滴灌系统设计以茶叶为例.docx

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滴灌系统设计以茶叶为例

茶叶滴灌系统设计

系统简介：

本设计灌区茶叶种植面积为500亩。

首先确定滴灌系统的各个设计参数，继而选用某公司一次成型薄壁滴灌带，内径16mm，壁厚0.31mm。

通过计算滴灌的灌水定额、灌水周期、一次灌水延续时间来确定滴灌的灌溉制度；通过水量平衡计算，确定当地水源是否够用。

根据设计参数把整个灌区划分为4个轮灌组，进行管网系统的布置，推算各级管道的流量，进行管网水力计算，确定各级管道的直径、长度，并选择水泵型号为D185-67×9。

最后设计首部枢纽，进行材料统计和概预算。

第一章基本资料

一、项目概况

项目位于某某市某某县，属贫困地区。

项目区位于某某县府城镇的某某村南茶北移示范区，规划滴灌茶叶滴灌面积500亩。

本项目将引进先进的农业生物技术，与小型灌溉工程相结合，建设生态型灌溉工程。

从生产技术手段和使用方式两方面对当地的农业生产进行改进，主要建设内容是小型农田生态灌溉工程的建设。

二、地形地质概况

某某省某某市地处中国中部的黄土高原，是中国水土流失较严重的地区，生态环境脆弱，植被土壤中有益微生物缺失，沙土化严重。

某某县位于某某市东北方向，面积1965hm2，东部由北向南与晋东南的沁源、屯留、长子和沁水接壤，西邻古县和浮山。

境内山岭起伏，沟壑纵横，地形复杂。

整个地势北高南低，东部山峰有安太山、盘秀山等，海拔在1400m以上，西部有大东沟梁、牛头山等，海拔在千米以上。

省内第二大河、唯一的一条无污染河流沁河纵贯境内95km。

南部沁河谷地，地势较低，有小块平川，海拔在800m左右。

三、作物种植

1、作物名称：

茶叶。

2、间距：

株距0.4m，行距0.4m，畦距1m。

3、灌溉方式：

滴灌。

4、滴灌设计补充强度为4mm/d。

5、茶叶滴灌面积500亩，种植株距0.4m，两行为一畦，行距0.4m，畦与畦距离1m，3畦建一个大棚，棚与棚间距1m，大棚选用简易竹木材料，单棚尺寸为长0.25-0.3m，宽5m，占地0.22亩。

选取距离高位蓄水池最远的大棚作为典型地块，此地高程900m。

四、气象资料

某某县位于典型的黄土高原残垣沟壑区，区内生态环境脆弱，年度降雨和年内分配极不均匀，十年九旱，当地农业抵御自然灾害的能力较低。

示范区茶园位于沁河东的谷地，地形东高西低。

区内气候温和，年均气温9.4℃，一月零下6.7℃，七月24.8℃，年降雨量622mm，霜冻期为10月上旬至次年四月中旬，无霜期180天，土壤主要为褐化浅色草甸土。

五、水源资源

某某县有大小河流12条，其中最大的河流沁河发源于某某县西北山麓二郎神沟，北南纵贯流经罗云、和川、城关、冀氏、马壁5乡镇35村，于马壁村南出县。

境内全长95km，河床高程942-732m之间，落差210m，平均比降2.21%。

东西两侧有23条支流汇入，枯水季节清水流量保持在1.5m3/s以上，流域内植被覆盖密度大，流水含沙量小，平均年含沙量每立方米约6.95kg。

项目区没有农田灌溉设施，沁河从项目区横穿而过，正常清水流量约为8.0m3/s。

1956-2000年多年平均径流量为22121万m3，50%保证率年径流量17800万m3，75%保证率年径流量11800m3，95%保证率年径流量8210万m3，水量丰富。

茶叶灌区的水源位置在沁河，由于从沁河引水，故水量充足，并且水质情况良好，适于灌溉。

第二章滴灌系统的设计

一、滴灌系统参数的选择与确定

1、滴灌设计日耗水强度的确定

一般取作物全生育期平均作物耗水强度峰值作为滴灌设计耗水强度Ea的值。

设计耗水强度是指在设计条件下微灌的作物耗水强度，它是确定微灌系统最大输水能力和灌溉制度的依据。

设计耗水强度越大，系统的输水能力也越大，保证程度越高，但系统的投资也越高，反之亦然。

在本设计中，不考虑淋洗水量，滴灌设计灌溉补充强度为Ea=Ia=4.6mm/d。

2、滴灌土壤湿润比的确定

滴灌不湿润整个灌溉土地，它由许多湿润土体互相连接起来形成湿润链对作物供水。

湿润的部分土体占灌溉土体的百分比成为土壤湿润比。

土壤湿润比p值是滴灌设计时的重要参数之一，在确定土壤湿润比时，不仅要考虑作物对水分的要求，还要考虑到工程投资的合理性。

因为设计湿润比越大，系统的流量越大，越容易满足作物需水要求，但是系统的投资和运行费用也就越大，反之亦然。

根据相关资料，对于宽行作物，在北方干旱和半干旱地区，设计土壤湿润比可取20%-30%，南方地区可取25%-35%。

考虑到茶叶是经济作物，故滴灌土壤湿润比取p≥30%。

3、灌水小区流量偏差的确定

在本设计中灌水小区流量偏差取qv=20%。

4、滴灌水利用系数的确定

灌溉水利用系数为满足作物消耗和淋洗的有效水量占灌溉供水量的百分比，它主要与灌水均匀度、由于土壤湿润模式和不定时的降雨可能产生的渗漏损失、过滤冲洗水量损失、管线冲洗损失有关。

对于滴灌，水量损失很少，本设计中灌溉水利用系数η取0.9。

5、滴头的选择

滴头是滴灌系统的重要组成部分，其作用是形成水头损失。

压力水流进入滴头后，经滴头消能，以稳定均匀的低流量滴入土壤。

因此对滴头的基本要求是：

（1）出水量小，均匀而稳定；

（2）且受外界因素影响小；

（3）结构简单，便于制造和安装；

（4）价格低廉，坚固耐用，不易堵塞。

本设计中选用某公司一次成型薄壁滴灌带，内径16mm，壁厚0.31mm。

二、滴灌灌溉制度的确定

1、滴灌灌水定额的确定

（1）最大净灌水定额

设计净灌水定额计算采用联合国组织和美国水土保持局建议的方法：

mmax=1000β（Fd-Wo）zp，式中：

β为土壤中允许消耗的水量占土壤有效水量的比例，取30%；

Fd为田间持水量，取30%；

Wo为凋萎系数，取10%；

z为微灌土壤计划湿润层厚度，茶叶取0.75m；

p设计土壤湿润比，茶叶取30%。

计算得出茶叶的最大净灌水定额mmax=13.5mm/d。

（2）毛灌水定额

m毛=m净/η

计算得出茶叶毛灌水定额为15mm/d。

2、设计灌水周期的确定

T=m净/Ia

Ia为作物日需水强度，本设计中Ia=Ea=4.6mm/d。

计算得出T=2.93d，所以T取3d。

3、一次灌水延续时间的确定

t=m毛SeSl/qd，式中：

Se为灌水器间距；

Sl为毛管间距；

qd为灌水器流量，单位L/h。

计算t=15×0.4×1.4/1.05=8h。

4、水量平衡计算

Qd=（10×A×Ia）/（η×C）

Qd为滴灌系统需水流量，m3/h；

A为灌溉面积，hm2；

η为灌溉水利用系数；

C为系统日运行时间，本项目取16h。

计算得出Qd=106.47m3/h。

滴灌的用水量是指作物正常生长发育时需要水源提供的水量。

井水、泉水、河流、水库、塘堰都可以作为滴灌系统的水源，关键是进行水量平衡计算，以确定水源是否能满足设计滴灌面积的用水量。

本设计中，水源来自沁河，水量丰富，不用担心水源水量不足的情况，沁河的水源足够500亩茶叶地的水源需求。

第三章管网系统的布置

根据地块形状，干管沿山脊线布置，分干管垂直干管布置，支管垂直分干管单向布置进入地块，支管长101m，间距25m，控制17个大棚；毛管铺设长度为25m，毛管垂直支管单向布置。

单棚种植6行茶叶，3条毛管。

一、毛管布置

考虑茶叶的种植特点和种植模式，选用某公司一次成型薄壁滴灌带，内径16mm，壁厚0.31mm。

滴头额定工作压力10m，额定流量1.05L/h，流态指数0.5，滴头间距0.4m，采用单行直线布置，滴灌带沿作物行布置。

滴灌带从双种植行中间茶树基部穿过，喷水眼朝下，每隔3m用0.5mm厚、20cm×30cm大小的塑料薄膜铺盖固定。

选用的滴灌带滴头湿润直径为0.5m，因此

P=0.785D2/SeSl×100%=0.785×0.52/（0.4×1.4）×100%=35%

P>30%，说明选用的灌水器与毛管布置方式满足设计湿润比的要求。

二、水源布置

灌溉用水来自沁河中的水，系统将沁河的水通过提水干管抽取到山头蓄水池里，再通过灌水干管自流灌溉，流入各支管和毛管，流到各个茶叶大棚中。

第四章滴灌系统工作制度的确定

一、支、毛管水头差的分配与毛管极限长度的确定

当qv=20%时，灌水小区允许的最大水头偏差ΔH为4.12m

hmax=（1+0.65×qv）1/x×hd=（1+0.65×0.2）1/0.5×10=12.77m

hmin=（1-0.35×qv）1/x×hd=（1-0.35×0.2）1/0.5×10=8.65m

ΔH=hmax-hmin=4.12m，式中：

qv为流量偏差率；

x为流态指数；

hd为灌水器额定工作压力。

根据支、毛管水头差分配比得到：

ΔH毛=0.55×ΔH=0.55×4.12=2.26m

ΔH支=0.45×ΔH=0.45×4.12=1.84m

如果选用D16PE管，计算毛管极限长度为

Lm=INT

0.364×S=INT（

）0.364×0.4=157m，式中：

Lm为毛管允许的极限长度，m；

qd为灌水器设计流量，L/h；

S为毛管水灌水器间距，m；

D为毛管内径，mm；

K为毛管局部水头损失加大系数。

二、轮灌组的划分

划分轮灌组的原则：

1、轮灌组的数目应满足作物需水要求，同时使水源的水量与计划灌溉的面积相协调；

2、每个轮灌组控制的面积应尽可能接近相等，以便水泵工作稳定，提高动力机和水泵的效率，减少能耗；

3、轮灌组的划分应照顾田间管理的要求；

4、为了便于运行操作和管理，通常一个轮灌组管辖的范围宜集中连片，轮管顺序可通过协商自上而下或自下而上进行；

5、确定轮管顺序时，应尽量把流量分散到各输、配水管道中去，避免管道的管径或减少其水头损失，降低管道投资或运行费用。

确定轮灌区能充分发挥滴灌设备的利用率及挖掘水源灌溉潜力。

在滴灌系统所控制面积内进行轮流滴灌。

系统允许的最大轮灌组数为：

固定式系统：

N≤CT/t，移动式系统：

N≤CT/nt

N为允许的轮灌组最大数目

C为系统一天运行的时间，一般为12-20h；

T为灌水时间间隔周期，d；

t为一次灌水延续时间，h；

n为一条毛管在所管辖的面积内移动的次数。

本设计中，N≤16×3/8=6个。

项目区控制面积为500亩，考虑灌区实际情况，分4个轮灌组。

第五章滴灌系统的流量计算

一、毛管流量的计算

每条毛管的进口流量为Q毛=qd

式中：

qd为滴头出水流量，本设计中为1.05L/h；

L为毛管长度，本设计中为25m；

S为滴头间距，本设计中为0.4m。

计算得出Q毛=66L/h

二、支、干管流量计算

每个大棚有3条毛管，每条支管控制17个大棚，其控制流量为3366L/h。

每条干管根据控制的支管数量计算控制流量。

第六章管道水力计算

管网水力计算是滴灌系统设计的中心内容，其目的是在满足水量和均匀度的前提下，确定管网布置中各级管道的直径、长度及系统扬程，进而选择水泵型号。

一、毛管水力计算

毛管水力计算的任务是根据灌水器的流量和规定的允许流量偏差，计算毛管的最大允许长度和实际使用长度，并按实际使用长度计算毛管的进口水头。

毛管实际水头损失：

ΔH毛实际=1.2×f×

×L×F=1.2×0.505×

×25×0.365=0.015m，其中：

f，m，b为管材系数；

L为毛管长度，F为多口系数，b为毛管内径。

管材系数表

管材

f

m

b

硬塑料管

0.464

1.77

4.77

微灌用聚乙烯管

d＞8mm

0.505

1.75

4.75

d≤8

Re＜2320

0.595

1.69

4.69

Re≤2320

1.75

1

4

选取距离高位蓄水池最远的大棚作为典型地块来进行管道的水力计算。

由于毛管实际铺设长度为25m，因此毛管实际的水头损失为：

h毛进口=hmin+ΔH毛实际+ΔHAB=8.65+0.015+0=8.665m

实际分配给支管的水头差：

ΔH支实际=ΔH-ΔH毛实际=4.12-0.015=4.105m

二、支管水力计算

支管在滴灌系统中起配水和输水的双重作用，按支管顺序对轮灌区进行轮管，将干管压力降低，转换为毛管的工作压力。

支管设计的依据是配输水能力和均匀度两个因素。

配输水能力是指支管按设计的各灌区水量配送到各轮灌区，均匀度意味着支管分段长度必须在允许的压力偏差内，支管设计的标准是每条支管内任一点的水头h支i须大于或等于毛管进口要求的工作水头h0，以确保支管上每条毛管的滴头有足够的流量和压力使滴灌小区灌水均匀。

支管控制流量为3366L/h，长101m。

如果支管采用D32PE管，支管水头损失为：

ΔH支=1.1×f×

×L×F=1.1×0.505×

×101×0.369=2.17m

ΔH支＜ΔH支实际=4.105m

选用的支管满足要求，则支管进口水头为：

h支进口=h毛进口+ΔH支+ΔZBC=8.665+2.17+0=10.835m

三、干管水力计算

干管的控制流量最大为41382L/h，长为679.98m，如果干管采用D90PVC管，则干管的水头损失为：

ΔH干=1.05×f×

×L=1.05×0.505×

×679.98=22.571m

则干管的进口水头为

h干进口=h支进口+ΔH干+ΔZDE=10.835+22.571+0=33.406m

本设计中典型地块的高程为900m，蓄水池高程为968.1m，高差为68.1m。

干管的进口水头为33.406m<68.1m，故能满足自流灌溉的要求，本设计合理，可以运行实施。

第七章首部枢纽设计

为方便滴灌系统正常运行并操作方便、通常把加压设备、过滤设备、施肥设备、控制仪表设备等集中安装在滴灌系统的开始部分，以达到系统加压、水质净化处理、施肥、量测和控制灌水的目的，成为首部枢纽部分。

水泵扬程H扬=h干进口+ΔH首部=33.41+10=44.41m