浅谈微喷灌设计在灌区节水配套改造工程中的实际应用

熊 璐,杨 梅

(毕节市勘测设计研究院，贵州 毕节 551700)

产业园内目前种植的13.33 hm2葡萄为遮阴棚种植，计划采用微灌技术灌溉。其中，3.33 hm2葡萄品种为玫瑰香，需要配套滴灌设施；
10.00 hm2葡萄品种为巨峰，需要配套微喷灌设施。本次设计拟在水源旁边新建一座提水泵站，敷设202 m长的DN125热镀锌钢管提水至园区东侧山腰处的300 m3高位水池A。从高位水池A向正西方向敷设一根输水管，主管负责提供200亩葡萄的灌溉用水，管道为De160PE100管。

2.1 参数确定

根据实际情况，微喷灌区种植的葡萄品种为巨峰，微喷灌面积有10 hm2。根据其种植方式、土壤质地要求，结合微喷灌工程设计标准，确定微喷灌工程设计参数如下。

根据《微灌工程技术标准》(GB/T 50485—2020)[1]及项目区经济条件，微喷灌工程灌溉设计保证率取90%。葡萄设计耗水强度Ia=4.0 mm/d。微喷灌工程的灌溉水利用系数取0.90。标准GB/T 50485—2020推荐葡萄采用微喷灌时的土壤设计湿润比P的范围为40%～70%，取P=40%。根据作物及灌水方式确定计划湿润层深度，葡萄滴灌时的计划湿润层深度取H=0.4 m。适宜土壤含水量上下限分别为24.09%、20.52%(占干土重百分比)，土壤干容重为r=1.42g/cm3。

2.2 喷头选择

本次设计的微喷灌区规划种植巨峰葡萄，由于植物茎叶细嫩，喷灌水打击强度过大，易损伤作物，因此，宜选用雾化程度较高的中低压强度喷头，固定式喷灌系统采用全圆喷洒喷头，按现有喷头规格性能初步选择旋转式微喷头。喷头主要技术性能参数见表1：

表1 旋转式微喷头主要技术性能

2.3 设计灌溉制度

(1)最大净灌水定额mmax。灌水定额按式(1)计算：

(1)

式中：mmax为最大净灌水定额，mm；
γ为土壤容重，g/cm3；
z为计划土壤层湿润深度，cm；
p为计划土壤湿润比，%；
Qmax为适宜土壤含水量上限，%；
Qmin为适宜土壤含水量下限，%；
η为灌溉水利用系数，取0.9。

经计算，mmax为8.1 mm，换算为81 m3/hm2。

(2)设计灌水周期T。

葡萄设计耗水量Ia=4 mm/d，则灌水周期T采用式(2)～式(3)计算：

(2)

T≤Tmax

(3)

式中：Tmax为最大灌水周期，d。

经计算，Tmax为2.03 d，则T取2 d。

(3)设计灌水定额md。采用式(4)～式(5)计算：

md=T·Ia

(4)

(5)

式中：md为设计净灌水定额，mm；
m′为设计毛灌水定额，mm。

经计算，md为8 mm，m′为8.89 mm，换算为89.0 m3/hm2。

(4)一次灌水延续时间。

根据设计中选用的灌水器和毛管的布置方式，微喷灌区作物系统定点灌水延续时间采用式(6)计算：

(6)

式中：t为一次灌水延续时间，h；
Se为灌水器间距，取3.5 m；
S1为毛管间距，取3.5 m；
qd为灌水器流量，取28 L/h。

经计算，t=3.89 h，取4 h。

(5)系统工作制度。

本系统采用轮灌的灌溉方式，微灌系统设计日工作小时数应≤22 h，本工程设计日工作小时数为10 h，则最大轮灌组数Nmax的计算见式(7)：

(7)

式中：Nmax为最大轮灌组数；
td为日运行最大时数，h/d。

经计算，Nmax=5。

根据平面布置，按理想情况将葡萄微喷灌区分为5个轮灌组，葡萄微喷灌区共10 hm2，则每轮组灌溉2.00 hm2。

(6)灌水小区设计。根据轮灌组划分情况，本次设计单个轮灌组葡萄种植面积为2.00 hm2，一个轮灌组为一个灌水小区，再根据地块地形确定每个灌水小区分为多个灌水单元，每个灌水单元由1条支管控制。灌水小区设计流量偏差率为20%，微喷头的流态指数为0.5，微喷头设计水头为20 m、灌水小区水头偏差为8.20 m。

2.4 管网水力计算

根据平面布置，按照最不利情况，选取典型轮灌组进行计算。

(1)毛管水头损失计算。

按毛管上喷头全开考虑，喷头间距为3.5 m，毛管选最不利管长计算，根据实际情况，取毛管长L=75 m。

毛管沿程水头损失按式(8)计算;多口系数按式(9)计算：

(8)

(9)

式中：hf为管道沿程水头损失，m；
F为多口系数；
f为摩阻系数，取0.505；
L为管道长度，m；
Q为管道流量，m3/s；
m为流量指数，取1.75；
d为管道内径，m；
b为管径指数，取4.75；
N为喷头或孔口数；
x为多孔支管首孔位置系数。

经计算得，多口系数F=0.376，即最不利毛管的沿程损失hf=0.522 m。

由于毛管上出流口多，且各出流口处流速均不相同，局部损失一般采用沿程损失乘以系数k直接得到总水头损失，取局部损失加大系数k=1.15，则可得毛管总水头损失为Δh=0.601 m。

(2)支管水头损失。

设计中支管选用PE管，管径90 mm，壁厚6.7 mm，工作压力1.25 MPa。支管流量为一个灌水单元总喷头流量之和，根据灌区实际布置情况，最不利支管流量为28 m3/h。支管局部水头损失按沿程水头损失的10%考虑。支管总水头损失为沿程水头损失与局部水头损失之和。

根据输配水管网布置，最不利支管长度按186 m 考虑，经计算，支管沿程水头损失hf=2.40 m，则局水头损失hw支=0.1hf支=0.24 m。

因此，支管总水头损失：Δh支=2.64 m。

(3)主(干、分干)管水头损失。

输水管水力计算成果详见表2。

由表2可知,最不利水头损失为主管、D-6#干管、支管、毛管水头损失，最不利水头损失之和最大值为10.0 m，遮阴棚高度为3.0 m，管道埋深为0.7 m，则微喷灌区最大工作水头为13.7 m。高位水池A高程846.0 m，灌区地面高程为831.0 m，高位水池A高程与灌区地面高差15.0 m，扣除工作水头后仅余1.3 m，但选取的微喷头设计工作压力需达0.2 MPa，即其工作水头应满足20 m，由此可知，自由水头不满足微喷灌溉工作压力要求，需进行二次加压设置，加压扬程为18.7 m。

表2 输水主、干管水力计算

为满足微灌区管网对水质的要求，需在输水主管首端节点B之前修建水处理房1座，内设1套过滤设备，1套施肥设备。通过水力计算可知，考虑管道水头损失和末端自由水压后，需采用二次加压的方式才可满足葡萄园微灌系统工作要求。

二次加压采用管道泵加压，根据上述计算得出的加压扬程为18.7 m，管道泵工作时间和系统工作时间一致为10 h，13.33 hm2葡萄最大日需水量为600.00 m3/d，则设计提水流量为16.67 L/s，即Q=60 m3/h，选取管道泵型号为dw80-125/2/5.5，功率5.5 kW。

根据前述微灌系统管网布置内容，微灌系统的布置为：高位水池A——1#输水主管——过滤(施肥)设备——管道加压泵——输水干管——输水支管。

(1)水处理房设计。

水处理房为单层地面式砖混结构，内设离心过滤器1套，网式过滤器1套，施肥罐1个，并在进水管上设管道加压泵1个，兼作管道加压泵房。配备相应配电箱、控制柜等。

(2)系统首部过滤(施肥)设备选择。

灌溉要求：微喷灌进口压力不小于200 kPa，滴灌进口压力不小于100 kPa；

水质过滤精度≥120目；

微灌系统首部枢纽设备选择见表3。

表3 葡萄微灌系统过滤(施肥)设备

在实施微灌系统前，产业园主要采用手持管道进行浇灌，灌溉用水方式较粗放，造成水资源浪费较大，园区灌溉水利用系数较低，不能达到《节水灌溉工程技术标准》(GB/T 50363—2018)[2]中所要求的“管道输水灌溉工程不应低于0.8”，结合葡萄园现状用水量，现状灌溉水利用系数取0.50。

实施微灌系统后，因设计了科学合理的轮灌制度，灌溉方式高效，可以实现节约用水，实施后为管道输水，管道输水利用系数不小于0.95，田间水利用系数取值为0.95，即产业园灌溉水利用系数为0.90[3-5]。满足标准GB/T 50363—2018中“微灌工程不应低于0.85”的要求。

实施微灌系统前后需水量计算见表4。

表4 双星社区综合产业园实施微灌前后需水量计算成果

由此可知，产业园实施微灌后，理论上可实现年节水1.07万m3，节水率高达44.58%。

双星社区产业园节水配套改造的主要内容为：在园区内的水源旁新建提水泵站，提水至园区东侧山腰处高位水池后，向园区内供水，园区实施微灌系统进行灌溉，主要包括微喷灌系统及滴灌系统。本文以微喷灌系统设计为例，结合葡萄种植种类选取合适的喷头，并通过对灌溉制度、灌水定额、灌水时间、轮灌组以及灌水小区等各参数进行计算选取，使得微喷灌系统得到较为合理的布置，提高了园区用水效率。经产业园区节水配套改造前后需水量计算，实施微灌后园区每年可节约水量1.07万m3，节水率44.58%。本项目的实施能在提高项目区群众的经济收入的同时促进项目区群众在用水、管水方式上的观念改变，在一定程度上起到了高效节水示范引领作用。