微灌条件下灌溉系统设计-系统设计依据

二、微灌系统设计依据

2.1 设计遵循的标准规范

微灌系统的设计至关重要，需严谨且一丝不苟地遵循一系列详尽且全面的相关标准规范，其目的在于全方位确保系统具备科学性、合理性以及安全性。这些标准规范所涉及的范围极为广泛，全面涵盖了工程从规划起始，历经设计、施工、验收，直至运行管理等各个关键环节。

举例而言，《微灌工程技术规范》（GB/T 50485 - 2020）对微灌工程的各个方面均做出了巨细无遗的规定。在规划阶段，强调需不遗余力地充分收集多维度的资料，包括水源的水质、水量及其季节性变化情况，气象方面的降水、蒸发、光照、温度等数据，地形的起伏、坡度、高差等特征，土壤的质地、肥力、保水保肥能力，以及作物的种类、生长习性、需水规律等多方面的资料，随后运用科学的方法进行全面且深入的可行性论证，从经济、技术、环境等多个角度评估项目的可行性，确保规划方案切实可行。

在设计环节，要求以极高的精度计算诸多关键参数，如依据作物的需水特性、土壤的水分状况以及气象条件精确计算灌溉定额，综合考虑作物生长周期、气候因素等确定灌水时间间隔，通过水力计算等方式准确得出系统流量和压力等关键参数，这些参数直接关系到微灌系统能否精准高效地运行。

在施工过程中，施工人员必须严格依照设计要求进行设备安装和管道铺设，每一个安装步骤都要符合工艺标准，管道铺设的深度、坡度等都需精确控制，以保障工程质量，避免出现漏水、堵塞等影响系统正常运行的问题。在验收阶段，更是要依据规范对系统的各项性能指标进行严格检测，包括流量均匀性、压力稳定性、灌溉均匀度等，只有各项指标均达到合格标准后，微灌系统方可正式投入使用。

此外，《灌溉与排水工程设计标准》（GB 50288 - 2018）同样为微灌系统的设计提供了不可或缺的重要参考。该标准从宏观的视角出发，对灌溉与排水工程的设计原则、基本要求和技术指标进行了明确规定，其意义在于使微灌系统能够与整个灌溉与排水体系有机地协调起来，确保在一个区域内，灌溉与排水工程相互配合，共同发挥作用，避免出现顾此失彼的情况，从而实现水资源的合理调配和高效利用。

同时，由于我国地域辽阔，各地区的自然条件和经济发展水平差异显著，各地区还可能根据自身独特的实际情况制定相应的地方标准。例如，某些干旱地区，因当地水资源极度短缺，为了最大限度地提高水资源的利用效率，制定了更为严格的微灌系统节水标准和运行管理规范。在节水标准方面，对微灌系统的单位面积用水量、灌溉水利用系数等指标提出了更高的要求；在运行管理规范方面，详细规定了设备的日常维护保养、故障排查与修复流程、用水计划的制定与执行等内容，以保障微灌系统在长期运行过程中始终保持高效节水的状态。这些国家标准、行业标准以及地方标准相互配合、相辅相成，共同为微灌系统的设计提供了坚实有力的技术支撑和可靠的质量保障，促使微灌系统在农业生产、园林灌溉等领域发挥出更大的效能。

以下是关于GB/T 50485 - 2020和GB 50288 - 2018的相关信息：

GB/T 50485 - 2020《微灌工程技术标准》

· 发布与实施：2020年6月9日发布，2021年3月1日实施。

· 发布部门：中华人民共和国住房和城乡建设部。

· 主要内容：共分10章和2个附录，包括总则、术语和符号、工程规划、微灌技术参数、微灌系统水力设计、工程设施配套与设备选择、工程施工与安装、管道水压试验和系统试运行、工程验收、运行管理等。主要技术内容是增加了信息化和运行管理相关内容，修订了水力计算方面内容。

GB 50288 - 2018《灌溉与排水工程设计标准》

· 发布与实施：2018年3月16日发布，原《灌溉与排水工程设计规范》GB 50288—99同时废止。

· 发布部门：中华人民共和国住房和城乡建设部、中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局联合发布。

· 主要内容：共分20章和13个附录，包括总则、术语、工程等级与设计标准、总体设计、水源工程、灌溉渠（管）道、排水沟（管）道、渠系建筑物基本规定、渡槽、倒虹吸、涵洞、跌水与陡坡、排洪建筑物、水闸、隧洞、农桥、田间工程、监测、灌区信息化和管理设施等。本次修订增加了术语、渠系建筑物基本规定等12章内容，增补了草场、林地等灌溉标准，明确了不同灌区规模的灌溉水利用系数等。

2.2 设计考虑因素

2.2.1 水源条件分析

水源是微灌系统的基础，其类型、水量和水质对系统设计有着至关重要的影响。水源类型丰富多样，常见的有地表水，如河流、湖泊、水库等，以及地下水，像井水、泉水等。不同类型的水源在水量和水质方面存在显著差异。地表水的水量受季节和降水影响较大，在雨季水量充沛，而在旱季可能会出现水量不足的情况；其水质容易受到周边环境的污染，含有较多的泥沙、悬浮物、有机物和微生物等。地下水的水量相对稳定，但过度开采可能导致地下水位下降，引发地面沉降等问题；其水质通常较为清澈，但可能含有较高的矿物质和盐分。

在微灌系统设计中，准确评估水源的水量至关重要。需依据历史水文资料，运用科学的水文分析方法，对水源的年内和年际变化进行深入研究，以确定水源在不同时期的可供水量。对于地表水，要考虑河流的径流量、水库的蓄水量以及湖泊的水位变化等因素；对于地下水，要通过抽水试验、水位监测等手段，掌握其开采量和补给量的动态平衡关系。只有确保水源的水量能够满足微灌系统在整个灌溉周期内的用水需求，才能保证系统的正常运行。

水源水质对微灌系统的安全运行同样关键。不符合要求的水质可能会导致系统堵塞、腐蚀，影响灌水器的正常工作，降低灌溉效果。因此，必须对水源水质进行全面检测和分析，检测指标包括悬浮物、酸碱度、硬度、盐分、微生物含量等。若水源水中悬浮物含量过高，会在管道和灌水器中沉淀，造成堵塞；酸碱度不适宜可能会腐蚀管道和设备；硬度较大的水容易产生水垢，影响系统的通水能力；高盐分的水可能会对作物生长产生负面影响。针对不同的水质问题，需要采取相应的净化和处理措施，如沉淀、过滤、消毒、软化等，以确保进入微灌系统的水质符合要求。

2.2.2 地形地貌评估

地形地貌是微灌系统设计中不可忽视的重要因素，它对管网布置和灌溉方式的选择起着决定性作用。不同的地形地貌条件，如平坦地形、丘陵地形、山地地形等，具有各自独特的特点，这些特点直接影响着微灌系统的设计方案和运行效果。

在平坦地形中，管网布置相对较为简单，可采用较为规则的管网布局，如环状管网或树枝状管网，能够方便地将水均匀地输送到各个灌溉区域。由于地势平坦，水流的压力损失较小，系统的运行成本相对较低。在这种地形条件下，可根据作物的种植布局和需水要求，灵活选择滴灌、微喷灌等灌溉方式。滴灌适用于对水分要求较为精确的作物，如蔬菜、花卉等；微喷灌则适用于对水分分布均匀性要求较高的作物，如草坪、苗圃等。

丘陵地形具有一定的起伏和坡度，这给管网布置带来了一定的挑战。在设计时，需要充分考虑地形的高差，合理确定管道的走向和坡度，以避免出现局部压力过高或过低的情况。为了减少水头损失，可采用分区灌溉的方式，将地形高差较大的区域划分为不同的灌溉分区，每个分区设置独立的加压设备或减压装置，确保每个区域内的灌溉压力均匀稳定。在灌溉方式选择上，可结合地形特点，采用自压微灌系统，利用地形高差产生的自然压力进行灌溉，既能节约能源，又能保证灌溉效果。

山地地形地势复杂，高差大，坡度陡，管网布置难度较大，且施工成本较高。在这种地形条件下，需要进行详细的地形测量和分析，选择合适的管道铺设路线，尽量避开陡峭的山坡和岩石地段。为了克服地形高差带来的压力问题，可能需要设置多级泵站进行加压，或者采用重力流与压力流相结合的灌溉方式。同时，要加强管道的固定和防护措施，防止因山体滑坡、泥石流等自然灾害对管道造成损坏。在灌溉方式上，可根据山地作物的种植特点，选择滴灌、微喷灌或小管出流灌等适合山地地形的灌溉方式，以提高灌溉的精准性和有效性。

2.2.3 土壤特性考量

土壤特性是影响微灌系统设计和灌溉制度制定的关键因素之一，它主要包括土壤质地、持水能力等方面，这些特性与作物的生长发育和水分需求密切相关。

土壤质地是指土壤中不同大小颗粒的组成比例，常见的土壤质地有砂土、壤土和黏土。砂土颗粒较大，孔隙大，通气性和透水性良好，但保水性较差，水分容易流失；黏土颗粒细小，孔隙小，保水性强，但通气性和透水性较差，容易造成土壤积水；壤土的颗粒大小适中，孔隙比例合理，兼具良好的通气性、透水性和保水性，是较为理想的土壤质地。

不同质地的土壤持水能力差异显著，这直接影响着微灌系统的灌溉制度。对于砂土，由于其保水性差，需要增加灌溉频率，缩短灌水时间间隔，以保证作物根系能够及时吸收到足够的水分，但每次的灌水量不宜过大，以免造成水分渗漏和养分流失。对于黏土，由于其保水性强，灌溉频率可适当降低，灌水时间间隔可适当延长，但每次的灌水量要充足，以满足作物在较长时间内的水分需求。而壤土的灌溉制度则相对较为灵活，可根据作物的生长阶段和需水情况，合理调整灌溉频率和灌水量。

此外，土壤的持水能力还与土壤的有机质含量、结构等因素有关。有机质含量高的土壤，其持水能力较强，能够为作物提供更稳定的水分供应；良好的土壤结构，如团粒结构，能够增加土壤的孔隙度，提高土壤的通气性和保水性，有利于作物根系的生长和水分吸收。在微灌系统设计中，充分考虑土壤特性，制定合理的灌溉制度，能够提高水分利用效率，促进作物生长，实现节水增产的目标。

2.2.4 作物需水特性研究

不同作物在生长发育过程中，其需水特性存在显著差异，这种差异主要体现在作物的不同生育期对水分的需求不同。了解作物的需水特性，对于微灌系统的设计和灌溉制度的制定具有重要的指导意义。

在作物的幼苗期，植株较小，根系不发达，对水分的需求量相对较少，但此时作物对水分的敏感性较高，水分不足或过多都可能影响幼苗的生长发育。因此，在幼苗期，微灌系统应采用小流量、频繁灌溉的方式，保持土壤湿润，为幼苗提供适宜的生长环境。

随着作物的生长，进入生长期后，植株逐渐长大，根系不断扩展，对水分的需求量也逐渐增加。此时，微灌系统需要根据作物的生长速度和需水情况，适当增加灌水量和灌溉频率，以满足作物旺盛生长对水分的需求。在作物的开花期和结果期，是作物生长发育的关键时期，对水分的需求更为严格。水分不足会导致花朵发育不良、授粉受精困难，影响果实的形成和发育；水分过多则可能引起落花落果、病虫害滋生等问题。因此，在这一时期，微灌系统要精准控制灌水量和灌溉时间，保持土壤水分的稳定，为作物的开花结果创造良好的条件。

此外，不同作物的需水规律也有所不同。一些耐旱作物，如玉米、高粱等，对水分的需求相对较少，具有较强的抗旱能力；而一些喜水作物，如水稻、莲藕等，对水分的需求较大，需要保持较高的土壤湿度。在微灌系统设计中，充分考虑不同作物的需水特性，根据作物的种类和生育期制定个性化的灌溉制度，能够实现水资源的高效利用，提高作物的产量和品质。

2.3 关键设计参数确定

2.3.1 灌溉设计保证率

灌溉设计保证率是指在一定的气候和水源条件下，灌溉系统能够满足作物需水要求的保证程度，通常用百分数表示。它是衡量微灌系统可靠性和稳定性的重要指标，直接关系到农业生产的效益和可持续发展。

确定合理的灌溉设计保证率需要综合考虑多方面因素。首先，要考虑当地的水资源状况，水资源丰富的地区，可适当提高灌溉设计保证率，以确保作物能够获得充足的水分供应；而水资源短缺的地区，则需要根据水资源的可利用量，合理确定灌溉设计保证率，在满足作物基本生长需求的前提下，实现水资源的高效利用。其次，要考虑作物的种类和种植结构，对于经济价值较高、对水分敏感的作物，如蔬菜、水果等，应采用较高的灌溉设计保证率，以保障作物的产量和品质；对于一些耐旱性较强、经济价值相对较低的作物，如粮食作物等，可适当降低灌溉设计保证率。此外，还需要考虑当地的经济发展水平和农业生产的实际需求，经济发达地区对农业生产的要求较高，可提高灌溉设计保证率；而经济欠发达地区，在保证农业生产基本需求的基础上，可根据实际情况合理调整灌溉设计保证率。

一般来说，对于干旱和半干旱地区，灌溉设计保证率可取值在75% - 90% 之间；对于湿润和半湿润地区，灌溉设计保证率可取值在 80% - 95% 之间。在具体工程设计中，应根据当地的实际情况，通过技术经济分析比较，合理确定灌溉设计保证率，以实现微灌系统的经济效益、社会效益和生态效益的最大化。

2.3.2 微灌作物耗水强度与灌溉补充强度

微灌作物耗水强度是指单位面积作物在单位时间内的实际耗水量，它是确定微灌系统灌溉水量和灌溉时间的重要依据。作物耗水强度的大小受到多种因素的影响，如作物的种类、生长阶段、气象条件、土壤特性等。不同作物在不同生长阶段的耗水强度差异较大，一般来说，作物在生长旺盛期的耗水强度较大，而在幼苗期和成熟期的耗水强度相对较小。气象条件对作物耗水强度的影响也较为显著，气温高、光照强、风速大时，作物的蒸腾作用旺盛，耗水强度增大；反之，耗水强度减小。土壤特性，如土壤质地、保水性等，也会影响作物的耗水强度，保水性差的土壤，作物耗水强度相对较大。

确定作物耗水强度的方法主要有田间试验法、经验公式法和参考资料法等。田间试验法是通过在田间设置不同的处理，对作物的生长情况、土壤水分状况和耗水量进行长期监测和分析，从而得出作物的耗水强度。这种方法得到的数据较为准确，但需要耗费大量的人力、物力和时间。经验公式法是根据大量的试验数据和实际生产经验，建立作物耗水强度与气象因素、土壤因素等之间的数学关系，通过公式计算得出作物耗水强度。这种方法简单易行，但计算结果的准确性受到公式的适用范围和参数选取的影响。参考资料法是查阅相关的文献资料，参考类似地区和作物的耗水强度数据，结合当地的实际情况进行适当调整，确定作物的耗水强度。这种方法快捷方便，但数据的准确性和适用性相对较低。

灌溉补充强度是指为了满足作物生长的需水要求，微灌系统需要补充的灌溉水量与灌溉面积的比值。它与作物耗水强度密切相关，当作物耗水强度大于自然降水量时，就需要通过微灌系统进行灌溉补充。灌溉补充强度的确定需要考虑作物的耗水强度、自然降水量、灌溉水利用系数等因素。一般来说，灌溉补充强度可通过以下公式计算：灌溉补充强度= （作物耗水强度 - 自然降水量）× 灌溉水利用系数。合理确定灌溉补充强度，能够确保微灌系统在满足作物需水要求的前提下，避免过度灌溉，节约水资源。

* 特别指出，灌溉系统在考虑作物耗水时，需细致地区分三个关键阶段，即设计阶段、施工阶段以及运行阶段。在设计阶段，倘若一味地详细考量作物生育期的每一个细微时段的需要水量，实则是不合理的。原因在于，此阶段设计重点在于保障灌溉系统的可靠性与稳定性，故而仅需考虑灌溉系统在最不利情况下，比如夏季时作物耗水量，或是严格遵循规范规定的作物耗水量，能够为作物提供良好的水分环境就行了。

2.3.3 土壤湿润比

土壤湿润比是指微灌后土壤湿润面积与灌溉面积的比值，它是衡量微灌系统灌溉均匀性和水分分布合理性的重要指标。不同的作物和土壤条件对土壤湿润比有不同的要求，适宜的土壤湿润比能够为作物提供良好的水分环境，促进作物根系的生长和发育。

确定适宜的土壤湿润比需要考虑多方面因素。首先，要考虑作物的种类和根系分布特点，根系分布较浅的作物，如蔬菜、花卉等，需要较高的土壤湿润比，以保证根系能够充分吸收水分；而根系分布较深的作物，如果树、林木等，土壤湿润比可适当降低。其次，要考虑土壤的质地和保水性，保水性差的土壤，为了保证作物根系周围的土壤能够保持一定的水分含量，需要较高的土壤湿润比；而保水性好的土壤，土壤湿润比可适当减小。此外，还需要考虑灌溉方式和灌水器的类型，不同的灌溉方式和灌水器在土壤中的水分分布情况不同，会影响土壤湿润比的大小。

一般来说，对于滴灌系统，土壤湿润比可取值在 20% - 80% 之间；对于微喷灌系统，土壤湿润比可取值在 40% - 100% 之间。在实际设计中，可根据作物的需水特性、土壤条件和灌溉方式，通过试验或经验公式确定适宜的土壤湿润比。例如，对于需水量较大、根系分布较浅的蔬菜作物，采用滴灌时，土壤湿润比可取值在 50% - 70% 之间；采用微喷灌时，土壤湿润比可取值在 70% - 90% 之间。合理控制土壤湿润比，能够提高微灌系统的灌溉效果，实现水资源的高效利用。

2.3.4 灌水均匀度

灌水均匀度是指微灌系统在灌溉过程中，各个灌水器出水量的均匀程度，它是衡量微灌系统性能优劣的关键指标之一。高灌水均匀度能够确保作物在整个灌溉区域内得到均匀的水分供应，避免出现局部干旱或积水的情况，有利于作物的生长发育和产量提高。

影响灌水均匀度的因素众多，主要包括灌水器的制造偏差、管道的水力损失、地形起伏以及系统的运行管理等。灌水器的制造偏差是导致灌水均匀度下降的重要原因之一，不同厂家生产的灌水器在制造工艺和质量上存在差异，会使得灌水器的实际出水量与设计出水量之间产生偏差。管道的水力损失会导致管道沿线的压力分布不均匀，从而影响灌水器的出水量，地形起伏较大时，这种影响更为明显。系统的运行管理不当，如管道漏水、阀门开启不一致等，也会降低灌水均匀度。

为了提高灌水均匀度，在设计过程中可采取一系列措施。首先，要选择质量可靠、制造偏差小的灌水器，对灌水器的质量进行严格检测和筛选，确保其性能符合设计要求。其次，要合理设计管网布局，优化管道的管径和长度，减少管道的水力损失，使管道沿线的压力分布尽可能均匀。对于地形起伏较大的区域，可采用分区灌溉、设置减压装置等方式，保证每个区域内的灌水压力一致。此外，还需要加强系统的运行管理，定期对管道和灌水器进行检查和维护，及时发现并解决漏水、堵塞等问题，确保系统的正常运行。一般来说，微灌系统的灌水均匀度应不低于 90%，以保证灌溉效果的可靠性和稳定性。

2.3.5 灌溉水有效利用系数

灌溉水有效利用系数是指灌溉后被作物实际利用的水量与灌溉总水量的比值，它反映了微灌系统对水资源的利用效率。提高灌溉水有效利用系数，对于节约水资源、降低农业生产成本、保护生态环境具有重要意义。

在微灌系统设计中，影响灌溉水有效利用系数的因素主要有灌溉方式、管道输水损失、田间蒸发和渗漏损失等。不同的灌溉方式，其灌溉水有效利用系数存在较大差异，滴灌和微喷灌等微灌方式，能够将水直接输送到作物根部附近，减少了水分的蒸发和渗漏损失，灌溉水有效利用系数相对较高，一般可达到 0.85 - 0.95 之间；而传统的地面灌溉方式，如漫灌、畦灌等，水分在输送和灌溉过程中容易产生大量的蒸发和渗漏损失，灌溉水有效利用系数较低，通常在 0.4 - 0.6 之间。管道输水损失也是影响灌溉水有效利用系数的重要因素之一，管道的材质、管径、铺设方式以及运行管理等都会影响管道的输水损失。采用质量好、密封性强的管道材料，合理设计管道的管径和坡度，减少管道的转弯和接头数量，加强管道的维护和管理，能够有效降低管道输水损失，提高灌溉水有效利用系数，减少田间蒸发。