农田滴灌与喷灌共用系统设计
近几年,农田节水工程得以大面积推广,并取得了较好的增产与节水效果。
目前,在新疆滴灌系统中主要用于棉花灌溉,作物的倒茬轮作无法实行,对土壤结构及生态环境造成了一定的负面影响, 不利于农业的可持续发展。
为此,出现了滴灌、喷灌共用系统模式,该灌溉系统在地面安装滴灌带时为滴灌,安装喷灌地面移动设施时为半固定式喷灌, 可适应多种作物的灌溉要求,实现作物的倒茬轮作,减少土壤次生盐渍化,能起到保护土壤的作用。
1 设计参数
(1) 设计保证率:根据规范要求节水灌溉工程设计保证率应大于85%,取90%;(2) 灌溉水利用系数(!):根据规范要求不低于0.90,取0.95;" 设计系统的日工作小时数(t):按大于12h,小于20h 设计;(4)土壤湿润比(P):根据当地自然条件、作物种类选择,棉花一般为60%～90%, 取60%;(5) 设计日耗水强度(Ea): 干旱地区设计日耗水强度可以在3～6mm/ 天之间选取。
膜下滴灌为4.8mm/ 天, 非膜下灌为5.1mm/天;(6) 适宜于作物生长的土壤含水量(占干土重量的百分比)为25%;(7)土壤计划湿润层深度(Z):按棉花生长要求确定,取0.5m;(8) 滴灌均匀系数:水利部行业标准《微灌工程技术规范》规定,灌水器设计允许流量偏差率qv 应不大于20%, 设计灌水均匀度不应低于0.8, 取
0.95;(9) 灌水小区允许水头偏差率hv=0.345,灌水小区允许水头偏差["h]=3.45(m), 由于灌水小区的水头偏差分别是毛管和支管两级管道共同产生的,根据经验毛管分配0.55,支管分配0.45;(10) 设计灌水定额:喷灌30 m3 /667m2(旧制1 亩,下同);滴灌25 m3 /667m2;(11)设计灌水周期:喷灌7.5 天,滴灌7.5天;(12)一次灌水延续时间:取4h 左右;(13) 灌溉制度:喷灌灌溉定额为320 m3 /667m2,全年灌溉8 次;滴灌灌溉定额为215m3 /667m2,全年灌溉12 次。
2 规划设计
2.1 管网布置形式
首先应按喷灌要求布置管网, 条田的形状一般为长方形,为了更好的利用地形,系统内管网应相互垂直布置。
喷灌管网系统可以斗排为基准线, 平行斗排布置,田间管道分为2 级,第1 级为干管,第2 级为移动支管。
干管长度大于1 000m 时,中间位置宜设节制阀,干管埋深#1.4m,管坡顺水流方设计,为防止管道冬季受冻胀破坏,在管道尾部设放水闸阀,以便放空地埋管道中的积水。
移动支管垂直干管沿其左右方向布置,每组有2 套设备,运行时一套工作一套向前或向后移动。
移动支管的长度由条田宽度控制, 当条田宽度大于300m 时, 移动支管的进口需要0.4MPa 以上的压力,当条田
宽度小于300m 时, 移动支管的进口需要0.3MPa 以上的压力,较大的工作压力将增大水源部分投资及增加运行费用(加压系统),且移动较长支管时搬动时间长,劳动强度大,易产生不均匀灌溉的情况。
经计算当条田宽度大于350m 时,667m2 投资增加9%,因此条田宽度最好为300m 左右。
干管上的给水栓间距可取60～63m, 每组移动支管配1 条连接管。
滴灌管网系统依托喷灌管网的干管进行布置,分为3 级。
第1 级为干管,完全利用喷灌管网的干管;第2 级为支管,垂直干管沿其左右方向布置,进水口在给水栓处,间距为2 倍给水栓间距(120～126m);第3 级为毛管,垂直支管布置,毛管间距0.3m,每条支管由1 个球阀控制,以便于对轮灌组的管理和划分。
当条田宽度大于300m 时, 支管的直径将由天75 上升到天90,667m2 投资增加3%。
综合来看,条田宽度在300m 以下是较为经济的。
2.2 田间系统设计
在喷头选型上,除考虑满足应有的雾化指标外,还考虑喷头工作压力要适中。
喷头按全圆喷洒、正方形组合进行布置,喷头组合间距按设计射程确定,可取20m、21m,常用喷头规格见表1。
表1 喷头规格
规格
公称流量
(m3 / h)
喷头工作压力
(MPa)
射程
(m)
降水量
(mm/ h)
ZY-2-7.0 / 3.1 4.3 0.3 19.1 10.0
表2 滴灌灌水器型式规格
规格
内径
(mm)
壁厚
(m)
滴孔间距
(mm)
公称流量
(m3 / h)
喷头工作压力
(MPa)
300-2.8 16 0.18 300 2.8 0.05～0.1
棉花栽培模式为1 膜4 行, 行间距为20cm×40cm×20cm,1 条毛管控制2 行棉花,灌水器采用单翼迷宫式滴灌带,其规格如见表2,毛管极限长度68m。
2.3 管道水力计算
依据所选管材,先按喷灌系统计算,再按复核管径是否满足滴灌系统要求。
干管按经济流速为
1.5m/ s 进行设计,移动支管按首末端喷头工作压力之差不超过工作压力的20%设计。
干管和支管的局部水头损失可按沿程水头损失的5%～10%计算,干管按5%计算,支管按10%计算。
2.4 系统结构比例
以种植棉花为主的系统, 种植2～3 茬棉花后,再以喷灌种植小麦、苜蓿等, 可按2 / 3 为滴灌,1 / 3为喷灌设计,一般应按独立的条田分别配置,或按相对独立的干管分别配置。
2.5 水源工程设计
从系统设计流量、压力来看,喷灌需要的流量、压力为滴灌的1.4 倍左右, 水源工程要按喷灌系统的需要进行设计。
对于机井加压系统,要增加1 台变频控制器调节水泵的工况, 满足滴灌系统所需流量及压力,以降低能耗,该设备约3.0 万元/ 台。
对于自压系统,可在干管首端增设在线式消能阀,控制流量和压力, 满足滴灌系统所需流量及压力, 该设备天150 的可满足要求,约3.1 万元/ 台。
3 费用与效益分析
在相同的地块上进行规划设计, 单一滴灌系统投资为542 元/ 667m2(含机井改造费),喷滴灌共用系统投资为584 元/ 667m2, 喷滴灌共用系统比单一滴灌系统667m2 投资增加42 元,增加7.8%。
以种植棉花为主的地区, 作物种植比例为小麦1 / 3、棉花2 / 3 较为合理,为使计算的效益更加准确,计算效益时均按种植权重考虑计算。
单一的滴灌系统,棉花采用滴灌,小麦等其它作物只能采用常规地面灌。
喷滴灌共用系统,棉花采用滴灌,小麦等其它作物可采用喷灌。
根据试验统计计
算,667m2 增产效益为24.16 元,667m2 节水效益为2.45 元,667m2 新增电费为2.5 元。
根据以上计算, 喷滴灌共用系统较单一滴灌系统所增加的投资可在2 年内收回,按20 年使用期计算,可净增效益482.2 元/667m2,投资收益率为57.4%(静态),具有较好的经济效益。
滴灌系统在干旱地区大田作物灌溉中的快速发展,主要受棉花这一经济作物的推动,虽然取得了较好的增产与
节水效果。
但是,由于滴灌在灌溉作物的品种上有局限性, 已导致同一地块多年连续种植棉
花,作物的倒茬轮作无法实行,对土壤结构及生态环境造成了较为严重的影响, 已影响到这些地区农业生产的可持续发展。
滴灌、喷灌共用的系统模式的出现,对现行的滴灌系统进行了完善,克服了单一滴灌系统的弊病,可适应多种作物的灌溉要求, 能实现作物的合理倒茬轮作,起到保护土壤和生态的作用。
该系统采用的喷灌形式为目前常用的模式,易于为人们所接受,投资仅增加7.8%,是一种较好的节水灌溉模式。