中山丘陵区膜下滴灌水肥一体化项目设计研究

索岩松 孙风朝

（1.晋城市水务局 山西晋城 048000；2.山西水利职业技术学院 山西运城 044004）

由于近年来气候变暖、降水量减少、蒸发量增大，干旱缺水已严重影响农村经济的发展，造成农民收入增长幅度减缓，且无序灌溉和落后的灌溉形式造成了水资源的严重浪费。为促进乡村振兴，振兴水利是前提，只有依靠科学走节水灌溉之路，才能解决或缓解土地干旱缺水的矛盾，促进种植产业结构调整，发展多元经济，尤其是发展蔬菜种植。

膜下滴灌水肥一体化技术是灌溉与施肥相结合的一种高效低压节水灌溉技术，具有水肥均衡，节水、省肥、省时、省力等优点[1]，根据研究表明[2-4]，膜下滴灌水肥一体化技术还可有效减少水量蒸发、减少面源污染、节约有限水资源，提高灌溉水利用系数，还能改善传统耕作模式及灌溉施肥模式，实现农业高产、优质、高效，促进农业生产规模化、标准化、集约化。近年来在我国新疆地区应用广泛，在山西尤其是晋城市中山丘陵区大田中仍有待推广。为此设计了一套适用于中山丘陵区大田灌溉系统，旨在解决当地中山丘陵区传统灌溉施肥模式中劳动强度大、水肥利用率低、成本高等问题，从而促进传统的种植模式改变。

1 项目概况

项目区位于沁水县柿庄镇李庄村，距镇政府所在地4 km。多年平均气温为10.3℃，多年平均蒸发量1 687 mm。中山丘陵区项目区计划发展蔬菜种植，种植作物主要为辣椒。项目区设计灌溉面积7.33 hm2，土壤为砂壤土，田间持水量为23%（重量百分比）。灌溉方式采用膜下滴灌。种植模式为一膜两行（45 cm-45 cm-45 cm），如图1，作物株距30 cm。

图1 作物种植模式

2 设计参数的选取

依据《微灌工程技术标准》（GB/T 50485-2020）[5]，并综合考虑柿庄镇的水文气象、水土资源、作物组成、灌水方法和经济效益等因素，工程灌溉设计保证率取90%。项目区采用膜下滴灌水肥一体化灌溉技术，灌溉水利用系数取0.9。根据柿庄镇的自然条件、灌溉方式、作物辣椒的种植方式及根系发育情况，灌溉区土壤湿润层厚度取40 cm，设计土壤湿润比为90%。土壤适宜含水量取田间持水率的65%～90%。灌水均匀系数不应低于0.80，本次取0.90。灌溉设计允许流量偏差率不大于20%，本次取20%。

3 水源工程

3.1 灌溉制度的确定

1）设计灌水定额

设计灌水定额计算[6]：

m=0.1γZP（θmax-θmin）/η

式中：m——设计灌水定额，mm；

γ——土壤容重，g/cm3；

Z——土壤计划湿润层深度，m；

P——湿润比，%；

η——灌溉水利用系数；

θmax、θmin——适宜的土壤含水率上、下限（重量百分比），%。

经计算：m=30.22 mm，即302.2 m3/hm2。

2）设计灌水周期

设计灌水周期计算[6]：

式中：T——灌水周期，d；

Ea——设计耗水强度，mm/d。

经计算：T=6.04 d，取T=6 d。

3）灌溉次数与灌溉用水总量

项目区种植面积7.33 hm2，作物设计灌水定额为302.2 m3/hm2，一年灌溉5 次，初花期1 次、盛花期2 次、成熟期2 次，灌溉用水总量1.11 万m3。

3.2 水量平衡计算

灌溉水源为当地地下水，浅层井位于地块西南角，井深115 m，地表标高944 m，井的实际出水量为18 m3/h。水量平衡计算[7]：

式中：Q——系统所需流量，m3/h；

Ia——设计灌溉补充强度，mm/d；

A——灌溉面积，hm2；

C——系统每日工作时间，h。

经计算：Q=16.43 m3/h。

由此看出：计算水量小于水源井可出水量18 m3/h，灌溉水源水量能满足灌溉要求。

在项目区地块旁丘陵中间部位有1 座100 m3蓄水池，本次设计对其进行维修。由于项目区每次灌溉所需流量均小于水源井的出水量，因此不再对蓄水池容积进行复核，仅对其是否满足膜下滴灌所需工作压力进行复核。高位水池池底高程为966.44 m，项目区最不利高程为949.58 m，高差为16.86 m，项目区毛管滴管带所需的工作压力为0.05～0.12 MPa，即5～12 m，再考虑输水管道水头损失，地形高差能满足项目区所需工作压力要求。

3.3 输水管道设计

1）输水管管径的确定

输水管管道计算[8]：

式中：D——管径，mm；

Q——管道设计流量，m3/h；

v——经济流速，m3/s。

经计算，管径取110 mm，输水管管材采用PE 管。

2）管损计算

输水管道从水源井输水至高位水池，管长173 m。管损主要包括沿程水头损失和局部水头损失两部分。局部水头损失考虑弯头、闸阀等损失，按沿程水头损失的10%计算。沿程水头损失计算[8]：

hf＝f ×L×Qm／Db

式中：hf——管道沿程水头损失，m；

f——管材摩阻系数；

L——管长，m；

Q——管道设计流量，m3/h；

D——管道内径，mm；

m——流量指数；

b——管径指数。

经计算：hf=1.4 m，局部水头为0.14 m，总的水头损失为1.54 m。

3.4 水泵选型

按照最不利水头损失进行水泵扬程的计算，计算结果：

H=hf+Hj+H井深+H工+Hg=139.16 m

根据计算所需总扬程139.16 m 及流量18 m3/h，选定200QJ20-148/11 型水泵，扬程148 m、流量20 m3/h、功率为15 kW，可满足要求。

4 田间工程

4.1 首部枢纽设计

为滤除灌溉水中的砂粒、杂质等，避免毛管上滴头堵塞并延长管道、滴头等设施的使用寿命，控制水流，保证管网的安全运行，在项目区地块边设一处控制室，控制室内安装首部枢纽设备，同时为了满足水肥一体化灌溉，设施肥罐+网式过滤器，然后配水至田间滴灌系统。

首部枢纽沿水流方向依次由压力表、砂石过滤器、排气阀、施肥罐、施肥控制阀、网式过滤器组成，布置在控制室内，具体见图2。其中砂石过滤器采用S-50 型砂石过滤器，网式过滤器采用WS-50 型筛网过滤器组成的过滤系统。

图2 首部枢纽布置示意图

本项目为大田膜下滴灌水肥一体化，施肥装置采用易操作、无需额外动力、投资少的压差式施肥装置，施肥罐容量30L，型号为SFG-30L×16。

4.2 配水总管管道设计

配水总管管径的确定方法同输水管，确定管径为110 mm，配水总管管材采用PE 管，管长184 m。

4.3 田间工程设计

4.3.1 灌溉工作制度确定

膜下滴管水肥一体化田间灌溉区配水管网按管道级别分为主干管、分干管、支管、辅管和毛管五级。主干管、分干管均实行续灌，支管、辅管和毛管实行轮灌。分干管上通过竖管连接支管，支管上通过辅管与毛管连接。项目区主干管1 条、管长575 m；分干管布设2 条、分干管最长160 m；支管布设12 条、支管最长130 m；为了减小支管管径、节约投资，每个支管上带28 条辅管，每条辅管上布设6 对毛管。毛管铺设间距SL=0.9m，毛管上的滴头间距Se=0.3 m；滴头设计流量qa=2.5 L/h，工作压力选取0.1 MPa；毛管内径d=16 mm；每条毛管上的滴头数n1为132 个，由于支管较长，一条支管上布置毛管条数n2为168 对。作物种植模式为一膜两行（45 cm-45 cm-45 cm），作物株距30 cm，相邻膜间间距45 cm。

1）一次灌水延续时间计算[6]：

式中：t——一次灌水延续时间，h；

m——设计灌水定额，m3/hm2；

Se——毛管间距，m；

Sl——滴头间距，m；

qd——设计滴头流量，L/h。

经计算：t＝3.26 h。即一次灌水时间需3.26 h。

2）轮灌组数目

为便于控制和运行管理，轮灌组在划分时每个组内同时工作的灌溉管道应尽量集中，各个轮灌组灌水时间总和不能大于设计灌水周期。轮灌区数目计算[6]：

式中：N——轮灌组数目，个；

T——灌水周期，d；

C——系统设计日工作小时数，h。

计算：N≤37 组，则取N＝28 组，即轮灌组为28组。

4.3.2 轮灌组的划分

为确保整个灌溉管道系统流量变化幅度较小，每一轮轮灌时各轮灌组流量应尽量相近，同时工作的管道流量之和要与上一级管道供给的流量相适应；压力较高的区域轮灌组的总流量比压力较低的区域轮灌组的总流量可大些，但变动幅度不能太大；划分轮灌组时应有利于提高管道设备的利用率和减少运行费用。

1）毛管极限孔数及极限长度计算

毛管水力参数计算，有关参数为毛管长L=40 m，内径d=16 mm。滴头选用内镶式滴头，滴头间距S1=0.3 m，滴头流量qd=2.5 L/h，工作压力10 m，为紊流式。根据资料，滴头流态指数x=0.5-0.6，现设x=0.55，滴头流量偏差率qv=20%=0.2，则灌水小区水头偏差率[5]：

滴头工作压力为10 m，灌水小区内最大允许水头差[6]：

ΔH=hvhd=0.37×10=3.7 m

灌水小区允许水头差在支管、毛管之间各按50%分配，设ΔHm、ΔHz分别表示毛管、支管的允许水头差，则：

ΔHm=ΔHz=ΔH/2=3.7/2=1.85 m

毛管局部损失系数K=1.1，则毛管极限孔数计算[6]：

毛管极限长度计算：

Lm=se（N-1）+se=70 m

经计算：毛管最大长度为70 m，毛管长选取40 m，在允许范围内，满足要求。

2）辅管极限孔数及极限长度计算

辅管水力参数：辅管选取长L=4.5 m，内径d=50 mm。辅管间距S1=0.9 m，辅管流量qd=3 960 L/h，根据资料，辅管流态指数设x=0.55，辅管流量偏差率qv=20%=0.2，计算方法同毛管。经计算辅管长选取4.5 m，在允许范围内，满足要求。

根据管网布置形式和大田管理运行经验，本项目轮灌组编组方式每次灌溉时同时开启两个分干管、每个分干管上分别开启一个支管，每个支管上布设有28条辅管，故有28 个轮灌组，每条辅管上布设6 对毛管，每个轮灌组同时工作的毛管数量为24 条，即4 条辅管同时工作。

4.3.3 田间灌溉管网设计

为充分考虑田间灌水均匀性，田间管道布置时先确定给水栓的位置，在已确定给水栓的前提下，力求管道最短、水头损失最小、管道线路尽量平顺、减少起伏和折点，并尽量平行于田间道路，以利耕作和管理。

1）田间灌溉管网布置

该项目配水管道通过首部枢纽直接自流至各个灌溉片区。田间灌溉管网采用干支毛管道，田间灌溉管网由总干管、分干管、支管、辅管和毛管等组成，总干管和分干管采用地埋式，支管、辅管、毛管采用露天式，毛管为田间最末级的固定管道。田间灌溉管网布置可根据灌溉区的实际情况适当调整，以便更合理灌溉。

2）田间灌溉管网水力计算

田间灌溉管网水力计算是为了合理的确定管径，计算各级管道的流速、水头损失及各节点的自由水头。总干管、分干管均采用PE 管。水力计算采用规范规定的公式计算（同输水管道水力计算公式一致），使其剩余水头满足要求。管道的水力计算是从管网入口逐渐向下游推算。

本次设计一条辅管上有6 对毛管，每条毛管上132个滴头，每个滴头流量2.5 L/h，则辅管流量为3.96 m3/h，每条支管上带28 条辅管，同时工作4 条辅管，则支管流量为15.8 m3/h，分干管和干管流量按18 m3/h 设计。

（1）按照管道的设计流量，计算经济管径，方法同输水管道。

（2）根据经济管径，结合管材规格型号，选择符合规格的适宜管径。

（3）管道水头损失计算方法同输水管道，计算结果见表1。

（4）管网压力设计及管材选型

根据灌溉工作制度确定各管段的流量，并确定不同级别管道的管径，各级管道压力等级考虑动水压力与静水压力两个方面，经计算并根据实际产品规格，选0.63 MPa 的PE 管，其他各种管件则采用厂家相应的定型配套产品。

第一轮灌组位于地块西北角，干管较长、灌水流量较大，以第1 轮灌组作为最不利轮灌组进行管网水力计算。局部损失计算按沿程水头损失的0.10 倍计，沿程水头损失计算方法同输水管。

表1 计算结果汇总表

5 结语

本项目为中山丘陵区膜下滴灌水肥一体化设计研究，对在中山丘陵区开展膜下滴灌水肥一体化技术有一定的参考作用。设计种植作物为经济作物辣椒，耗水量比较大，采用膜下滴灌水肥一体化设计，不仅减少了大田作物的蒸发量，提高了水肥利用率和农民的经济收益，而且有利于优化作物的种植模式，为进一步促进当地种植结构的调整提供可靠的技术支持。在设计中，尤其是中山丘陵井灌区需复核水源水量是否满足需求，要重视基础资料的收集来制定符合当地的灌溉制度，要结合项目区已有的水利设施以减少投资，要合理优化管网布置及轮灌组划分等环节，以减少管材的工程量、提高灌溉均匀性和水肥利用率。