涌泉灌溉下毛管极限长度的计算方法

　　0 引言

　　近两年来,山西省晋城陵川县在"山西省农业科技推广示范行动"项目的扶持下,结合当地特色,大力发展果树种植行业.由于当地特殊的地理环境,使得果品质量优良,但当地严重缺乏的水资源以及原始的灌溉方式制约了农业的发展.因此,当地率先引进了涌泉灌溉技术,相比于原有的抽水漫灌的方式,更加节水、省工、高效、管理方便,对于当地经济发展有很大推动作用.

　　1 涌泉灌溉优势

　　涌泉灌溉是由滴灌演化而来的一种节水灌溉方式[13].滴灌出流量小,滴入土壤的水分在土壤中入渗的均匀性因土质不同差异很大,而且易造成植物根系侧向生长,使作物的抗倒性变弱.为了解决这一问题,逐渐地发展为将微管代替滴灌滴头的灌溉模式,并借鉴了穴灌的特点,将水灌入绕作物的环状灌水沟中,使水能缓慢、均匀地渗入根系中.与喷灌相比,喷灌的灌水效率受温度和风向的影响较大,当温度过高、空气湿度低时,喷灌的蒸发损耗量增大.当风速为四级时,能将水滴吹散,使喷灌的水滴发生漂移; 对于一些叶片较多的植株,喷洒的水量会有一部分落在叶片上,降低了灌水效率; 而涌泉灌不受风速气温影响,能将水直接灌入植物根系中,避免了这些情况的发生.渗灌虽然减少了地表蒸发的水分耗散,但其造价太高,极易堵塞,而且技术不太成熟.涌泉灌溉与前几种节水灌溉方式相比,具有出流量大、灌水损失小、不受气温风力影响、灌水均匀度高、适用于多种土质、投资少和操作简便等优点.对于地形复杂的山区,涌泉灌溉具有很大的优势.

　　2 灌区基本情况

　　灌区位于山西晋城地区,灌区面积为 12hm2,主要种植作物为樱桃、苹果、桃、李、杏、梨等果树,共种植果树 7 852 棵,果树株距为 3m,行距为 4m.灌区土地均为梯田,且高差较大,最高地块海拔为 959. 67m,最低地块为 896. 78m,采用自流灌溉.灌区内设计一蓄水池,为圆柱形,高 6m,底半径为 10m,灌水方式为涌泉灌溉( 小管出流灌溉) ; 项目设计干管、分干管管径为 110mm,支管为 63mm,毛管管径为 32mm,微管管径为4mm,系统设计流量为43. 8m3/ s.在每行果树地下 15cm 深处埋设一条毛管,稳流器在毛管上打孔安装,由稳流器的另一端接 4mm 微管,微管位于地面以上,水流经微管以细流形式流入果树周围预先挖好的环状灌水沟,最后入渗到果树根系中.环状灌水沟直径取 1. 3m,沟深 10cm,边坡系数为 1,底宽为 20cm,其断面为等腰梯形.按成龄树冠直径为 2m 计算,求得稳流器规格为 60L/h.

　　3 毛管长度的确定

　　对于一个灌溉工程来讲,毛管用量较大,约占总用管量的 55% .灌区设计是由 1 条毛管控制 1 行果树,选用的管径决定了毛管的最大铺设长度.经过水力计算,20、25、32mm 这 3 种规格的毛管是较为经济的管径.但考虑到管径过小会使沿程水头损失增大的因素,并且要保证供水量的充足,所以采用 32mmPE管作为毛管.

　　在灌区规划中,如果毛管过短,会增加管件的用量,使阀门数量过多,增加了灌溉管理的难度; 如果毛管过长,会使出流不均,同时造成了管道的浪费.因此,确定毛管的最大长度能更合理规划灌区,降低灌溉系统的造价,提高灌溉质量.

　　3. 1 水头偏差在支、毛管之间的分配比例计算当地形均匀且支毛管的降比均不大于 1 时,分配比例可用微灌工程技术规范 SL103-95( 4. 3. 4-1)式[5]计算,有

　　

　　其中,β1为允许水头偏差分配给支管的比例; β2为允许水头偏差分配给毛管的比例; L1为小区支管总长度,m; L2为毛管总长度,m; J1为沿支管地形比降,J2为沿毛管地形比降,本工程中取 J1= J2= 0; α1为支管上毛管布置系数,本工程为双侧布置取 2; n1为支管上单侧毛管的根数; a 为指数,由管道价格与管道直径回归得出; C 为管道价格,元/m; b0为系数.

　　3. 2 管径与报价的参数计算

　　为求得 a 的值,现根据管道与管径报价材料( 见表1) 对( 2) 式 C = b0da进性回归分析.

　　

　　对等式两边取对数,得 lnC=lnb0+lnd.令 y = lnC,b = lnb,x = lnb,将表中数据转换后,用 Sas 软件对其作回归分析,得到回归方程( 模型的回归拟合结果) 为

　　

　　求得回归模型的 p 值小于 0. 05,说明较为显着; 决定系数达 0. 931 3,说明其具有较高的拟合精度.因此,求得 a 值为 1. 928.

　　3. 3 毛管的极限管长度

　　按 SL103-95,微灌工程技术规范公式[5]进行计算,则有

　　

　　其中,Nm为多孔管的极限分流孔数; INT( ) 为将括号内的实数舍去小数成整数; Δh毛为毛管内允许的水头偏差; d 为多孔管内径,mm; K 为水头损失括大系数,取 k=1. 2; S 为毛管孔间距,取 3m; qd为稳流器出水流量,取 qd= 60L / h; β1为允许水头偏差分配给支管的比例; [Δh]为灌水小区允许水头偏差,经计算为1m.按凯勒尔卡迈里所提的支毛管水头,损失合理分配方案,Δh支= 0. 45Δh ,Δh毛= 0. 55Δh .代入上面公式求得毛管的最大铺设长度为 81m.但在实际的工程中,各灌水小区由于地形条件不同,离输水干管距离不同,支管布设长度不同,一块地里需要布置的毛管根数不同,其支、毛管水头损失分配往往达不到最为合理的情况.因此,毛管布设最大长度需要根据各灌水小区中的实际情况来确定,通过式( 1) ~ ( 6) 计算求得,以便使各灌水小区的毛管长度在最大值的范围内.

　　3. 4 毛管水头损失的计算

　　毛管在灌区应用中,因其出口接相同规格稳流器,微管的流量相同,又被称为多孔管.通常利用多孔系数法计算水头损失,先计算沿程流量不变时的沿程水头损失 hf,再乘以多口系数 F ,即得多孔管的沿程水头损失.在项目中按下面经验公式[1]计算,即

　　其中,F 为多口系数; m 为流量指数,取 m=1. 77;N 为出流口数目; x 为第 1 个出流口到管道进口距离 l1与出流口间距 l 的比值,即 x = l1/ l .通常 x 有两种情况,即当 l1为 l 的1/2 时,x = 0. 5; 当 l1与 l 相等时,x =1.Hf为多孔出流下管道的沿程水头损失,本工程中局部水头按沿程水头损失的 10% ~15%考虑.

　　4 不同毛管布置方案比较

　　4. 1 水头损失比较

　　根据毛管在支管上的布置方式,可分为两种: 一种是毛管双侧布置; 另一种是毛管单侧布置,稳流器为 60L/h.在同一块地上布置两种不同方案,分别对其进行水力计算,比较两者的水头损失,如表 2 所示.

　　

　　在双侧布置的条件下,每块地的平均水头损失只有单侧布置下的 42. 7%.采用双侧布置,可明显减少水头损失,保证出流均匀,提高灌溉效率,增加果树的产量.

　　4. 2 工程投资比较

　　毛管双侧布置与单侧布置相比,增加了干管长度和管件的使用数量.为了防止漏水,接口处粘合强度要求高,并且管道试水试验要求管道所有接头、配件均无渗漏,增加了工程施工难度和投资.

　　为保证出流均匀、节约用水,本工程采用双侧布置的方式,同时在施工中做好管道安装、接头连接、阀门安装、管道打压试验、镇墩安装与土方回填等工作,并要规范施工程序、严格进行监理、保证施工质量.

　　5 结论

　　1) 根据工程中管道报价材料,回归出了管道价格与管道内径的函数关系,回归方程为 C=0.006 25d1. 928 45.其中 c 为管道价格,元/m; d 为管径,mm.该模型有极高的精度,可用于响应预测.

　　2) 在灌溉方式为小管出流灌、选用稳流器流量规格为 60L/h、选用毛管内径为 32mm 的灌区,根据凯勒尔卡迈里所提的支毛管水头损失合理分配方案,Δh支= 0. 45Δh ,Δh毛= 0. 55Δh ,其毛管的极限长度为每根不超过 81m.

　　3) 对毛管水头损失计算可以看出,采用毛管双向出流可以减少水头损失,同时使管道出流更均匀,保证了灌溉系统的稳定与安全.

　　参考文献:

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