榆樹市環(huán)城鄉(xiāng)夏寶村旱田噴灌工程設(shè)計(jì)

謝鴻雁，趙 清，劉鴻濤

（1.榆樹市水利勘測設(shè)計(jì)處，吉林榆樹130400；2.長春市新立城水庫管理局，吉林 長春 130019；3.長春工程學(xué)院，吉林 長春 130012）

1 設(shè)計(jì)原則

夏寶村旱田灌溉系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)所遵循的原則是節(jié)水性、節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和實(shí)用性。由于這些原則之間存在著相互制約的關(guān)系,有時(shí)難以同時(shí)得到滿足,在這種情況下,本次設(shè)計(jì)明確以滿足節(jié)水性為首要原則,將節(jié)水性作為本工程最需要解決的問題,經(jīng)方案比較，采用噴灌系統(tǒng)作為本工程的主要形式。

2 水源及水量平衡分析

2.1 水源供水量

根據(jù)項(xiàng)目區(qū)水文地質(zhì)條件,項(xiàng)目區(qū)地下水主要補(bǔ)給來源是側(cè)向徑流補(bǔ)給。依據(jù)《吉林省榆樹縣農(nóng)田供水水文地質(zhì)勘察報(bào)告》和《吉林省榆樹市區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查報(bào)告》成果資料。

地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給量計(jì)算公式為：

式中：Q側(cè)補(bǔ)—地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給量，萬m3/a；K—滲透系數(shù)，取80 m/d；I—天然水力坡度，取0.17%；M—含水層平均厚度，m，取20 m；L—補(bǔ)給斷面長度，m，按不同含水地段垂直承壓水流向的最大過水?dāng)嗝娣謩e取值進(jìn)行計(jì)算，累計(jì)值LⅢ1=1 800 m。

經(jīng)計(jì)算該項(xiàng)目區(qū)地下水資源總量為178.71萬m3/a，可開采利用量為169.77萬m3/a。

2.2 灌溉制度

采用吉林省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院2008年所作的 《榆樹市松榆灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造工程規(guī)劃報(bào)告》中成果資料，其旱田灌溉制度及灌水率見表1。

表1 旱田灌溉制度表及灌水率表

2.3 水量平衡

項(xiàng)目區(qū)灌溉面積為0.01萬hm2，灌水定額為2 700 m3/hm2，灌溉水利用系數(shù)按0.784計(jì)算，灌溉用水量為34.44萬m3。項(xiàng)目區(qū)開發(fā)利用地下水資源,目前已開采利用量為5.5萬m3/a，還有164.27萬m3/a尚待開發(fā)?？鄢敬卫茫杏嗨?29.83萬m3，本區(qū)處于地下水易采區(qū),因此項(xiàng)目區(qū)水資源滿足工程要求。

3 噴灌工程設(shè)計(jì)

本工程是以地下水為水源的噴灌工程，其灌溉設(shè)計(jì)保證率采用90%。

3.1 機(jī)電井設(shè)計(jì)

3.1.1 單井控制面積的確定

根據(jù)項(xiàng)目區(qū)水文地質(zhì)條件及當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，項(xiàng)目區(qū)成井深82 m，單井出水量為80 m3/h，井型采用混凝土管井。

根據(jù)SL256-2000《機(jī)電井設(shè)計(jì)規(guī)范》，水泥管井單井控制面積按下式計(jì)算：

式中：F0—單井控制面積，hm2；Q—單井出水量，m3/h，取70 m3/h；t3—灌溉期間每天開機(jī)時(shí)間，取18 h；T2—每次輪灌期的天數(shù)，取8 d；η—灌溉水利用系數(shù)，取0.833；η1—干擾抽水的水量削減系數(shù),取0.2；m2—每公頃每次綜合平均灌水定額，m3/hm2，取 645 m3/hm2。

經(jīng)計(jì)算得：F0=10.4 hm2，取單井控制面積為10 hm2。

3.1.2 井距和井?dāng)?shù)的確定

根據(jù)項(xiàng)目區(qū)現(xiàn)有地塊條件，井的布置基本呈方形排列，井距按下式計(jì)算:

式中：L0—井距，m；F0—單井控制面積，hm2；

經(jīng)計(jì)算得井距為316 m，即設(shè)計(jì)最小井距應(yīng)不小于316 m。

項(xiàng)目區(qū)設(shè)計(jì)控制面積100 hm2，每眼井控制面積10 hm2，因此需打井?dāng)?shù)為10眼。

3.2 噴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.2.1 系統(tǒng)選型

項(xiàng)目區(qū)種植作物為大田作物，根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件和運(yùn)行管理等因素綜合分析，確定采用全移動(dòng)管道式噴灌系統(tǒng)，即干管、支管均采用移動(dòng)式PVC涂塑管。

3.2.2 噴頭選型

選用PY1S20噴頭，其工作參數(shù)見表2。

3.2.3 間距布置

噴頭布置間距按正方形布置，設(shè)計(jì)風(fēng)速小于3.4 m/s（三級(jí)風(fēng)以上停噴）。滿足均勻系數(shù)大于75%條件下的最大組合間距射程比Ka=Kb=0.9，a=b=0.95R=0.95×19=18 m。

表2 PY1S20噴頭性能參數(shù)表

參數(shù)校核如下：

1）霧化指標(biāo)。

式中：Wh—噴頭的霧化指標(biāo)；HP—噴頭工作壓力水頭，m；d—噴頭主噴嘴直徑，m。

經(jīng)計(jì)算：Wh=4 286＞3 000，滿足《噴灌工程技術(shù)規(guī)范》要求。

2）噴灌強(qiáng)度。夏寶村旱田土壤允許噴灌強(qiáng)度為ρ允=10 mm/h。

設(shè)計(jì)噴灌強(qiáng)度是系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)的組合噴灌強(qiáng)度,根據(jù)單噴頭全圓噴灑的噴灌強(qiáng)度計(jì)算，即實(shí)際噴灌強(qiáng)度按單行多噴頭同時(shí)工作計(jì)算，計(jì)算公式為：

式中：ρS—單噴頭全圓噴灑的噴灌計(jì)算強(qiáng)度，mm/h；q—噴頭流量，m3/h；R—噴頭射程，m；Cρ—影響噴灌強(qiáng)度的組合系數(shù)1.82；Kω—影響噴灌強(qiáng)度的風(fēng)系數(shù)1.37。

經(jīng)計(jì)算 ρ=6.64 mm/h。ρ＜ρ允，滿足要求。

3.2.4 噴灌系統(tǒng)布置

項(xiàng)目區(qū)以機(jī)電井為單元，共分10個(gè)單元，根據(jù)地形條件和地塊形狀布置管道系統(tǒng)，以2號(hào)井為典型布置如下：

水源井位于地塊的中間。干管沿壟向方向布置，全長210 m，每條干管設(shè)12個(gè)支管位置，每節(jié)長度18 m；支管與壟向垂直布置，單根支管長110 m，每條支管設(shè)6個(gè)噴頭位置，噴頭間距18 m。

3.2.5 參數(shù)設(shè)計(jì)

1）設(shè)計(jì)噴灌定額。由夏寶村旱田灌溉制度得知，旱田設(shè)計(jì)最大灌水定額645 m3/hm2，即64.5 mm。

2)設(shè)計(jì)灌水周期。按下式計(jì)算：

式中：T—噴灌周期天，d；m—設(shè)計(jì)噴灌定額，mm；η—噴灌水利系數(shù)，0.833；E—土壤水分消耗強(qiáng)度，7 mm/d。

經(jīng)計(jì)算T=7.68 d，取噴灌周期為8 d。

3.2.6 噴灌工作制度

1）噴頭在1個(gè)位置工作時(shí)間：

式中：t—一個(gè)工作位置的灌水時(shí)間，h；m—設(shè)計(jì)灌水定額，mm；a—噴頭布置間距，m；b—支管布置間距，m；qp—噴頭設(shè)計(jì)流量，m3/h；ηp—田間噴灑水利用系數(shù)，0.85。

經(jīng)計(jì)算t=8.1 h，即一個(gè)工作位置工作時(shí)間為8.1 h。

2）日工作時(shí)間和每天移動(dòng)的次數(shù)：

式中：nd—一天工作位置數(shù)；td—設(shè)計(jì)日灌水時(shí)間，h。

設(shè)計(jì)日灌水時(shí)間為灌水工作時(shí)間,加上支管的移動(dòng)、拆裝及噴頭的啟動(dòng)時(shí)間，每天的工作時(shí)間按18 h計(jì)算，支管的移動(dòng)、拆裝及噴頭的啟動(dòng)時(shí)間按1 h算，每天移動(dòng)的支管次數(shù)為 （18-1）÷8.1=2.1次，取2次。

3）同時(shí)工作支管數(shù)和噴頭數(shù)：

式中：np—同時(shí)工作噴頭數(shù)；NP—灌區(qū)噴頭總數(shù)。

典型的地塊每眼井設(shè)48條支管位置，取輪灌周期為8 d，每天6條支管位置工作。同時(shí)工作支管數(shù)6÷2=3條，同時(shí)工作噴頭數(shù)np=18個(gè)。

3.2.7 管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）設(shè)計(jì)流量計(jì)算：

式中：Q—噴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量，m3/h；qp—噴頭設(shè)計(jì)流量，m3/h；ηG—管道系統(tǒng)水利用系數(shù)，0.98；np—同時(shí)工作噴頭數(shù)。

計(jì)算得：Q=55 m3/h。

2）管徑選擇。

a.支管管徑的選擇：同一根支管任意兩個(gè)噴頭間的工作壓力差應(yīng)在設(shè)計(jì)噴頭工作壓力的20%以內(nèi)，用公式表示為：式中：hW—同一支管上任意兩個(gè)噴頭間支管段水頭損失加上兩豎管水頭損失之差，一般情況下可用支管段的沿程水頭損失代替，m；△Z—兩噴頭的進(jìn)水口高程差（當(dāng)下游噴頭位置高時(shí)取正值，反之取負(fù)值），m；hp—噴頭設(shè)計(jì)工作壓力，30 m。

本設(shè)計(jì)兩噴頭的進(jìn)水口高程差為-2～1.5 m，則 hW≤0.2×30-△Z=8～4.5 m。

式 中 ：f—摩 阻 系 數(shù) ，0.948×105；L—管 長 ，m；Q—管中流量，m3/h；m—流量指數(shù)，1.77；d—管內(nèi)徑，mm；b—管徑指數(shù)，4.77。

計(jì)算得：d≥63.3 mm，采用2.5英寸管，型號(hào)為 63.5TS-06,內(nèi)徑為63.5±2.2 mm。

3）設(shè)計(jì)水頭計(jì)算：

式中：H—噴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)水頭，m；Zd—典型噴點(diǎn)的地面高程，m；Zs—水源水面高程，m；hs—典型噴點(diǎn)的豎管高度3 m；hp—典型噴點(diǎn)噴頭的工作壓力水頭30 m；Σhf—由水泵進(jìn)水管至典型噴點(diǎn)噴頭進(jìn)口處之間管道的沿程水頭損失，m；Σhj—由水泵進(jìn)水管至典型噴點(diǎn)噴頭進(jìn)口處之間管道的局部水頭損失，m。

a.沿程損失公式：

式中系數(shù)同前。hf=0.948×105×LQ1.77/d4.77。典型區(qū)干管 Q=55 m3/h，L=210 m，d=101.6 mm；支管 Q=18.49 m3/h，L=110 m，d=63.5 mm。

計(jì)算得 hf=hf干+hf支=6.4+4.6=11 m。

b.局部損失公式：

式中：ξ—局部阻力系數(shù) 90°彎管 0.3,三通 1.5；v—管道流速，m/s；g—重力加速度,9.8 m/s2。

典型區(qū)干管流速1.88 m/s，支管流速1.62 m/s。局部損失包括：1個(gè) 90°彎管，1個(gè)干管三通，6個(gè)支管三通。

計(jì)算得 hj=0.3×1.882÷(2×9.8)+1.5×1.882÷(2×9.8)+6×1.5×1.622÷(2×9.8)=1.53 m。

典型區(qū)計(jì)算H=218.4-168.6+3+30+11+1.53=95.33 m，取設(shè)計(jì)水頭95 m。

3.3 水泵及動(dòng)力設(shè)備配套

根據(jù)設(shè)計(jì)流量55 m3/h和設(shè)計(jì)水頭95 m選用水源井水泵型號(hào)為250QJ50-100/5型泵，配套功率22 kW。

4 結(jié)語

該噴灌系統(tǒng)的建成將解決夏寶村農(nóng)業(yè)灌溉靠天吃飯的現(xiàn)狀，改變夏寶村農(nóng)業(yè)改善水利設(shè)施現(xiàn)狀，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平。噴灌系統(tǒng)不僅節(jié)約灌溉用水量,符合我國建設(shè)節(jié)水型社會(huì)的目標(biāo)，而且大大減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度,同時(shí)解決了傳統(tǒng)地面灌溉灌溉水利用系數(shù)低的缺點(diǎn),有利于改善田間氣候，是一種值得推廣的灌溉方式。