丘陵山區(qū)管道灌溉系統(tǒng)工程規(guī)劃設(shè)計(jì)技術(shù).doc

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丘陵山區(qū)管道灌溉系統(tǒng)工程規(guī)劃設(shè)計(jì)技術(shù) ［提要］管道灌溉技術(shù)是貧水山區(qū)灌溉經(jīng)濟(jì)作物最常用的一種方法。作者結(jié)合多年在丘陵山區(qū)從事管道灌溉工程規(guī)劃設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，介紹了該種技術(shù)的規(guī)劃設(shè)計(jì)方法，可供進(jìn)行管道灌溉規(guī)劃設(shè)計(jì)時參考。 關(guān)鍵詞］管道灌溉系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì) 1前言 管道灌溉系統(tǒng)一般由輸水系統(tǒng)和配水系統(tǒng)組成，其輸水系統(tǒng)一般采用塑料管道（PVC）、鑄鐵管、鋼筋砼管或者其他硬管材；配水系統(tǒng)一般采用PVC硬管材，另外還輔助以給水栓及移動錦塑軟管等田件配套設(shè)施。它具有設(shè)計(jì)簡便、易于掌握、投資少、施工簡單、管理方便、單次灌溉時間短、節(jié)省水量等優(yōu)點(diǎn)，因而在缺水山區(qū)被廣泛采用。作者結(jié)合在丘陵山區(qū)農(nóng)村從事節(jié)水灌溉工作的機(jī)會，參與了魯中南11個縣（市、區(qū)）興建的209處小型管道灌溉工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)與施工等工作，發(fā)展節(jié)水灌溉面積15445畝，有些工程已運(yùn)行了12年之久，目前仍正常運(yùn)行。 在丘陵山區(qū)，管道灌溉工程一般以井水、塘壩水及河道水為水源，主要為提水灌溉工程，需要動力，需要支付能耗費(fèi)和機(jī)電設(shè)備維修費(fèi)，因而其建設(shè)投資比自流灌溉工程高。因此在選擇灌溉作物時應(yīng)以果樹、蔬菜等經(jīng)濟(jì)作物為主，以取得較好的經(jīng)濟(jì)效益。 2灌溉面積的確定 在丘陵山區(qū)，由于水源水量不是很充分，因而單項(xiàng)工程灌溉面積的選擇不易過大。據(jù)我們的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對一般的小型管道灌溉工程，單處工程灌溉面積一般以小于300畝為宜，多數(shù)在100～150畝之間較為合適。因此，在確定灌溉面積時要充分考慮到水源的出水量、投資的承受能力及灌溉作物在灌溉期的需水強(qiáng)度等因素的影響，可按下式計(jì)算： A=QTt日/w毛（1） 式中A——灌溉面積（畝）； Q——水泵出水量（m3/h）； T——設(shè)計(jì)灌水周期（d）； t日——系統(tǒng)日工作時數(shù)（h）； w毛——毛灌水定額（m3/畝）。 按（1）式確定的灌溉面積，還需要用水源的實(shí)際出水量進(jìn)行校核，可按（2）式進(jìn)行： AI≤Q水T年24（2） 式中A——按（1）式確定的灌溉面積（畝）； I——灌溉作物的灌溉定額（m3/畝）； Q水——水源的實(shí)際出水量（m3/h）； T年——每年灌溉的時間，一般為40～50d。 對于（2）式而言，如果成立，則說明確定的灌溉面積正確；反之，則需更換水泵，重新計(jì)算灌溉面積。 3管道灌溉工程管網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1灌溉系統(tǒng)工作制度的確定 在進(jìn)行總體規(guī)劃時，為節(jié)省投資，灌溉系統(tǒng)的工作制度一般確定為輪灌。輪灌系統(tǒng)需根據(jù)作物布局、管理要求、灌區(qū)各片高差、所需流量等劃分輪灌組，并用表格的形式給出各輪灌組所控制的管段編號。 在管道灌溉工程中，作物的毛灌水定額采用下式計(jì)算 W毛=W/η水（3） 式中W毛——作物的毛灌水定額（m3/畝）； W——作物的凈灌水定額（m3/畝）； η水——系統(tǒng)水利用系數(shù)。 對于管道灌溉系統(tǒng)，需對其單次灌水時間進(jìn)行計(jì)算，然后再計(jì)算輪灌組數(shù)并合理劃分輪灌組。其一次灌水時間可用下式計(jì)算： t次=W毛A0/q0（4） 式中t次——一次灌水的延續(xù)時間（h）； A0——單口控制面積（畝），可按單個給水栓控制的面積計(jì)算； q0——單口流量（m3/h），按單個給水栓的流量計(jì)算。 其余符號同前。 根據(jù)一次灌水延續(xù)時間，可按下式計(jì)算輪灌組數(shù)。 N≤int[t日T/t次]（5） 式中N——系統(tǒng)總的輪灌組數(shù)（個）； t日——系統(tǒng)日運(yùn)行時數(shù)，一般取14-18h； int[]——取整數(shù)符號。 其余符號同前。 為了便于管網(wǎng)系統(tǒng)水力計(jì)算，在確定了輪灌組之后，可對輪灌組進(jìn)行編號，標(biāo)出每一輪灌組所控制的管段號及流量值，為管網(wǎng)水力計(jì)算提供依據(jù)。 對于水源流量已定的管道輸水灌溉系統(tǒng)，需根據(jù)取水流量大小確定同時工作的出流口數(shù)。據(jù)我們的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在山丘區(qū)管道灌溉系統(tǒng)中，管道系統(tǒng)單個給水栓流量一般以4～10ｌ/ｓ，同時工作的出流口應(yīng)在揚(yáng)程相近的區(qū)域，亦即同一輪灌組的出流口高差不宜過大，可分布于各支管的相應(yīng)位置上。一般情況下不按支管劃分輪灌組。 3.2管道灌溉系統(tǒng)管網(wǎng)流量計(jì)算 灌溉系統(tǒng)流量計(jì)算，一般可采取下列計(jì)算步驟與方法。 （1）首先繪制管網(wǎng)平面布置圖和水力計(jì)算草圖（示意圖）。 （2）管網(wǎng)流量與年工作時數(shù)的計(jì)算 在設(shè)計(jì)時，可從末級管道開始按不同輪灌組分別推算各段流量及相應(yīng)年工作時間。對于控制多個輪灌組的管段，需計(jì)算出平均流量和年總運(yùn)行時數(shù)。對于末級管道流量，可按下式計(jì)算： Q段=W毛A末/T次（6） 式中Q段——計(jì)算管段流量（m3/h）； A末——末級管道的控制面積（畝）； T次——末級管道的一次灌水延續(xù)時間（h），T次=Tt日/N； T——灌水周期，N—輪灌組數(shù)，t日—日運(yùn)行時數(shù)。 其它管道流量按其所控制的輪灌組數(shù)分別自末級向管網(wǎng)首部逐級推算。 各級管道的年工作時數(shù)按其所控制的輪灌組數(shù)，分別自末級管道向水源逐級推算，可只計(jì)算多年平均（或50%年份）值。 在計(jì)算管網(wǎng)流量與年運(yùn)行時數(shù)時，對于單口出流的管道系統(tǒng)，由于所有管段流量一致，可不分輪灌組，只列年運(yùn)行時數(shù)。對于全續(xù)灌系統(tǒng)，因年運(yùn)行時數(shù)各段一致，可只列流量。 3.3管道灌溉工程水泵取水流量與年運(yùn)行時間的計(jì)算 水泵取水流量一般等于管網(wǎng)進(jìn)口流量。其平均、最大、最小值即為選泵的依據(jù)、管網(wǎng)進(jìn)口流量可按下式計(jì)算： Q網(wǎng)=∑（Wi毛Ai）/（Tt日）（7） 式中Wi毛、Ai——第i種作物的毛灌水定額和灌溉面積（m3/畝、畝）； Q網(wǎng)——管網(wǎng)進(jìn)口流量（m3/h）； t日——系統(tǒng)日運(yùn)行時數(shù)；同式（5）的取值； T——灌水周期（d）。 水泵年運(yùn)行時間一般等于管進(jìn)口段的年運(yùn)行時間。 3.4管道灌溉系統(tǒng)年取水量計(jì)算 對于管道灌溉系統(tǒng)，一般需計(jì)算出75%水文年份及多年平均（或50%年份）的年取水量。可按下式計(jì)算：（8） 式中W年——灌溉系統(tǒng)年取水量（m3）； A——灌溉系統(tǒng)綜合灌溉面積（畝）； M——綜合灌溉定額（m3/畝）。 其余符號意義同前。 4管道灌溉工程管網(wǎng)系統(tǒng)水力計(jì)算 在丘陵山區(qū)興建的低壓管道灌溉工程主要為半固定式的，即干、支管為PVC塑料管，出水點(diǎn)為給水栓，移動管道為φ63-75mm涂塑軟管。對于該種灌溉系統(tǒng)水力計(jì)算可按如下方法進(jìn)行。 4.1選擇控制點(diǎn) 當(dāng)管網(wǎng)系統(tǒng)布設(shè)完畢后，即可進(jìn)行管網(wǎng)水力計(jì)算。在計(jì)算之前，首先應(yīng)選擇控制點(diǎn)（最不利工作點(diǎn)）?？刂泣c(diǎn)是指對管網(wǎng)系統(tǒng)而言，可能使水泵揚(yáng)程達(dá)到最大的出流點(diǎn)，一般是指位置高且距水源較遠(yuǎn)的點(diǎn)?？刂泣c(diǎn)選擇確定后，再計(jì)算移動管道水頭損失與給水栓自由水頭。 4.2計(jì)算給水栓的自由水頭 在計(jì)算給水栓的自由水頭之前，首先要計(jì)算移動軟管的水頭損失。在山丘區(qū)管道灌溉中，采用的移動軟管長度一般不超過100m，其水頭損失計(jì)算可按下式進(jìn)行。 （9） 式中hf——塑料軟管沿程水頭損失（m）； L——塑料軟管的長度（m）; Q——管道流量（m3/h）； d——管道內(nèi)徑（mm）； f、m、b——與管材有關(guān)的參數(shù)，可參考表4取值。 給水栓的自由水頭=移動管沿程水頭損失+給水栓局部水頭損失+（0.2-0.5m）+移動管道出口與給水栓之高差（僅高差為正時）(10) 給水栓局部水頭損失按下式進(jìn)行： (11) 式中hj——局部水頭損失（m）； V——流速，可按經(jīng)濟(jì)管徑確定流速（m/s）； δ——局部阻力系數(shù)，可查有關(guān)文獻(xiàn)，對于塑料軟管，一般取δ=1.72； g——重力加速度（m/s2）； 應(yīng)用（11）式計(jì)算局部水頭損失較為復(fù)雜，一般情況下，可按沿程水頭損失的10%計(jì)，如下式： （12）符號同前。 將（11）或（12）式的計(jì)算結(jié)果代入（10）式中，即可求得給水栓的自由水頭。 4.3干管管徑及水頭損失的計(jì)算 (1)干管管徑的確定 自控制點(diǎn)直至水源點(diǎn)按經(jīng)濟(jì)流速或經(jīng)濟(jì)水力坡降計(jì)算確定干管管徑，可按下式進(jìn)行： d=18.8(Q/V)1/2(13) 式中d——管道內(nèi)徑（mm）； Q——管道流量（m3/h）; V——管內(nèi)流速（m/s），一般為經(jīng)濟(jì)流速值，可按表1取值。 表1各類管材經(jīng)濟(jì)流速參考值 管材項(xiàng)目硬PVC及PE管砼管鋼管陶瓷管水泥砂管鋼筋砼管鑄鐵管鋼絲網(wǎng)水泥管軟管 流速 （m/s）1.0-1.50.5-1.11.0-2.00.6-1.20.4-0.80.8-1.50.7-1.30.4-0.8 注：一般干管應(yīng)取較小值，支管應(yīng)取較大值。（2）干管水頭損失計(jì)算①干管沿程水頭損失計(jì)算干管沿程水頭損失可按下式計(jì)算：（14） 式中hf——管道沿程水頭損失（m）；L——管道長度（m）；Q——管道流量（m3/h）；d——管道內(nèi)徑（mm）； f、m、b——與管道管材有關(guān)的參數(shù)。 目前，國內(nèi)在計(jì)算管道沿程水頭損失時，采用的公式不盡相同。為了使丘陵山區(qū)管道灌溉工程設(shè)計(jì)規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化及提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確度，我們結(jié)合試驗(yàn)資料，同時參考國內(nèi)常用的計(jì)算公式，對于（14）式中參數(shù)（f、m、b）的取值范圍進(jìn)行了量化定值，給出了不同管材的參數(shù)參考值，供設(shè)計(jì)時采用，見表2。 表2不同管材的f、m、b參數(shù)取值參考表序號管道種類（f）fmb 1塑料微管d<10mm0.000611700551.694.69 2LDPE塑料管d≥10mm0.000832885001.754.75 3塑料硬管0.000915948001.774.77 4鋁管或鋁合金管0.000800861001.744.74 5石棉水泥管0.0001181455001.854.89 6舊鋼管舊鑄鐵管0.001796250001.905.1 7鋼筋混凝土管 n=0.0130.00174131200025.33 n=0.0140.00201151600025.33 n=0.0150.00232174900025.33 n=0.0170.00297224000025.33 注：對上表而言，當(dāng)Q以m3/s計(jì)，d以m計(jì)時f取（f）列的值②干管局部水頭損失的計(jì)算 干管局部水頭損失的計(jì)算可按公式（12）計(jì)算。③干管總水頭損失的計(jì)算干管總水頭損失可按下式計(jì)算：h總=hf+hj或h總=1.1hf`（15）式中h總——干管總小頭損失（m）；hf——干管沿程水頭損失（m）；hj——干管的局部水頭損失。4.4管網(wǎng)進(jìn)口水壓標(biāo)高的計(jì)算 在確定了給水栓自由水頭及干管總水頭損失后，可按下式計(jì)算管網(wǎng)進(jìn)口水壓標(biāo)高。 管網(wǎng)進(jìn)口水壓標(biāo)高=給水栓自由水頭+干管總水頭損失+管網(wǎng)進(jìn)口處地形標(biāo)高。 4.5其它干管及支管管徑的確定與水頭損失的計(jì)算 根據(jù)上述已確定的管網(wǎng)進(jìn)口水壓標(biāo)高，可按輪灌組分別計(jì)算出已確定的干管各分流點(diǎn)的水壓標(biāo)高，擬定其余各管道的水力坡降，計(jì)算確定管徑、水頭損失、校核流速、自由水頭等設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。在具體計(jì)算時，一般應(yīng)列表計(jì)算。且一般應(yīng)滿足下列要求： ①自由水頭十地形標(biāo)高=水壓標(biāo)高（同節(jié)點(diǎn)） ②本節(jié)點(diǎn)水壓標(biāo)高+本節(jié)點(diǎn)至上游節(jié)點(diǎn)間水頭損失=上游節(jié)點(diǎn)水壓標(biāo)高 ③上游節(jié)點(diǎn)水壓標(biāo)高-上游節(jié)點(diǎn)地形標(biāo)高=上游節(jié)點(diǎn)自由水頭 在進(jìn)行管道灌溉工程設(shè)計(jì)時，一般要求管道流速不大于2ｍ/ｓ；給水栓自由水頭不少于所需水頭；管網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)及沿線不得出現(xiàn)負(fù)壓，且不得大于管材的允許工作壓力；管材規(guī)格應(yīng)盡可能少些，以便于施工；同時工作的給水栓的自由水頭應(yīng)相近。 5管道灌溉工程水泵揚(yáng)程的確定 由于丘陵山區(qū)地形復(fù)雜，管道灌溉工程各輪灌組所需的揚(yáng)程也不盡相同，為減少計(jì)算工作量，可以只對最高揚(yáng)程、平均揚(yáng)程及最低揚(yáng)程的輪灌組進(jìn)行計(jì)算。 水泵揚(yáng)程＝管網(wǎng)進(jìn)口所需的自由水頭＋水源動水位＋泵進(jìn)出水管沿程水頭損失＋泵站局部水頭損失 根據(jù)上式確定的水泵揚(yáng)程有3個值，在實(shí)際工作中，一般以平均揚(yáng)程作為選泵的依據(jù)。對所需最高揚(yáng)程的輪灌組，可采用控制總閘閥、減少水泵上水量以增加水泵揚(yáng)程的辦法解決。這樣即可以降低工程造價，又能滿足工程要求。 6結(jié)語 本文介紹的丘陵山缺水區(qū)管道灌溉工程規(guī)劃設(shè)計(jì)方法，在209處工程上得到了采用，取得了較好的效果。有些工程已運(yùn)行12年之久，目前仍能正常運(yùn)行，為推動當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的發(fā)展和人民群眾生活水平的提高發(fā)揮了重要的自用。實(shí)踐證明，該方法具有設(shè)計(jì)簡便、直觀、易于掌握、準(zhǔn)確度較高等優(yōu)點(diǎn)，可供進(jìn)行管道灌溉工程規(guī)劃設(shè)計(jì)時借鑒。 附錄----托普物聯(lián)網(wǎng)簡介 托普物聯(lián)網(wǎng)是浙江托普儀器有限公司旗下的重要項(xiàng)目。浙江托普儀器是國內(nèi)領(lǐng)先的農(nóng)業(yè)儀器研發(fā)生產(chǎn)商，依據(jù)自身在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研發(fā)實(shí)力，和自主研發(fā)的配套設(shè)備，在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域嶄露頭角！ 托普物聯(lián)網(wǎng)以客戶需求為源頭，結(jié)合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、GIS信息技術(shù)，以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，竭誠為傳統(tǒng)行業(yè)提供信息化、智能化的產(chǎn)品與端到端的解決方案。主要有：大田種植智能解決方案、畜牧養(yǎng)殖管理解決方案、食品安全溯源解決方案、食用菌種植智能化管理解決方案、水產(chǎn)養(yǎng)殖管理解決方案、溫室大棚智能控制解決方案等。 托普物聯(lián)網(wǎng)三大系統(tǒng)產(chǎn)品 我們知道物聯(lián)網(wǎng)主要包括三大層次，即感知層、傳輸層和應(yīng)用層。因此托普物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品主要以這三個層次延伸，涵蓋了感知系統(tǒng)（環(huán)境監(jiān)測傳感設(shè)備）、傳輸系統(tǒng)（數(shù)據(jù)傳輸處理網(wǎng)絡(luò)）、應(yīng)用系統(tǒng)（終端智能控制平臺。） 托普物聯(lián)網(wǎng)模塊化智能集成系統(tǒng) 托普物聯(lián)網(wǎng)依據(jù)自身研發(fā)優(yōu)勢，開發(fā)了多種模塊化智能集成系統(tǒng)。 1、傳感模塊：即環(huán)境傳感監(jiān)測系統(tǒng)。它依據(jù)各類傳感設(shè)備可以完成整個園區(qū)或完成對異地園區(qū)所需數(shù)據(jù)監(jiān)測的功能。 2、終端模塊：即終端智能控制系統(tǒng)。它可以完成整個園區(qū)或遠(yuǎn)程控制異地園區(qū)進(jìn)行自動灌溉、自動降溫、自動開啟風(fēng)機(jī)，自動補(bǔ)光及遮陽，自動卷簾，自動開窗關(guān)窗，自動液體肥料施肥、自動噴藥等各類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需的自動控制。 3、視頻監(jiān)控模塊：即實(shí)時視頻監(jiān)控系統(tǒng)。主要是通過監(jiān)控中心實(shí)時得到植物生長信息，在監(jiān)控中心或異地互聯(lián)網(wǎng)上既可隨時看到作物的實(shí)時生長狀況。 4、預(yù)警模塊：即遠(yuǎn)程植保預(yù)警系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^聲光報(bào)警、短信報(bào)警、語音報(bào)警等方式進(jìn)行預(yù)警。 5、溯源模塊：即農(nóng)產(chǎn)品安全溯源系統(tǒng)。該系統(tǒng)對農(nóng)產(chǎn)品從種植準(zhǔn)備階段、種植和培育階段、生長階段、收獲階段等對作物生長環(huán)境、噴藥施肥情況、病蟲害狀況等實(shí)施實(shí)時信息自動記錄，有據(jù)可查，在儲藏、運(yùn)輸、銷售階段采用二維碼或者RFID射頻技術(shù)對各個階段數(shù)據(jù)記錄，這樣就能實(shí)現(xiàn)消費(fèi)者拿到農(nóng)產(chǎn)品時通過終端設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)就能查看到各類信息，才能放心食用。 6、作業(yè)模塊：即中央控制室?？赏ㄟ^總控室對整個區(qū)域情況進(jìn)行監(jiān)測，包括各個區(qū)域采集點(diǎn)參數(shù)、控制作業(yè)狀態(tài)、實(shí)時視頻圖像、施肥噴藥狀況、報(bào)警信息等。