滴灌系统设计示例
按照兵团水利局、兵团节水办“关于召开兵团节水灌溉规划设计研讨会的通知”的要求,根据农八师几年来在大田作物膜下滴灌技术上的实践和研究,此次滴灌系统典型设计综合农八师的具体情况做如下简要介绍:
一、 基本资料
(一) 地形
农八师垦区地处天山北麓中段,古尔班通古特沙漠南缘。全垦区土地面积7529平方公里。垦区地势由东南向西北倾斜。垦区地形由南向北依次为天山山区、山前丘陵区、山前倾斜平原、洪水冲积平原、风成沙漠区。
(二) 土壤
农八师土壤缺氮面积大,全氮含量低于1%的面积占78%,碱解氮低于60ppm的面积占76%。土壤普遍缺磷,含量低于10ppm的面积占77.5%。土壤含钾丰富,约在100ppm以上。
土壤多系灰漠土、潮土、草甸土,土质多系砾质土、沙质土、粘质土等。根据农八师土壤普查结果,本设计取占范围较广的砂壤土。
(三) 作物
全垦区有效灌溉面积266万亩,其中以棉花为主。棉花种植面积占总播种面积的46.5%。本设计示例选棉花。种植模式采用:一膜两管四行--宽窄行30×60cm,滴灌带间距90cm;一膜一管四行--(25+30+25)×60cm,滴灌带间距140cm。
1、 滴灌工程设计参数的确定
根据农八师目前棉花种植模式和多年实践,确定如下设计参数。
典型滴灌系统设计基本资料
序 号
|
项 目 名 称
|
单 位
|
数 量
|
一
|
土壤与作物
|
|
|
1
|
土壤结构
|
|
砂壤土
|
2
|
设计日耗水量Ea
|
mm/d
|
4
|
3
|
土壤湿润层深度Z
|
m
|
0.45
|
4
|
土壤设计湿润比P
|
%
|
60
|
5
|
适宜的土壤含水率上限
|
%
|
22.5
|
6
|
适宜的土壤含水率下限
|
%
|
15
|
三
|
滴头
|
|
|
1
|
选型
|
|
天业迷宫式
|
2
|
工作水头
|
m
|
10m
|
3
|
流量
|
L/h
|
2.1 (2.6)
|
4
|
滴头间距
|
m
|
0.9 (1.4)
|
(四) 水源
垦区水资源来源主要为地表水(库水、河水)和地下水。目前垦区滴灌节水工程水源以井水为主,单井流量为80立方米/小时,动水位埋深在40米左右。
(五) 气象
垦区平均海拔300-500米左右,呈典型的温带大陆性气候,冬季长而严寒,夏季短而炎热。年平均气温7.5℃-8.2℃,日照2318-2732小时,无霜期147-191天,年降雨量180-270毫米,年蒸发量1000-1500毫米。蒸发强烈,降水稀少,气候十分干燥,光照充足,热资源丰富。
(六) 动力
原有机井泵大多为250QJ80-60/3或250QJ80-40/2,需更换水泵及变压器。但原有高压电线不需更换。
二、 设计内容
按照农八师多数条田的规划布置方式,采用东西长800米,南北宽450米的条田进行规划设计。种植作物为棉花,种植模式采用宽窄行60×30cm与60×(25+30+25)cm,一膜两管四行与一膜一管四行,滴灌带间距0.9米与1.4m。作物东西方向种植。耕层土壤为砂壤土。
1. 管道系统
滴灌系统采用如下结构:
水源(井水加压)→计量装置(水表、压力表)→离心式过滤器(进排气装置)→施肥罐(施肥控制装置)→网式过滤器(排砂控制装置)→分干管(地埋PVC管)→支管(地面PE黑管)→附管(地面PE黑管)→滴灌带→滴头。
为减少水头沿程损失,降低能耗,管道系统中支管与分干管,滴灌管(带)与支管,干管与分干管按各条田的具体形状,以优化方式采用鱼骨式或梳型两种方式布置,目的是达到操作管理方便,系统投资和运行费用最低的效果。
2. 泵站
根据水力计算结果,选择250QJ80-80/4的潜水泵,可满足滴灌系统工作压力和设计流量。
在过滤器出口安装水表、逆止阀,在过滤器和施肥罐的前后分别设置一个压力表,观察其压力变化。
在滴灌系统的最高处设置进排气阀,以调节管网进气和排气,防止停水时管网内产生负压,和开始供水时,管网排气不畅产生气阻,使管网破坏,影响正常供水。
3. 水源
灌溉用水以井水为水源,单井出水量80m3/h。动水位埋深40米。
水量平衡计算
A=ηQt/10Ia
A
(hm2)
|
Q
(m3/h)
|
T
(t/d)
|
Ia
(mm)
|
η
(%)
|
36
|
80
|
20
|
4
|
90
|
4. 运行方案
系统布置两条分干管,两条分干管分别运行,采取轮灌的方式。同时开启的支管做为一个轮灌组,共分四个轮灌组。每个轮灌组有9个轮灌小区。先开启一分干的支1-支6,每条支管各开一条附管做为一个轮灌小区,一次灌水延续时间为4.2小时,一个轮灌组分9次灌完。当一个灌水小区灌水结束后,先开下一个小区,然后关闭灌水结束小区,严禁先关后开。
一分干的支7-支12做为一个轮灌组,二分干的支13-支18做为一个轮灌组,二分干的支19-支24做为一个轮灌组,其运行方式同一分干的支1-支6。
5. 设备投资预算及经济分析
本工程投资预算编制,依据新水基字[1992]第11号和[96]第004号文进行编制。其综合费用、临时费用、其他费用均按兵团水利局水利水电处发《新疆兵团2000年灌区续建配套及节水灌溉示范项目实施方案编制》执行,按示范项目计取。工程投资预算及设备投资预算分析表如下:
滴灌工程预算表
单位:万元
种植模式
项目名称
|
一膜两管
(毛管间距0.9m)
|
一膜一管
(毛管间距1.4m)
|
总 投 资
|
27.8679
|
24.4638
|
其中:建安工程费
|
3.5751
|
3.3074
|
设备费
|
23.0391
|
20.0427
|
临时工程费
|
0.0715
|
0.0661
|
其他费用
|
0.9063
|
0.8054
|
预备费
|
0.2759
|
0.2422
|
亩投资(元/亩)
|
516.07
|
453.03
|
滴灌工程主要材料投资分析表
单位:元
项目名称
|
单位
|
数 量
|
总 价
|
亩投资
|
|||
|
0.9m
|
1.4m
|
0.9m
|
1.4m
|
0.9m
|
1.4m
|
|
潜水泵
|
台
|
1
|
1
|
13379
|
13379
|
24.77
|
24.77
|
变压器
|
台
|
1
|
1
|
10960
|
10960
|
20.3
|
20.3
|
过滤器
|
套
|
1
|
1
|
9500
|
9500
|
17.6
|
17.6
|
施肥罐
|
套
|
1
|
1
|
1200
|
1200
|
2.22
|
2.22
|
干管 PVC160
|
米
|
1850
|
1850
|
60458
|
60458
|
111.96
|
111.96
|
支管PE63
|
米
|
2700
|
2700
|
27810
|
27810
|
51.5
|
51.5
|
附管PE32
|
米
|
2700
|
2700
|
6318
|
6318
|
11.7
|
11.7
|
滴灌管
φ16
|
万米
|
40.4
|
26.27
|
80800
|
52540
|
149.6
|
97.3
|
管 件
|
亩
|
540
|
540
|
19966
|
18262
|
36.97
|
33.82
|
平均材料费:一膜两管(0.9m) 426.65元/亩
一膜一管(1.4m) 371.16元/亩
三、 灌水定额和灌水周期的拟定
(1) 灌水定额。
m=0.1γzp(θmax-θmin)/η
棉花灌水定额
m
(mm)
|
Z
(m)
|
P
(%)
|
γ
(g/cm3)
|
θmax
(%)
|
θmin
(%)
|
η
(%)
|
32.6
|
0.45
|
60
|
1.45
|
22.5
|
15
|
90
|
注:此定额为棉花花铃期的灌水定额。
(2) 灌水周期。(T)
根据大田实测取棉花日耗水量Ea=4mm/d,则灌水周期
T=m滴/Ea·η=32.6/4×0.9=7.34d
取灌水周期为8天。
(3) 一次灌水延续时间(t)
t0.9m=(m滴·Se·SL)/qd=32.6×0.3×0.9÷2.1=4.2h
轮灌组N=20h/d×8d÷4.2h/组=38,根据实际情况取N=36组。
t1.4m=(m滴·Se·SL)/qd=32.6×0.3×1.4÷2.6=5.27≈5.3h
轮灌组N=20h/d×8d÷5.3h/组=30组,根据实际情况取N=28组。
(4) 灌溉制度确定
根据农八师五年来大田棉花膜下滴灌灌溉制度的研究和实践应用,确定灌溉定额如下表:
棉花膜下滴灌灌溉制度表
作物名 称
|
灌 溉方 式
|
灌水定额
|
4月
|
5月
|
6月
|
7月
|
8月
|
9月
|
灌溉 定 额
|
棉花
|
膜下 滴 灌
|
定额 (m3/亩)
|
10
|
15
|
15
|
20
|
20
|
10
|
200
|
次 数
|
1
|
1
|
3
|
3
|
3
|
1
|
12
|
四、 确定管系总体布置
典型设计地块形状及系统布置见附图,设计条田分南、北两个地块。棉花东西播种。水源井位于地块的西头。由水源井沿地边分别向南、北分出一条主干管,在南、北地块的中间分别布置一条分干管,并垂直于主干管。干管和分干管管材选用PVC管材,管径为φ160。支管垂直于分干管,两边布置,便于双向控制,地下埋深80cm。支、附、毛管铺设在地面,均是鱼骨式布置。支管的间距是由毛管的铺设长度决定的,即毛管最大铺设长度的两倍,经计算为134m。支管的管材选用φ63PE黑管。附管平行支管布置,由一个球阀控制,便于轮灌组的管理和化分。毛管垂直于附管与支管布置,毛管间距为0.9m与1.4m。每两行棉花布置一条毛管或每四行棉花布置一条毛管。毛管选用φ16.5mm的单翼迷宫式滴灌带.首部枢纽装置布置在水泵的旁边,便于操作与管理。为冲洗管道的淤积物和冬季到来之前排干管中的积水,在分干管的末端(较低处)布置了排水井。
五、 滴灌设备选型
滴灌设备包括水泵、过滤装置及干、支、附、滴灌管。机井流量为80m3/h,控制面积540亩,根据水量平衡计算及水力计算结果,选潜水泵250QJ80-80/4。根据机井水质情况, 由于机井中含有一定的泥沙及有机物,采用4″/120目组合式过滤器。首级过滤器为离心过滤器(LX-400-100 1件),次级过滤器为网式过滤器(WS-160×50 4件并联)。查性能曲线可知,水头损失为6-8m。施肥系统选用容量为150L。
六、 拟定滴灌系统的工作制度
本系统运行时,每次运行一条分干管,并开启分干管上的6条支管,因此分4个轮灌组;然后每次开启支管上的一条附管,就是经计算确定的一个轮灌小区,使附管上的所有毛管同时供水。
经计算,每条支管上有9条(7条)附管,即9(7)个轮灌小区。一条附管带26(22)条或28(24)条毛管,一个轮灌小区共有156(132)或168(144)条毛管。
故典型滴灌系统的轮灌组为4个,轮灌小区有36(28)个。
七、 编制轮灌顺序,确定各级管道设计流量
典型滴灌设计轮灌顺序表
轮灌顺序
|
干
|
第一组
|
第二组
|
第三组
|
第四组
|
项目名称
|
管
|
一分干
|
一分干
|
二分干
|
二分干
|
管长(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
|
轮灌小区
|
|
9(7)
|
9(7)
|
9(7)
|
9(7)
|
支管编号
|
|
支1-支6
|
支7-支12
|
支13-支18
|
支19-支24
|
支管长度
|
|
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
|
|
开一条附管
|
开一条附管
|
开一条附管
|
开一条附管
|
附管长度
|
|
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
|
毛管条数
|
|
156条或168条
(120或132条)
|
同左
|
同左
|
同左
|
毛管长度
|
|
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、 管道设计及水力计算
滴灌带选用单翼迷宫式滴头,当滴头间距0.3m,滴头流量q=2.1L/h时,q=0.502h0.607;当滴头间距0.3m,滴头流量q=2.6L/h时,q=0.653h0.600。
1. 毛管与滴头间距的确定
棉花种植模式为一膜两管四行或一膜两管八行,滴灌带选用新疆天业塑化集团生产的内径为16mm的PE单翼迷宫式滴灌带,以该产品的参数进行设计。一膜两管模式:一根毛管灌两行棉花,滴灌带间距0.9m,滴头间距0.3m,滴头流量2.1L/h,流态指数X=0.607;一膜一管模式:一根毛管灌四行棉花,滴灌带间距1.4m,滴头间距0.3m,滴头流量2.6L/h,流态指数X=0.600。
2. 毛管极限长度的校核
毛管的极限孔数(毛管按均匀地形坡计算):
Nm=INT{(5.466[△h2]d4.75)/( kSqd1.75)}0.364
d(mm)
|
k
|
Cu
|
S(m)
|
qd( L/h)
|
[△h2] (m)
|
Nm(个)
|
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
|
毛管的铺设长度L毛= Nm×0.3,根据地块的实际长度,可布6条支管,12条毛管,取毛管的长度为66.67米。
3. 各级管道管径的确定及水力计算
管道管径的确定方法选择经济流速法。塑料管材的经济流速一般取v=1.2~1.8m/s
(1) 毛管水头损失的计算:
Q毛=n滴·qd=222×2.1=466L/h
n滴=66.67÷0.3=222个
毛管内径为16mm>8mm ,可认为管内流态为光滑紊流,故可计算:
沿程水头损失hf毛=fsqdm/db[(N+0.48)m+1/(m+1)-Nm(1-So/S)]
(5) 附管水头损失的计算:
沿程水头损
hf附=fSqdm/db[(N+0.48)m+1/m+1-Nm(1-S0/S)]
(6) 配水支管管径及水头损失计算:
d支=[4Q支/(πv)]0.5
=[4×13.3÷(3.14×1.8×3600)] 0.5=51mm
v—塑料管经济流速,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。
根据聚乙稀微灌管规格,支管拟选用PE63×4.7/0.4
沿程水头损失
hf支=fQ支mL/db
(7) 干管管径及水头损失计算:
d干=[4Q干/(πv)]0.5
=[4×80÷(3.14×1.5×3600)] 0.5
=137.4mm
根据聚氯乙稀微灌管规格,总、分干管拟选用PVC160×4.7/0.6。由于考虑以后的滴灌改喷灌及运行方式的调整,干管不考虑变径。
沿程水头损失
hf干=f(∑Q干nmLn/dnb)
九、 水泵选型
(1) 计算微灌系统设计水头H
H=Zp-Zb+h0+∑hf+∑hw
H—微灌系统设计水头,m;
Zp-Zb—典型毛管进口与水源设计水位之间的高差,m;
Ho—典型毛管进口的设计水头,取h0=10m;
∑hf—水泵至典型毛管进口的管道沿程水头损失,m;
∑hw—水泵至典型毛管进口的管道局部水头损失,m。
取二级过滤冲洗排污的水头损失之和为10m,机井动水位取40m,抽水损失为4.84m,枢纽中各级闸阀的局部水头损失之和为1.0m。
则H= 78m
(2) 机泵选型
机井的稳定动水位取40m,据管网设计流量和工作压力,查水泵手册,初选井用潜水泵,250QJ80-80/4。
滴灌区潜水泵性能参数
水泵
型号
|
流量
m3/h
|
扬程
m
|
电机
功率
kw
|
转 速
r/min
|
额定
电压
V
|
适用
井径
mm
|
250QJ80-80/4
|
80
|
80
|
30
|
2875
|
380
|
>250
|
十、 管网结构设计
因塑料管的线胀系数很大,为使管线在温度变化时可自由伸缩,初步拟定干管上每100m设置一个双括管(即伸缩节)。
在直径大于50mm的管道末端、转弯、分岔和阀门处应设镇墩,干管每隔200m设一镇墩60×60cm。为保证系统管网的正常运行,需在管路上安装控制和保护装置。
管道埋深根据地面荷载和机耕要求,干管埋深60cm,为控制各分干管的运行,分干管首部设控制闸阀,尾部设泄水阀,各闸阀均砌阀门井保护。
十一、 绘制技施设计图
滴灌系统工程平面图、管系结构示意图及阀门井示意图详见图1-图3。
十二、 主要设备与投资预算
典型示范区540亩滴灌工程总投资27.8679万元。其中建筑工程费用3.5751万元,设备费23.0391万元,临时工程费用0.0715万元,其他工程费用0.9063万元,预备费用0.2759万元。节水灌溉材料设备、规格、数量及价格见表六。项目主要设备选型表、临时工程费及其他工程费详见预算:表一至表五。一膜一管膜式的投资预算及材料表见表七至表十二。
十三、 工程效益分析与技术指标计算
1、 工程年增效益(B)
项目区棉花单产由滴灌前的83公斤(皮棉),提高到107公斤,提高28%。540亩棉花净增12960公斤。按现行价每公斤10元计,可增收129600元。
2、 滴灌工程年费用(C)的计算
(1) 能耗费(C1)
取棉花多年平均累计灌水次数为12次,每次平均灌水定额15m3/亩,灌溉定额约200 m3/亩,灌溉系统水利用率0.95,每kw·h的电价为0.5元,经计算后为:
C1=540×200×30×0.5÷80÷0.95=21316(元)
(2) 维修费(C2)
地埋管道及管件的年平均修理费为投资的1%,水泵及首部装置的年平均修理费为投资的5%
则C2=63122×1%+62131×5%=3737.77(元)
(3) 微灌工程年折旧费(C3)的计算
地埋管材管件(20年折旧) D1=k1/n=63956/20=3197.8(元)
地面管材管件(6年折旧)D2=K2/6=49946/6=8324(元)
首部装置(15年折旧) D3=k2/n=24339/15=1622.6(元)
机泵仪表(10年折旧) D4=k3/n=11350/10=1135(元)
毛管 (当年折旧) D5=k4/n=80800/1=80800(元)
则C3=3197.8+8324+1622.6+1135+80800=95079.4(元)
(4) 微灌工程年管理费(C4)
由于滴灌面积较大,需水量大,灌水时间长,管理任务重,系统需有2名专职人员进行管理。从每年的4月下旬至9月初共4个月的时间。按当地工资水平,管理人员的月工资以300元/人计,则系统年管理费(C4)应为
C4=4×300×2=2400(元)
据上述分析计算,该滴灌工程年费用(C)为:
C=C1+C2+C3+C4 =21316+3737.77+95079.4+2400=122533元
3、 工程经济效益费用比(R)
R=[(1+i)n –1]/i(1+i)n·(B-C)/K
若取年利率i=10%,经济计算期n=15年,则:
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、 还本年限(T)静态法
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、 工程技术指标计算
本项目实施后,可使灌溉水的利用率由目前的40%提高到90%以上,与地面灌相比,可节约灌溉用水50%以上,节约耕地5%-7%。其他技术经济指标如下:
1) 亩投资(Km)
Km0.9m=K0.9m/A=278679/540=516.07 (元/亩)
Km1.4m=K1.4m/A=244638/540=453.03(元/亩)
2) 滴灌工程设备投资(Sm)
Sm0.9m= S0.9m /A=230391/540=426.65 (元/亩)
Sm1.4m= S1.4m /A=200427/540=371.16 (元/亩)
3) 亩管道用量(Lm)
(1) 亩干管用量(Lm1)
Lm1=L1/A=1850/540=3.43(m)
(2) 亩支、附管用量(Lm2)
Lm2=L2/A=2700*2/540=10(m)
(3) 亩毛管用量(Lm3)
Lm3(0.9m)=L3/A=404000/540=748(m)
Lm3(1.4m)=L3/A=262700/540=486.48(m)
新疆生产建设兵团农八师
棉花膜下滴灌
典
型
设
计
书
农八师水利局天兴设计室
二OO一年七月
新疆生产建设兵团农八师
棉花膜下滴灌
典型设计书
13669010075
liuhaoweiwudi
审定:张 敏
审核:杨国庆 马玉忠
校核:苏 军
编写:李雪芹
农八师水利局天兴设计室
二OO一年七月