半固定式噴灌系統(tǒng)在農(nóng)田灌溉系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)應(yīng)用

魏志峰　馬衣峰　馬清坡

半固定式噴灌系統(tǒng)在農(nóng)田灌溉系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)應(yīng)用

魏志峰馬衣峰馬清坡

半固定式噴灌系統(tǒng)常用于大田作物。該系統(tǒng)主要特點(diǎn)是：水泵和輸水干管固定，而支管和噴頭則可移動。移動的方式有人力搬移、滾移式，由拖拉機(jī)或絞車牽引的端拖式，由小發(fā)動機(jī)驅(qū)動作間歇移動的動力滾移式、絞盤式以及自走的圓形及平移式等。目前，徐州地區(qū)大多采用人力搬移移動方式。其投資比固定式噴灌系統(tǒng)少，噴灌效率較移動式噴灌系統(tǒng)高。

一、基本情況

新沂市草橋鎮(zhèn)半固定式噴灌工程，灌區(qū)田塊南北長246m，東西長417m，由4個小灌區(qū)組成，本期工程實(shí)施其中3個小區(qū)，面積為110畝。灌區(qū)內(nèi)地形平坦，土質(zhì)為砂壤土，種植作物以蔬菜為主。考慮到該區(qū)所植作物需水量大，且經(jīng)濟(jì)價值較高，規(guī)劃采用半固定噴灌灌溉形式。

二、設(shè)計(jì)依據(jù)

設(shè)計(jì)根據(jù)《噴灌工程技術(shù)規(guī)范》（GBJ85-85）、《節(jié)水灌溉技術(shù)規(guī)范》（SL207-98）要求。

三、系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)

1.噴灌系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)參數(shù)的確定灌溉水利用系數(shù)：η=0.85；

灌水均勻度：Cu=85%；

設(shè)計(jì)耗水強(qiáng)度為6mm。

2.擬定灌水定額與灌水周期

（1）灌水定額

式中：m—設(shè)計(jì)灌水定額，mm； Y—土壤容重，kg/cm3，取0.00132 kg/cm3；h—計(jì)劃濕潤層深度，cm，取30cm；β1—適宜土壤含水量上限（重量百分比），取田間持水率的100%；β2—適宜土壤含水量下限（重量百分比），取田間持水率的80%；η—噴灑水利用系數(shù)，取0.85。

將以上數(shù)據(jù)代入上式，計(jì)算得：

（2）灌水周期：T=mη/Ea

式中：T—設(shè)計(jì)灌水周期，d；Ea—日需耗水量，取6mm；η—噴灑水利用系數(shù)，取0.85。

計(jì)算得：T=26/6×0.85=3.68（d），取T=3d。

3.系統(tǒng)總體布置及噴頭選型

（1）選擇噴頭

噴頭選用PY1系統(tǒng)搖臂式噴頭，型號為PY115sh，噴嘴直徑為7mm，選取設(shè)計(jì)參數(shù)如下：工作壓力Hp=300kPa，噴頭流量q=2.96m3/h，最大射程R=18m，單噴頭噴灌強(qiáng)度ρs=2.92mm/h；該噴頭霧化指標(biāo)為：Pd=100Hp/d=100× 300/7=4286，根據(jù)《規(guī)范》，適宜的霧化指標(biāo)為4000～5000，可見所選噴頭霧化指標(biāo)符合《規(guī)范》要求。

（2）確定噴頭組合間距

該區(qū)風(fēng)向多變，平均風(fēng)速1.8m/s，因此噴頭布置采用正方形組合形式，按噴灌均勻度不低于0.80的要求，間距系數(shù)《規(guī)范》1.0，則a=b=18×1=18（m）。

（3）校核噴灌強(qiáng)度

組合噴灌強(qiáng)度為 ρ=1000q/ ab=1000×2.96/18×18=9（mm），根據(jù)《規(guī)范》，砂壤土最大允許噴灌強(qiáng)度為15mm/h，故設(shè)計(jì)噴灌強(qiáng)度符合《規(guī)范》要求。

（4）系統(tǒng)布置

總體采用二級管道布置，支管采用單“非”字形布置，灌區(qū)采用區(qū)內(nèi)清水井作為灌溉水源，干管從水源井向北鋪設(shè)，沿線每隔18m設(shè)一閥門井，移動支管垂直干管沿東西向布置。整個灌區(qū)共有噴灌點(diǎn)208個，設(shè)計(jì)每條移動支管可布置5～11個噴頭，整個灌區(qū)移動支管噴灌位設(shè)為18個。

4.擬定工作制度

（1）在一個噴點(diǎn)上的噴灑時間

t=abm/1000q

式中：t—噴頭在一個噴點(diǎn)上的噴灑時間，h；a—噴頭間距，取18m；b—支管間距，取18m；m—設(shè)計(jì)灌水定額，取26mm；q—噴頭流量，取2.96m3/h。

將以上數(shù)據(jù)代入上式，計(jì)算得：t=18×18×26/1000×2.96=2.85（h），取t=3h。

（2）噴頭每日可工作的噴點(diǎn)數(shù)

n=tr/（t+ty）

式中：n—噴頭每日可工作的噴點(diǎn)數(shù)；tr—噴頭每日噴灌作業(yè)時間，取12h；ty—移動支管時間，取1。

將以上數(shù)據(jù)代入上式，計(jì)算得：n=12/4=3個。

（3）計(jì)算每次同時工作的噴點(diǎn)數(shù)

np=N/（n·T）

式中：np—每次需要同時工作的噴點(diǎn)數(shù)，個；N—噴灌區(qū)內(nèi)移動支管噴灌位總數(shù)，18個；T—設(shè)計(jì)灌水周期，取3d。

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得：np=18/（3×3）=2個，即每次輪灌需要2條移動支管（帶11個噴頭）工作即可。

5.擬定輪灌順序

輪灌時，考慮到承包農(nóng)戶較多，供水具有隨機(jī)性，該設(shè)計(jì)考慮最佳輪灌組合，以最不利因素考慮。

6.干、支管流量推算

每條支管有11個噴頭工作，每個噴頭的流量為2.97m3/h，即每條支管的流量為32.67m3/h，每一輪灌組有2條支管工作，故干管流量為67.94m3/h。

7.管道選擇

（1）支管選擇

每區(qū)配4套移動支管（含立管、噴頭、支架等）。為使支管首末兩個噴頭工作壓力之差應(yīng)在噴頭設(shè)計(jì)工作壓力的20%以內(nèi)，滿足這一要求的各區(qū)每套支管的最小管徑計(jì)算公式為：

式中：f—摩阻系數(shù)，取0.948× 105；L—管長，取192m；Q—流量，取32.67m3/h；m—流量指數(shù)，取1.74；b—管徑指數(shù)，取4.74；F—多口系數(shù)；X—多孔支管首孔位置系數(shù)，取0.5；N—噴頭數(shù)，取11只。

經(jīng)計(jì)算，F(xiàn)=0.384，將以上數(shù)據(jù)代入上式，計(jì)算得：Dmin=70.13（mm），選擇Ф76 mm×0.6MPax鋁管。其內(nèi)徑為72.6mm，大于70.13mm，符合技術(shù)設(shè)計(jì)要求。

（2）干管選擇

D經(jīng)=1.13（Q/3600V經(jīng)）1/2

式中：Q—流量，取 67.94m3/h；V經(jīng)—經(jīng)濟(jì)流速，2.3m/s。

計(jì)算得D經(jīng)=0.102m=102mm。即選擇Ф110PVC管材，其內(nèi)徑為103mm。

8.水力計(jì)算

（1）支管入口壓力水頭

該設(shè)計(jì)中因最大水頭損失產(chǎn)生在支管末端噴頭，所以應(yīng)該用末端噴頭入口壓力作為計(jì)算基礎(chǔ)。立管選用內(nèi)徑為Ф33mm、長度為1m的鋁管。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GBJ85-85，末端噴頭工作壓力水頭以設(shè)計(jì)壓力的90%計(jì)，噴頭的工作水頭以豎管上距噴頭進(jìn)口0.2m處的壓力水頭計(jì)。用下式計(jì)算支管入口壓力：

式中：H支—支管入口壓力水頭，m；hf′—支管及站桿水頭損失，m；hp—噴頭設(shè)計(jì)工作壓力水頭，m；△Z—支管入口地面高程到工作壓力最低的噴頭進(jìn)水高程差，取0。

因此，支管入口壓力水頭為：H支=

（2）干管入口壓力

干管流量67.94m3/h，最不利工況為移動支管離水源最遠(yuǎn)端，計(jì)算管長226m，公式如下：

計(jì)算得h干=10.33m。即干管入口壓力h干=32.93+10.33=43.26m。

（3）系統(tǒng)總揚(yáng)程

式中：H—系統(tǒng)總揚(yáng)程，m；△H—水泵、吸水管及首部設(shè)備的水頭損失，假定為2m；h動水位—水源動水位，取15m。

經(jīng)計(jì)算：H=43.26+2+15=60.26（m）。

9.水泵選型

根據(jù)系統(tǒng)總揚(yáng)程H=60.26m，流量67.94m3/h，查水泵性能表，選用200QJ63-60/5電泵，配套電機(jī)功率18.5kW。

10.首部樞紐設(shè)計(jì)和管網(wǎng)設(shè)計(jì)

（1）噴灌系統(tǒng)的首部樞紐設(shè)備

各種設(shè)備的選用如下：①水泵：選用200QJ32—65/5電泵，電機(jī)功率11kW；②過濾器：選用4″篩網(wǎng)式全塑過濾器；③壓力表：用彈簧壓力表；④逆止閥：采用規(guī)格為Ф100。

（2）噴灌管網(wǎng)

由干管、移動支管兩級管道組成，在水源井的兩端設(shè)置控制閥，在干管的末端設(shè)置沖洗閥。在干支管的拐彎處，末端應(yīng)設(shè)置固定墩。干管埋深0.80m。

四、結(jié)束語

工程采用該設(shè)計(jì)方案進(jìn)行施工安裝，竣工后灌溉效果比較理想。鑒于徐州市目前大田蔬菜種植規(guī)模較大，推廣應(yīng)用半固定式噴灌系統(tǒng)節(jié)水灌溉技術(shù)前景廣泛。科學(xué)合理的工程設(shè)計(jì)，不僅有利于工程實(shí)施階段的效益優(yōu)化，而且為工程建成后的日常管理應(yīng)用提供了方便，從而為地區(qū)大面積推廣節(jié)水灌溉技術(shù)奠定了基礎(chǔ)■

（作者單位：江蘇華禹水利工程處221018豐縣水利局221700徐州市水利局221002）

（專欄編輯：顧梅）