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河北华微微灌技术(三)

发布时间:2018-08-29 点击量:497

第三章 微灌工程的规划设计

第一节 作物需水量计算 

 (一)作物需水量计算 

    作物需水量包括作物蒸腾量和棵间土壤蒸发量。 估算作物需水量的方法很多, 可参见 《农田水利学》等资料。

 (二)设计耗水强度

    设计耗水强度是指在设计条件下微灌作物的耗水强度。它是确定微灌系统最大输水能力的依据,设计耗水强度越大,系统的输水能力越高,但系统的投资也就越高,反之亦然。因

此,在确定设计耗水强度时既要考虑作物对水分的需要,又要考虑经济上合理可行。规范SL103-95《微灌工程技术规范》规定:应取设计年灌溉季节月平均耗水强度峰值作为设计耗水强度,以 mm/d计。无资料时可按下表适当选取。

                            作物           滴灌     微喷灌 

                        蔬菜 (保护地)     2-3      --- 

                        蔬菜 (露天地)     4-7      5-8 

                          粮棉等作物        4-6      5-8 

                          葡萄、瓜类        3-6      4-7 

                            果树            3-5      4-6 

 


 (三)设计灌水均匀度 

    为保证微灌的灌水质量,灌水均匀度应达到一定的要求。在田间,影响灌水均匀度的因素很多,如灌水器工作压力的变化,灌水器的制造偏差,堵塞情况,水温变化,地形变化等。目前在设计微灌工程时能考虑的只有水力 (水压变化) 和制造偏差两种因素对均匀度的影响。微灌灌水均匀度可以用克里斯琴森均匀系数来表示,即 

image216.jpg

式中: 

image218.jpg


    1.只考虑水压力因素影响时设计的均匀度

考虑水压力影响因素,微灌均匀度系数image220.jpg与灌水器的流量偏差率image222.jpg存在一定的近似关系,见下表。

image224.jpg 


     另外,在平地或均匀坡条件下微灌的流量偏差率与工作水头偏差率的关系为 

image226.jpg

      若选定了灌水器,已知流态指数x ,并确定了均匀系数image229.jpg,则可用上式求出允许的压力偏差率image231.jpg,从而可以确定毛管的设计工作压力变化范围。

     2.设计灌水均匀度的确定 

     在设计微灌工程时,选定的灌水均匀度越高,灌水质量越高,水的利用率也就越高,系统的投资也越大。因此,设计灌水均匀度应根据作物对水分的敏感程度、经济价值、水源条件、地形、气候等因素综合考虑确定。

建议采用的设计均匀度为:当只考虑水压力因素时,取image233.jpg,或image235.jpg;当考虑水力和灌水器制造偏差两个因素时,取image237.jpg

 ()灌溉水利用系数的确定 

     只要设计合理、设备可靠、精心管理,微灌工程不会产生输水损失、地面径流和深层渗漏。微灌的主要水量损失是由灌水不均匀和某些不可避免的损失所造成。微灌水利用系数一般采用 0.9-0.95。规范 SL103-95规定:对于滴灌,灌溉水利用系数应不低于 0.9;微喷应不低于 0.85  

第二节 设计灌溉制度 

     不同的灌溉方法有不同的设计灌溉制度,但对喷灌、微喷灌、滴灌等来说,其原则和计算方法是一样的。由于在整个生育期内的灌溉是一个实时调整的问题,设计中常常只计算一个理想的灌溉过程。设计灌溉制度是指作物全生育期 (对于果树等多年生作物则为全年)中设计条件下的每一次灌水量 (灌水定额)、 灌水时间间隔(或灌水周期)、一次灌水延续时间、灌水次数和灌水总量(灌溉定额),它是确定灌溉工程规模的依据,也可以作为灌溉管理的参考数据,但在具体灌溉管理时应根据作物生育期内土壤的水分状况而定。

 (一)设计灌水定额计算

    微灌系统的设计灌水定额可由下式计算求得:

                             image239.jpg

式中:

——设计灌水定额,mm

——土壤中允许消耗的水量占土壤有效水量的比例(image241.jpg取决于土壤、作物和经济等因素,一般为30%-60%,对土壤水分敏感的如蔬菜等,采用下限值,对土壤水分不敏感的如成龄果树,可采用上限值),% 

——土壤田间持水率和作物凋萎系数(占土体积的%),(image243.jpg)表示土壤中保持的有效水分数量,不同类型土壤的image246.jpg(image248.jpg)值见下表;

                      各种土壤有效水分含量 (占土体积的百分比)

 

                      土壤类型                       

                     土(细粒)           43        30        13 

                    粘壤土(细粒)        31        22         9 

                     壤土 (中等)        17         7        10

                    砂壤土(中等)        12         4         8 

                     砂土 (粗粒)         4         1         3 

 


Z ——土壤计划湿润层深度 (根据各地的经验,各种作物的适宜土壤湿润层深度:蔬菜为0.2-0.3m,大田作物为 0.3-0.6m,果树为 1-1.5m),m

Pw——土壤湿润比(Pw 取决于作物种类、生育阶段及土壤类型等因素),%

式中: 

N P ——每棵作物滴头数,个;

Se  ——滴头沿毛管上的间距,m

W  ——湿润带宽度(也等于单个滴头的湿润直径),m

Sp   ——作物株距,m

SR  ——作物行距,m

设计灌水定额也可用下式计算:

image258.jpg

式中: 

——田间持水率,以占干土重的百分数为计,%

——灌前土壤含水率,为作物允许土壤含水率下限,以占干土重的百分数计,%

水——土壤的干密度和水的密度,t/m3  

    其余符号意义同前。 

 

下表为各类土壤干密度和两种水分常数,可供设计时参考。 

                              image268.jpg

 

 (二)设计灌水周期的确定 

    设计灌水周期是指在设计灌水定额和设计日耗水量的条件下,能满足作物需要,两次灌水之间的最长时间间隔。这只是表明系统的能力,而不能完全限定灌溉管理时所采用的灌水

周期,有时为了简化设计,可采用 1 天。设计灌水周期可按下式计算:

image270.jpg

式中: 

T ——设计灌水周期,d 

m  ——设计净灌水定额,mm

E a ——设计时选用的作物耗水强度,mm/d

 ()一次灌水延续时间的确定 

    单行毛管直线布置,灌水器间距均匀情况下,一次灌水延续时间由下式确定。对于灌水器间距非均匀安装的情况下,可取S e为灌水器的间距的平均值。

  image272.jpg

式中: 

image274.jpg


   对于果树,每棵树装有 n个灌水器时,则 

image276.jpg

式中: 

S rS t ——果树的株距和行距,m 

其余符号意义同前。

 (四)灌水次数与灌溉定额

    使用微灌技术,作物全生育期 (或全年)的灌水次数比传统的地面灌溉要多。根据我国使用的经验,北方果树通常一年灌水 15-30 次;在水源不足的山区也可能一年只灌3-5 次。灌水总量为生育期或一年内(对于多年生作物)各次灌水量的总和。 

第三节 微灌系统工作制度的确定 

    微灌系统的工作制度通常分为全系统续灌和分组轮灌两种情况。 不同的工作制度要求的流量不同,因而工程费用也不同。在确定工作制度时,应根据作物种类,水源条件和经济条件等因素综合作出合理的选择。

 (一)全系统续灌

    全系统续灌是对系统内全部管道同时供水, 对设计灌溉面积内所有作物同时灌水的一种工作制度。它的优点是灌溉供水时间短,有利于其他农事活动的安排。缺点是干管流量大,管径粗,增加工程的投资和运行费用;设备的利用率低;在水源流量小的地区,可能缩小灌溉面积。

 (二)分组轮灌

较大的微灌系统为了减小工程投资,提高设备利用率,增加灌溉面积,通常采用轮灌的工作制度。一般是将支管分成若干组由干管轮流向各组支管供水, 而支管内部同时向毛管供水。

1.划分轮灌组的原则

   1)轮灌组控制的面积应尽可能相等或接近,以使水泵工作稳定,效率提高。

   2)轮灌组的划分应照顾农业生产责任制和田间管理的要求。例如,一个轮灌组包括若干片责任地,尽可能减少农户之间的用水矛盾,并使灌水与其他农业措施如施肥、修剪等得到较好的配合。

3)为了便于运行操作和管理,通常一个轮灌组管辖的范围宜集中连片,轮灌顺序可通过协商自上而下进行。有时,为了减少输水干管的流量,也采用插花操作的方法划分轮灌组。

2.确定轮灌组数

按作物需水要求,全系统划分的轮灌组数目如下: 

image277.jpg 

式中: 

 

N ——允许的轮灌组最大数目,取整数;

——一天运行的小时数,一般为 12-20h,对于固定式系统不低于 16h T ——灌水时间间隔(周期),d 

t——一次灌水持续时间,h 

实践表明,轮灌组过多,会造成各农户间的用水矛盾,按上式计算的 N 值为允许的最多轮灌组数,设计时应根据具体情况灵活确定合理的轮灌组数目。

3.轮灌组的划分方法 

    通常在支管的进口安装闸阀和流量调节装置,使支管所辖的面积成为一个灌水单元, 称为灌水小区。一个轮灌组可包括一条或若干条支管,即包括一个或若干个灌水小区。 

第四节 微灌系统的流量计算

 (一)毛管流量的计算  

    一条毛管的进口流量为灌水器或出水口流量之和,即

image279.jpg

式中: 

Q ——毛管进口流量,L/h

N ——毛管上灌水器或出水口的数量;

q i ——第 i 个灌水器或出水口的流量,L/h

    设毛管上灌水器或出水口的平均流量为qa,则 

image281.jpg

    为了方便,设计时可用灌水器的设计流量 qd代替平均流量 qa,即 

image282.jpg 

 (二)支管流量计算 

通常支管双向给毛管配水, 如下图所示, 支管上有 N排毛管, 由上而下编号为 12 、…  N-1N,每段编号相应于下端毛管的编号,任一支管段 n 的流量为

image284.jpg

式中:

 ——支管第 n段的流量,L/h 

 ——第 i 排左侧毛管和右侧毛管进口流量,L/h 

n ——支管分段号

 

      image290.jpg

     支管进口流量(n=1

image292.jpg

     当毛管流量相等时,即  

image294.jpg

 (三)干管流量推算 

     1.续灌情况 

     任一干管段的流量等于该段干管以下支管流量之和。

     2.轮灌情况 

     任一干管段的流量等于通过该管段的各轮灌组中最大的流量。

第五节 管道水力计算 

     管道水力计算是压力管网设计非常重要的内容,在系统布置完成之后,需要确定干、支管和毛管管径, 均衡各控制点压力以及计算首部加压系统的扬程。 管道水力计算的主要内容:①计算各级管道的沿程水头损失。②确定各级管道的直径。③计算各毛管入口工作压力。④ 计算各灌溉小区入口工作压力。⑤计算首部水泵所需扬程。

 (一)微灌管道水力计算常用公式 

     有压管道沿程摩阻损失基本表达式是达西—韦斯巴赫公式: 

image296.jpg

式中:

H f ——沿程水头损失,m

*——沿程阻力系数; 

V ——管道过水断面平均流速,m/s

L ——管道长度,m

D ——管道内径,m 

     达西—韦斯巴赫公式是有压管道水力计算的通用公式。 由于沿程阻力系数与管内壁的粗糙度和管道内的流态有关,因而计算较为复杂。

    微灌系统常用的塑料管,其流态除滴头内部和毛管末端可能处于层流外,毛管大部、支管及干管均属于光滑管紊流,因而可采用下式计算沿程损失: 

image300.jpg

式中: 

f   ——系数;

Q ——流量,L/h

d ——管内径,mm

L ——管长,m

其余符号同前。

    SL103-95《微灌工程技术规范》给出了上式中的系数和指数值,可供设计参考,见下表。 

                 管材                        f            m             b 

                硬塑料管                    0.464        1.77          4.77 

                     D8mm               0.505        1.75          4.75 

                            Re2320        0.595        1.69          4.69 

   聚乙烯管        D8mm 

                            Re2320        1.75           1            4 

注:D 为管径;Re为雷诺数。 

 

(二)多口出流管道的沿程水头损失计算 

多口出流管道在微灌系统中一般是指毛管和支管。 在滴灌系统中, 由于毛管一般由厂家提供了不同管径不同滴头和不同间距条件下铺设长度与水头损失关系曲线, 故一般不需要计算。如厂家提供的数据中滴头间距不能满足设计要求,此时需进行计算,但滴头和微喷头与毛管连接处的局部水头损失应充分考虑,可初选一个值,利用厂家提供的数据反推,得出适宜的局部水头损失值。在微喷灌系统中,也可使用厂家提供的水头损失与管径、微喷头流量和间距的关系曲线。因而多孔出流管沿程水头计算一般指支管的计算。

    1.管道沿程压力分布

    管道沿程任一断面的压力等于进口压力水头、 进口至该断面处的水头损失及地形高差的代数和,即 

image305.jpg

式中: 

h i ——断面 i 处的压力水头,m

H ——进口处的压力水头,

∆Hi——进口至 i 断面的水头损失,m

∆Hi′——进口处与 i 断面处的地形高差,顺坡为正,逆坡为负,

    2.多口出流管道的沿程损失计算

    可以分别计算各分流口之间管段的沿程水头损失, 然后再累加起来,得到多口出流管全长的沿程水头损失。将管段从上游往下游顺序编号,第 n 管段水头损失计算公式为

image307.jpg

式中: 

L n ——第 n段管的长度,亦即第 n-1 号与第 n 号出流口间距,m

qi ——第 i 出流口的流量,L/h

     当出水口较多时,分段计算将很繁琐。对于等距、等量的多口出流管的沿程水头损失可按下述的简易方法计算。

     先以多口管进口流量按式计算出无分流管道的沿程水头损失,再乘以多口系数 F,即 

image309.jpg

式中: 

L n ——多口管沿程水头损失,m

F ——多口系数; 

Hf   ——无多口出流时的沿程水头损失,m

N ——出口数目;

m ——流量指数; 

x ——进口端至第一个出水口的距离与孔口间距之比。

     微灌中支毛管均为塑料管,为了便于计算,通常取 m=1.77,并将多孔系数制成表格备查,如下表, 

                                 多孔系数 (m 1.77) 

出水口数目     多口系数      出水口数目      多口系数      出水口数目       多口系数   

    N       X=1   X=0.5       N        X=1   X=0.5     N         X=1  X= 0.5 

    2       0.648   0.530       12      0.404    0.378     24        0.382  0.369 

    3       0.544   0.453       13      0.400    0.376     26        0.380  0.368

    4       0.495   0.432       14      0.397    0.375     28        0.379  0.368

    5       0.467   0.408       15      0.395    0.374     30        0.378  0.367 

    6       0.448   0.398       16      0.393    0.373     35        0.375  0.366 

    7       0.435   0.392       17      0.390    0.372     40        0.374  0.366 

    8       0.425   0.387       18      0.389    0.372     50        0.371  0.365 

    9       0.418   0.384       19      0.388    0.371    100        0.366  0.363 

   10       0.413   0.382       20      0.387    0.371   100       0.361  0.361

   11       0.407   0.379       22      0.384    0.370 

    

3.多口管局部水头损失计算

     多口管分流口多,局部损失一般不宜忽略,应按供应商的资料选用。无资料时,局部水头损失可按沿程损失的一定比例估算,这一比例支管为 0.05-0.1,毛管为 0.1-0.2

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