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滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)示例
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滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)示例 按照兵團(tuán)水利局、兵團(tuán)節(jié)水辦關(guān)于召開兵團(tuán)節(jié)水灌溉規(guī)劃設(shè)計(jì)研討會(huì)的通知的要求,根據(jù)農(nóng)八師幾年來在大田作物膜下滴灌技術(shù)上的實(shí)踐和研究,此次滴灌系統(tǒng)典型設(shè)計(jì)綜合農(nóng)八師的具體情況做如下簡(jiǎn)要介紹:一、基本資料(一)地形農(nóng)八師墾區(qū)地處天山北麓中段,古爾班通古特沙漠南緣。全墾區(qū)土地面積7529平方公里。墾區(qū)地勢(shì)由東南向西北傾斜。墾區(qū)地形由南向北依次為天山山區(qū)、山前丘陵區(qū)、山前傾斜平原、洪水沖積平原、風(fēng)成沙漠區(qū)。(二)土壤農(nóng)八師土壤缺氮面積大,全氮含量低于1%的面積占78%,堿解氮低于60ppm的面積占76%。土壤普遍缺磷,含量低于10ppm的面積占77.5%。土壤含鉀豐富,約在100ppm以上。土壤多系灰漠土、潮土、草甸土,土質(zhì)多系礫質(zhì)土、沙質(zhì)土、粘質(zhì)土等。根據(jù)農(nóng)八師土壤普查結(jié)果,本設(shè)計(jì)取占范圍較廣的砂壤土。(三)作物全墾區(qū)有效灌溉面積266萬畝,其中以棉花為主。棉花種植面積占總播種面積的46.5%。本設(shè)計(jì)示例選棉花。種植模式采用:一膜兩管四行--寬窄行30×60cm,滴灌帶間距90cm;一膜一管四行--(25+30+25)×60cm,滴灌帶間距140cm。1、滴灌工程設(shè)計(jì)參數(shù)的確定根據(jù)農(nóng)八師目前棉花種植模式和多年實(shí)踐,確定如下設(shè)計(jì)參數(shù)。典型滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本資料 | 序號(hào)項(xiàng)目名稱單位數(shù)量一土壤與作物1土壤結(jié)構(gòu)砂壤土2設(shè)計(jì)日耗水量Eammd43土壤濕潤(rùn)層深度Zm0.454土壤設(shè)計(jì)濕潤(rùn)比P%605適宜的土壤含水率上限%22.56適宜的土壤含水率下限%15三滴頭1選型天業(yè)迷宮式2工作水頭m10m3流量Lh2.1(2.6)4滴頭間距m0.9(1.4)(四)水源墾區(qū)水資源來源主要為地表水(庫(kù)水、河水)和地下水。目前墾區(qū)滴灌節(jié)水工程水源以井水為主,單井流量為80立方米小時(shí),動(dòng)水位埋深在40米左右。(五)氣象墾區(qū)平均海拔300-500米左右,呈典型的溫帶大陸性氣候,冬季長(zhǎng)而嚴(yán)寒,夏季短而炎熱。年平均氣溫7.5℃-8.2℃,日照2318-2732小時(shí),無霜期147-191天,年降雨量180-270毫米,年蒸發(fā)量1000-1500毫米。蒸發(fā)強(qiáng)烈,降水稀少,氣候十分干燥,光照充足,熱資源豐富。(六)動(dòng)力原有機(jī)井泵大多為250QJ80-603或250QJ80-402,需更換水泵及變壓器。但原有高壓電線不需更換。二、設(shè)計(jì)內(nèi)容按照農(nóng)八師多數(shù)條田的規(guī)劃布置方式,采用東西長(zhǎng)800米,南北寬450米的條田進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)。種植作物為棉花,種植模式采用寬窄行60×30cm與60×(25+30+25)cm,一膜兩管四行與一膜一管四行,滴灌帶間距0.9米與1.4m。作物東西方向種植。耕層土壤為砂壤土。1.管道系統(tǒng)滴灌系統(tǒng)采用如下結(jié)構(gòu):水源(井水加壓)→計(jì)量裝置(水表、壓力表)→離心式過濾器(進(jìn)排氣裝置)→施肥罐(施肥控制裝置)→網(wǎng)式過濾器(排砂控制裝置)→分干管(地埋PVC管)→支管(地面PE黑管)→附管(地面PE黑管)→滴灌帶→滴頭。為減少水頭沿程損失,降低能耗,管道系統(tǒng)中支管與分干管,滴灌管(帶)與支管,干管與分干管按各條田的具體形狀,以優(yōu)化方式采用魚骨式或梳型兩種方式布置,目的是達(dá)到操作管理方便,系統(tǒng)投資和運(yùn)行費(fèi)用最低的效果。2.泵站根據(jù)水力計(jì)算結(jié)果,選擇250QJ80-804的潛水泵,可滿足滴灌系統(tǒng)工作壓力和設(shè)計(jì)流量。在過濾器出口安裝水表、逆止閥,在過濾器和施肥罐的前后分別設(shè)置一個(gè)壓力表,觀察其壓力變化。在滴灌系統(tǒng)的最高處設(shè)置進(jìn)排氣閥,以調(diào)節(jié)管網(wǎng)進(jìn)氣和排氣,防止停水時(shí)管網(wǎng)內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓,和開始供水時(shí),管網(wǎng)排氣不暢產(chǎn)生氣阻,使管網(wǎng)破壞,影響正常供水。3.水源灌溉用水以井水為水源,單井出水量80m3h。動(dòng)水位埋深40米。水量平衡計(jì)算A=ηQt10IaA(hm2)Q(m3h)T(td)Ia(mm)η(%)3680204904.運(yùn)行方案系統(tǒng)布置兩條分干管,兩條分干管分別運(yùn)行,采取輪灌的方式。同時(shí)開啟的支管做為一個(gè)輪灌組,共分四個(gè)輪灌組。每個(gè)輪灌組有9個(gè)輪灌小區(qū)。先開啟一分干的支1-支6,每條支管各開一條附管做為一個(gè)輪灌小區(qū),一次灌水延續(xù)時(shí)間為4.2小時(shí),一個(gè)輪灌組分9次灌完。當(dāng)一個(gè)灌水小區(qū)灌水結(jié)束后,先開下一個(gè)小區(qū),然后關(guān)閉灌水結(jié)束小區(qū),嚴(yán)禁先關(guān)后開。一分干的支7-支12做為一個(gè)輪灌組,二分干的支13-支18做為一個(gè)輪灌組,二分干的支19-支24做為一個(gè)輪灌組,其運(yùn)行方式同一分干的支1-支6。5.設(shè)備投資預(yù)算及經(jīng)濟(jì)分析本工程投資預(yù)算編制,依據(jù)新水基字[1992]第11號(hào)和[96]第004號(hào)文進(jìn)行編制。其綜合費(fèi)用、臨時(shí)費(fèi)用、其他費(fèi)用均按兵團(tuán)水利局水利水電處發(fā)《新疆兵團(tuán)2000年灌區(qū)續(xù)建配套及節(jié)水灌溉示范項(xiàng)目實(shí)施方案編制》執(zhí)行,按示范項(xiàng)目計(jì)取。工程投資預(yù)算及設(shè)備投資預(yù)算分析表如下:滴灌工程預(yù)算表單位:萬元種植模式項(xiàng)目名稱一膜兩管(毛管間距0.9m)一膜一管(毛管間距1.4m)總投資27.867924.4638其中:建安工程費(fèi)3.57513.3074設(shè)備費(fèi)23.039120.0427臨時(shí)工程費(fèi)0.07150.0661其他費(fèi)用0.90630.8054預(yù)備費(fèi)0.27590.2422畝投資(元畝)516.07453.03滴灌工程主要材料投資分析表單位:元項(xiàng)目名稱單位數(shù)量總價(jià)畝投資0.9m1.4m0.9m1.4m0.9m1.4m潛水泵臺(tái)11133791337924.7724.77變壓器臺(tái)11109601096020.320.3過濾器套119500950017.617.6施肥罐套11120012002.222.22干管PVC160米185018506045860458111.96111.96支管PE63米27002700278102781051.551.5附管PE32米270027006318631811.711.7滴灌管φ16萬米40.426.278080052540149.697.3管件畝540540199661826236.9733.82平均材料費(fèi):一膜兩管(0.9m)426.65元畝一膜一管(1.4m)371.16元畝三、灌水定額和灌水周期的擬定(1)灌水定額。m=0.1γzp(θmax-θmin)η棉花灌水定額m(mm)Z(m)P(%)γ(gcm3)θmax(%)θmin(%)η(%)32.60.45601.4522.51590注:此定額為棉花花鈴期的灌水定額。(2)灌水周期。(T)根據(jù)大田實(shí)測(cè)取棉花日耗水量Ea=4mmd,則灌水周期T=m滴Eaη=32.64×0.9=7.34d取灌水周期為8天。(3)一次灌水延續(xù)時(shí)間(t)t0.9m=(m滴SeSL)qd=32.6×0.3×0.9÷2.1=4.2h輪灌組N=20hd×8d÷4.2h組=38,根據(jù)實(shí)際情況取N=36組。t1.4m=(m滴SeSL)qd=32.6×0.3×1.4÷2.6=5.27≈5.3h輪灌組N=20hd×8d÷5.3h組=30組,根據(jù)實(shí)際情況取N=28組。(4)灌溉制度確定根據(jù)農(nóng)八師五年來大田棉花膜下滴灌灌溉制度的研究和實(shí)踐應(yīng)用,確定灌溉定額如下表:棉花膜下滴灌灌溉制度表作物名稱灌溉方式灌水定額4月5月6月7月8月9月灌溉定額棉花膜下滴灌定額(m3畝)101515202010200次數(shù)11333112四、確定管系總體布置典型設(shè)計(jì)地塊形狀及系統(tǒng)布置見附圖,設(shè)計(jì)條田分南、北兩個(gè)地塊。棉花東西播種。水源井位于地塊的西頭。由水源井沿地邊分別向南、北分出一條主干管,在南、北地塊的中間分別布置一條分干管,并垂直于主干管。干管和分干管管材選用PVC管材,管徑為φ160。支管垂直于分干管,兩邊布置,便于雙向控制,地下埋深80cm。支、附、毛管鋪設(shè)在地面,均是魚骨式布置。支管的間距是由毛管的鋪設(shè)長(zhǎng)度決定的,即毛管最大鋪設(shè)長(zhǎng)度的兩倍,經(jīng)計(jì)算為134m。支管的管材選用φ63PE黑管。附管平行支管布置,由一個(gè)球閥控制,便于輪灌組的管理和化分。毛管垂直于附管與支管布置,毛管間距為0.9m與1.4m。每?jī)尚忻藁ú贾靡粭l毛管或每四行棉花布置一條毛管。毛管選用φ16.5mm的單翼迷宮式滴灌帶.首部樞紐裝置布置在水泵的旁邊,便于操作與管理。為沖洗管道的淤積物和冬季到來之前排干管中的積水,在分干管的末端(較低處)布置了排水井。五、滴灌設(shè)備選型滴灌設(shè)備包括水泵、過濾裝置及干、支、附、滴灌管。機(jī)井流量為80m3h,控制面積540畝,根據(jù)水量平衡計(jì)算及水力計(jì)算結(jié)果,選潛水泵250QJ80-804。根據(jù)機(jī)井水質(zhì)情況,由于機(jī)井中含有一定的泥沙及有機(jī)物,采用4″120目組合式過濾器。首級(jí)過濾器為離心過濾器(LX-400-1001件),次級(jí)過濾器為網(wǎng)式過濾器(WS-160×504件并聯(lián))。查性能曲線可知,水頭損失為6-8m。施肥系統(tǒng)選用容量為150L。六、擬定滴灌系統(tǒng)的工作制度本系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),每次運(yùn)行一條分干管,并開啟分干管上的6條支管,因此分4個(gè)輪灌組;然后每次開啟支管上的一條附管,就是經(jīng)計(jì)算確定的一個(gè)輪灌小區(qū),使附管上的所有毛管同時(shí)供水。經(jīng)計(jì)算,每條支管上有9條(7條)附管,即9(7)個(gè)輪灌小區(qū)。一條附管帶26(22)條或28(24)條毛管,一個(gè)輪灌小區(qū)共有156(132)或168(144)條毛管。故典型滴灌系統(tǒng)的輪灌組為4個(gè),輪灌小區(qū)有36(28)個(gè)。七、編制輪灌順序,確定各級(jí)管道設(shè)計(jì)流量典型滴灌設(shè)計(jì)輪灌順序表輪灌順序干第一組第二組第三組第四組項(xiàng)目名稱管一分干一分干二分干二分干管長(zhǎng)(m)200800800800800流量m3h8013.3-80△=13.313.3-80△=13.313.3-80△=13.313.3-80△=13.3輪灌小區(qū)9(7)9(7)9(7)9(7)支管編號(hào)支1-支6支7-支12支13-支18支19-支24支管長(zhǎng)度112.5m112.5m112.5m112.5m支管流量13.3m3h13.3m3h13.3m3h13.3m3h附管1-9開一條附管開一條附管開一條附管開一條附管附管長(zhǎng)度11.7或12.6m(14m或15.4m)同左同左同左附管流量13.3m3h13.3m3h13.3m3h13.3m3h毛管條數(shù)156條或168條(120或132條)同左同左同左毛管長(zhǎng)度66.766.766.766.7毛管流量0.466m3h(0.578m3h)同左同左同左八、管道設(shè)計(jì)及水力計(jì)算滴灌帶選用單翼迷宮式滴頭,當(dāng)?shù)晤^間距0.3m,滴頭流量q=2.1Lh時(shí),q=0.502h0.607;當(dāng)?shù)晤^間距0.3m,滴頭流量q=2.6Lh時(shí),q=0.653h0.600。1.毛管與滴頭間距的確定棉花種植模式為一膜兩管四行或一膜兩管八行,滴灌帶選用新疆天業(yè)塑化集團(tuán)生產(chǎn)的內(nèi)徑為16mm的PE單翼迷宮式滴灌帶,以該產(chǎn)品的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。一膜兩管模式:一根毛管灌兩行棉花,滴灌帶間距0.9m,滴頭間距0.3m,滴頭流量2.1Lh,流態(tài)指數(shù)X=0.607;一膜一管模式:一根毛管灌四行棉花,滴灌帶間距1.4m,滴頭間距0.3m,滴頭流量2.6Lh,流態(tài)指數(shù)X=0.600。2.毛管長(zhǎng)度的校核毛管的極限孔數(shù)(毛管按均勻地形坡計(jì)算):Nm=INT{(5.466[△h2]d4.75)(kSqd1.75)}0.364d(mm)kCuS(m)qd(Lh)[△h2](m)Nm(個(gè))L(m)161.290%0.32.11.8525375.9161.290%0.32.61.8722266.6毛管的鋪設(shè)長(zhǎng)度L毛=Nm×0.3,根據(jù)地塊的實(shí)際長(zhǎng)度,可布6條支管,12條毛管,取毛管的長(zhǎng)度為66.67米。3.各級(jí)管道管徑的確定及水力計(jì)算管道管徑的確定方法選擇經(jīng)濟(jì)流速法。塑料管材的經(jīng)濟(jì)流速一般取v=1.2~1.8m(1)毛管水頭損失的計(jì)算:Q毛=n滴qd=222×2.1=466Lhn滴=66.67÷0.3=222個(gè)毛管內(nèi)徑為16mm8mm,可認(rèn)為管內(nèi)流態(tài)為光滑紊流,故可計(jì)算:沿程水頭損失hf毛=fsqdmdb[(N+0.48)m+1(m+1)-Nm(1-SoS)](5)附管水頭損失的計(jì)算:沿程水頭損hf附=fSqdmdb[(N+0.48)m+1m+1-Nm(1-S0S)](6)配水支管管徑及水頭損失計(jì)算:d支=[4Q支(πv)]0.5=[4×13.3÷(3.14×1.8×3600)]0.5=51mmv塑料管經(jīng)濟(jì)流速,m,一般取v=1.2~1.8mQ支支管流量,m3h,Q支=Q6=806=13.3m3h。根據(jù)聚乙稀微灌管規(guī)格,支管擬選用PE63×4.70.4沿程水頭損失hf支=fQ支mLdb(7)干管管徑及水頭損失計(jì)算:d干=[4Q干(πv)]0.5=[4×80÷(3.14×1.5×3600)]0.5=137.4mm根據(jù)聚氯乙稀微灌管規(guī)格,總、分干管擬選用PVC160×4.70.6。由于考慮以后的滴灌改噴灌及運(yùn)行方式的調(diào)整,干管不考慮變徑。沿程水頭損失hf干=f(∑Q干nmLndnb)九、水泵選型(1)計(jì)算微灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)水頭HH=Zp-Zb+h0+∑hf+∑hwH微灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)水頭,m;Zp-Zb典型毛管進(jìn)口與水源設(shè)計(jì)水位之間的高差,m;Ho典型毛管進(jìn)口的設(shè)計(jì)水頭,取h0=10m;∑hf水泵至典型毛管進(jìn)口的管道沿程水頭損失,m;∑hw水泵至典型毛管進(jìn)口的管道局部水頭損失,m。取二級(jí)過濾沖洗排污的水頭損失之和為10m,機(jī)井動(dòng)水位取40m,抽水損失為4.84m,樞紐中各級(jí)閘閥的局部水頭損失之和為1.0m。則H=78m(2)機(jī)泵選型機(jī)井的穩(wěn)定動(dòng)水位取40m,據(jù)管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量和工作壓力,查水泵手冊(cè),初選井用潛水泵,250QJ80-804。滴灌區(qū)潛水泵性能參數(shù)水泵型號(hào)流量m3h揚(yáng)程m電機(jī)功率kw轉(zhuǎn)速rmin額定電壓V適用井徑mm250QJ80-8048080302875380250十、管網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因塑料管的線脹系數(shù)很大,為使管線在溫度變化時(shí)可自由伸縮,初步擬定干管上每100m設(shè)置一個(gè)雙括管(即伸縮節(jié))。在直徑大于50mm的管道末端、轉(zhuǎn)彎、分岔和閥門處應(yīng)設(shè)鎮(zhèn)墩,干管每隔200m設(shè)一鎮(zhèn)墩60×60cm。為保證系統(tǒng)管網(wǎng)的正常運(yùn)行,需在管路上安裝控制和保護(hù)裝置。管道埋深根據(jù)地面荷載和機(jī)耕要求,干管埋深60cm,為控制各分干管的運(yùn)行,分干管首部設(shè)控制閘閥,尾部設(shè)泄水閥,各閘閥均砌閥門井保護(hù)。十一、繪制技施設(shè)計(jì)圖滴灌系統(tǒng)工程平面圖、管系結(jié)構(gòu)示意圖及閥門井示意圖詳見圖1-圖3。十二、主要設(shè)備與投資預(yù)算典型示范區(qū)540畝滴灌工程總投資27.8679萬元。其中建筑工程費(fèi)用3.5751萬元,設(shè)備費(fèi)23.0391萬元,臨時(shí)工程費(fèi)用0.0715萬元,其他工程費(fèi)用0.9063萬元,預(yù)備費(fèi)用0.2759萬元。節(jié)水灌溉材料設(shè)備、規(guī)格、數(shù)量及價(jià)格見表六。項(xiàng)目主要設(shè)備選型表、臨時(shí)工程費(fèi)及其他工程費(fèi)詳見預(yù)算:表一至表五。一膜一管膜式的投資預(yù)算及材料表見表七至表十二。十三、工程效益分析與技術(shù)指標(biāo)計(jì)算1、工程年增效益(B)項(xiàng)目區(qū)棉花單產(chǎn)由滴灌前的83公斤(皮棉),提高到107公斤,提高28%。540畝棉花凈增12960公斤。按現(xiàn)行價(jià)每公斤10元計(jì),可增收129600元。2、滴灌工程年費(fèi)用(C)的計(jì)算(1)能耗費(fèi)(C1)取棉花多年平均累計(jì)灌水次數(shù)為12次,每次平均灌水定額15m3畝,灌溉定額約200m3畝,灌溉系統(tǒng)水利用率0.95,每kwh的電價(jià)為0.5元,經(jīng)計(jì)算后為:C1=540×200×30×0.5÷80÷0.95=21316(元)(2)維修費(fèi)(C2)地埋管道及管件的年平均修理費(fèi)為投資的1%,水泵及首部裝置的年平均修理費(fèi)為投資的5%則C2=63122×1%+62131×5%=3737.77(元)(3)微灌工程年折舊費(fèi)(C3)的計(jì)算地埋管材管件(20年折舊)D1=k1n=6395620=3197.8(元)地面管材管件(6年折舊)D2=K26=499466=8324(元)首部裝置(15年折舊)D3=k2n=2433915=1622.6(元)機(jī)泵儀表(10年折舊)D4=k3n=1135010=1135(元)毛管(當(dāng)年折舊)D5=k4n=808001=80800(元)則C3=3197.8+8324+1622.6+1135+80800=95079.4(元)(4)微灌工程年管理費(fèi)(C4)由于滴灌面積較大,需水量大,灌水時(shí)間長(zhǎng),管理任務(wù)重,系統(tǒng)需有2名專職人員進(jìn)行管理。從每年的4月下旬至9月初共4個(gè)月的時(shí)間。按當(dāng)?shù)毓べY水平,管理人員的月工資以300元人計(jì),則系統(tǒng)年管理費(fèi)(C4)應(yīng)為C4=4×300×2=2400(元)據(jù)上述分析計(jì)算,該滴灌工程年費(fèi)用(C)為:C=C1+C2+C3+C4=21316+3737.77+95079.4+2400=122533元3、工程經(jīng)濟(jì)效益費(fèi)用比(R)R=[(1+i)n–1]i(1+i)n(B-C)K若取年利率i=10%,經(jīng)濟(jì)計(jì)算期n=15年,則:R0.9m=[(1+0.1)15–1]0.1(1+0.1)15×(129600-122533)278679=0.19R1.4m=[(1+0.1)15–1]0.1(1+0.1)15×(129600-94232)244638=1.14、還本年限(T)靜態(tài)法T0.9m=K0.9mM=278679129600=2.15年≈2.5年T1.4m=K1.4mM=244638129600=1.9年≈2年5、工程技術(shù)指標(biāo)計(jì)算本項(xiàng)目實(shí)施后,可使灌溉水的利用率由目前的40%提高到90%以上,與地面灌相比,可節(jié)約灌溉用水50%以上,節(jié)約耕地5%-7%。其他技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如下:1)畝投資(Km)Km0.9m=K0.9mA=278679540=516.07(元畝)Km1.4m=K1.4mA=244638540=453.03(元畝)2)滴灌工程設(shè)備投資(Sm)Sm0.9m=S0.9mA=230391540=426.65(元畝)Sm1.4m=S1.4mA=200427540=371.16(元畝)3)畝管道用量(Lm)(1)畝干管用量(Lm1)Lm1=L1A=1850540=3.43(m)(2)畝支、附管用量(Lm2)Lm2=L2A=2700*2540=10(m)(3)畝毛管用量(Lm3)Lm3(0.9m)=L3A=404000540=748(m)Lm3(1.4m)=L3A=262700540=486.48(m)新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)八師棉花膜下滴灌典型設(shè)計(jì)書農(nóng)八師水利局天興設(shè)計(jì)室二OO一年七月新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)八師棉花膜下滴灌典型設(shè)計(jì)書13669010075liuhaoweiwudi審定:張敏審核:楊國(guó)慶馬玉忠校核:蘇軍編寫:李雪芹農(nóng)八師水利局天興設(shè)計(jì)室二OO一年七月
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