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滴灌计算
(一)玉米膜下滴灌工程设计说明
1、基本资料
表1.1玉米膜下滴灌工程基本资料表
序号
分项
内容
1
地块
面积A:
300亩(20hm2)
地势:
西高东低,J=0.2‰,南高北低,J=0.45‰
地理位置:
查哈尔滩
地形图:
见平面布置图,包括地形尺寸、地面坡降、地物、水源的具体位置
2
土壤
土壤类型:
砂土
土壤容重(g/cm3):
1.55
田间持水量θ田(%):
24
土层厚度(cm):
60-100
3
气象
年平均蒸发量(mm/年):
2000
多年平均降雨量(mm/年):
141.2
有效降雨强度P0(mm/d):
0
初霜日:
9月下旬
终霜日:
3月下旬
4
作物
作物名称:
玉米
种植方向:
南北(沿X轴方向)
株行距(cm):
株距30、窄行30、宽行40
作物耗水强度Ea(mm/d):
5.0
5
水源
水源类型:
机电井
地下水补给水量S(mm/d):
0
水质
有机质含量:
较小
含沙量:
0mg/L
6
电力
配有动力电源,使用方便。
2、系统规划布置及初设参数
2.1系统工程规划布置概述
本工程包括以下四部分,水源工程、首部枢纽、输配水管网、灌水器(见图1.1)。
水源为机井,故无需修建沉淀池沉淀,水源经加压和过滤后进入输配水管网。
2.1.1水源工程
本滴灌系统水源为机电井,水源与首部枢纽的修建位置见平面布置图1.1。
2.1.2首部枢纽
位置定于地块西侧地边O点[见平面布置图(1-I-1-1)],主要包括过滤设施(砂过滤器+筛网过滤器)、压差式施肥罐(安装在砂过滤器与筛网过滤器之间),装有压力表、空气阀、闸阀、水表等量测、安全保护和控制设备。
各设备的位置见图1.1。
2.1.3输配水管网
本工程有三块条田,宽度均为240m(见图1.1),管网包括主干管、分干管、支管、辅管、毛管。
一条辅管控制的灌溉范围为一个灌水小区,毛管沿作物种植即图1.1中X方向铺设,管网呈“鱼骨式”(见图1.1)布置,毛管、支(辅)管、分干管、主干管依次相互垂直;主干管、分干管采用PVC-U管,埋设在地下;支管、辅管、毛管采用PE管,均铺设于地面,支、辅管管径见表1.2。
2.1.4灌水器
根据新疆农垦科学院与西安理工大学室内研究成果,结合近几年对大田玉米膜下滴灌生产实际的观测和调查总结,对于砂土地,种植模式为(30+40)*30(即窄行距为30cm,宽行距为40cm,株距为30cm),毛管宜一管两行布设、滴头流量1.8~2.2L/h、间距0.3m为宜。
本次设计毛管采用新疆天业生产的单翼迷宫式滴灌带,其参数见表1.3。
2.2初设参数
2.2.1系统总供水流量Q
由当地作物及气象资料可知,项目所在地区Ea=5.0mm/d,
=0,S=0,则计算得:
式中:
—设计灌溉补水强度,mm/d;
—灌水高峰期设计日平均耗水强度,对于干旱地区
=
,mm/d;
—有效降雨量,mm/d;
—根层土壤或地下水补给的水量,mm/d;
再结合小区面积A=20hm2,系统每日工作小时数C=20h/d,灌溉水利用系数η=0.9,代入下式计算出系统需流量:
由于本次设计的水源为机电井,原有水泵基本可以满足滴灌设计水量的需求,故初定采用原有水泵,当原有水泵不能满足滴灌设计要求的,可增设管道加压泵。
2.2.2灌水小区允许水头(流量)偏差率
(1)流量偏差率qv
根据《规范》3.0.9条规定,灌水器设计流量允许偏差率应不大于20%,本工程取qv=20%。
(2)水头偏差率
x=0.6,qv=0.2,代入下式得:
式中:
—灌水器流态指数;
—流量偏差率;
2.2.3土壤湿润比p
毛管单行直线布置,依据下式计算土壤湿润比p,各参数按下图计算:
2.2.4设计灌水定额m
,z=0.5m,p=64.3%,
,
,依据式下式计算灌水定额m。
2.2.5设计灌水周期T
m=31.29mm,Ia=5.0mm/d,η=0.9依据下式计算。
(d)
此值为需水高峰期灌水周期。
2.2.6初设一次灌水延续时间t
m=31.29mm,Se=0.3m,SL=0.7m,qd=2.1L/h,可用下式计算:
(h/组)
综上所述,初设参数如表1.4。
3、灌水小区(毛管和辅管)的水力设计
从单翼迷宫式滴灌带沿均匀坡铺设的水力特性及设计方案比较中得知,当沿毛管铺设方向坡降小于1‰时,按均匀坡计算结果与平坡计算结果相差不大(按均匀坡计算顺坡极限长度81.75m,逆坡极限长度79.65m,平坡时毛管极限长度为80.85m)。
本工程沿毛管铺设方向坡降为0.45‰,故按平坡计算。
3.1灌水小区允许水头偏差及其在毛管和辅管上的分配
3.1.1灌水小区允许水头偏差[Δh]依据式(4-10)计算:
(m)
式中
、
见表1.3、表1.4。
3.1.2小区允许水头偏差的分配
小区允许水头偏差在毛管和辅管间分配,分配比例取β2=0.6和β3=0.4。
毛管允许水头偏差
为:
m
辅管允许水头偏差
为:
m
3.2毛管极限孔数和极限长度
3.2.1毛管极限孔数Nm计算依据式(4-14)计算:
m,d=16mm,k=1.1,Se=0.3m,qd=2.1L/h,代入得:
(个)
3.2.2毛管极限长度Lm按式(4-22)计算:
S=Se=0.3m,Nm=270,代入得:
(m)
3.3辅管极限孔数和极限长度
辅管也为多孔出流管,其极限孔数和极限长度的计算同毛管,计算时参考图1.7。
3.3.1辅管极限孔数Nm计算可依据式(4-14)同理计算:
m,d=28.8mm,k=1.1,SL=0.9m,q=1134L/h(极限长度时一对毛管流量),代入得:
(个)与式(4-14)同理
3.3.2辅管极限长度Lm可依据式(4-22)同理计算:
S=SL=0.9m,Nm=7,代入得:
(m)与式(4-22)同理
此值为辅管一半的长度,故辅管全长为2×5.85=11.7m。
4、管网布置与系统工作制度的确定
4.1管网布置
4.1.1毛管、支管
单行毛管沿作物种植向X方向直线布置。
支管一般垂直于毛管布置,间距是由毛管的实际铺设长度限定的。
根据地形长度布设6列支管,毛管双向铺设,支管间距158.3m,则毛管长度为79.2m,为极限长度的97.7%。
根据实践经验和统计分析当滴灌带的铺设长度达到极限长度的85%以上并尽量接近极限长度时,比较经济。
此铺设长度满足要求,布置见图1.3。
此铺设长度逆坡也满足要求。
4.1.2干管
依据作物种植方向确定了毛管和支管布设后,根据水源位置和毛、支管的布置布设分干管和干管。
沿X方向有六列支管,分干管垂直于支管沿X方向布设。
如布设两列分干管(见图1.4),则支管长为180m,超过了支管的适宜长度,将会出现支管首端的辅管和末端的辅管压差较大,首端辅管的出水孔流量超过作物与土壤的允许范围而达不到设计要求,支管过长运行管理不便,破坏了原条田规划;如布设三列(见图1.5),此三列分干管位于本地块三个条田的中央,间距240m,支管长度为120m,在适宜长度范围内;如布设四列,支管长度为90m,支管长度短,分干管增加,不经济,并且破坏了条田规划。
本设计采用三列,如图1.5所示,支管长度120m。
主干管与分干管呈“丰”字形布置,见图1.6,O点即首部枢纽,主干管(OABC)在地块中央,过节点A、B、C垂直于三列分干管,依次为(A)一分干、二分干;(B)三分干、四分干;(C)五分干、六分干。
管网各部分布置详见平面布置图(1-I-1-1)。
4.1.3辅管
支管长度为120米,1条支管带133对毛管[INT(120/0.9)=133]。
考虑支管上毛管的总对数,为了各辅管控制的毛管条数基本一致,1条支管带12条辅管,邻近支管进口处的1条辅管带12对毛管,其余的11条辅管各带11对毛管,即1×12+11×11=133对。
带12对毛管的辅管长为(12-1)×0.9=9.9m,带11条毛管的辅管长为(11-1)×0.9=9m。
支管、辅管和毛管连接见图1.7。
4.2系统工作制度设计
4.2.1轮灌组的设计
根据管网布置形式和大田滴灌运行管理经验,本工程轮灌组编组方式采用每次同时开启主干管同侧的三条分干管上的全部支管(一条分干管带六条支管,三条分干管共有18条支管),而一条支管上仅开启离支管进口处相同距离的一条辅管上的所有毛管,这样系统总水量分流到三条分干管及其控制的所有支管中,从而使管道中流量小,水头损失小,管径就可以减小。
一条支管带了12条辅管,故有12个轮灌组;本系统共六条分干管,共划分为24个轮灌组,此种运行作为本工程的设计工况,详见运行方案图(1-I-1-2)。
4.2.2各级管道设计流量的确定
水泵初定流量为187m3/h,令同一轮灌组中同时开启的支管的流量相同,根据轮灌组设计可求得一条支管进口处的流量为:
187/18=10.39≈10.4(m3/h)。
因为一条支管只开一条辅管,故辅管流量与支管流量相同,均为10.39m3/h。
按一条辅管带11对(见图1.7)毛管计算,毛管的平均流量为10.4/11=0.9444m3/h=944.4L/h,而一对毛管长度为158.3m,故出水孔平均流量为(944.4/2)/INT[(79.2-0.15)/0.3]=1.8L/h,能满足作物灌溉要求,将此流量作为设计流量。
按照系统设计运行工况产生水泵出口压力最大的水力线路为“O-A-B-C-C1-C2-C3-(5-1-1)或(5-4-1)辅管”推算出各段管道的设计流量(节点位置见图1.6),主干管OA的流量与总流量相同,为187m3/h;分干管进口的流量为10.39×6=62.34≈62.3m3/h,故主干管AB的流量为187-62.34=124.66≈124.7m3/h,BC的流量为124.66-62.34=62.32≈62.3m3/h;五分干DE的流量与主干管BC的流量相同,为62.3m3/h,DE的流量为62.34-10.39×2=41.56≈41.6m3/h,EF的流量为41.56-10.39×2=20.78≈20.8m3/h,支管进口的流量为10.4m3/h,各管段的流量如表1.5。
表1.5各级管道流量表
水泵供水(m3/h)
主干管
五分干管
支管进口处(m3/h)
1条辅管上的毛管数(对)
成对毛管进口处流量(L/h)
1条毛管进口处流量(L/h)
出水孔流量(L/h)
OA(m3/h)
AB(m3/h)
BC(m3/h)
CC1(m3/h)
C1C2(m3/h)
C2C3(m3/h)
187
187
124.7
62.3
62.3
41.6
20.8
10.4
11
944.4
472.7
1.8
4.2.3终设参数的确定
从上表中可以看出,滴头的设计流量和其初选值不同,因此滴头的平均工作水头、灌水小区允许水头偏差、一次灌水延续时间需重新确定,其余参数值不变。
(1)滴头平设计工作水头hd,当设计流量为1.8L/h时,由压力流量关系式为q=0.528h0.6可得:
hd=7.72m。
(2)灌水小区允许水头偏差
,用式(4-10),当滴头工作水头为hd=7.72m时,
(m)(4-10)
(3)一次灌水延续时间t
滴头流量qd=1.8L/h时,一次灌水延续时间用式(1-9)可算得:
(h)(1-9)
终设参数见表1.6。
表1.6终设参数表
滴头流量q(L/h)
滴头工作压力hd(m)
小区允许水头偏差[Δh](m)
一次灌水延续时间t(h/组)
1.8
7.72
2.62
4.5
4.3轮灌组数的校核
设计轮灌组不超过最大轮灌组数且与最大轮灌组数尽量接近比较经济,T=6d,C=20h/d,t=4.5h/组,依据式(1-11)和式(1-14)计算:
组(1-11)和(1-14)
轮灌组数为24,小于且比较接近最大轮灌组数,满足设计要求。
5、管网水力计算和干管管径的确定
5.1毛管水力计算
5.1.1毛管水头损失h毛
k=1.1,f=0.505,m=1.75,b=4.75,Se=0.3m,qd=1.8L/h,d=16mm,N=263个,S0=0.15m,依据式(4-28)计算:
(4-28)
5.1.2毛管进口工作压力h0毛
,R=0.73,k=1.1,f=0.505,m=1.75,b=4.75,Se=0.3m,qd=1.8L/h,d=16mm,N=263个,S0=0.15m,可按式(4-29)计算毛管进口工作压力:
(4-29)
当滴头流量为1.8L/h时,毛管进口压力h0=8.79m。
此值即为以辅管为单元的灌水小区中毛管进口的平均设计工作水头。
5.2辅管水力计算
5.2.1辅管水头损失h辅
辅管为多孔管,按单侧孔数N=6计算,孔间距为0.9m,单孔流量为一对毛管流量q=944.4L/h(见图1.7),与式(4-28)同理计算:
k=1.1,f=0.505,m=1.75,b=4.75,SL=0.9m,q=944.4L/h,d=28.8mm,N=6个,S0=0.45m,代入得:
与式(4-28)同理
此值为
辅管长度的水头损失值,符号意义同毛管水头损失计算公式。
,满足灌水小区水头偏差要求。
5.2.2辅管进口工作压力h0辅
与式(4-29)同理计算,当孔数为6时查《规范》附录C表C1,平均摩损比为R=0.6664。
,k=1.1,f=0.505,m=1.75,b=4.75,SL=0.9m,q=944.4L/h,d=28.8mm,N=6个,S0=0.45m,代入得:
可按式(4-29)计算辅管进口工作压力:
与式(4-29)同理
5.3支管水头损失计算
此系统中支管为单孔出流管,按式(4-30)计算,k=1.1,f=0.505,m=1.75,b=4.75,Q支=10390L/h,d=61.2mm,L=115m,代入得:
(4-30)
经计算支管水头损失(计算至支管末端辅管进口处):
2.23m。
5.4干管管径确定和水头损失计算
5.4.1干管直径的确定
经济管径的内径D'的计算依据式(4-31):
(4-31)
由于管材价格的变化,需用式(4-32)将管径修正:
(4-32)
根据新疆玉米灌溉制度调查情况,生长期灌水次数少者10次,多者15次,高峰用水期周期5~7d,日运行时间20h,为此取tn=1350h;xn=0.4元/(kW·h);Y',PVC-U管现行价格8500元/t。
计算结果及初选管径如表1.7,管段位置见图1.6。
5.4.2水头损失计算
依据式(4-33)计算,结果见表1.8。
(4-33)
综上所述,系统设计工况下产生水泵出口压力最大时各级管道水头损失如表1.8。
表1.8产生水泵出口压力最大时系统的水头损失计算汇总表
分项
各级管网
管外径(mm)
管内径d(mm)
管段长L(m)
流量Q(m3/h)
总水头损失(m)
毛管
——
16
79.2
944.4
1.46
辅管
辅管
32
28.8
5
10.4
0.48
进口压力h0辅(m)
9.15
支管
63
61.2
115
10.4
2.23
出地管
63
59
1
20.8
0.08
干管
五
分
干
C3C2
110
105
158.3
20.8
0.80
C2C1
160
152.6
158.3
41.6
0.47
C1C
160
152.6
79.2
62.3
0.48
主
干
管
CB
160
152.6
240
62.3
1.44
BA
200
190.8
240
124.7
1.70
AO
225
214.6
120
187
0.95
合计
5.83
主干管进口压力(m)
9.15+2.23+0.08+5.83=17.29
首部枢纽水头损失初估(m)
10
水泵出口压力(m)
27.29
6、首部枢纽设计
6.1水泵与动力选型
水泵的确定是根据设计工况需要的扬程和流量选择,本系统选用离心泵,扬程按式(3-4)计算。
水泵扬程
m(3-7)
水泵流量Q泵根据滴灌系统设计流量选定。
据以上计算,系统正常工作所需总扬程为28m,所需总流量为187m3/h,因此所选水泵型号为:
IS150/300-22/4,其配套电机功率为22kW。
6.2过滤器
因水源为河水,含杂质主要有泥沙、有机质等,经沉淀池沉淀后用”砂+筛网(120目)”过滤器过滤即可满足滴灌要求,其型号选择应根据其过流量(系统的设计流量)确定,本系统设计流量为187m3/h。
砂过滤器水头损失较大,一般为6m,筛网过滤器一般为3m,首部局部水头损失取1m,合计取10m,与表1.8取值相同。
6.3施肥罐
本系统面积为1026亩,根据表3-3选用200L的施肥罐。
6.4控制量测设施与保护装置
本系统不设变频调速设备;在筛网过滤器与砂过滤器之间设有施肥阀和相应的闸阀。
筛网过滤器后设置水表。
水泵与过滤器之间设逆止阀,规格与水泵进出口直径相同;过滤器进出口设置压力表,首部枢纽连接管最高处设置排气阀。
7、系统运行复核
系统运行复核包括系统在设计工况和校核工况下,水泵工作点校核、管网节点压力均衡验算、滴头流量是否满足作物需水要求、水锤压力验算及防护等,从而比选出系统最佳运行工况并确保系统安全。
7.2节点压力均衡验算
设计工况下水泵所有工作点介于点H与I之间(见图1.8),故对此两种情况进行节点压力均衡验算。
7.2.1产生水泵出口压力最大
水泵出口压力为27.2m,首部水头损失为10m,主干管进口压力[节点O,见节点压力图(1-I-1-4)]为17.3m,A节点压力为O节点压力减去该工况下管段AO的水头损失:
17.2-0.95=16.35m……以此类推F节点的压力为该工况下E节点的压力减去管段FE的水头损失(见表1.9):
8.67-1.46=7.21m。
各节点压力推算见表1.9,节点压力分布见节点压力分布图(1-I-1-4)。
节点B同时向节点B1与C1供相同水量,令节点B1与C1压力相同,则BB1
管段水头损失应为BCC1段水头损失,即为1.44+0.48=1.92,用式4-33可反求得BB1段管内径应为
,经试算选用de125和de110的PVC-U管,见表1.9。
同理,节点A同时向节点A1与B1供水,令两节点压力相同,则AA1段水头损失应为ABB1段水头损失:
1.7+1.92=3.62m,反求其管径应为99.72mm,经试算选用de110和de90的PVC管,见表1.10。
二分干、四分干、六分干分别同一分干、三分干、五分干。
经管径适当调节,节点A1、B1、C1压力相同。
但节点C3、C2、C1之间仍然压差较大,需以节点C3为参考,调节出地管管径,使压力大致相同。
调整结果见表1.11。
经出地管管径调节,其出口压力基本一致。
同理调节其它分干管上出地管管径,使其出口压力均衡。
7.2.2产生水泵出口压力最小
此种工况水泵出口压力为26m,主干管进口压力[节点O,见节点压力图(1-I-1-5)]为16m,A节点压力为O节点压力减去该工况下管段AO的水头损失:
16-1.1=14.9m……以此类推I节点的压力为该工况下H节点的压力减去管段H-I的水头损失(见表1.12):
8.56-1.46=7.1m。
此工况下各级管道水头损失及节点压力推算见表1.12,节点压力分布见节点压力分布图(1-I-1-5)。
从同一节点直接取水的各节点压力基本一致,同一轮灌组中压差复核见7.2.3。
经7.2.1和7.2.2节点压力计算,主管道进口最大压力为17.3,所选管材压力等级可以满足。
7.2.3灌水小区流量与压力偏差复核
从节点压力分布图(1-I-1-4)与图(1-I-1-5)比较可看出,图(1-I-1-5)运行工况时灌水小区的压差较大,选取该工况时的同一轮灌组中不同灌小区最近和最远的一条毛管进行计算。
地形平坦,计算中不考虑地形高差引起的水头变化。
根据灌水器流量公式Q=0.528H0.6计算对应值:
hmax=9.74mqmax=2.069L/h
hmin=7.091mqmin=1.71L/h
依据《规范》3.0.9-1式,流量偏差率qv=(qmax-qmin)/qd×100%=(2.069-1.71)/1.8=19.94%<[qv]=20%,满足规范要求。
依据《规范》3.0.9-2式,压力偏差率hv=(hmax-hmin)/hd×100%=(9.74-7.09)/7.72=34%=[hv]=34%,满足要求。
经校核,设计工况下灌水小区的流量和水头偏差率在允许范围内,滴头流量也满足作物灌溉要求。
7.3水锤压力验算及防护
本工程地面管为微灌专用聚乙烯管材,可不进行水锤压力验算。
给水栓处球阀一般遵循“先开后关”的运行原则,历时时间较长,故对分干管也不进行验算。
主干管外径为D=225mm,壁厚e=5.2mm,材质为PVC-U,其弹性模量为Es=2500MPa,依据《规范》4.5.2-1和4.5.2-2计算。
C=1435/(1+[2100(D-e)]/Ese)0.5
ΔH=C△V/g
ΔV=V初-V末
经计算C=237.5m/s,V初=1.56m/s,V末取0m/s,代入(26)式和(25)式可得ΔV=1.56m/s,ΔH=37.8m,则计入水锤后的管道工作压力为37.8+15.9=53.7m,小于管道允许压力的1.5倍(40×1.5=60m),故不采取水锤防护措施。
9、投资概算与经济评价
9.1材料设备用量
本滴灌系统所需材料及设备用量详见表1.13。
在表中,对易耗材料增加5%损耗量,滴灌带增加10%损耗量。
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