滴灌系統(tǒng)田間管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

艾木都力·吾守爾

（新疆水利水電科學(xué)研究院，烏魯木齊 830049）

1 滴灌工程田間管網(wǎng)布置

1.1 毛管

滴灌灌水裝置俗稱滴頭，其依照供水方式的不同可細(xì)分為非壓力補(bǔ)償型與壓力補(bǔ)償型兩種類別。而整個(gè)滴水灌溉系統(tǒng)運(yùn)行性能的優(yōu)劣，直接受到滴頭性能的影響。現(xiàn)階段，在新疆大田作物滴灌中，由于當(dāng)?shù)卣w地勢(shì)相對(duì)平坦，其所采用的滴頭多為非壓力補(bǔ)償型，這種滴頭不僅鋪設(shè)管理方便且成本便捷，具有大面積成規(guī)模使用的良好性能。本次研究的作物種類為小麥，屬于典型的密植型作物，單位面積對(duì)灌溉水量的要求較大，這就需要在田間毛管的選取上充分考量滴頭流量、毛管間距及滴頭間距3種參數(shù)。一般來(lái)說(shuō)，果樹、棉花等行播作物，其毛管多沿作物行向進(jìn)行布設(shè)，布設(shè)間隔依照作物行距確定，但在滴頭流量的確定上須以能夠充分潤(rùn)濕作物為基準(zhǔn)，不可隨意選擇。整體上應(yīng)在充分滿足作物濕潤(rùn)要求的基礎(chǔ)上，盡可能選取小流量的滴頭。

1.2 滴頭流量、滴頭間距及毛管鋪設(shè)間距選擇

（1）選取流量大小適宜的滴頭，并根據(jù)選定的不同滴頭流量確定相應(yīng)的毛管間距和滴頭間距。

（2）滴頭間距的確定應(yīng)在符合理想滴頭間距的前提下，盡可能選用較大間距，同時(shí)為方便規(guī)模化生產(chǎn)，應(yīng)以100mm為級(jí)差進(jìn)行整數(shù)級(jí)調(diào)整。

（3）毛管鋪設(shè)間距確定要以滴頭濕潤(rùn)寬度為基準(zhǔn)，濕潤(rùn)比應(yīng)控制在95以上 （并盡量選取較大的間距。此外，為方便鋪設(shè)，毛管間距須為小麥行距的整倍數(shù)。

2 灌溉均勻度確定

完整的田間管網(wǎng)系統(tǒng)囊括支管與毛管，其中支管功能是聯(lián)通干管與毛管，實(shí)現(xiàn)兩者間水的傳輸，通常一條支管能夠控制一個(gè)完整的灌溉小區(qū)。因此當(dāng)全部灌溉小區(qū)的灌溉均勻度均滿足相關(guān)要求后，則整個(gè)田間管網(wǎng)灌溉均勻度也達(dá)到設(shè)計(jì)要求。而對(duì)于灌溉小區(qū)而言，其灌水均勻度取決于支管下屬各毛管流量?jī)蓸O值的偏差。所以，灌水小區(qū)最大最小壓力偏差必須維持在允許范圍內(nèi)。

2.1 毛管非調(diào)壓設(shè)計(jì)

毛管非調(diào)壓概指一個(gè)灌水小區(qū)內(nèi)的水頭損失通過(guò)支管和毛管一起依照相應(yīng)比例承擔(dān)。壓力差在支管與毛管內(nèi)分配的差異會(huì)引起管網(wǎng)造價(jià)的差異，最佳的分配方案就是保證灌溉效果的前提下實(shí)現(xiàn)投資和運(yùn)行費(fèi)用的最小化。

2.2 毛管進(jìn)水口設(shè)置調(diào)壓裝置

對(duì)于由一條毛管控制的灌水小區(qū)，通過(guò)在毛管端頭布設(shè)調(diào)壓裝置，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)毛管水壓的有效調(diào)控。這種情況下可以在控制揚(yáng)程穩(wěn)定的前提下，增長(zhǎng)毛管長(zhǎng)度，擴(kuò)大灌溉面積，減小投資額；或在保持灌水裝置供水量的前提下，增大毛管端部進(jìn)水壓力，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)行費(fèi)用的降低。

3 田間毛管長(zhǎng)度的確定

毛管長(zhǎng)度確定主要參考依據(jù)有農(nóng)作物生長(zhǎng)需水量、滴頭流量、滴頭間距及管網(wǎng)直徑，考慮工程使用量因素，毛管長(zhǎng)度即為田間工程優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。在滿足灌溉水量和質(zhì)量的前提下，盡可能減少工程投資和運(yùn)行費(fèi)用，進(jìn)而確定經(jīng)濟(jì)毛管長(zhǎng)度，將對(duì)指導(dǎo)滴灌系統(tǒng)建設(shè)具有重要意義。

3.1 田間毛管最大長(zhǎng)度

田間毛管最大長(zhǎng)度主要受其最大壓力偏差系數(shù)的影響，其值越大則最大長(zhǎng)度越長(zhǎng)。而毛管壓力偏差主要受灌水器流態(tài)指數(shù)的影響，其數(shù)值關(guān)系存在一定反比關(guān)系，流態(tài)指數(shù)越大則壓力偏差系數(shù)越小，毛管最大長(zhǎng)度也越小。工程應(yīng)用過(guò)程中，通常選取流態(tài)數(shù)值較小的灌水器。選用統(tǒng)一類型灌水器情況下，毛管壓力偏差系數(shù)固定，增加壓力水頭，毛管壓力水頭差也會(huì)增加。前期規(guī)劃設(shè)計(jì)中，可用布萊修斯公式計(jì)算得出毛管最大長(zhǎng)度，后期需要結(jié)果工程造價(jià)及運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行綜合確定。

3.2 田間毛管經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)度

在同一灌水小區(qū)情況下，即使?jié)M足其水量和水質(zhì)要求，其支管、毛管布置方式和長(zhǎng)度有差別，工程造價(jià)也有很大差異。灌水量一般以田間工程農(nóng)作物需水量為主要依據(jù)，灌水質(zhì)量主要以灌水均勻度為衡量標(biāo)準(zhǔn)，具體為灌水小區(qū)內(nèi)灌水器的最大和最小壓力水力差所確定，其限制了田間毛管長(zhǎng)度。如果在田間工程毛管進(jìn)水口增加調(diào)壓裝置，則壓力差主要由毛管承擔(dān)，相應(yīng)地毛管長(zhǎng)度需要增加，其相應(yīng)的工程造價(jià)也會(huì)增加。在確定灌水小區(qū)面積情況下，可在滴灌參數(shù)設(shè)計(jì)中納入工程造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用，進(jìn)而確定最優(yōu)毛管長(zhǎng)度。

毛管經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)度計(jì)算公式為：

式中 R為毛管布置方式，單向或雙向布置時(shí)分別為1，2；N2為毛管數(shù)量；L2為毛管長(zhǎng)度（m）；α為資金回收因子；A為灌水小區(qū)面積 （m2）；h2為支管進(jìn)口壓力水頭（m）；a為利息；Tp為年運(yùn)行小時(shí)數(shù)（h）；Ec為電費(fèi)價(jià)格（元/度）；Q為田間進(jìn)水口的總流量（m3/h）；η為灌溉水有效利用系數(shù)，取0.9；h2為支管進(jìn)口壓力水頭（m）；h1為毛管進(jìn)口壓力水頭（m）。

3.3 田間毛管經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)度計(jì)算分析

田間工程毛管鋪設(shè)工程量最大，毛管用量多，毛管布置長(zhǎng)度對(duì)田間工程造價(jià)有著重要的影響。在保證田間管網(wǎng)運(yùn)行效果的前提下，應(yīng)盡可能降低滴灌管網(wǎng)造價(jià)，合理化布設(shè)田間管網(wǎng)。為掌握不同毛管間距不同滴頭流量情況下的毛管鋪設(shè)長(zhǎng)度，針對(duì)0.6，0.76，0.9m 3種毛管間距情況下，1.8，2.4，2.8L/h，3種滴頭流量的毛管經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)度進(jìn)行分析，計(jì)算3種情況下不同滴頭間距（0.2，0.25，0.3，0.4，0.5m）的經(jīng)濟(jì)毛管長(zhǎng)度，其結(jié)果如圖1。

圖1 毛管間距鋪設(shè)長(zhǎng)度與滴頭間距關(guān)系

結(jié)果可知，在毛管間距相同的情況下，隨著滴頭間距增加，田間經(jīng)濟(jì)毛管長(zhǎng)度逐步增加。增加灌水小區(qū)面積，經(jīng)濟(jì)毛管長(zhǎng)度也會(huì)增加；同時(shí)，在1.8，2.4，2.8L/h，3種滴頭流量情況下，其經(jīng)濟(jì)毛管長(zhǎng)度會(huì)隨滴頭流量的增加而減小。通過(guò)工程投資與運(yùn)行費(fèi)用目標(biāo)函數(shù)分析，得到田間管網(wǎng)毛管適宜長(zhǎng)度范圍65.4～100.8m，而用通常算法得到其極限長(zhǎng)度范圍48.8～115.7m。確定滴灌系統(tǒng)田間工程毛管長(zhǎng)度時(shí)，應(yīng)對(duì)極限長(zhǎng)度和經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)度二者進(jìn)行綜合考慮，如經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)度超過(guò)極限長(zhǎng)度，則毛管長(zhǎng)度取極限長(zhǎng)度數(shù)值，反之則取經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)度數(shù)值。灌水小區(qū)在設(shè)計(jì)完成之后，應(yīng)按照相關(guān)規(guī)范對(duì)小區(qū)內(nèi)工程參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算，以確定最優(yōu)化、最有效的支管、毛管長(zhǎng)度。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）根據(jù)地區(qū)地質(zhì)氣候條件和農(nóng)作物種植需求，確定適宜的滴頭流量。不同的滴頭流量選擇相適宜的滴頭間距和毛管間距。在滿足理想滴頭間距的前提下，滴頭間距應(yīng)盡可能選擇大數(shù)值，以0.1m級(jí)差整數(shù)級(jí)取值。毛管行距確定應(yīng)首先考慮滴頭濕潤(rùn)度，濕潤(rùn)比應(yīng)控制在95%以上，盡可能取大數(shù)值。毛管間距取值以農(nóng)田所種植作物行距的整數(shù)倍取值。

（2）通過(guò)對(duì)不同毛管情況進(jìn)行計(jì)算分析得到，在相同毛管間距相情況下，田間經(jīng)濟(jì)毛管長(zhǎng)度隨滴頭間距的增加而增加，隨滴頭流量的增加而減小。增加灌水小區(qū)面積，經(jīng)濟(jì)毛管長(zhǎng)度也會(huì)增加。在選擇滴灌系統(tǒng)田間工程毛管長(zhǎng)度時(shí)，應(yīng)綜合考慮毛管極限長(zhǎng)度和經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)度，如經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)度超過(guò)極限長(zhǎng)度，則毛管長(zhǎng)度取極限長(zhǎng)度數(shù)值，反之則取經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)度數(shù)值。