滴灌模式中支管管径的选择

李春龙

（辽宁省农村水利建设管理局，辽宁沈阳110003）



滴灌模式中支管管径的选择

李春龙

（辽宁省农村水利建设管理局，辽宁沈阳110003）

［摘 要］为了合理选择滴灌支管轮灌模式下的支管管径，文中结合辽宁现有工程实践，对支管适宜控制面积、支管单元水力特性和支管单元经济性等方面进行分析。研究结果表明管径越大，轮灌单元面积越大，在管径适宜控制面积范围内，水力性能均满足设计要求；支管单元的经济性随着管径的增大而降低，但选择小管径增加了施工和运行管理的难度。因此，综合考虑辽宁地区支管管径宜选择50mm或63mm，集中连片的规模化片区支管轮灌管径宜选择63 mm。

［关键词］滴灌；支管轮灌；管径；经济性

1　引言

近年来，随着国家“东北四省区节水增粮行动”和辽宁省“千万亩滴灌灌溉工程”等工程的实施，滴灌技术在辽宁地区得到大面积应用。规模化片区的出现是目前滴灌工程建设的主要特点，由于土地规模化经营能有效降低工程投资，便于机械化作业，提高生产效率和增加经济效益等[1～3]，在辽西北地区多处出现，如建平县、朝阳县、阜蒙县和彰武县等集中连片地区面积均达到万亩。工程实践表明，传统的辅管轮灌由于管网级数多、结构复杂、轮灌单元多等已不再适用于规模化滴灌工程，支管轮灌以其管网级数少，施工和运行简便等优点成为滴灌管网布置的主要形式。

一般来说，支管轮灌模式中，支管管径越大，支管控制单元越大，单井控制面积内灌溉单元数量越小，灌溉系统便于管理，但管径越大，管材管件尺寸也增大，管网材料投资增加，系统经济性降低，即支管管径的选择对轮灌单元面积、管网结构、工程造价和系统操控性等均产生直接影响。因此，支管管径的合理确定对滴灌工程的推广应用具有重要意义。结合辽宁现有工程实践的基础上，从支管适宜控制面积、支管单元水力计算和支管单元经济性等方面进行分析，确定适宜的支管轮灌管径。

2　支管轮灌

支管轮灌就是以一条支管控制面积的灌溉范围为基本灌水单元，一条或多条支管构成一个轮灌组，每个轮灌组运行时，该轮灌组内支管上所有毛管全部开启，一个轮灌组灌水完成后，开启下一个轮灌组内的支管，关闭前一个轮灌组内的支管[4-5]。由于支管管径和流量较大，支管轮灌单个灌溉单元控制面积也较大，适用于土地集中连片规模化经营，而不适用于分散的土地经营模式。

目前，辽宁地区规模化节水滴灌工程项目区主要为玉米大垄双行膜下滴灌种植区，垄距1.2 m，垄台宽0.8 m，玉米宽行距0.8 m，窄行距0.4 m，种植密度约67 500株/hm2，滴灌带单垄单行布置，位于垄中间，滴灌带间距1.2 m，滴头间距0.3 m；滴灌带通过按扣三通与支管连接，双侧布置，单侧长75 m。文中在现有种植模式的基础上进行支管轮灌管径的计算和选择，根据工程实际，为了便于施工，支管灌溉单元内，支管管径一定，不作分段变径处理。

3　支管管径选择

3.1支管轮灌不同管径适宜控制面积

当支管管径一定时，由于管道过水能力的限制，可根据经验公式法、经济管径法或能坡线法等计算出管道最大允许流量[6]。管道内的流量均通过滴头均匀的灌溉到作物根系附近，则通过滴头流量和管道流量可计算出支管控制面积，常用公式有，现已经济流速法为例。计算公式如下：

式中：D：支管管道直径，mm；Q：管道流量，m3/h；V：经济流速，取1.5 m/s；n：滴头数量；s：支管控制面积，m2；a：滴头间距，m，取0.3 m；b：滴灌带间距，m，取1.2 m。式3代入式2并将式2代入式1，可得：

式（4）假设管道中的流量按滴头设计流量完全流出，而在实际工程中，尤其在规模化滴灌工程中，滴头是以双向铺设的滴灌带为单元出现的，文中以滴灌带双侧布置，单侧75 m，滴头间距0.3 m，支管控制单元内滴头的数量为150的整数倍。因此，实际滴头数量为［n/150］×150，支管实际控制面积要小于式（4）计算得到的面积。另外，虽然大管径支管控制小面积灌溉符合水力计算要求，但根据经济性要求，应选择符合水力计算要求的最小管径。不同管径适宜控制灌溉面积计算结果如表1所示，式（4）计算结果可用于快速估算支管控制面积。

表1不同管径适宜控制面积

3.2支管控制单元水头差

在支管控制单元中，支管单元内最大水头和最小水头差值在允许最大水头偏差范围内时，认为灌水均匀，否则管路布置不合理。距离支管进水口最近的第1条毛管的第1个灌水器工作水头最大，距离支管进水口最远的毛管的最末一个灌水器工作水头最小，允许偏差和不同管径支管轮灌管网计算偏差计算如下：

式中：△Hv：设计允许水头偏差，m；x：灌水器流态指数，取0.5；qv：设计允许流量偏差率，取0.2；hd：灌水器设计工作水头，m，取10 m；△H毛：毛管允许水头偏差，m；△H支：支管允许水头偏差，m。根据计算，支管轮灌允许水头偏差为4.12 m，其中毛管允许水头偏差2.27 m，支管允许水头偏差1.85 m。

文献［7］认为当管上出流孔较多时，视为等间距、等流量分流管，沿程损失按照式（8）计算，而Blasius公式（9）较适用于国产管道沿程损失计算：

式中：hf毛：毛管沿程总损失；k：局部损失加大系数，取1.1；S：毛管上滴头间距，m；qd：灌水器设计流量，L/h，取1.38 L/h；m：流量指数，取1.75；d：管道内径，mm；b：管径指数，取4.75；N：毛管上滴头总数；hf支：支管沿程总损失；L：支管管长，m；Q：支管流量，m3/h；v：水流运动粘滞系数，m2/s，取1.003×10-6m2/s；△hf：支管单元水头最大偏差。

毛管双侧布置，长度一定，当支管选定时，在支管允许控制面积范围内，面积越大，式（9）中流量Q和长度L越大，即当支管控制单元面积达到允许最大值时，支管控制单元水头偏差值最大。不同支管管径水头偏差计算结果如表2所示。

表2不同管径最大水头偏差计算

从表2可知，毛管长度和滴头间距一定时，毛管水头损失不受支管管径和控制面积影响，均为0.8 m，低于允许偏差值2.27 m。支管水头损失随着支管管径的增大而增大，当支管为准90管，控制灌溉面积8 830 m2时，支管水头偏差达到最大，为1.4 m，低于允许偏差1.85 m。支管单元内水头最大偏差变化趋势和支管水头偏差变化趋势一致，且最大值低于设计允许偏差，因此，当支管轮灌单元面积在适宜控制范围内时，单元内水力性能均满足要求。

3.3支管轮灌单元的经济性

支管轮灌单元的经济性是支管管径选择的重要影响因素。文中仅考虑支管单元地面部分（含出水栓）投入，主要包括滴灌带，支管和管件（出水栓，球阀，按扣三通，连接，堵头等）。各部分投入计算方法如下。

式中：I滴灌带、I支管和I管件分别表示滴灌带、支管和管件的单位面积投入，元/m2；p滴灌带、p支管、p栓、p阀、p连接和p按扣分别表示滴灌带、支管、出水栓、球阀、连接件和按扣三通的单价，元，一个出水栓两侧均接支管灌溉单元，投入按一半计入单个轮灌单元；n：支管出水口数；l：单侧滴灌带铺设长度，m；A：支管单元灌溉面积，m2；w：滴灌带间距，m；C：除按扣三通外，单元管件投入，元；I：支管单元地面部分投入，元/m2。

式（11）表明，滴灌带铺设间距和长度确定时，滴灌带使用量和控制面积成正比，单位面积滴灌带使用量为一固定值，即亩滴灌带投入为常量。式（12）中，支管管径一定时，支管从出水栓连接后，长度随着控制面积的增加而增大，每增加一个分水孔，支管长度增加1.2 m，控制面积增大180 m2，即除第一个分水孔外，单位面积支管使用量也为一固定值；支管轮灌单元控制面积越大，单位面积支管投入越大，但越趋于常数。式（13）表明支管管径一定时，除按扣三通数量变化外，其他管件由于尺寸和数量均不变而不改变，轮灌单元面积越大，单位面积投入越小。

式中：I：支管单元地面部分投入，元/m2。根据工程实践，等直径出水栓、接件和阀门等单价和大于支管单价，因此，式（14）中I随着n的增大而减小，即当支管管径一定时，支管单元地面投入随着灌溉面积的增大而减小。

由此可见，在支管轮灌管径经济性比较时，只要对比各管径适宜灌溉最大面积时每公顷平均单价即可。以玉米大垄双行滴灌（滴灌带间距1.2 m，单条铺设长度75 m）为例，不同管径支管单元地面投入和各组成部分投入计算结果如表3所示。

表3不同管径支管单元地面部分投入

表3表明，滴灌带亩均投入不随管径变化，均为1 999.5元/hm2；支管投入随支管管径的增大而增加，且管径越大，每公顷平均投入增幅越大。管件的每公顷平均投入随着支管管径的增大先减小后增大，支管管径小时，管件投入大是由于单出水栓控制面积小，管件使用量多；而支管管径大时，管件由于大直径管件单价高所至。综合管材管件地面支管单元投入随支管管径增大而增加，增幅亦随管径而增大，管径小于63 mm时，每公顷平均投入变化较小，管径大于63 mm时，每公顷平均投入变化相对较大。从表3还可以看出，虽然滴灌带是地面支管单元投入的主要部分，但引起投入差异的决定因素是支管投入，而支管投入取决于不同管径的单价，即管径越粗，单价越高，支管单元投入越大。

在辽宁地区单井出水量多为30～50 m3/h，以50 m3/h为例，单井控制面积约20 hm2，当选用32 mm支管时，控制面积内近188个支管轮灌单元，一次开启分布在不同分干管上阀门12个，不仅施工繁琐，而且系统运行时费工；当选用75 mm支管时，控制面积内近32个支管轮灌单元，一次仅能开启分布在不同分干管上阀门2个，除经济性降低外，系统稳定性也下降，一旦有支管不能正常工作，直接影响到水泵等设备运行。因此，综合考虑建议在辽宁地区，当单井控制面积相对较小时，支管轮灌管径宜选择50 mm；当单井控制面积相对较大时，尤其是在集中连片的规模化滴灌工程项目区，支管轮灌管径宜选择63 mm。

4　结论

在现有工程模式的基础上，对滴灌工程支管轮灌管径从管道输水能力、管网水力性能和管网投资等方面进行计算分析和选择，可得到以下结论：

1）支管轮灌单元面积受支管管径限制，当支管管径分别为32，50，63，75 mm和9 0mm时，适宜控制最大面积分别为0.107，0.267，0.433，0.613，0.88 hm2；当控制单元面积一定时，应选择最小管径。

2）支管管径一定时，支管轮灌单元内水头差随着单元面积增大而增加；支管轮灌单元支管管径不同时，在适宜控制最大面积条件下，单元内水头差随着支管管径的增大而增加；但在适宜控制面积范围内，支管轮灌单元内水头差均满足设计要求。

3）支管管径是支管轮灌单元经济性的决定因素。支管管径一定时，支管轮灌单元面积越大越经济；管径不同时，轮灌单元的经济性随着支管管径的增大而降低。

在辽宁地区，综合考虑水文地质，系统运行管理等因素，支管轮灌管径宜选择50 mm或63 mm，在集中连片的规模化滴灌工程项目区，支管轮灌管径宜选择63 mm。

［参考文献］

［1］赵木林，阮清波.加快高效节水灌溉规模化建设支撑广西特色农业可持续发展［J］.节水灌溉，2011（9）：14-17.

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［3］魏小抗，谢世龙.从入世后的农业发展趋势谈节水灌溉的思路［J］.中国农村水利水电,2004（3）：5-6.

［4］杨光龙，洪亮.支管轮灌滴灌模式在大田应用中的优点浅述［J］.农业科技与信息，2008（10）：42.

［5］李小勤，王胜聿，杨建文.滴灌系统运行支管轮灌技术在棉花生产中的应用［J］.新疆农业科技，2008（2）：27.

［6］水利部农村水利司，中国灌溉排水发展中心编.微灌工程技术［M］.郑州：黄河水利出版社.

［7］夏桂敏，韩建平，迟道才.现代灌溉技术［M］.哈尔滨：东北林业大学出版社，2003.

［中图分类号］S274.3

［文献标识码］B

［文章编号］1002－0624（2016）05－0057－04