涌泉灌溉下毛管極限長度的計算方法-藏刊網

0 引言

近兩年來,山西省晉城陵川縣在"山西省農業科技推廣示范行動"項目的扶持下,結合當地特色,大力發展果樹種植行業.由于當地特殊的地理環境,使得果品質量優良,但當地嚴重缺乏的水資源以及原始的灌溉方式制約了農業的發展.因此,當地率先引進了涌泉灌溉技術,相比于原有的抽水漫灌的方式,更加節水、省工、高效、管理方便,對于當地經濟發展有很大推動作用.

1 涌泉灌溉優勢

涌泉灌溉是由滴灌演化而來的一種節水灌溉方式[13].滴灌出流量小,滴入土壤的水分在土壤中入滲的均勻性因土質不同差異很大,而且易造成植物根系側向生長,使作物的抗倒性變弱.為了解決這一問題,逐漸地發展為將微管代替滴灌滴頭的灌溉模式,并借鑒了穴灌的特點,將水灌入繞作物的環狀灌水溝中,使水能緩慢、均勻地滲入根系中.與噴灌相比,噴灌的灌水效率受溫度和風向的影響較大,當溫度過高、空氣濕度低時,噴灌的蒸發損耗量增大.當風速為四級時,能將水滴吹散,使噴灌的水滴發生漂移; 對于一些葉片較多的植株,噴灑的水量會有一部分落在葉片上,降低了灌水效率; 而涌泉灌不受風速氣溫影響,能將水直接灌入植物根系中,避免了這些情況的發生.滲灌雖然減少了地表蒸發的水分耗散,但其造價太高,極易堵塞,而且技術不太成熟.涌泉灌溉與前幾種節水灌溉方式相比,具有出流量大、灌水損失小、不受氣溫風力影響、灌水均勻度高、適用于多種土質、投資少和操作簡便等優點.對于地形復雜的山區,涌泉灌溉具有很大的優勢.

2 灌區基本情況

灌區位于山西晉城地區,灌區面積為 12hm2,主要種植作物為櫻桃、蘋果、桃、李、杏、梨等果樹,共種植果樹 7 852 棵,果樹株距為 3m,行距為 4m.灌區土地均為梯田,且高差較大,最高地塊海拔為 959. 67m,最低地塊為 896. 78m,采用自流灌溉.灌區內設計一蓄水池,為圓柱形,高 6m,底半徑為 10m,灌水方式為涌泉灌溉\\( 小管出流灌溉\\) ; 項目設計干管、分干管管徑為 110mm,支管為 63mm,毛管管徑為 32mm,微管管徑為4mm,系統設計流量為43. 8m3/ s.在每行果樹地下 15cm 深處埋設一條毛管,穩流器在毛管上打孔安裝,由穩流器的另一端接 4mm 微管,微管位于地面以上,水流經微管以細流形式流入果樹周圍預先挖好的環狀灌水溝,最后入滲到果樹根系中.環狀灌水溝直徑取 1. 3m,溝深 10cm,邊坡系數為 1,底寬為 20cm,其斷面為等腰梯形.按成齡樹冠直徑為 2m 計算,求得穩流器規格為 60L/h.

3 毛管長度的確定

對于一個灌溉工程來講,毛管用量較大,約占總用管量的 55% .灌區設計是由 1 條毛管控制 1 行果樹,選用的管徑決定了毛管的最大鋪設長度.經過水力計算,20、25、32mm 這 3 種規格的毛管是較為經濟的管徑.但考慮到管徑過小會使沿程水頭損失增大的因素,并且要保證供水量的充足,所以采用 32mmPE管作為毛管.

在灌區規劃中,如果毛管過短,會增加管件的用量,使閥門數量過多,增加了灌溉管理的難度; 如果毛管過長,會使出流不均,同時造成了管道的浪費.因此,確定毛管的最大長度能更合理規劃灌區,降低灌溉系統的造價,提高灌溉質量.

3. 1 水頭偏差在支、毛管之間的分配比例計算當地形均勻且支毛管的降比均不大于 1 時,分配比例可用微灌工程技術規范 SL103-95\\( 4. 3. 4-1\\)式[5]計算,有

其中,β1為允許水頭偏差分配給支管的比例; β2為允許水頭偏差分配給毛管的比例; L1為小區支管總長度,m; L2為毛管總長度,m; J1為沿支管地形比降,J2為沿毛管地形比降,本工程中取 J1= J2= 0; α1為支管上毛管布置系數,本工程為雙側布置取 2; n1為支管上單側毛管的根數; a 為指數,由管道價格與管道直徑回歸得出; C 為管道價格,元/m; b0為系數.

3. 2 管徑與報價的參數計算

為求得 a 的值,現根據管道與管徑報價材料\\( 見表1\\) 對\\( 2\\) 式 C = b0da進性回歸分析.

對等式兩邊取對數,得 lnC=lnb0+lnd.令 y = lnC,b = lnb,x = lnb,將表中數據轉換后,用 Sas 軟件對其作回歸分析,得到回歸方程\\( 模型的回歸擬合結果\\) 為

求得回歸模型的 p 值小于 0. 05,說明較為顯著; 決定系數達 0. 931 3,說明其具有較高的擬合精度.因此,求得 a 值為 1. 928.

3. 3 毛管的極限管長度

按 SL103-95,微灌工程技術規范公式[5]進行計算,則有

其中,Nm為多孔管的極限分流孔數; INT\\( \\) 為將括號內的實數舍去小數成整數; Δh毛為毛管內允許的水頭偏差; d 為多孔管內徑,mm; K 為水頭損失括大系數,取 k=1. 2; S 為毛管孔間距,取 3m; qd為穩流器出水流量,取 qd= 60L / h; β1為允許水頭偏差分配給支管的比例; [Δh]為灌水小區允許水頭偏差,經計算為1m.按凱勒爾卡邁里所提的支毛管水頭,損失合理分配方案,Δh支= 0. 45Δh ,Δh毛= 0. 55Δh .代入上面公式求得毛管的最大鋪設長度為 81m.但在實際的工程中,各灌水小區由于地形條件不同,離輸水干管距離不同,支管布設長度不同,一塊地里需要布置的毛管根數不同,其支、毛管水頭損失分配往往達不到最為合理的情況.因此,毛管布設最大長度需要根據各灌水小區中的實際情況來確定,通過式\\( 1\\) ~ \\( 6\\) 計算求得,以便使各灌水小區的毛管長度在最大值的范圍內.

3. 4 毛管水頭損失的計算

毛管在灌區應用中,因其出口接相同規格穩流器,微管的流量相同,又被稱為多孔管.通常利用多孔系數法計算水頭損失,先計算沿程流量不變時的沿程水頭損失 hf,再乘以多口系數 F ,即得多孔管的沿程水頭損失.在項目中按下面經驗公式[1]計算,即

其中,F 為多口系數; m 為流量指數,取 m=1. 77;N 為出流口數目; x 為第 1 個出流口到管道進口距離 l1與出流口間距 l 的比值,即 x = l1/ l .通常 x 有兩種情況,即當 l1為 l 的1/2 時,x = 0. 5; 當 l1與 l 相等時,x =1.Hf為多孔出流下管道的沿程水頭損失,本工程中局部水頭按沿程水頭損失的 10% ~15%考慮.

4 不同毛管布置方案比較

4. 1 水頭損失比較

根據毛管在支管上的布置方式,可分為兩種: 一種是毛管雙側布置; 另一種是毛管單側布置,穩流器為 60L/h.在同一塊地上布置兩種不同方案,分別對其進行水力計算,比較兩者的水頭損失,如表 2 所示.

在雙側布置的條件下,每塊地的平均水頭損失只有單側布置下的 42. 7%.采用雙側布置,可明顯減少水頭損失,保證出流均勻,提高灌溉效率,增加果樹的產量.

4. 2 工程投資比較

毛管雙側布置與單側布置相比,增加了干管長度和管件的使用數量.為了防止漏水,接口處粘合強度要求高,并且管道試水試驗要求管道所有接頭、配件均無滲漏,增加了工程施工難度和投資.

為保證出流均勻、節約用水,本工程采用雙側布置的方式,同時在施工中做好管道安裝、接頭連接、閥門安裝、管道打壓試驗、鎮墩安裝與土方回填等工作,并要規范施工程序、嚴格進行監理、保證施工質量.

5 結論

1\\) 根據工程中管道報價材料,回歸出了管道價格與管道內徑的函數關系,回歸方程為 C=0.006 25d1. 928 45.其中 c 為管道價格,元/m; d 為管徑,mm.該模型有極高的精度,可用于響應預測.

2\\) 在灌溉方式為小管出流灌、選用穩流器流量規格為 60L/h、選用毛管內徑為 32mm 的灌區,根據凱勒爾卡邁里所提的支毛管水頭損失合理分配方案,Δh支= 0. 45Δh ,Δh毛= 0. 55Δh ,其毛管的極限長度為每根不超過 81m.

3\\) 對毛管水頭損失計算可以看出,采用毛管雙向出流可以減少水頭損失,同時使管道出流更均勻,保證了灌溉系統的穩定與安全.

參考文獻: