基于自压滴灌工程过滤装置尺寸的确定及应用

穆哈西，杰恩斯·马坦，吾买尔·吐尔逊

(1.新疆农业大学水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052；2.新疆水利厅改水办，乌鲁木齐 830000)

0 引 言

新疆是干旱缺水，蒸发量大，气候干燥的地区。随着工业的发展和区域人口的增多，大量开垦荒地，农业用水量剧增，各用水部门间的矛盾日益突出，天然草场荒漠化。尤其是牧业灌区无电供应，水源无法过滤，实现节水灌溉的难度大[1,2]。目前新疆牧业灌区存在的问题有：①由于进行地面灌溉，灌水量多、地形坡度大等原因引起大量水土流失，灌区下游排水不畅，下游洼地沼泽化面积剧增，牧业种植面积萎缩；②地下水位上升导致土壤盐碱化，弃田面积逐渐扩大。为解决上述问题要实施滴灌工程措施。

无电供应的牧业灌区实现滴灌工程措施，首先解决滴灌工程首部水源的过滤问题，然后实施节水灌溉工程。通过实地进行测量，根据无电牧业灌区灌溉面积的特点，研发了自压滴灌工程无用电过滤装置，同时该过滤装置模型进行了试验。以滴灌工程特点及水力学原理相结合，渠道水、调水池的调节流量及集水桶流量之间建立平衡关系，实例说明自压滴灌工程系统流量、首部过滤系统尺寸的计算方法，为新疆牧业灌区实现节水灌溉技术提供依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

采用有机玻璃板制作模型，调水池高度为50 cm，长度为50 cm，宽度50 cm。圆形集水桶高度为50 cm，直径为20 cm的。渠道长度为15 m，渠底宽为20 cm，高度为30 cm。

1.2 方 法

①水源的过滤方法：首先渠边适宜处修建进水闸，进水闸前设两级滤网，两级滤网间设太阳能板启动的反冲洗装置(冲洗滤网上的沾物质和两级过滤网间的沉积物)，打开进水闸后渠水经过两级过滤流入调水池中，水在调水池里再次沉淀，调水池和集水桶底部都设置排污管。②计算方法：地形适宜处确定进水闸的位置、测量控制面积、确定作物类型、管道铺设长度和宽度及相关参数，然后确定轮灌支管数，计算相应的支管(系统)流量。最后系统流量推算确定调水池与集水桶之间的进水管流量。

2 结果与分析

2.1 无用电过滤装置的工作原理

工作原理：打开渠边闸门后渠水经过两级过滤流入调水池，调水池水位逐渐与渠水位齐平。打开集水桶的排气阀后集水桶水位上升，调水池和集水桶水位差Δh减少，集水桶逐渐蓄满。集水桶蓄满水之后关闭集水桶的排气阀，打开供水阀，此时集水桶内水位降低而产生负压，在集水桶内的负压作用下集水桶不断吸入调水池的水量，从而渠道水位、调水池和集水桶水位齐平。渠道、调水池和集水桶连成整体(图1和图2所示)此时流量平衡式为：

Q渠≥Q调≥Q集=Q系

(1)

式中：Q渠为渠道提供的流量，m3/s；Q调为调水池的调节流量，是指进水管末端流出来供给集水桶的流量，m3/s；Q集为集水池的集水量，是指提供系统的流量，m3/s；Q系为系统流量，是指提供支管的流量，m3/s。

1-地面；2-梯形渠底；3-渠边坡；4-渠水位；5-渠内坡拦泥网；6-逆坡；7-闸前拦泥网和反冲器；8-闸门和太阳能板；9-调水池；10-进水管；11-排污管；12- 排污阀；13-集水桶地埋部分；14-集水桶内拦污网；15-供水阀；16-供水管；17-集水桶；18-排气管；19-排气阀图1 渠道连接无用电过滤器剖面图Fig.1 Channel connection useless filter section

图2 无用电过滤装安装图Fig.2 Useless electric filter installation plan

2.2 实例分析

2.2.1 设计参数

(1)工程概况：灌区位于福海县东南50 km处，作物以苜蓿草为主。该灌区从中线干渠分水闸引水灌溉，分水流量Q分=4.5 m3/s，渠水含沙量少，水源充足。地势东高西低，上游陡下游平缓，引水渠与项目区地形落差6～25 m不等，地势平均比降J为3%～15% 。土壤为沙壤土，冻土层厚1.5 m，土壤密度1.4 g/cm3。毛管沿地形大坡度布置(由东向西)，除了毛管外，各级滴灌管道浅埋地下0.5 m，作物行距St为0.1 m，毛管间距SL为0.4 m。由于该灌区属于靠山灌区，因此采用小流量滴灌带，滴头流量为1.0 L/h，滴头间距为Se=0.3 m，参照作物最大日平均蒸散量为6.5 mm/d。

(2)计算流程：作物类型和种植方向确定之后，首先选定毛管类型、毛管内径d、滴头流量qi等参数。根据地形条件和作物种植模式确定毛管间距SL和滴头间距Se，再计算毛管极限长度，确定毛管实际铺设长度。毛管实际铺设长度除于滴头距再乘滴头流量，从而获得一条毛管的流量[3]。根据地形条件确定支管长度L支计算相应的支管流量，然后同时工作支管与调节流量Q集与Q系进行校核，直至满足平衡式(1)为止。

(3)灌水定额的计算。根据当地种植作物的要求，计划湿润层深度H=40 cm；土壤密度λ=1.4 g/cm3；田间持水量θ=28%；土壤含水量上下限(β1和β2)以占田间持水量的60%～40%计；灌水定额由式(2)计算确定：

m净=0.1λHp(β1-β2)θ

(2)

(4)土壤湿润比p的计算。每个滴头均控制周围的24棵苜蓿草，则n=0.042，滴灌带滴头间距Se=0.3 m，湿润比宽度Dw=0.4 m、株距St=0.05 m、平均行距Sr=0.15 m，代入下式计算土壤湿润比。

(3)

(5)最大设计灌水周期T的计算。

(4)

(6)一次灌水延续时间t的计算。内囊叠片式滴灌带滴水量qd为1.0 L/h；灌溉水利用系数η根据规范取0.9：

(5)

(7)系统工作制度。此滴灌项目无水泵设计，因此滴灌系统可连续24 h工作。

系统允许的轮灌数目计算公式为：

(6)

2.2.2 管网水力计算及管道设计

(1)最不利点作为典型设计。该灌区以地形落差hd=6 m的灌区小区为典型。根据规范滴水器设计流量允许偏差率qv应不大于20%[4,5]。该设计qv=20%，支管及毛管水头差分配为：

(7)

(8)

式中：hmax为滴水器允许最大水头，m；hmin为滴头允许最小水头，m；hd为自压滴灌地形落差，也就是滴头工作水头，m；qv为滴水器设计流量允许偏差率，%；x为流态指数。

系统允许最大水头差ΔHs=hmax-hmin。

(2)水头偏差计算。根据支、毛管水头偏差分配比按式(9)、式(10)计算：

ΔH毛=0.55ΔHs

(9)

ΔH支=0.45ΔHs

(10)

(3)毛管极限长度Lm计算。滴灌带直径16 mm，局部损失的加大系数k=1.1，毛管极限长度Lm按式(11)计算：

(11)

(4)毛管实际水头损失计算。F毛为毛管多口系数；N为管道上出水孔数目(个)；x为进口端至第一个出水口的距离与孔口间距比，x取0.5 m；m为流量指数，m取1.75。

(12)

(5)毛管实际损失按式(13)计算：

(13)

(6)毛管进口水头损失计算。毛管进口处ΔZ=0.03 m，毛管进口出水头损失按式(14)计算：

h毛进口=ΔHs+ΔH毛实+ΔZ

(14)

管道铺设长度小于管道极限长度Lm。综合考虑地形条件和可控面积，地形落差为6 m的为例，该片区毛管铺设长度为40 m，一条毛管有INT(40/0.3)=133个滴水孔。

2.2.3 支管计算

由于自压滴灌无法控制地形落差提供的压力，因此毛管进水口处安装滴水调节器时，毛管每个滴水孔出流量与压力无关的等流多孔管[6]。将滴头流量qd、hd为常数，L毛、L支为变量，计算支管流量Q支。支管流量Q支是指支管上的毛管流量Q毛之和，如下式计算确定：

(15)

式中：Q支为支管流量，m3/s；L支为支管长度，m；SL为支管上的毛管间距，m；L毛为毛管长度，m；Se为毛管上的滴头距，m；qi为滴头流量(L/h或换算成m3/s)。

系统流量Q系是指同时工作的支管(或一个轮灌组)流量之和，n条支管同时工作时，系统流量为Q系=nQ支。

(1)管道损失计算。管道(支管和毛管)长度计算局部损失、沿程水头损失和总损失(hf+hw)，地形落差即工作水头hd，该工作水头必须满足各级管道进水要求。各级管道进水要求：按计算支管及毛管水头差分配比计算相应的管道进口水头损失(支管进口水头损失ΔH毛进和毛管进口水头损失ΔH支进)，使hd≥ΔH毛进+ΔH支进+hi(hi为管道进口处水头损失)是否满足要求。满足要求的流量是支管流量(Q支)。

根据式(15)试算确定支管长度和流量，然后按式(16)计算支管水头损失：

ΔH支实际=ΔHs-ΔH毛实

(16)

(2)管径计算。支管直径按式(17)计算：

(17)

根据计算值选取管道尺寸为：直径/壁厚/公称压力分别为φ63/2.0/0.25 MPa的PE管。

(3)支管水头损失计算。支管长度L支为40 m，经计算得F支=0.37，k=1.05；支管水头损失按式(18)计算：

(18)

支管进口水头按式(19)计算确定：

ΔH支进口=h毛进口+ΔH支PE+ΔZ

(19)

(4)系统流量计算。系统流量的计算结果如表1所示。

表1 不同落差所控制面积及系统流量Tab.1 Divide the control area and different system flow

由表1可看出，地形落差为6 m时，毛管铺设长度应在40 m左右为宜，支管长度不能超过40 m，原因是有限的落差满足不了支管进口的压力，使hd≥ΔH毛进+ΔH支进+hi时可满足要求，式中hi为管道进口处水头损失、过滤装置水头损失及干管水头(沿程水头损失和局部水头损失)损失之和，通过推算得hi=0.6 m。

2.3 调水池调节流量的计算

调水池和集水桶间进水管末端流出的流量大于等于集水桶的出流量Q集时，集水桶内的水量保持稳定状态。根据表1计算的轮灌组流量Q系,然后选定进水管管径，计算调节流量Q调满足等式(1)为止。

(1)进水管管径d=0.4 m，管长L=10 m，上下游水位差z=2 m,沿程阻力系数λ=0.025，进口局部水头损失系数ξ1=0.5，出口局部水头损失系数,ξ2=0.8，打开排气阀开始时刻进水管初末端流速相等，随后集水池的水位上升，C-C断面流态为有压非恒定淹没出流(图1所示)，进水管流量逐渐降低，最终使调水池和集水池的水位齐平，根据水力学原理计算确定调水池的最大淹没Q调出流量[7,8]。计算过程如下：

管道过水断面面积：

(20)

淹没出流的流量系数：

(21)

将g=9.8 m/s2代入下式计算确定调水池与集水池间的送水管流量。即：

(22)

(2)集水桶尺寸的计算：集水桶高度2.5 m，其中集水桶底部不动水位高程0.5 m，上部高程为0.5 m，集水高程h=2.0 m ，集水桶直径d=3 m，则集水桶的集水面积为：

3 结 语

(1)该文实例说明无用电过滤装置尺寸的确定方法。渠道进水流量、调水池的调节流量、集水桶的供水流量及系统流量间建立平衡关系，阐述了系统流量的计算方法，解决了无电灌区水源的过滤、过滤网的自行冲洗、排沙等问题。为牧业灌区实现节水灌溉技术提供依据。

(2)整个计算Excel连接流程完成，只调节毛管和支管长度，结果自动形成。

(3)节省滴灌工程沉淀池的投资，根据自压灌溉面积的大小适当加大集水桶的尺寸，可持续利用。为牧业灌区实现节水灌溉工程，预防水土流失、土壤盐碱化提供依据。

[1] 穆哈西.用于自压滴灌工程的无用电调节水温过滤装置[P].中国专利：ZL201420199913.6,2014.09.10.

[2] 史海滨,刘清华.灌溉排水学[M].北京:中国水利水电出版社,2006,13-75.

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[7] 邱秀云.水力学[M].乌鲁木齐:新疆电子出版社,2008:139-156.

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