滴灌系統(tǒng)設(shè)計示例

 
按照兵團水利局、兵團節(jié)水辦“關(guān)于召開兵團節(jié)水灌溉規(guī)劃設(shè)計研討會的通知”的要求,根據(jù)農(nóng)八師幾年來在大田作物膜下滴灌技術(shù)上的實踐和研究,此次滴灌系統(tǒng)典型設(shè)計綜合農(nóng)八師的具體情況做如下簡要介紹:
 
一、 基本資料
(一) 地形
農(nóng)八師墾區(qū)地處天山北麓中段,古爾班通古特沙漠南緣。全墾區(qū)土地面積7529平方公里。墾區(qū)地勢由東南向西北傾斜。墾區(qū)地形由南向北依次為天山山區(qū)、山前丘陵區(qū)、山前傾斜平原、洪水沖積平原、風(fēng)成沙漠區(qū)。
(二) 土壤
農(nóng)八師土壤缺氮面積大,全氮含量低于1%的面積占78%,堿解氮低于60ppm的面積占76%。土壤普遍缺磷,含量低于10ppm的面積占77.5%。土壤含鉀豐富,約在100ppm以上。
土壤多系灰漠土、潮土、草甸土,土質(zhì)多系礫質(zhì)土、沙質(zhì)土、粘質(zhì)土等。根據(jù)農(nóng)八師土壤普查結(jié)果,本設(shè)計取占范圍較廣的砂壤土。
(三) 作物
全墾區(qū)有效灌溉面積266萬畝,其中以棉花為主。棉花種植面積占總播種面積的46.5%。本設(shè)計示例選棉花。種植模式采用:一膜兩管四行--寬窄行30×60cm,滴灌帶間距90cm;一膜一管四行--(25+30+25)×60cm,滴灌帶間距140cm。
1、 滴灌工程設(shè)計參數(shù)的確定
根據(jù)農(nóng)八師目前棉花種植模式和多年實踐,確定如下設(shè)計參數(shù)。
典型滴灌系統(tǒng)設(shè)計基本資料
序  號
項  目  名  稱
單 位
數(shù)        量
土壤與作物
 
 
1
土壤結(jié)構(gòu)
 
砂壤土
2
設(shè)計日耗水量Ea
mm/d
  4
3
土壤濕潤層深度Z
m
0.45
4
土壤設(shè)計濕潤比P
%
60
5
適宜的土壤含水率上限
%
22.5
6
適宜的土壤含水率下限
%
15
滴頭
 
 
1
選型
 
天業(yè)迷宮式
2
工作水頭
m
10m
3
流量
L/h
2.1 (2.6)
4
滴頭間距
m
0.9 (1.4)
 
(四) 水源
墾區(qū)水資源來源主要為地表水(庫水、河水)和地下水。目前墾區(qū)滴灌節(jié)水工程水源以井水為主,單井流量為80立方米/小時,動水位埋深在40米左右。
(五) 氣象
墾區(qū)平均海拔300-500米左右,呈典型的溫帶大陸性氣候,冬季長而嚴(yán)寒,夏季短而炎熱。年平均氣溫7.5℃-8.2℃,日照2318-2732小時,無霜期147-191天,年降雨量180-270毫米,年蒸發(fā)量1000-1500毫米。蒸發(fā)強烈,降水稀少,氣候十分干燥,光照充足,熱資源豐富。
(六) 動力
原有機井泵大多為250QJ80-60/3或250QJ80-40/2,需更換水泵及變壓器。但原有高壓電線不需更換。
 
二、 設(shè)計內(nèi)容
按照農(nóng)八師多數(shù)條田的規(guī)劃布置方式,采用東西長800米,南北寬450米的條田進行規(guī)劃設(shè)計。種植作物為棉花,種植模式采用寬窄行60×30cm與60×(25+30+25)cm,一膜兩管四行與一膜一管四行,滴灌帶間距0.9米與1.4m。作物東西方向種植。耕層土壤為砂壤土。
1. 管道系統(tǒng)
滴灌系統(tǒng)采用如下結(jié)構(gòu):
水源(井水加壓)→計量裝置(水表、壓力表)→離心式過濾器(進排氣裝置)→施肥罐(施肥控制裝置)→網(wǎng)式過濾器(排砂控制裝置)→分干管(地埋PVC管)→支管(地面PE黑管)→附管(地面PE黑管)→滴灌帶→滴頭。
為減少水頭沿程損失,降低能耗,管道系統(tǒng)中支管與分干管,滴灌管(帶)與支管,干管與分干管按各條田的具體形狀,以優(yōu)化方式采用魚骨式或梳型兩種方式布置,目的是達到操作管理方便,系統(tǒng)投資和運行費用最低的效果。
2. 泵站
根據(jù)水力計算結(jié)果,選擇250QJ80-80/4的潛水泵,可滿足滴灌系統(tǒng)工作壓力和設(shè)計流量。
在過濾器出口安裝水表、逆止閥,在過濾器和施肥罐的前后分別設(shè)置一個壓力表,觀察其壓力變化。
在滴灌系統(tǒng)的最高處設(shè)置進排氣閥,以調(diào)節(jié)管網(wǎng)進氣和排氣,防止停水時管網(wǎng)內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓,和開始供水時,管網(wǎng)排氣不暢產(chǎn)生氣阻,使管網(wǎng)破壞,影響正常供水。
3. 水源
灌溉用水以井水為水源,單井出水量80m3/h。動水位埋深40米。
水量平衡計算
A=ηQt/10Ia
A
(hm2)
    Q
(m3/h)
T
 (t/d)
Ia
(mm)
η
 (%)
 36
    80
     20
     4
 90
4. 運行方案
系統(tǒng)布置兩條分干管,兩條分干管分別運行,采取輪灌的方式。同時開啟的支管做為一個輪灌組,共分四個輪灌組。每個輪灌組有9個輪灌小區(qū)。先開啟一分干的支1-支6,每條支管各開一條附管做為一個輪灌小區(qū),一次灌水延續(xù)時間為4.2小時,一個輪灌組分9次灌完。當(dāng)一個灌水小區(qū)灌水結(jié)束后,先開下一個小區(qū),然后關(guān)閉灌水結(jié)束小區(qū),嚴(yán)禁先關(guān)后開。
一分干的支7-支12做為一個輪灌組,二分干的支13-支18做為一個輪灌組,二分干的支19-支24做為一個輪灌組,其運行方式同一分干的支1-支6。
5. 設(shè)備投資預(yù)算及經(jīng)濟分析
本工程投資預(yù)算編制,依據(jù)新水基字[1992]第11號和[96]第004號文進行編制。其綜合費用、臨時費用、其他費用均按兵團水利局水利水電處發(fā)《新疆兵團2000年灌區(qū)續(xù)建配套及節(jié)水灌溉示范項目實施方案編制》執(zhí)行,按示范項目計取。工程投資預(yù)算及設(shè)備投資預(yù)算分析表如下:
 
 
 
 
 
滴灌工程預(yù)算表
                                        單位:萬元
種植模式
項目名稱
       一膜兩管
     (毛管間距0.9m)
       一膜一管
     (毛管間距1.4m)
總 投 資
      27.8679
      24.4638
其中:建安工程費
      3.5751
      3.3074
設(shè)備費
      23.0391
      20.0427
臨時工程費
      0.0715
       0.0661
其他費用
      0.9063
       0.8054
預(yù)備費
      0.2759
       0.2422
畝投資(元/畝)
       516.07
       453.03
 
滴灌工程主要材料投資分析表
                                            單位:元
項目名稱
單位
數(shù)   量
總    價
     畝投資
 
0.9m
1.4m
0.9m
1.4m
 0.9m
1.4m
潛水泵
1
1
13379
13379
 24.77
24.77
變壓器
1
1
10960
10960
 20.3
20.3
過濾器
1
1
9500
9500
 17.6
17.6
施肥罐
1
1
1200
1200
 2.22
2.22
干管       PVC160
1850
1850
60458
60458
 111.96
111.96
支管PE63
2700
2700
27810
27810
 51.5
51.5
附管PE32
2700
2700
6318
6318
 11.7
11.7
  滴灌管
  φ16
萬米
40.4
26.27
80800
52540
 149.6
97.3
管  件
540
540
19966
18262
 36.97
33.82
平均材料費:一膜兩管(0.9m)  426.65元/畝
一膜一管(1.4m)  371.16元/畝  
三、 灌水定額和灌水周期的擬定
(1) 灌水定額。
     m=0.1γzp(θmax-θmin)/η
棉花灌水定額
  m
(mm)
   Z
  (m)
 P
(%)
   γ
 (g/cm3)
θmax
(%)
 θmin
 (%)
 η
 (%)
 32.6
 0.45
 60
1.45
22.5
15
 90
注:此定額為棉花花鈴期的灌水定額。
(2) 灌水周期。(T)
根據(jù)大田實測取棉花日耗水量Ea=4mm/d,則灌水周期
T=m滴/Ea·η=32.6/4×0.9=7.34d
取灌水周期為8天。
(3) 一次灌水延續(xù)時間(t)
t0.9m=(m滴·Se·SL)/qd=32.6×0.3×0.9÷2.1=4.2h
輪灌組N=20h/d×8d÷4.2h/組=38,根據(jù)實際情況取N=36組。 
t1.4m=(m滴·Se·SL)/qd=32.6×0.3×1.4÷2.6=5.27≈5.3h
輪灌組N=20h/d×8d÷5.3h/組=30組,根據(jù)實際情況取N=28組。
(4) 灌溉制度確定
根據(jù)農(nóng)八師五年來大田棉花膜下滴灌灌溉制度的研究和實踐應(yīng)用,確定灌溉定額如下表:
棉花膜下滴灌灌溉制度表
 
作物名 稱
灌  溉方   式
灌水定額           
4月
5月
6月
7月
8月
9月
灌溉  定   額
    棉花
膜下  滴   灌
定額       (m3/畝)
10
15
15
20
20
10
200
次 數(shù)
1
1
3
3
3
1
12
四、 確定管系總體布置
典型設(shè)計地塊形狀及系統(tǒng)布置見附圖,設(shè)計條田分南、北兩個地塊。棉花東西播種。水源井位于地塊的西頭。由水源井沿地邊分別向南、北分出一條主干管,在南、北地塊的中間分別布置一條分干管,并垂直于主干管。干管和分干管管材選用PVC管材,管徑為φ160。支管垂直于分干管,兩邊布置,便于雙向控制,地下埋深80cm。支、附、毛管鋪設(shè)在地面,均是魚骨式布置。支管的間距是由毛管的鋪設(shè)長度決定的,即毛管最大鋪設(shè)長度的兩倍,經(jīng)計算為134m。支管的管材選用φ63PE黑管。附管平行支管布置,由一個球閥控制,便于輪灌組的管理和化分。毛管垂直于附管與支管布置,毛管間距為0.9m與1.4m。每兩行棉花布置一條毛管或每四行棉花布置一條毛管。毛管選用φ16.5mm的單翼迷宮式滴灌帶.首部樞紐裝置布置在水泵的旁邊,便于操作與管理。為沖洗管道的淤積物和冬季到來之前排干管中的積水,在分干管的末端(較低處)布置了排水井。
五、 滴灌設(shè)備選型
滴灌設(shè)備包括水泵、過濾裝置及干、支、附、滴灌管。機井流量為80m3/h,控制面積540畝,根據(jù)水量平衡計算及水力計算結(jié)果,選潛水泵250QJ80-80/4。根據(jù)機井水質(zhì)情況, 由于機井中含有一定的泥沙及有機物,采用4″/120目組合式過濾器。首級過濾器為離心過濾器(LX-400-100 1件),次級過濾器為網(wǎng)式過濾器(WS-160×50  4件并聯(lián))。查性能曲線可知,水頭損失為6-8m。施肥系統(tǒng)選用容量為150L。
六、 擬定滴灌系統(tǒng)的工作制度
本系統(tǒng)運行時,每次運行一條分干管,并開啟分干管上的6條支管,因此分4個輪灌組;然后每次開啟支管上的一條附管,就是經(jīng)計算確定的一個輪灌小區(qū),使附管上的所有毛管同時供水。
經(jīng)計算,每條支管上有9條(7條)附管,即9(7)個輪灌小區(qū)。一條附管帶26(22)條或28(24)條毛管,一個輪灌小區(qū)共有156(132)或168(144)條毛管。
故典型滴灌系統(tǒng)的輪灌組為4個,輪灌小區(qū)有36(28)個。
七、 編制輪灌順序,確定各級管道設(shè)計流量
典型滴灌設(shè)計輪灌順序表
輪灌順序
    第一組
第二組
   第三組
    第四組
項目名稱
    一分干
一分干
   二分干
   二分干
管長(m)
200
     800
800
800
800
流量m3/h
80 
   13.3-80 
  △=13.3
13.3-80
△=13.3
13.3-80
△=13.3
13.3-80
△=13.3
輪灌小區(qū)
 
    9(7)
9(7)
9(7)
9(7)
支管編號
 
 支1-支6
支7-支12
支13-支18
  支19-支24
支管長度
 
  112.5m
112.5m
112.5m
   112.5m
支管流量
 
  13.3m3/h
13.3m3/h
13.3m3/h
   13.3m3/h
附管1-9
 
 開一條附管
開一條附管
開一條附管
  開一條附管
附管長度
 
 11.7或 12.6m
 (14m或15.4m)
同左
同左
 同左
附管流量
 
  13.3m3/h
13.3m3/h
13.3m3/h
   13.3m3/h
毛管條數(shù)
 
156條或168條
(120或132條)
同左
同左
  同左
毛管長度
 
   66.7
66.7
66.7
  66.7
毛管流量
 
0.466 m3/h
(0.578 m3/h)
同左
同左
  同左
八、 管道設(shè)計及水力計算
滴灌帶選用單翼迷宮式滴頭,當(dāng)?shù)晤^間距0.3m,滴頭流量q=2.1L/h時,q=0.502h0.607;當(dāng)?shù)晤^間距0.3m,滴頭流量q=2.6L/h時,q=0.653h0.600。
1. 毛管與滴頭間距的確定
棉花種植模式為一膜兩管四行或一膜兩管八行,滴灌帶選用新疆天業(yè)塑化集團生產(chǎn)的內(nèi)徑為16mm的PE單翼迷宮式滴灌帶,以該產(chǎn)品的參數(shù)進行設(shè)計。一膜兩管模式:一根毛管灌兩行棉花,滴灌帶間距0.9m,滴頭間距0.3m,滴頭流量2.1L/h,流態(tài)指數(shù)X=0.607;一膜一管模式:一根毛管灌四行棉花,滴灌帶間距1.4m,滴頭間距0.3m,滴頭流量2.6L/h,流態(tài)指數(shù)X=0.600。 
2. 毛管極限長度的校核
毛管的極限孔數(shù)(毛管按均勻地形坡計算):
Nm=INT{(5.466[△h2]d4.75)/( kSqd1.75)}0.364 
 
d(mm)
k
Cu
S(m)
qd( L/h)
[△h2] (m)
Nm(個)
L(m)
16
1.2
90%
0.3
2.1
1.85
253
75.9
16
1.2
90%
0.3
2.6
1.87
222
66.6
毛管的鋪設(shè)長度L毛= Nm×0.3,根據(jù)地塊的實際長度,可布6條支管,12條毛管,取毛管的長度為66.67米。
3. 各級管道管徑的確定及水力計算
管道管徑的確定方法選擇經(jīng)濟流速法。塑料管材的經(jīng)濟流速一般取v=1.2~1.8m/s
(1) 毛管水頭損失的計算:
Q毛=n滴·qd=222×2.1=466L/h
n滴=66.67÷0.3=222個
毛管內(nèi)徑為16mm>8mm ,可認(rèn)為管內(nèi)流態(tài)為光滑紊流,故可計算:       
沿程水頭損失hf毛=fsqdm/db[(N+0.48)m+1/(m+1)-Nm(1-So/S)]
(5) 附管水頭損失的計算:
沿程水頭損
hf附=fSqdm/db[(N+0.48)m+1/m+1-Nm(1-S0/S)]
(6) 配水支管管徑及水頭損失計算:
d支=[4Q支/(πv)]0.5
    =[4×13.3÷(3.14×1.8×3600)] 0.5=51mm
v—塑料管經(jīng)濟流速,m/s,一般取v=1.2~1.8m/s
Q支—支管流量,m3/h,Q支=Q/6=80/6=13.3 m3/h。
根據(jù)聚乙稀微灌管規(guī)格,支管擬選用PE63×4.7/0.4
沿程水頭損失
hf支=fQ支mL/db
(7) 干管管徑及水頭損失計算:
d干=[4Q干/(πv)]0.5
     =[4×80÷(3.14×1.5×3600)] 0.5
     =137.4mm
根據(jù)聚氯乙稀微灌管規(guī)格,總、分干管擬選用PVC160×4.7/0.6。由于考慮以后的滴灌改噴灌及運行方式的調(diào)整,干管不考慮變徑。
沿程水頭損失
hf干=f(∑Q干nmLn/dnb) 
九、 水泵選型
(1) 計算微灌系統(tǒng)設(shè)計水頭H
H=Zp-Zb+h0+∑hf+∑hw
H—微灌系統(tǒng)設(shè)計水頭,m;
Zp-Zb—典型毛管進口與水源設(shè)計水位之間的高差,m;
Ho—典型毛管進口的設(shè)計水頭,取h0=10m;
∑hf—水泵至典型毛管進口的管道沿程水頭損失,m;
∑hw—水泵至典型毛管進口的管道局部水頭損失,m。
取二級過濾沖洗排污的水頭損失之和為10m,機井動水位取40m,抽水損失為4.84m,樞紐中各級閘閥的局部水頭損失之和為1.0m。
則H= 78m
(2) 機泵選型
機井的穩(wěn)定動水位取40m,據(jù)管網(wǎng)設(shè)計流量和工作壓力,查水泵手冊,初選井用潛水泵,250QJ80-80/4。
 
 
滴灌區(qū)潛水泵性能參數(shù)
 
  水泵
  型號
 
流量
m3/h
揚程
m
電機
功率
kw
轉(zhuǎn) 速
r/min
額定
電壓
 V
適用
井徑
mm
250QJ80-80/4
80
80
30
2875
380 
>250
 
十、 管網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
   因塑料管的線脹系數(shù)很大,為使管線在溫度變化時可自由伸縮,初步擬定干管上每100m設(shè)置一個雙括管(即伸縮節(jié))。
   在直徑大于50mm的管道末端、轉(zhuǎn)彎、分岔和閥門處應(yīng)設(shè)鎮(zhèn)墩,干管每隔200m設(shè)一鎮(zhèn)墩60×60cm。為保證系統(tǒng)管網(wǎng)的正常運行,需在管路上安裝控制和保護裝置。
管道埋深根據(jù)地面荷載和機耕要求,干管埋深60cm,為控制各分干管的運行,分干管首部設(shè)控制閘閥,尾部設(shè)泄水閥,各閘閥均砌閥門井保護。
 
十一、 繪制技施設(shè)計圖
滴灌系統(tǒng)工程平面圖、管系結(jié)構(gòu)示意圖及閥門井示意圖詳見圖1-圖3。
十二、 主要設(shè)備與投資預(yù)算
典型示范區(qū)540畝滴灌工程總投資27.8679萬元。其中建筑工程費用3.5751萬元,設(shè)備費23.0391萬元,臨時工程費用0.0715萬元,其他工程費用0.9063萬元,預(yù)備費用0.2759萬元。節(jié)水灌溉材料設(shè)備、規(guī)格、數(shù)量及價格見表六。項目主要設(shè)備選型表、臨時工程費及其他工程費詳見預(yù)算:表一至表五。一膜一管膜式的投資預(yù)算及材料表見表七至表十二。
十三、 工程效益分析與技術(shù)指標(biāo)計算
1、 工程年增效益(B)
項目區(qū)棉花單產(chǎn)由滴灌前的83公斤(皮棉),提高到107公斤,提高28%。540畝棉花凈增12960公斤。按現(xiàn)行價每公斤10元計,可增收129600元。
2、 滴灌工程年費用(C)的計算
(1) 能耗費(C1)
取棉花多年平均累計灌水次數(shù)為12次,每次平均灌水定額15m3/畝,灌溉定額約200 m3/畝,灌溉系統(tǒng)水利用率0.95,每kw·h的電價為0.5元,經(jīng)計算后為:
C1=540×200×30×0.5÷80÷0.95=21316(元)
(2) 維修費(C2)
 地埋管道及管件的年平均修理費為投資的1%,水泵及首部裝置的年平均修理費為投資的5%
則C2=63122×1%+62131×5%=3737.77(元)
(3) 微灌工程年折舊費(C3)的計算
地埋管材管件(20年折舊) D1=k1/n=63956/20=3197.8(元)
地面管材管件(6年折舊)D2=K2/6=49946/6=8324(元)
首部裝置(15年折舊)   D3=k2/n=24339/15=1622.6(元)
機泵儀表(10年折舊)   D4=k3/n=11350/10=1135(元)
毛管    (當(dāng)年折舊)    D5=k4/n=80800/1=80800(元)
則C3=3197.8+8324+1622.6+1135+80800=95079.4(元)
(4) 微灌工程年管理費(C4)
由于滴灌面積較大,需水量大,灌水時間長,管理任務(wù)重,系統(tǒng)需有2名專職人員進行管理。從每年的4月下旬至9月初共4個月的時間。按當(dāng)?shù)毓べY水平,管理人員的月工資以300元/人計,則系統(tǒng)年管理費(C4)應(yīng)為
C4=4×300×2=2400(元)
據(jù)上述分析計算,該滴灌工程年費用(C)為:
C=C1+C2+C3+C4 =21316+3737.77+95079.4+2400=122533元
3、 工程經(jīng)濟效益費用比(R)
R=[(1+i)n –1]/i(1+i)n·(B-C)/K
若取年利率i=10%,經(jīng)濟計算期n=15年,則:
R0.9m=[(1+0.1)15 –1]/0.1(1+0.1)15×(129600-122533)/278679
=0.19
R1.4m=[(1+0.1)15 –1]/0.1(1+0.1)15×(129600-94232)/244638
=1.1
4、 還本年限(T)靜態(tài)法
T0.9m=K0.9m /M=278679/129600=2.15年≈2.5年
T1.4m=K1.4m /M=244638/129600=1.9年≈2年
5、 工程技術(shù)指標(biāo)計算
本項目實施后,可使灌溉水的利用率由目前的40%提高到90%以上,與地面灌相比,可節(jié)約灌溉用水50%以上,節(jié)約耕地5%-7%。其他技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)如下:
1) 畝投資(Km)
Km0.9m=K0.9m/A=278679/540=516.07 (元/畝)
Km1.4m=K1.4m/A=244638/540=453.03(元/畝)
2) 滴灌工程設(shè)備投資(Sm)
Sm0.9m= S0.9m /A=230391/540=426.65 (元/畝)
Sm1.4m= S1.4m /A=200427/540=371.16 (元/畝)
3) 畝管道用量(Lm)
(1) 畝干管用量(Lm1)
Lm1=L1/A=1850/540=3.43(m)
(2) 畝支、附管用量(Lm2)
Lm2=L2/A=2700*2/540=10(m)
(3) 畝毛管用量(Lm3)
Lm3(0.9m)=L3/A=404000/540=748(m)
Lm3(1.4m)=L3/A=262700/540=486.48(m)
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團農(nóng)八師
棉花膜下滴灌
 
 
設(shè)
 
 
 
 
農(nóng)八師水利局天興設(shè)計室
二OO一年七月
 
 
 
 
新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團農(nóng)八師
棉花膜下滴灌
典型設(shè)計書
13669010075
liuhaoweiwudi
審定:張  敏
       審核:楊國慶 馬玉忠
校核:蘇  軍
編寫:李雪芹
 
 
農(nóng)八師水利局天興設(shè)計室
二OO一年七月