額約200 m3/畝，灌溉系統(tǒng)水利用率0.95,每kw·h的電價為0.5元，經(jīng)計算后為：

C1=540×200×30×0.5÷80÷0.95=21316（元）

（2） 維修費（C2）

 地埋管道及管件的年平均修理費為投資的1%,水泵及首部裝置的年平均修理費為投資的5%

則C2=63122×1%+62131×5%=3737.77（元）

（3） 微灌工程年折舊費（C3）的計算

地埋管材管件(20年折舊) D1=k1/n=63956/20=3197.8（元）

地面管材管件（6年折舊）D2=K2/6=49946/6=8324（元）

首部裝置(15年折舊)   D3=k2/n=24339/15=1622.6（元）

機泵儀表(10年折舊)   D4=k3/n=11350/10=1135（元）

毛管    (當年折舊)    D5=k4/n=80800/1=80800（元）

則C3=3197.8+8324+1622.6+1135+80800=95079.4（元）

（4） 微灌工程年管理費（C4）

由于滴灌面積較大，需水量大，灌水時間長，管理任務重，系統(tǒng)需有2名專職人員進行管理。從每年的4月下旬至9月初共4個月的時間。按當?shù)毓べY水平，管理人員的月工資以300元/人計,則系統(tǒng)年管理費(C4)應為

C4=4×300×2=2400（元）

據(jù)上述分析計算，該滴灌工程年費用（C）為：

C=C1+C2+C3+C4 =21316+3737.77+95079.4+2400=122533元

3、 工程經(jīng)濟效益費用比（R）

R=[(1+i)n –1]/i(1+i)n·(B-C)/K

若取年利率i=10%，經(jīng)濟計算期n=15年，則：

R0.9m=[(1+0.1)15 –1]/0.1(1+0.1)15×(129600-122533)/278679

=0.19

R1.4m=[(1+0.1)15 –1]/0.1(1+0.1)15×(129600-94232)/244638

=1.1

4、 還本年限（T）靜態(tài)法

T0.9m=K0.9m /M=278679/129600=2.15年≈2.5年

T1.4m=K1.4m /M=244638/129600=1.9年≈2年

5、 工程技術指標計算

本項目實施后，可使灌溉水的利用率由目前的40%提高到90%以上，與地面灌相比，可節(jié)約灌溉用水50%以上，節(jié)約耕地5%-7%。其他技術經(jīng)濟指標如下：

1） 畝投資（Km）

Km0.9m=K0.9m/A=278679/540=516.07 (元/畝)

Km1.4m=K1.4m/A=244638/540=453.03(元/畝)

2） 滴灌工程設備投資（Sm）

Sm0.9m= S0.9m /A=230391/540=426.65 (元/畝)

Sm1.4m= S1.4m /A=200427/540=371.16 (元/畝)

3） 畝管道用量（Lm）

（1） 畝干管用量（Lm1）

Lm1=L1/A=1850/540=3.43(m)

（2） 畝支、附管用量（Lm2）

Lm2=L2/A=2700*2/540=10(m)

（3） 畝毛管用量（Lm3）

Lm3(0.9m)=L3/A=404000/540=748(m)

Lm3(1.4m)=L3/A=262700/540=486.48(m)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

新疆生產(chǎn)建設兵團農(nóng)八師

棉花膜下滴灌

 

 

典

型

設

計

書

 

 

 

 

農(nóng)八師水利局天興設計室

二OO一年七月

 

 

 

 

新疆生產(chǎn)建設兵團農(nóng)八師

棉花膜下滴灌

典型設計書

13669010075

liuhaoweiwudi

審定：張  敏

       審核：楊國慶 馬玉忠

校核：蘇  軍

編寫：李雪芹

 

 

農(nóng)八師水利局天興設計室

二OO一年七月