CN1211009C - 新低压滴灌系统的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新低压滴灌系统的构建方法，该系统与常规滴灌系统相同，包括压力水源、首部枢纽和输配水管网三大部分组成；其特点是该系统对地形的适应能力与田面高差相匹配，因而没有地形适应能力的闲置；滴头设计压力不大于0.04MPa，支、毛管压力等级不大于0.06MPa；在新低压滴灌系统灌水小区入口(即支管进口)，还设置能使其下游为低压区的恒压器，使支、毛管获得稳定的设计水头。与常规滴灌系统相比，在一个实施例的支、毛管部分，亩均塑料耗量由12.54kg降至3.42kg，降低72.7%；小区进口水头由10.4m降至1.3m，降低87.5%。其中每年需更新的滴灌带塑料耗量由7.4kg/亩，降到1.34kg/亩，降低81.9%。系统的运行能耗(指从地面算起)也有约不小于30%的降低。

Description

新低压滴灌系统的构建方法

一、技术领域

本发明属于农业灌溉技术领域，涉及滴灌技术，特别涉及一种新低压滴灌系统的构建方法。

二、背景技术

滴灌是灌水技术之一，其实用技术与设备于上一世纪六十年代末面世，经近半个世纪的生产应用，其优势已为世人所接受：即最能为作物提供适宜的生长环境和最为节水。本应在发展农村经济、提高农民生活水平及缓解水资源紧缺局面等方面，发挥更大的作用。然而，滴灌技术一面世，便被定位为昂贵的灌水技术，只能应用于高经济效益的作物；而更多经济效益不很高的农作物使用滴灌，利润极薄或无利可图，极大地制约了滴灌的发展。到2000年末，世界(88个国家)微灌(包括滴灌、地下滴灌、涌泉灌与微喷灌，而滴灌占极大部分)面积仅占灌溉面积的1.52％，美国占4.9％，中国只占约0.5％。昂贵是制约滴灌面积发展的最重大问题。

三、发明内容

本发明的目的在于，提出一种新低压滴灌系统的构建方法。该新低压滴灌系统的技术解决方案是：新低压滴灌系统的组成与常规滴灌系统相同，包括压力水源、首部枢纽和输配水管网三大部分组成；

压力水源包括高位水源或加压系统；

首部枢纽包括节制、净化、施肥、量测、保护设施；包括固定的或可移动的；

输配水管网包括干管、支管、毛管、滴头/滴灌带、泄水阀等；

其滴头的结构与常规滴头结构相同；

其特点是：

(1)新低压滴灌系统由下式来确定滴头设计水头，使系统适应地形的能力与灌区田面状况相匹配，不再有对地形适应的闲置能力。该公式为：

    h_d＝x·ΔZ/[q_zv]

式中ΔZ＝ΔZ₁-ΔZ₂  ΔZ₁-田面高程偏离的最大值，ΔZ₂-田面高程偏离的最小值，

x为滴头的流态指数，x＝0.5；

h_d-滴头设计水头

[q_zv]-允许的高差流量偏差率；应根据经济性对其取值做进一步论证，暂可取[q_zv]＝0.05；

(2)新低压滴灌系统的滴头设计压力不大于0.04MPa，支、毛管压力等级不大于0.06MPa；而常规滴灌系统的滴头设计压力大于0.04MPa，支、毛管压力等级大于0.06MPa；

(3)在新低压滴灌系统灌水小区入口/支管进口，还设置有能使其下游为低压区的设备——恒压器，使支、毛管获得稳定的设计水头。

本发明由于建立了新的滴头设计水头确定方法，与常规滴灌系统相比，在一个实施例的支、毛管部分，亩均塑料耗量由12.54kg降至3.42kg，降低72.7％。灌水小区进口水头由10.4m降至1.3m，降低87.5％。其中每年需更新的滴灌带塑料耗量由7.4kg/亩，降到1.34kg/亩，降低81.9％。另一实施例温室内支、毛管塑料耗量从4.08kg减至0.4kg，减少90％；水头要求从9.2m降至0.62m，降低93％。

四、附图说明

图1是本发明的系统示意图。图中的符号分别表示为：1、水泵，2、水源，3、恒压器，4、逆止阀，5、压力阀，6、施肥罐，7、过滤系统，8、排污阀，9、阀门，10、流量计，11、干管，12、支管，13、毛管，14、滴头，15、泄水阀。

五、具体实施方式

以下结合附图和发明人给出实施例对本发明作进一步的说明。

根据发明人长期的研究表明：影响滴灌系统投资与运行费用最为关键的因素是系统压力(或称：水头)；滴头是滴灌系统的灌水器，而滴头设计水头取值是影响系统压力最重要的因素。

(一)建立滴灌系统滴头设计水头取值依据，形成新型滴灌系统

1、滴头设计水头取值现状

滴头设计水头是滴灌系统重要参数之一，数十年来其常用值为10m．近年来虽有取小的趋势，但仍在7m～10m之间。从以色列进来的“重力”滴灌是个特例，其滴头设计水头为1.0m，在我国温室有应用，但没有对其取值加以论证。因此，滴头设计水头取值(或方法)，约半个世纪来一直处于无理论指导的经验沿用状态。

2、滴头设计水头取值决定了滴灌系统对地形的适应能力

经发明人多年研究，滴头设计水头取值决定了滴灌系统对地形的适应能力。这是因为：灌区田面存在有局部高差，当滴头所处田面的实际高程低于设计高程时，该滴头的实际工作水头将大于设计水头；反之亦然。在此，将田面设计高程与实际高程之差定义为高程偏离；在讨论的范围内(如一个灌水小区)，田面高程偏离最大值与最小值之差定义为田面高差，以ΔZ表示，即：

                  ΔZ＝ΔZ₁-ΔZ₂    (1)

式中ΔZ₁—田面高程偏离的最大值，ΔZ₂—田面高程偏离的最小值。

ΔZ必将引起滴头流量偏差，将由ΔZ引起的流量偏差率称为高差流量偏差率，记作q_zv；定义： $q_{\mathrm{zv}}=k[{(h_d+\mathrm{\Δ}{Z}_1)}^x-{(h_d+\mathrm{\Δ}{Z}_2)}^x]/\left({\mathrm{kh}}_d^x\right),$ 可推得：

             q_zv≈(x·ΔZ)/H_d    (2)

式中h_d—滴头设计水头，m；x—滴头流态指数；k—滴头流量与工作水头关系式中的常系数；其余符号意义同前。q_zv反映了ΔZ对滴头出流偏差率(也就是对灌水质量)的影响。由式(2)可见：对于已确定建设滴灌的某块土地(ΔZ已定)，当滴头选定后，等式右之分子便已确定，高差流量偏差率q_zv的大小便由h_d来决定；说明滴头设计水头取值制约着田面高差对灌水质量的影响，也就是决定了滴灌系统对地形的适应能力。

3、滴头设计水头常规取值评价与常规滴灌系统

滴头设计水头按常规取10m，使滴灌系统具有很大的地形适应能力，也就是常说的“滴灌不需要平整土地”。可是绝大部分滴灌灌区建设在平整过的土地上，其ΔZ＝0.05m～0.40m，当x＝0.5时，由此算得：q_zv＝0.0025～0.02；又如前述以色列“重力”滴灌h_d＝1.0m，如温室ΔZ在0.03m，算得其q_av≈0.015，其影响均可以忽略。因此，对于绝大部分滴灌灌区，滴头设计水头的常规取值(包括温室内滴头设计水头仅为1.0m的“重力”滴灌)，使滴灌系统适应地形的能力超出了实际需要，即该系统有闲置能力；并因此形成了滴灌系统“昂贵”的现状，造成了滴灌设备投资与运行费的浪费。为了有所区别，这里把有闲置能力的滴灌系统称为常规滴灌系统；而现行滴灌系统的绝大部分属于常规滴灌系统。

4、新型滴灌系统及其滴头设计水头的取值依据

令滴灌系统适应地形的能力与田面状况相匹配，从而可消除滴灌系统的闲置能力；我们把没有闲置能力的滴灌系统称为新型滴灌系统，简称新滴灌系统。新滴灌系统的滴头设计水头，应按适应地形的能力与田面状况相匹配的原则来确定，既将田面高差ΔZ作为确定滴头设计水头的因素之一；为此，由式(2)可导出：

            h_d＝x·ΔZ/[q_zv]      (3)

式中x为滴头的流态指数，x＝0.5；

[q_zv]-允许的高差流量偏差率；根据系统的经济性可对[q_zv]取值做进一步研究，暂可取[q_zv]＝0.05。

式(3)就是本发明提出的新型滴灌系统滴头设计水头计算式，计算结果是最小取值，也是推荐值。但当计算得h_d≤0.5m时，应取：h_d＝0.5m。

(二)提出新低压滴灌系统

1、新低压滴灌系统及其优势

如前所述，滴灌灌区多数在平整的土地(甚至是原地面灌区)上建设，其一个灌水小区的田面高差(ΔZ)多在0.40m以内，按式(3)来计算，多数情况下滴头设计水头可不超过4.0m，使大幅度降低滴头设计水头成为可能。需要开发h_d≤4.0m的滴头及相应的滴灌带；而目前尚没有这样的产品。为此，我们把h_d≤4.0m的滴头称为低压滴头；把与低压滴头配套的滴灌带称为低压滴灌带；把使用低压滴头的滴灌系统称为低压滴灌系统。新低压滴灌系统是指没有对地形适应的闲置能力(符合新型滴灌系统命名条件)、且滴头设计水头又不大于4.0m(又符合低压滴灌系统命名条件)的滴灌系统。

需要指出：目前以色列生产并出售的“重力”滴灌系统，由于温室的田面高差在0.05m以下，虽然滴头设计水头仅1m，属于低压滴灌系统；但因未遵循适应地形的能力与田面状况相匹配原则，滴头设计水头仍有约50％的闲置能力，所以它虽是低压滴灌系统，但不是新低压滴灌系统。

新低压滴灌系统与常规滴灌系统相比，有以下优势：

——滴灌系统将不再昂贵；在田面高差不大于0.4m的滴灌灌区，采用新低压滴灌系统，除支、毛管外，干管也可比现行系统至少降一个压力等级；可在技术性能不降低的前提下，使滴灌系统设备一次性投资降低30％～70％；能耗(指地面以上的能耗)降低约25％～80％。会有更多作物使用滴灌有利可图、更多农户用得起滴灌。滴灌的市场容量将因此而大增。

——有利于提高抗堵塞性能和降低滴头制造难度；由于滴头压力大幅降低，相同流量条件下滴头流道断面尺寸显著加大，不仅有利于提高抗堵塞性能，而且降低了滴头制造难度。

2、新低压滴灌系统的组成

新低压滴灌系统的组成与常规滴灌系统相同(参见图1)，由：压力水源(高位水源或加压)、首部枢纽(节制、净化、施肥、量测等)和输配水管网(干管、支管、毛管与滴头/滴灌带、泄水阀等)三大部分组成，图中可以看出，包括1、水泵，2、水源，3、恒压器，4、逆止阀，5、压力阀，6、施肥罐，7、过滤系统，8、排污阀，9、阀门，10、流量计，11、干管，12、支管，13、毛管，14、滴头/滴灌带，15、泄水阀。其滴头的结构与常规滴头结构相同；但与常规滴灌系统区别在于：

(1)新低压滴灌系统的滴头设计水头由式(3)计算确定，使系统没有对地形适应的闲置能力；而常规滴灌系统的滴头设计水头取值与灌区田面状况无关，凭经验沿用取值；在田面高差ΔZ≤0.40m的灌区，系统存在对地形适应的闲置能力；

(2)新低压滴灌系统的滴头设计压力不大于0.04MPa，支、毛管压力等级不大于0.06MPa；而常规滴灌系统的滴头设计压力大于0.04MPa，支、毛管压力等级大于0.06MPa；

(3)在新低压滴灌系统灌水小区入口(即支管进口)，必须设置能使其下游为低压区的设备——恒压器，使支、毛管获得稳定的设计水头，确保灌水质量和支、毛管安全；常规滴灌系统的支管进口有安装压力调节器的，但不是必须，国际上现有的压力调节器产品，都不可能在新低压滴灌系统中使用。

(三)具体实施例：

(1)新疆棉花膜下滴灌

条田宽为200m，支管长度100m，毛管双向布置；地形为顺毛管向1‰坡，支管水平。滴头设计流量1.6L/h、流态指数x＝0.5，滴头间距0.3m；毛管间距0.9m。

常规系统方案：按规范要求允许的流量偏差率[q_v]＝0.20；选滴头h_d＝8.0m，支管间距140m，每个灌水小区面积为21亩；滴灌带与支管耐压等级0.15MPa(目前支管最小压力级为0.25MPa)，滴灌带壁厚0.2mm，米重10g；支管φ110壁厚3.2mm，米重1.08kg。灌水小区进口水头10.4m、流量82.76m³/h。滴灌带总长度15540m(亩均740m)，小区支毛管塑料总耗量263.4kg，合每亩12.54kg。

新低压滴灌系统方案：新疆生产建设兵团棉花膜下滴灌均在原地面灌区建设，一般地面高差约为0.1m，滴头流态指数x＝0.5，由式(3)得h_d＝1.0m。确定滴灌带及支管的压力级为0.015MPa；选用一季性滴灌带φ16、壁厚0.03mm，米重1.8g。支管间距80m，每个灌水小区12亩。

按规范，[q_v]＝0.20；滴灌带顺坡长度43m、逆坡长度37m；支管为LDPE管置于地面，直径φ140mm、壁厚0.5mm，每米重量0.25kg。灌水小区进口水头1.3m、流量47.24m³/h，设计水力流量偏差率q_v＝0.19＜[q_v]。滴灌带总长度8880m(亩均740m)，小区支毛管塑料总耗量41kg，合每亩均3.42kg。

可见：新低压滴灌系统与常规滴灌系统比较，在支、毛管部分，亩均塑料耗量由12.54kg降至3.42kg，降低72.7％。小区进口水头由10.4m降至1.3m，降低87.5％。其中每年需更新的滴灌带塑料耗量由7.4kg/亩，降到1.34kg/亩，降低81.9％。

(1)日光温室滴灌

日光温室净长50m、宽7m，支管长25m×2，毛管间距1m、每根滴灌带长6.5m、滴头间距0.3m、滴头设计流量1.6L/h、流态指数x＝0.5；地形坡为零。

常规系统方案：支、毛管压力级0.15MPa；选薄壁滴灌带φ12，壁厚0.16mm，米重7g，总长325m；温室作物对灌水质量要求比较高，选[q_v]＝0.15，滴头设计水头h_d＝8.0m。支管φ20、壁厚0.6mm，米重36g。全温室耗塑料4.08kg；要求支管进口水头9.2m。

新低压系统方案：温室田面高差为0.03m，小于0.05m，由式(3)得h_d＝0.5m；按表1确定支、毛管压力等级为0.0075MPa，可选φ8滴灌带、壁厚0.02mm，米重0.7g，总长325m。同样选[q_v]＝0.15，计算得：支管φ25，壁厚0.04mm，米重3.1g。全温室耗塑料0.4kg；要求支管进口水头0.62m。

新低压滴灌系统与常规滴灌系统比较：温室内支、毛管塑料耗量从4.08kg减至0.4kg，减少90％；水头要求从9.2m降至0.62m，降低93％。

Claims (2)

1.一种新低压滴灌系统的构建方法，其新低压滴灌系统的组成包括压力水源、首部枢纽和输配水管网三大部分；压力水源包括高位水源或加压系统；首部枢纽包括节制、净化、施肥、量测、保护设施；包括固定的或可移动的；输配水管网包括干管、支管、毛管、滴头/滴灌带、泄水阀；其滴头的结构与常规滴头结构相同；其特征在于：

新低压滴灌系统由下式确定滴头的设计水头，使其适应地形的能力与灌区田面状况相匹配，消除滴灌系统对地形适应的闲置能力；该公式为：

      h_d＝x·ΔZ/[q_zv]

式中  ΔZ＝ΔZ₁-ΔZ₂；ΔZ₁-田面高程偏离的最大值，ΔZ₂-田面高程偏离的最小值；

x为滴头的流态指数，x＝0.5；

h_d-滴头设计水头；

[q_zv]-允许的高差流量偏差率，取[q_zv]＝0.05。

2、根据权利要求1所述的新低压滴灌系统的构建方法，其特征在于：其滴头设计压力不大于0.04MPa，支、毛管压力等级不大于0.06MPa，应用于田面高差ΔZ≤0.4m的场合。

Images