涌泉灌溉下毛管极限长度的计算方法

涌泉灌溉下毛管极限长度的计算方法0引言近两年来,山西省晋城陵川县在山西省农业科技推广示范行动项目的扶持下,结合当地特色,大力发展果树种植行业.由于当地特殊的地理环境,使得果品质量优良,但当地严重缺乏的水资源以及原始的灌溉方式制约了农业的发展.因此,当地率先引进了涌泉灌溉技术,相比于原有的抽水漫灌的方式,更加节水、省工、高效、管理方便,对于当地经济发展有很大推动作用.1涌泉灌溉优势涌泉灌溉是由滴灌演化而来的一种节水灌溉方式[13].滴灌出流量小,滴入土壤的水分在土壤中入渗的均匀性因土质不同差异很大,而且易造成植物根系侧向生长,使作物的抗倒性变弱.为了解决这一问题,逐渐地发展为将微管代替滴灌滴头的灌溉模式,并借鉴了穴灌的特点,将水灌入绕作物的环状灌水沟中,使水能缓慢、均匀地渗入根系中.与喷灌相比,喷灌的灌水效率受温度和风向的影响较大,当温度过高、空气湿度低时,喷灌的蒸发损耗量增大.当风速为四级时,能将水滴吹散,使喷灌的水滴发生漂移;对于一些叶片较多的植株,喷洒的水量会有一部分落在叶片上,降低了灌水效率;而涌泉灌不受风速气温影响,能将水直接灌入植物根系中,避免了这些情况的发生.渗灌虽然减少了地表蒸发的水分耗散,但其造价太高,极易堵塞,而且技术不太成熟.涌泉灌溉与前几种节水灌溉方式相比,具有出流量大、灌水损失小、不受气温风力影响、灌水均匀度高、适用于多种土质、投资少和操作简便等优点.对于地形复杂的山区,涌泉灌溉具有很大的优势.2灌区基本情况灌区位于山西晋城地区,灌区面积为12hm2,主要种植作物为樱桃、苹果、桃、李、杏、梨等果树,共种植果树7852棵,果树株距为3m,行距为4m.灌区土地均为梯田,且高差较大,最高地块海拔为959.67m,最低地块为896.78m,采用自流灌溉.灌区内设计一蓄水池,为圆柱形,高6m,底半径为10m,灌水方式为涌泉灌溉(小管出流灌溉);项目设计干管、分干管管径为110mm,支管为63mm,毛管管径为32mm,微管管径为4mm,系统设计流量为43.8m3/s.在每行果树地下15cm深处埋设一条毛管,稳流器在毛管上打孔安装,由稳流器的另一端接4mm微管,微管位于地面以上,水流经微管以细流形式流入果树周围预先挖好的环状灌水沟,最后入渗到果树根系中.环状灌水沟直径取1.3m,沟深10cm,边坡系数为1,底宽为20cm,其断面为等腰梯形.按成龄树冠直径为2m计算,求得稳流器规格为60L/h.3毛管长度的确定对于一个灌溉工程来讲,毛管用量较大,约占总用管量的55%.灌区设计是由1条毛管控制1行果树,选用的管径决定了毛管的最大铺设长度.经过水力计算,20、25、32mm这3种规格的毛管是较为经济的管径.但考虑到管径过小会使沿程水头损失增大的因素,并且要保证供水量的充足,所以采用32mmPE管作为毛管.在灌区规划中,如果毛管过短,会增加管件的用量,使阀门数量过多,增加了灌溉管理的难度;如果毛管过长,会使出流不均,同时造成了管道的浪费.因此,确定毛管的最大长度能更合理规划灌区,降低灌溉系统的造价,提高灌溉质量.3.1水头偏差在支、毛管之间的分配比例计算当地形均匀且支毛管的降比均不大于1时,分配比例可用微灌工程技术规范SL103-95(4.3.4-1)式[5]计算,有其中,β1为允许水头偏差分配给支管的比例;β2为允许水头偏差分配给毛管的比例;L1为小区支管总长度,m;L2为毛管总长度,m;J1为沿支管地形比降,J2为沿毛管地形比降,本工程中取J1=J2=0;α1为支管上毛管布置系数,本工程为双侧布置取2;n1为支管上单侧毛管的根数;a为指数,由管道价格与管道直径回归得出;C为管道价格,元/m;b0为系数.3.2管径与报价的参数计算为求得a的值,现根据管道与管径报价材料(见表1)对(2)式C=b0da进性回归分析.对等式两边取对数,得lnC=lnb0+lnd.令y=lnC,b=lnb,x=lnb,将表中数据转换后,用Sas软件对其作回归分析,得到回归方程(模型的回归拟合结果)为求得回归模型的p值小于0.05,说明较为显着;决定系数达0.9313,说明其具有较高的拟合精度.因此,求得a值为1.928.3.3毛管的极限管长度按SL103-95,微灌工程技术规范公式[5]进行计算,则有其中,Nm为多孔管的极限分流孔数;INT()为将括号内的实数舍去小数成整数;Δh毛为毛管内允许的水头偏差;d为多孔管内径,mm;K为水头损失括大系数,取k=1.2;S为毛管孔间距,取3m;qd为稳流器出水流量,取qd=60L/h;β1为允许水头偏差分配给支管的比例;[Δh]为灌水小区允许水头偏差,经计算为1m.按凯勒尔卡迈里所提的支毛管水头,损失合理分配方案,Δh支=0.45Δh,Δh毛=0.55Δh.代入上面公式求得毛管的最大铺设长度为81m.但在实际的工程中,各灌水小区由于地形条件不同,离输水干管距离不同,支管布设长度不同,一块地里需要布置的毛管根数不同,其支、毛管水头损失分配往往达不到最为合理的情况.因此,毛管布设最大长度需要根据各灌水小区中的实际情况来确定,通过式(1)~(6)计算求得,以便使各灌水小区的毛管长度在最大值的范围内.3.4毛管水头损失的计算毛管在灌区应用中,因其出口接相同规格稳流器,微管的流量相同,又被称为多孔管.通常利用多孔系数法计算水头损失,先计算沿程流量不变时的沿程水头损失hf,再乘以多口系数F,即得多孔管的沿程水头损失.在项目中按下面经验公式[1]计算,即其中,F为多口系数;m为流量指数,取m=1.77;N为出流口数目;x为第1个出流口到管道进口距离l1与出流口间距l的比值,即x=l1/l.通常x有两种情况,即当l1为l的1/2时,x=0.5;当l1与l相等时,x=1.Hf为多孔出流下管道的沿程水头损失,本工程中局部水头按沿程水头损失的10%~15%考虑.4不同毛管布置方案比较4.1水头损失比较根据毛管在支管上的布置方式,可分为两种:一种是毛管双侧布置;另一种是毛管单侧布置,稳流器为60L/h.在同一块地上布置两种不同方案,分别对其进行水力计算,比较两者的水头损失,如表2所示.在双侧布置的条件下,每块地的平均水头损失只有单侧布置下的42.7%.采用双侧布置,可明显减少水头损失,保证出流均匀,提高灌溉效率,增加果树的产量.4.2工程投资比较毛管双侧布置与单侧布置相比,增加了干管长度和管件的使用数量.为了防止漏水,接口处粘合强度要求高,并且管道试水试验要求管道所有接头、配件均无渗漏,增加了工程施工难度和投资.为保证出流均匀、节约用水,本工程采用双侧布置的方式,同时在施工中做好管道安装、接头连接、阀门安装、管道打压试验、镇墩安装与土方回填等工作,并要规范施工程序、严格进行监理、保证施工质量.5结论1)根据工程中管道报价材料,回归出了管道价格与管道内径的函数关系,回归方程为C=0.00625d1.92845.其中c为管道价格,元/m;d为管径,mm.该模型有极高的精度,可用于响应预测.2)在灌溉方式为小管出流灌、选用稳流器流量规格为60L/h、选用毛管内径为32mm的灌区,根据凯勒尔卡迈里所提的支毛管水头损失合理分配方案,Δh支=0.45Δh,Δh毛=0.55Δh,其毛管的极限长度为每根不超过81m.3)对毛管水头损失计算可以看出,采用毛管双向出流可以减少水头损失,同时使管道出流更均匀,保证了灌溉系统的稳定与安全.参考文献:[1]汪志农.灌溉排水工程学[M].北京:中国农业出版社,2010:80-187.[2]李大美.水力学[M].武汉:武汉大学出版社,2010:80-187.[3]汪志农.农田水利学[M].北京:中国水利水电出版社,2010:133-154.[4]王玉顺.试验设计与统计分析sas实践教程[M].西安:西安电子科技大学出版社,2012:195-240.[5]水利部.微灌工程技术规范SL103-95[S].北京:中国水利水电出版社,1996.[6]水利部.低压管道输水灌溉工程技术规范SL/T153-95[S].北京:中国水利水电出版社,1995.[7]水利部农水司.管道输水工程技术规范[M].北京:中国水利水电出版社,1998.[8]水利部,灌溉与排水工程设计规范GB50288-99[S].1999.[9]郑耀泉,刘婴谷.果园小管出流灌水技术[J].喷灌技术,1992(1):44-48.[10]王岩.南方农田灌溉水人工湿地处理工程设计研究[J].灌溉排水学报,2012,31(1):138-140.[11]李中华,王树鹏,张云峰.高效节水灌溉工程优化设计要点[J].中国农村水利水电,2012(12):23-25.[12]杨素哲,沈菊艳,黄保全,等.果树涌泉灌溉方式的技术应用[J].农业工程学报,2005,21(S1):68-71.本文来源学术堂论文网