固定式噴灌在山丘區(qū)的應(yīng)用

邱康利，李健炯，周 青

(杭州水利水電勘測設(shè)計院有限公司 諸暨分公司，浙江 諸暨 311800)

噴灌是一種具有節(jié)水、增產(chǎn)、節(jié)地、省工等優(yōu)點的節(jié)水高效灌溉技術(shù)[1]，目前國內(nèi)關(guān)于噴灌工程的設(shè)計書目與教材大部分針對規(guī)則管網(wǎng)布置的平原地區(qū)，專門針對山丘區(qū)的專著不多[2].同時噴灌類型多，適用的地形、面積、區(qū)域都存在區(qū)別，選用合理的噴灌方式可以獲得事倍功半的效果，不僅可以增加畝產(chǎn)，同時可以節(jié)水節(jié)能.以往關(guān)于山丘區(qū)灌溉技術(shù)的文獻針對單一模塊論述的較多，原理介紹與實踐案例偏少，無法展現(xiàn)山丘區(qū)噴灌工程的整體性，本文采用理論分析與實際應(yīng)用相結(jié)合的方式，對山丘區(qū)固定式噴灌系統(tǒng)的加壓模式、輪灌制度、噴頭分組和管網(wǎng)布設(shè)等方面進行分析和應(yīng)用，為山丘區(qū)噴灌工程的實施提供了指導(dǎo)性參考，具有實踐意義.

1 山丘區(qū)噴灌系統(tǒng)的設(shè)計原理

1.1 噴灌類型

噴灌是把由水泵加壓或自然落差形成的有壓水通過壓力管道送到田間，再經(jīng)噴頭噴射到空中，形成細小水滴，均勻灑落在農(nóng)田，達到灌溉目的的一種高效節(jié)水灌溉方式,噴灌相對地面灌溉而言，具有灌水均勻度高、灌水時間和灌水量可以高度控制、對土壤和作物擾動少、操作簡單等優(yōu)勢.[3-6]按照設(shè)備種類分類，噴灌分為①管道式噴灌，②機組式噴灌；按照管道安裝使用情況，噴灌分為①固定式噴灌，②半固定式噴灌，③管道全移動式噴灌[7-8].

1.2 噴灌系統(tǒng)加壓模式

按照噴灌系統(tǒng)獲得壓力的方式可分為：自壓、機壓和混壓噴灌系統(tǒng).機壓管網(wǎng)水力運行所消耗的水頭損失完全依靠水泵加壓來維持；自壓管網(wǎng)運行壓力由水源與作物地面高差形成，首部樞紐一般位于規(guī)劃區(qū)自高點；混壓管網(wǎng)是自壓和機壓的合并使用，特點是半自壓、半機壓，通過水泵提水自高處蓄水池，然后由蓄水池二次補壓或自壓供水給噴灌系統(tǒng).

1.3 管網(wǎng)布設(shè)原則

山丘區(qū)管網(wǎng)布置呈不規(guī)則樹狀結(jié)構(gòu)，根據(jù)地形沿山脊或高低設(shè)置總干管，總干管上可設(shè)置若干分干管，分干管上設(shè)置支管.管網(wǎng)布設(shè)使系統(tǒng)管道長度最短、控制面積最優(yōu)、水頭損失最小，投資最低[9].

1.4 輪灌制度確定原則

噴頭分組一般是按照灌溉制度推求的一次同時工作噴頭數(shù)等量進行分組，等量進行編組.

灌區(qū)劃分力求每個輪灌流量、工作壓力基本相同，山丘區(qū)噴灌系統(tǒng)中各輪灌區(qū)的高程、面積不等，流量和壓力的差異是客觀存在的，所以水泵工作性能在允許范圍內(nèi)，滿足系統(tǒng)正常安全運行即可.

2 實例應(yīng)用分析

2.1 項目概況

諸暨市街亭鎮(zhèn)新勝村坡耕地工程位于諸暨市街亭鎮(zhèn)新勝村，連片坡耕地12 hm2，主要以種植香榧為主，種植行距4 m，株距4 m.項目區(qū)地勢高低起伏，項目區(qū)北部高程為89.5 m，水源為項目區(qū)北端下藍田灣山塘，塘內(nèi)常年有水；南部、西部和東部最高高程為142～146 m，中部較為平坦.

2.2 工程設(shè)計

(1)選擇固定式噴灌原由

由于機組式噴灌設(shè)備大多數(shù)適用于大規(guī)模、機械化的集約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，不適應(yīng)小戶經(jīng)營模式[10-12]，因此選擇管道式噴灌較為合理，管道噴灌中，固定式具有方便管理、成本適中的優(yōu)點，綜合考慮本次設(shè)計采用固定式噴灌類型.

(2)首部壓力方式

諸暨市山丘區(qū)為主要種植區(qū)，山丘海拔與落差均不高，自壓使用情況相對較少；諸暨市雨量豐沛,空氣濕潤；同時江河水庫數(shù)量眾多，為節(jié)水灌溉的水源調(diào)節(jié)起到了保證作用，混壓噴灌系統(tǒng)在我國遼寧省應(yīng)用較為廣泛，主要用于水源供水量在時空上的分配不足不能滿足噴灌用水需求而需要調(diào)蓄的情況；而機壓噴灌系統(tǒng)可用于平原地區(qū)和落差不大的山丘區(qū).綜上考慮本次設(shè)計使用機壓系統(tǒng)較為合理.

(3)供需平衡分析

項目區(qū)水源為范圍線北側(cè)山下藍田灣山塘，山塘集雨面積0.17 km2，正常容積2.5萬m3，項目區(qū)多年平均降雨量1 400.9 mm，枯水年(P=90%)降雨量907.4 mm.多年平均徑流量為11.47萬m3，年徑流系數(shù)C值取0.5，枯水年(P=90%)徑流量為7.76萬m3.

經(jīng)計算，在保證率90%的情況下，全部采用噴灌，項目需水量為8 750 m3.對項目區(qū)設(shè)計水平年的可供水量和需水量進行供需水量平衡計算，計算結(jié)果(見表1).

表1 灌區(qū)水量供需平衡分析表

(4)灌溉制度的確定

①噴頭的選擇

根據(jù)作物種植間距及臺階式梯坎大小，選用35ATNT型搖臂式全圓型噴頭，其工作參數(shù)(見表2).

表2 35ATNT型搖臂式全圓型噴頭性能參數(shù)表

②一個工作位置的灌水時間

(1)

式中：t—一個工作位置的灌水時間,h；

m—設(shè)計灌水定額,mm；

a—噴頭布置間距,m；

b—支管布置間距,m；

qp—噴頭設(shè)計流量,m3/h；

ηp—田間噴灑水利用系數(shù)，本工程取0.9；

由上式計算得:t=4.0 h

③一天工作位置數(shù)

(2)

式中：nd—一天工作位置數(shù)；

td—設(shè)計日灌水時間,h；

t—一個工作位置的灌水時間,h；

設(shè)計日灌水時間取16 h，則nd=3.98，取4.

④同時工作噴頭數(shù)

(3)

式中：np—同時工作噴頭數(shù),個；

Np—灌區(qū)噴頭總數(shù),個；

nd—一天工作位置數(shù)；

T—設(shè)計灌水周期,d.

項目區(qū)占地12 ha，地塊需要噴頭數(shù)535個.初估同時工作噴頭數(shù)為30個.

(5)灌區(qū)劃分區(qū)塊

根據(jù)以上計算得到輪灌制度，確定灌區(qū)噴頭總數(shù)為535個，噴灌周期為4.5 d，設(shè)計日灌水時間為16 h，一個工作位置的灌水時間為4.0 h，一天工作輪數(shù)為4，根據(jù)設(shè)計方案中噴頭分組原則，將地塊劃共劃分18個噴灌組，每一分組均由閘閥控制.

在地形變化的山丘區(qū)若等量編組，會導(dǎo)致系統(tǒng)噴頭在超壓的情況下運行，使系統(tǒng)噴灌均勻度降低，縮短噴頭使用壽命.采用水泵出口閥門來調(diào)節(jié)水泵工作，但因投資相對較高，管理技術(shù)要求也較高，無法推廣運用[13-14]，因此通過改變一次同時工作噴頭數(shù)的編組方法，使工作壓力和工作流量等于或接近于額定值，從而保證噴頭的正常工作，又不造成能源浪費，還簡化了系統(tǒng)的管理.具體噴頭分組(見表3).

根據(jù)管道布置方案進行該項目干管、分干管和支管的鋪設(shè)，具體灌區(qū)劃分(見圖1).

表3 噴頭分組

圖1 灌溉分區(qū)和管道鋪設(shè)圖

3 結(jié) 論

固定式噴灌系統(tǒng)在山丘區(qū)特殊的地形地貌和種植方式下可以更好地發(fā)揮節(jié)水和增產(chǎn)效益；新勝村坡耕地工程實例節(jié)水3 500 m3，香榧增產(chǎn)150 kg/hm2；在固定式噴灌系統(tǒng)中，噴頭分組和輪灌制度是保證管道系統(tǒng)高效運行和管理工作的關(guān)鍵;避免等量分組造成的泵機帶壓工作，結(jié)合水頭和壓力合理分組，新勝村坡耕地工程實例輪灌周期4.5 d，日輪灌組數(shù)4組，較符合作物需水周期和管理人員的作息時間.本章在計算一個噴灌位置灌水時間的噴灌水利用系數(shù)直接參考經(jīng)驗值未考慮田間小氣候、風(fēng)速、日照等因素對誰利用系數(shù)的影響.今后要增加理論在實踐中的深入，研究出專門適用于山丘區(qū)噴灌技術(shù)標(biāo)準和工程設(shè)計規(guī)范，使噴灌系統(tǒng)更好的為山丘區(qū)發(fā)揮作用.

參考文獻：

[1] 孫文峰,程亨曼,李孝存,等.我國噴灌設(shè)備現(xiàn)狀與市場前景分析[J].農(nóng)機化研究,2005(1):63-64.

[2] 金玉潔,張展羽,汪光宇,等,山丘區(qū)滴管工程設(shè)計方法研究[J].節(jié)水灌溉,2009(6):39-41.

[3] 吳衛(wèi)峰.稻田生態(tài)節(jié)水系統(tǒng)研究[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報,2016,28(2):53-57.

[4] 戚高晟,朱星宇,劉劍軍,等.多功能虹吸式灌溉裝置在小型農(nóng)業(yè)水利工程中的應(yīng)用[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報,2017,29(3):37-40.

[5] 史少培,謝崇寶,高 虹,等.噴灌技術(shù)發(fā)展歷程及設(shè)備存在問題的探討[J].節(jié)水灌溉,2013,(11):78-81.

[6] 褚琳琳.國內(nèi)外噴灌技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].節(jié)水灌溉,2014(6):71-73.

[7] 董惠民.節(jié)水灌溉技術(shù)知識講座之三噴灌分類[J].云南農(nóng)業(yè),2003(3):8-8.

[8] 鄭冬浩，曹志華，董勇衛(wèi)，等.660MW超超臨界機組低負荷下凝結(jié)水系統(tǒng)控制優(yōu)化[J].浙江電力,2017,36(7):20-23.

[9] 郭元裕.農(nóng)田水利學(xué)[M].3版.北京:中國水利水電出版社,2002.

[10] 范永申,王全九,周慶峰,等.中國噴灌技術(shù)發(fā)展面臨的主要問題及對策[J].排灌機械工程學(xué)報,2015,33(5):450-453

[11] 董勇衛(wèi)，柏元華，房文蔚，等.實時優(yōu)化控制系統(tǒng)在660MW超超臨界機組的應(yīng)用[J].浙江電力,2017,36(7):46-49.

[12] 黃琪薇，林俊光，黃之成，等.50MW抽汽背壓式熱電聯(lián)產(chǎn)機組的給水泵驅(qū)動方式選擇與優(yōu)化[J].浙江電力,2017,36(9):71-74.

[13] 李英能.我國節(jié)水灌溉的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].水利水電科技進展,1998,1(18):3-5.

[14] 汪 峰,鐘國成,鐘萬余.自壓式噴灌技術(shù)在鐘山梨園中的應(yīng)用[J].浙江水利科技,2009,5(3):73-75.