中心支軸式噴灌機(jī)在高效節(jié)水灌溉工程中的典型設(shè)計(jì)

王 釗

(唐山市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，河北 唐山 063000)

中心支軸式噴灌機(jī)在高效節(jié)水灌溉工程中的典型設(shè)計(jì)

王 釗

(唐山市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，河北 唐山 063000)

中心支軸式噴灌機(jī)是一種現(xiàn)代化程度很高的高效節(jié)水灌溉設(shè)備。本文以唐山市古冶區(qū)一座中心支軸式噴灌機(jī)作為典型，介紹了從基本資料收集、計(jì)算灌水定額、制定灌溉工作制度到水泵選型的設(shè)計(jì)過程，希望能為今后中心支軸式噴灌機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)提供一些經(jīng)驗(yàn)。

中心支軸式；節(jié)水灌溉；噴灌機(jī)；典型設(shè)計(jì)；灌溉工作制度

中心支軸式噴灌機(jī)又稱指針式噴灌機(jī)或圓形噴灌機(jī)，是一種現(xiàn)代化程度很高的高效節(jié)水灌溉設(shè)備。具有自動(dòng)化程度高、噴灑質(zhì)量好、土地利用效率高、綜合利用好、適應(yīng)性強(qiáng)和地面工程設(shè)施少等優(yōu)點(diǎn)。中心支軸式噴灌機(jī)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)中發(fā)展很快，應(yīng)用數(shù)量在全國每年以超過千臺的速度在增加[1]。

中心支軸式噴灌機(jī)由中心支座、塔架車、桁架、末端懸臂和電控同步系統(tǒng)等部分組成，支管由薄壁鍍鋅鋼管連接而成，其上按一定要求布置許多低壓噴頭，裝有噴頭的桁架支撐在若干塔架車上組成噴灌機(jī)的主體[2]。噴灌機(jī)工作時(shí)，水通過水泵加壓，由地下固定式輸水管從中心支座進(jìn)入噴灌機(jī)，經(jīng)支管輸送到各個(gè)噴頭，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)噴灌機(jī)主體圍繞著自身的中心支座以圓形旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)行走噴灑。對于正方形耕地，四個(gè)角上無法受水，為了補(bǔ)救，可在末端加遠(yuǎn)射程噴頭，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)至地角時(shí)，用自動(dòng)啟閉閥門啟動(dòng)遠(yuǎn)射程噴頭對地角做扇形噴灑[3]。

1 項(xiàng)目區(qū)概況

以唐山市古冶區(qū)一處中心支軸式噴灌機(jī)作為典型工程。唐山市古冶區(qū)屬暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，夏季受海洋性氣團(tuán)的影響，多東風(fēng)、東南風(fēng)。冬季受西伯利亞冷氣團(tuán)的影響，多西北風(fēng)。冬干夏濕，季風(fēng)顯著，四季分明。年平均氣溫11.2 ℃,最熱月為7月，平均氣溫25.5 ℃；最冷月為1月，平均氣溫-5.3 ℃，最大凍土深度0.73 m。由于太平洋季風(fēng)受北部燕山余脈阻擋，古冶區(qū)降水比較充沛，年平均降水量648.1 mm，80%的降雨集中在6—9月份，降水年際間相差也較大。全年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅保畲箫L(fēng)速22.7 m/s。

本文選取的中心支軸式噴灌機(jī)典型工程位于古冶區(qū)某合作社，地塊總面積39.7 hm2，地塊形狀基本為正方形，地勢較為平坦，地面坡度在1/2000～1/2500之間，并且地塊內(nèi)沒有障礙物，適合采用噴灌機(jī)械進(jìn)行灌溉。地塊種植作物為油牡丹，是一種經(jīng)濟(jì)效益較高的油料作物。項(xiàng)目區(qū)土壤類型為沙壤土，土壤干容重為1.5 g/cm3。噴灌機(jī)水源采用項(xiàng)目區(qū)內(nèi)3眼機(jī)井供水，每眼機(jī)井出水量為40 m3/h，共出水120 m3/h。地塊附近有變壓器，可輸出380 V/50 Hz的三相交流電，可滿足噴灌機(jī)組及水泵的要求。

2 設(shè)計(jì)灌水定額與灌水周期

典型地塊種植的油牡丹是一種多年生小灌木，生長期從3月15日—6月15日。噴灌的灌溉設(shè)計(jì)保證率為90%。根據(jù)油牡丹的需水規(guī)律，計(jì)算其各生長期的灌水定額，以確定噴灌機(jī)在各生長期內(nèi)的不同工作制度，油牡丹灌溉制度見表1。本文僅以其需水量最大的生長期作為范例設(shè)計(jì)噴灌機(jī)工作制度，其他生長期的工作制度可采用相同方法設(shè)計(jì)，本文不再贅述。

表1 油牡丹灌溉制度

油牡丹的最大灌水定額按公式(1)計(jì)算：

m=1000γh(β1-β2)

(1)

式中：m為最大凈灌水定額，mm；h為計(jì)劃濕潤層深度，m，油牡丹取40 cm；γ為土壤干容重，g/cm3，沙壤土取1.5 g/cm3；β1為土壤適宜含水率上限，%，土壤適宜含水率上限為田間持水量的95%，田間土壤持水量以質(zhì)量百分率計(jì)，取23%，則β1=23%×95%=21.9%；β2為土壤適宜含水率下限，%，土壤適宜含水率的下限為田間持水量的65%，則β2=23%×65%=15.0%。

經(jīng)計(jì)算，油牡丹的最大凈灌水定額為41.4 mm，噴灌系統(tǒng)灌溉水利用系數(shù)為0.85，則油牡丹噴灌的毛灌水定額為49.87 mm。

設(shè)計(jì)灌水周期由式(2)確定：

T=m/ETd

(2)

式中：T為設(shè)計(jì)灌水周期，d；m為設(shè)計(jì)凈灌水定額，mm；ETd為作物需水高峰期平均日耗水量，mm/d，取設(shè)計(jì)保證率90%年份下灌水臨界期的平均日需水量，根據(jù)試驗(yàn)資料取4.3 mm/d。

經(jīng)計(jì)算油牡丹的設(shè)計(jì)灌水周期T=9.62 d，取9 d。

3 噴灌機(jī)典型設(shè)計(jì)

3.1 總體布置

典型地塊接近正方形，噴灌機(jī)機(jī)組實(shí)體長度取304 m，機(jī)組末端加裝尾槍，用來噴射方形地塊的四角部分，轉(zhuǎn)到角處自動(dòng)開始噴射，尾槍的最大射程為20 m，則噴灌機(jī)的有效長度為324 m。噴灌機(jī)的中心支座位于地塊中心點(diǎn)附近，通過管道由地塊內(nèi)的3眼水源井同時(shí)供水。動(dòng)力部分由地塊邊界的輸電線路接地埋式電纜到中心點(diǎn)，機(jī)組工作電壓為380 V/50 Hz，現(xiàn)有項(xiàng)目區(qū)用電線路即可滿足機(jī)組要求，不需另外配設(shè)變壓器。項(xiàng)目區(qū)地形可以滿足中心支軸式噴灌機(jī)對地面坡度不大于15°的要求，可以正常運(yùn)行，局部有溝坎的地方可以將機(jī)組輪胎工作軌跡墊平處理。

根據(jù)所需的機(jī)組長度，典型設(shè)計(jì)機(jī)組采用56×3+62×2+12+EG的配置，即從內(nèi)向外分別為：跨體有5跨，分別為56 m、56 m、56 m、62 m和62 m，外側(cè)為12 m的懸臂，懸臂末端裝尾槍(EG)，共配置5個(gè)塔架車。設(shè)備最低點(diǎn)離地高度為2.5 m。噴頭使用S3000型散射型噴頭，噴灑直徑12.8～16.5 m，噴灑均勻度較高。

3.2 噴灌機(jī)按灌水定額灌溉所需運(yùn)行時(shí)間

(3)

式中：T為噴灌機(jī)按灌水定額灌溉所需運(yùn)行時(shí)間，h；A為噴灌機(jī)控制面積，m2；m為最大毛灌水定額，mm；Q為噴灌機(jī)機(jī)組設(shè)計(jì)流量，按水源井總出水量120 m3/h計(jì)。

根據(jù)以上參數(shù)，該典型地塊噴灌機(jī)按灌水定額灌溉所需運(yùn)行時(shí)間為153.6 h(6.4 d)，小于作物設(shè)計(jì)灌水周期9 d，可滿足典型地塊作物的灌溉要求。

3.3 噴灌機(jī)運(yùn)行速度及運(yùn)行一圈最小、最大時(shí)間

噴灌機(jī)運(yùn)行速度受驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大運(yùn)行速度和土壤允許最大噴灌強(qiáng)度的制約。其運(yùn)行速度上限為驅(qū)動(dòng)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的運(yùn)行速度，此時(shí)噴灌機(jī)運(yùn)行一圈的時(shí)間即為運(yùn)行一圈最小時(shí)間；噴灌機(jī)運(yùn)行速度下限應(yīng)滿足噴灌強(qiáng)度不高于典型地塊沙壤土的允許最大噴灌強(qiáng)度，速度過慢將導(dǎo)致噴灌強(qiáng)度過大產(chǎn)生地表徑流，此時(shí)噴灌機(jī)運(yùn)行一圈的時(shí)間即為運(yùn)行一圈最大時(shí)間。

運(yùn)行一圈最小時(shí)間按(4)式計(jì)算：

(4)

式中：Tmin為噴灌機(jī)運(yùn)行一圈所需最小時(shí)間，h；L為中心支座到最遠(yuǎn)塔架車之間的距離，m；n為電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r/min；D為配套車輪有效外徑，m；i為行走驅(qū)動(dòng)裝置減速器的總速比，無量綱。

電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速額定為1450 r/min，車輪外徑為1.26 m，總減速比為200∶1，典型地塊L為304 m。經(jīng)計(jì)算機(jī)組運(yùn)行一圈最小時(shí)間為11.09 h。

運(yùn)行一圈最大時(shí)間按(5)計(jì)算：

(5)

式中：Tmax為噴灌機(jī)運(yùn)行一圈所需最大時(shí)間，h；ρ為沙壤土允許最大噴灌強(qiáng)度，mm/h。

根據(jù)《噴灌工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50085-2007T)[4]，沙壤土允許最大噴灌強(qiáng)度為15 mm/h，經(jīng)計(jì)算機(jī)組運(yùn)行一圈最大時(shí)間為36.27 h。

3.4 噴灌機(jī)工作制度

噴灌機(jī)的工作制度是由機(jī)組主控制箱內(nèi)的百分率定時(shí)器決定的，可根據(jù)作物的需水要求，調(diào)整百分率計(jì)時(shí)器的旋鈕，使電動(dòng)機(jī)按百分比計(jì)時(shí)器調(diào)整的時(shí)間間隔運(yùn)行，以達(dá)到控制整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行速度[5]。

根據(jù)以上分析，噴灌機(jī)設(shè)計(jì)每圈工作時(shí)間應(yīng)在11.09～36.27 h之間，而按設(shè)計(jì)灌水定額所需工作時(shí)間為153.6 h，本次典型設(shè)計(jì)將該噴灌機(jī)組設(shè)計(jì)每圈工作時(shí)間確定為25.6 h，機(jī)組運(yùn)行速度比例為43.3%，此時(shí)轉(zhuǎn)6圈即可保證灌水量達(dá)到設(shè)計(jì)灌水定額。

4 水力計(jì)算與水泵選型

利用3眼機(jī)井作為水源，3臺水泵并聯(lián)運(yùn)行為典型設(shè)計(jì)的噴灌機(jī)供水。輸水管水力計(jì)算的內(nèi)容分別是計(jì)算各水泵至中心支座的輸水管的總水頭損失，即泵管、干管的沿程水頭損失和局部水頭損失之和。

水泵揚(yáng)程按式(6)計(jì)算：

H=H井+Hf+Hp

(6)

式中：H為水泵揚(yáng)程，m；H井為機(jī)井動(dòng)水位埋深，m；Hf為輸水管總水頭損失，m；Hp為噴灌機(jī)入口處設(shè)計(jì)工作水頭，為25 m。

根據(jù)項(xiàng)目情況，水力計(jì)算與水泵揚(yáng)程計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 項(xiàng)目水力計(jì)算與水泵揚(yáng)程計(jì)算表 m

根據(jù)計(jì)算的總揚(yáng)程和流量確定水泵的型號，該中心支軸式噴灌機(jī)水源選用3臺200QJ40-65型潛水泵，水泵流量為40 m3/s，揚(yáng)程為65 m，電機(jī)額定功率為11 kW。

5 結(jié) 論

(1)在古冶區(qū)高效節(jié)水灌溉工程中，選擇比較典型的一處中心支軸式噴灌機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，步驟為：首先是項(xiàng)目區(qū)基本資料的收集，包括氣象、地形、種植作物、土壤、水源、電力等情況；然后根據(jù)種植作物，計(jì)算其灌水定額；再根據(jù)灌水定額，制定噴灌機(jī)在的工作制度，做到按需灌溉；最后進(jìn)行供水管道水力計(jì)算和水泵選型。

(2)確定噴灌機(jī)工作制度方面，目前尚沒有設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，本文在按作物設(shè)計(jì)灌水定額進(jìn)行設(shè)計(jì)的同時(shí)考慮了土壤允許最大噴灌強(qiáng)度等因素對噴灌機(jī)運(yùn)行速度的限制，使噴灌機(jī)工作制度的設(shè)計(jì)更加科學(xué)合理。

[1] 蘭才有，儀修堂，薛桂寧，等．中國噴灌設(shè)備的研發(fā)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]．排灌機(jī)械，2005(1)：1-6．

[2] 趙竟成，任曉力．噴灌工程技術(shù)[M]．北京：中國水利水電出版社,1999．

[3] 羅春青，李桂玲,張鑫，等．中心支軸式噴灌機(jī)在通遼地區(qū)應(yīng)用參數(shù)確定及田間工程設(shè)計(jì)[J]．內(nèi)蒙古民族大學(xué)學(xué)報(bào)(自然漢文版)，2013，28(6)：651-654．

[4] 中華人民共和國建設(shè)部. 噴灌工程技術(shù)規(guī)范：GB/T 50085-2007[S]．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

[5] 《噴灌工程設(shè)計(jì)手冊》編寫組．噴灌工程設(shè)計(jì)手冊[M]．北京：水利電力出版社,1989．

Typical design of center-pivot irrigation system in high effect water-saving irrigation engineering

WANG Zhao

(Water Resource Planning and Design Institute of Tangshan，Tangshan 063000，China)

The center-pivot irrigation system is a kind of high modernized equipment for high effect water-saving irrigation. This paper takes a center-pivot irrigation system in Tangshan Guye District as a typical example. It introduces the design process including data collection, irrigation amount calculating, irrigation scheduling making and pump choosing. It will provide some experiences for the standardization design of center-pivot irrigation system.

center-pivot；water-saving irrigation；irrigation system；typical design；irrigation scheduling

王 釗(1985-)，男，河北唐山人，工程師，主要從事水利規(guī)劃設(shè)計(jì)方面的工作。E-mail:zhao.678@163.com。

S277.9+4

A

2096-0506(2017)07-0052-04