膜下滴灌工程设计概述

膜下滴灌工程设计概述

1、系统设计参数的确定

（1）基本参数

设计保证率：应根据自然条件和经济条件确定，滴灌不应低于85%。(气象水文典型年)

灌溉水的利用率应不低于0.90。

设计系统的日工作小时应根据不同水源和农业技术条件确定，一般不宜大于20小时。

设计耗水强度（Ea）：应采用作物耗水强度峰值，并应由当地试验资料确定，无实测资料时，对粮、棉、油等大田作物采用膜下滴灌时，根据本地情况Ea可在3～6毫米/天之间选取。

滴头设计工作水头

规范规定滴头设计工作水头应取所选滴头的额定工作水头，或由滴头压力与流量关系曲线确定，但不宜低于2米。

灌水器的工作水头越高，灌水均匀度易保证，但系统的运行费用高。灌水器的设计工作水头应根据地形和所选用的灌水器的水力性能决定。单翼迷宫式滴灌带的工作压力最好在0.05-0.1MPa之间，注意应根据所选滴灌带滴头的流态指数及其实际工作水头确定滴头实际出流量以及相应的允许水头差。

以Φ16x300-1.8滴灌带为例说明(qd=0.411H0.615)

Hd=10m时，qd=1.8l/h

qv=0.2，则[hv]=0.33，[h]=[hv]Hd="0".33x10=3.3

Hd=5m时，qd=1.1l/h

qv=0.2，则[hv]=0.33，[h]=[hv]Hd="0".33x5=1.65

（2）灌溉制度

设计灌水定额：

应根据当地试验资料按下面公式之一计算

m=0.1γZP(θmax-θmin)/η

适宜土壤含水率上、下限（占干土重的百分比），θmax可取田间持水率的90%，θmin可取田间持水率的60%。

设计灌水周期：

T=（m/Ea）η

按上式求得的值为作物需水高峰期的灌水周期。

一次灌水延续时间:t="m"•Se•Sr/（ηqd）

灌水次数与灌水总量

灌水总量应由当地灌溉试验资料确定，无试验资料时，可根据当地的气象资料按彭曼法计算，计算出总需水量后，应根据作物各生育期的需水量确定不同时期的灌水定额及灌水周期，确定总的灌水次数，合理分配灌溉水量。

上面求得的灌水定额是在作物的适宜土壤含水率范围条件下，在计划湿润层内的土壤最大储水量，当灌水量大于计算值时，土壤含水量将超过作物所要求的适宜值，影响作物生长，还会造成灌溉水的深层渗漏，造成灌溉水的浪费

上面求得的灌水周期和一次灌水延续时间，为作物需水高峰期的值，作物不同的生长时期，需水量也不相同，应根据作物的生长过程作相应的调整。

前面计算的灌水周期和灌水量也可以说是最大值，但不一定是最合理的值，可以根据作物日耗水量确定作物的灌水量和灌水周期，如作物日平均毛耗水量（净耗水量除以田间灌溉水利用系数）为5毫米/天，则一次灌水30毫米(20立方米/亩)，那么6天就为一个灌水周期，也就是说30毫米水够作物消耗6天。如果一次灌水15毫米(15立方米/亩)，则3天就为一个灌水周期。

（3）灌水均匀度

影响灌水均匀度的因素主要有：水力影响（水头损失引起的压力变化）、制造偏差、堵塞、地面坡度、滴头流量及滴头间距等，其中制造偏差、地面坡度、滴头流量及滴头间距可视为已知量，堵塞引起的均匀度变化带有一定偶然性，可通过增加灌水器泥沙通过能力和过滤装置进行水质处理解决，在微灌水力设计时，应经可能减少水力摩阻损失所造成的不均匀性。设计时可将灌水小区内的流量偏差率控制在20%内，以保证灌水小区内的均匀性，各小区间的均匀性可以通过调压措施保证。各轮灌组之间的均匀性则可通过调整运行时间、系统流量、压力等措施来实现。

2、滴灌系统设计:内容包括系统的布置，灌水器的选择，系统及各级管道设计流量的确定，管网的水力计算及管径的确定，以及泵站、沉淀池、首部的设计等，写出设计说明书，提出工程材料、设备及预算清单、施工和运行管理要求。

（1）滴头的选择

滴头选择是否恰当，直接影响工程的投资和灌水质量。设计人员应熟悉各种灌水器的性能和适用条件，考虑以下因素选择适宜的灌水器。

①作物种类和种植模式。

②土壤性质。

③工作压力及范围。

④流量压力关系。

⑤灌水器的制造精度。

⑥对温度变化的敏感性。

⑦对堵赛、淤积、沉淀的敏感性。

主要影响因素：流道尺寸<0.7mm非常敏感，0.7~1.5mm敏感，>1.5mm不敏感。流速4~6m/s满足抗堵性能。

⑧滴头与毛管连接处的水头损失

⑨成本与价格。

（2）滴头选择中的几个误区

①滴头流量越大越好

②滴头流量大轮灌周期短，轮灌速度快

③滴头额定流量就是滴头的实际工作流量

（3）干管、支管、毛管应综合考虑。

①毛管铺设方向必须顺延作物种植方向。

②毛管的间距(SL)是由作物的种植结构——株距和行距及其需水要求，结合土壤性质及毛管自身的水力特性决定的。

③毛管的铺设间距SL一旦被确定，则毛管亩用量和本滴灌系统毛管的总用量是一个定值。即：

毛管亩用量或每公顷用量:(m/亩)或(m/hm2)

L亩=666.7/SL(m/亩)

系统毛管总用量:

L系=L亩*A

式中：L亩——毛管亩用量(m/亩)；

L系——系统毛管总用量(m)；

A为滴灌系统总面积。

④毛管的计算极限长度Lm，是毛管的最大铺设长度的限值；毛管的实际铺设长度视本地块尺寸及由其制约的支管间距来确定。但无论毛管的实际铺设长度最后确定是多长，其亩用量、系统毛管总用量不变。

⑤毛管上出水孔间距和孔的出水量由作物需水要求、土壤性质、气候条件等综合确定。

⑥在平坡地形条件下，毛管与支(辅)管相互垂直，并在支(辅)管两侧对称布设。在均匀坡地形条件下，毛管在支(辅)管两侧布设，并依据毛管水力特性计算，逆坡向短，顺坡向长；当逆坡向水力特性不佳时，则仅采用顺坡向铺设。

⑦布设毛管时，不能穿越田间机耕作业道路。

⑧平坡及一定的均匀坡地形范围大多采用非补偿式灌水器，地形坡度大或起伏大时，压力变化大则采用压力补偿式灌水器。必要时，需在毛管进口设置压力流量调节器。

（4）支管的布置形式

①支管往往是构成灌水小区的关键因素，支管的长短要满足小区内灌水均匀度的要求。

②当有辅管，并构成辅管的灌水范围内的灌水小区时，则支管的长度不受灌水小区水力特性的牵制。

③当有辅管，并由毛管、辅管、支管共同形成灌水小区时，支(辅)管的长度要根据小区内允许水头差、允许流量偏差来确定，其实际铺设长度还要根据其铺设方向线上地块的长度，进行合理调整。

④支管的实际铺设长度决定着分干管的列数，铺设长度长，分干管列数减少，对降低管网系统投资起明显作用。

⑤支管的间距是由毛管的实际铺设长度制约，并依据毛管铺设方向线上地块的尺寸合理调整决定。毛管长度长，支管间距大，支管的列数就减少，对降低管网系统投资起着一定的作用。

⑥按系统压力均衡需要，必要时要在支管进口设置压力—流量调节器。

⑦就大田作物膜下滴灌而言，支管的实际铺设长度100—150m较适宜，常用PE管材铺设于地表，灌溉期结束后回收保管，多年使用，管径一般为Φ63、Φ75、Φ90。辅管基本上采用Φ32，较少采用Φ40。

⑧双向布设毛管的支管，不要使毛管穿越田间机耕道路。当毛管在支管一侧布置时，支管可以平行田间道路布设。

⑨辅管的布置及其与其它管道的相互关系与支管类同，文中多处用“支(辅)管”表达，即是这个含意。详见第七章设计实例中介绍。

⑩沿毛管铺设方向地形为均匀坡时，如毛管在支管两侧双向布置，上、下坡毛管进口压力相等、铺设长度不同，支管位置应能使上、下坡毛管上的最小压力水头相等。

（5）分干管布置

①分干管的作用是按轮灌方案向支管配水。它的布置受支管的实际铺设长度制约。支管长度长，分干管的列数少，分干管的总数量就小。

②分干管与干管垂直并在干管的两侧布置，力求对称。若因干管布置的要求，有时只能在干管一侧布设。

③每条分干管的实际铺设长度根据支管布置确定。

④管网系统中分干管采用PVC-U管，埋设在冻土深度以下。常用Φ110、Φ160、Φ200等管径作分干管。

⑤分干管布设尽量与道路、沟渠同向，以便运输、安装、维护，但需考虑由其供水的支管铺设和运行需求。

⑥减少分干管数量对降低系统投资有显著作用。

（6）干管布置

①干管是管网系统中的纲，它的起点由所灌溉地块的地形条件和形状及首部枢纽的位置来确定。其铺设位置方向决定着整个管网系统的布置和运行方式，从而决定着管网系统的总投资。

②一般将干管进口及其走向布置在整个滴灌区的高处，如有地形落差条件，尽可能形成自压滴灌条件。

③干管布设要尽量顺直，其总长度最短，在其平面与立面上尽量减少转折。

④干管应与道路、林带、电力线路平行布置，尽量少穿越障碍物，不要干扰油、气、光缆等线路。

⑤在可能与需要情况下，进入田间前的输水总干管兼顾综合利用的要求。

⑥干管应尽量布设在地基较好处，若只能布置在较差的地基上，要妥善处理。

3、系统工作制度及设计流量的确定

滴灌系统的工作制度通常分为续灌、轮灌和随机供水三种情况。不同的工作制度要求系统的流量不同，因而工程费用也不同，在确定工作制度时，应根据作物种类，水源条件和经济状况等因素作出合理选择。

轮灌组的数目根据水源流量和各级管道的经济管径、输水能力和作物的需水要求确定，同时使水源的水量与计划灌溉的面积相协调，一般可由下式计算：

N≤CT/t

实践表明，轮灌组过多，会造成运行管理不便和各农户的用水矛盾，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确定合理的轮灌组数目.

4、首部枢纽设计

水源过滤设备选型:井水、泉水、湖水、池塘水

井（泉）水：粘粒及有机质含量一般较少，多为粗砂和粉砂颗粒，若涌砂量少可直接用网式过滤器，涌砂量多可采用离心+网式过滤器。

湖水、池塘水：一般滋生有机质多，视水质情况，采用砂石+网式过滤器处理或直接采用网式过滤器。

河水:应根据水源水质情况（粒径、浓度、有机物等）选配

规范规定：过滤系统须滤除大于灌水器最小直径1/7-1/10的颗粒，且浓度不大于100毫克/升。迷宫式滴灌带流道直径为0.8-1.0毫米，若按规范规定，过滤器要处理掉0.08-0.1毫米以上颗粒粒径。但通过室外试验，迷宫式滴灌带通过的最大粒径为0.15毫米，浓度为2137毫克/升,需要100目过滤器。室内实验结果，通过最大粒径0.2毫米，浓度1000毫克/升，但粘粒含量多时，停滴后颗粒沉积结块，再滴时易堵塞。

5、过滤器优化选型

目前过滤器的选择都是根据系统流量在厂家过滤器目录中选择，没有考虑水头损失及运行费的问题。

过滤器的选择应使过滤器造价及使用过滤器所消耗的电费之和最低(年费用最低)

6、施肥设备选型

根据设计流量和灌溉面积的大小，灌溉作物所需肥料和化学药物的性质，选择合适的施肥罐。

7、沉淀池设计

随着微灌技术在新疆的推广，渠水滴灌利用越来越引起人们的重视。渠水中含有两类容易堵塞灌水器的杂质：一类是藻类、水生物和漂浮物；另一类是悬浮泥沙。当水中泥沙含量大于过滤器的处理能力时，使用筛网过滤器和介质过滤器将因频繁的冲洗而不能正常工作，此时需借助沉淀池对灌溉水进行初级沉淀处理。沉淀池的主要目的是去除水中大量的泥沙，用于滴灌的关键是恰当的选用水质指标，使沉淀池处理后的水质达到滴灌对悬浮泥砂含量的要求。

应尽可能利用现有的一些工程（输水渠道、排碱渠、洼地、池塘等），在有条件的情况下（经济、场地等），尽可能将沉淀池修建的大一些，可以将砂石过滤器省略，节约工程造价.

8、水泵工况点及水泵选型

许多人认为滴灌系统配备流量为100立方米/小时，扬程为50米的水泵时，其在滴灌系统工作时的流量一定是100立方米/小时，扬程一定是50米。事实上，这个概念是错误的，该流量与扬程是水泵的额定流量与扬程，一般为水泵最高效率点所对应的流量与扬程。但是水泵在不同的管路条件下工作时，其流量及扬程也都会不同，是一个动态变化值。

滴灌系统中各轮灌组出流点高程和距水源的管线长度管径及流量都有可能不同，因此各轮灌组具有不同的管路特性曲线。水泵在不同轮灌组工作时，工况点可能会有很大的差别，有的可能偏离高效区。因此选水泵时应考虑每个轮灌组的情况，但这样会使设计非常复杂，所以设计时可按滴灌所需流量作为设计流量，考虑经济管径因素确定各级管道管径，计算出各级管道水损，确定水泵扬程，然后校核水泵在各个轮灌组工作时的工况点。

9、选择水泵的方法

由于滴灌各轮灌组运行时扬程变化较大，所选水泵及要满足满足扬程低的轮灌组又要满足扬程高的轮灌组，因此选择水泵时应现根据系统设计流量和最大、最小扬程的平均值选取水泵，即按照Q设、H=(Hmax+Hmin)/2选择水泵，再按照最高扬程轮灌组及最低扬程轮灌组校核水泵的工作点。

注：计算扬程时，应考虑地面坡度。

10、水泵安装高度

离心泵能将进水池内的水吸入泵内，这是由于叶轮旋转后在叶轮进口处会形成低压区（即真空），而进水池水面承受的是大气压力，因此水就能不断得到补充而进入泵内。

真空度与允许吸上真空度：

称低压区压力低于大气压的数值为真空度，每台离心泵可以形成的真空度值为其允许吸上真空度或允许真空度。叶轮进口处的真空度越大，水泵能吸水的高度就越大；反之，真空度越小，则水泵的吸水高度就越小。

一般情况下，允许吸上真空度的值多介于4～6米之间，与标准大气压力（≈10.3米水柱高度）尚有一定的距离，即水泵进口还要保持一定的压力。

当压力减小到一定程度时，水即会产生汽化，若气泡被水流带到叶轮流道的高压处，就会迅速破裂或再次急剧凝结于水中，这个过程使水流质点产生很大的冲击力量，如果反复不断地作用在叶轮流道的壁上，就会破坏叶轮金属表面，甚至破坏水泵部件，这被称为汽蚀现象。为了避免水泵的汽蚀，需要对水泵进口的真空度加以限制，这便是允许吸上真空高度HS多规定为4～6米，而在水泵进口还要保持一定压力的原因。

地面式泵房的优点是施工方便，造价较低和运行条件较好，但同时存在水泵启动前需要进行引水等缺点。

而地下式泵房水泵启动比较方便，缺点是用材多、施工复杂、造价高，工作环境不如地面式，易被水淹，日常运行管理不方便，水泵效率降低。

11、滴灌系统水泵变频调速

水泵变速调节是通过改变水泵转速来调节水泵工作状况，在满足用户需水要求的同时，达到经济运行的目的。滴灌系统水泵大都采用鼠笼型异步电动机，其调速方式主要是调压调速、变极调速、和变频调速。而变频调速以其调速范围大、机械特性硬、调速精度高、平滑无机调速等优点，被一些滴灌系统所采用。然而目前变频调速产品较为昂贵，在滴灌系统设计时，应对其经济适用性进行合理的分析。

滴灌水泵调速节能原理：大田滴灌系统水泵变频调速应考虑如下两个特点，一是保证调速后的流量与设计流量相同，二是调速后的效率要高于调速之前。

12、系统优化

（1）管网优化：

①管网优化的基本概念

滴灌管网一般由主干管、分干管、支管和毛管组成，其中支管与毛管组成田间管网，滴灌管网系统中，田间管网的优化问题只与田间管网允许水头差有关，允许水头差一般是一个固定值，与干管尺寸无关，在选择水泵扬程可作为一个常数考虑。也就是说干管管网与田间管网的优化问题是彼此独立的，可分别进行设计，然后结合起来，便是整个滴灌管网的优化设计。

②田间管网的优化设计

滴灌田间管网由支管和其控制的毛管组成，其优化设计的目的就是在保证满足灌水均匀度要求的情况下，如何分配田间管网允许水头差，选择支管与毛管管径或确定支管与毛管长度，使田间管网投资最小。

膜下滴灌现主要用于大田作物，为适应大田机械化作业及运行管理的要求，毛管均选用相同的管径，目前滴灌系统产品，毛管使用的是滴灌带，设计滴灌系统时，根据作物、土壤性质及农业技术等因素，可选择滴头流量及间距等技术参数，这些参数一经确定，滴灌带的规格型号也就确定了，那么毛管的管径也就确定了。支管一般对称于干管成鱼骨式布置，干管间距决定了支管的长度，在干管管网布置已确定的情况下，干管两侧支管的总长度也就确定了。所以田间管网的优化设计，可归结为在毛管管径及干管两侧支管总长度一定情况下，确定使田间管网造价最低的毛管长度和支管管径。

对于一块确定的条田，在毛管管径及灌水小区允许压力差一定的情况下，毛管长度越大则毛管压力差越大，为保证灌水小区实际