固定式噴灌在經(jīng)濟(jì)作物灌溉中的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

趙士蜜

摘要：固定式噴灌系統(tǒng)常用于經(jīng)濟(jì)作物。該系統(tǒng)主要特點(diǎn)是：水泵、輸水干支管和固定式噴頭。在水源保障的前提下，通過水泵流量和揚(yáng)程選擇，根據(jù)經(jīng)濟(jì)作物的灌溉制度和霧化指標(biāo)，計(jì)算選擇主支管道直徑和噴頭參數(shù)，達(dá)到滿足經(jīng)濟(jì)作物需水量目的。

關(guān)鍵詞：固定式噴灌；灌溉；設(shè)計(jì)應(yīng)用

一、前言

五河縣國土面積1428km2，人口66.7萬，耕地面積109.8萬畝，其中流轉(zhuǎn)土地4.9萬畝，主要經(jīng)營蔬菜瓜果等高價(jià)值的經(jīng)濟(jì)作物。這些高經(jīng)作物對灌溉制度和霧化指標(biāo)等都有嚴(yán)格的要求。經(jīng)營業(yè)主為了改善作物的生長條件，同時(shí)達(dá)到省工、省時(shí)效果，決定采用固定式噴灌，同時(shí)選擇小噴嘴噴頭滿足霧化。現(xiàn)就五河縣宇繁農(nóng)業(yè)合作社的露天蔬菜種植區(qū)的噴灌設(shè)計(jì)和應(yīng)用做一介紹。

（一）地形和水源

該露天蔬菜噴灌區(qū)位于五河縣頭鋪鎮(zhèn)境內(nèi)的龍?zhí)逗r(nóng)場的南部，地勢平坦，南北長350m，東西寬210m，中部布置一條12米寬的生產(chǎn)道路，實(shí)際噴灌面積110畝。該片緊靠懷洪新河，計(jì)劃采用地下水作為灌溉水源。

（二）單并控制灌溉面積及機(jī)并數(shù)量確定

根據(jù)物探報(bào)告，物探區(qū)域均為第四系覆蓋，覆蓋層厚度最大達(dá)80米左右，砂層與粘土層互層。該水廠動(dòng)水位20m，單井出水量為20-25M 3/h，設(shè)計(jì)采用常規(guī)井，井深40m，井徑Φ40cm。根據(jù)《機(jī)井技術(shù)規(guī)范》要求，單井控制灌溉面積由下式計(jì)算：

式中：F0—單井控制灌溉面積，畝

Q—單井出水量，取20m3/h；

t3—灌溉期間開機(jī)時(shí)間，取14h/d；

T2—每次輪灌期的天數(shù)，取3d；

η—灌溉水利用系數(shù)，井灌區(qū)取0.7；

η1—干擾抽水的水量削減系數(shù)，取0.1；

m2—每畝每次綜合平均灌水定額（m3）e

綜合平均灌水定額按夏季考慮。莖葉類需水量最大，灌水周期3天，每畝每次綜合平均灌水定額為10m3/畝。

將上述參數(shù)代入上式計(jì)算后得：F0=53.0（畝）。

b.井?dāng)?shù)的確定

N≥∑F=100÷53.0≈2眼。

c.井距的確定

井距按帶狀布置，公式如下：規(guī)劃布局機(jī)井間距為190m，并結(jié)合現(xiàn)有路溝布置，方便群眾生產(chǎn)和生活。

d.農(nóng)用井結(jié)構(gòu)

采用Φ40cm無砂砼管，濾水管孔隙率為20%左右，泥孔直徑700mm，宜井深度40m，并需采用級配濾料，采用礫石層，礫石層厚度一般為75-100mm濾料粒徑應(yīng)為含水砂層粒徑的8-10倍。

（三）水質(zhì)

根據(jù)附近地區(qū)的頭鋪水廠的物探資料及水質(zhì)化驗(yàn)情況，該地區(qū)地下水含量一般20-25m3/h，水質(zhì)滿足農(nóng)業(yè)灌溉要求。

根據(jù)機(jī)井控制面積的要求，該噴灌灌區(qū)共需布置4眼機(jī)井，每眼機(jī)井控制范圍為獨(dú)立的小灌區(qū)，干管對稱于機(jī)井布置，噴頭按正三角形布置，每眼井布置2條干管，布置支管12條，平均每條長94m，噴頭間距21.73m，所以每條支管上的噴頭個(gè)數(shù)為4個(gè)，共布置噴頭48個(gè)，站管高度2.0m，埋深0.5m.

（1）灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范及結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，選用如下設(shè)計(jì)參數(shù)：

a：日耗水強(qiáng)度Ea：Ea=5.4mm/d

b：土壤濕潤比P：蔬菜滴灌取P=70

c：灌溉水的有效利用系數(shù)η≥0.90

d：土壤計(jì)劃濕潤層深度h：蔬菜取h=30cm

c：土壤容重1.4g/cm3

f-田間持水量，取18%（重量含水量）

g：土壤允許噴灑強(qiáng)度12mm/h

h：凋零系數(shù)14%

（2）露天蔬菜河灌區(qū)噴灌式低壓管道灌溉工程設(shè)計(jì)

1.選擇噴灌系統(tǒng)形式

露天蔬菜噴灌示范區(qū)種植作物為蔬菜等經(jīng)濟(jì)作物，經(jīng)濟(jì)價(jià)值高，考慮蔬菜灌水次數(shù)多，人工用量大，人工工資高及土地等因素限制，計(jì)劃采用固定管道式噴灌，現(xiàn)對輸水管道進(jìn)行典型設(shè)計(jì)。

2.確定噴灑方式和噴頭組合形式

由于是固定式噴灌系統(tǒng)，為了節(jié)省管道決定采用全圓周噴灌，噴頭組合方式選用正三角形式布置。

3.噴頭的選擇

蔬菜要求水滴較小，噴灌質(zhì)量好，根據(jù)種植種類選擇霧化指標(biāo)，按國標(biāo)規(guī)定的霧化指標(biāo)：蔬菜及花卉4000～5000。由于決定采用全圓周噴灑，項(xiàng)目區(qū)土壤為壤土，土壤允許噴灑強(qiáng)度12mm/h；故選用ZY-2型金屬搖臂式系列噴頭。

ZY2系列噴頭噴灌設(shè)備參數(shù)

設(shè)計(jì)工作壓力為2.5bar；

設(shè)計(jì)射程：15.7m；設(shè)計(jì)流量：1.87m3/h

噴嘴尺寸：5.5mm 驅(qū)動(dòng)方式：垂直擺臂

噴灌強(qiáng)度ρ全=1000qη/A=1000×1.87×0.9÷15.7÷15.7=6.83mm/h，小于該項(xiàng)目區(qū)的土壤允許噴灑強(qiáng)度12 mmm；

霧化指標(biāo)：2.5×10÷5.5×1000=4545，滿足蔬菜的霧化指標(biāo)4000～5000。

4.管材的選擇

噴頭的工作壓力為2.5bar，則要求管材能夠承受6-8bar的壓力即可，故管材選用PE管材，管道承壓為0.8MPa。

5.管網(wǎng)選擇與布置

噴灌管網(wǎng)采用主干管、支管二級管道布置。

根據(jù)管網(wǎng)布置原則，支管布置考慮水頭壓力差不大于20%，主干管沿灌區(qū)中部東西向布置，干管長350m；支管按梳子型布置，在保證均勻布設(shè)分管的前提下，支管南北方向布置，以利于蔬菜生長。按國標(biāo)規(guī)定的霧化指標(biāo)選取的噴頭最大射程15.7m，設(shè)計(jì)射程R設(shè)=O.BR=0.8×15.7=12.56m。噴頭按照全圓正三角布置。

支管間距b=1.5R設(shè)=1.5×12.56=18.84m；

噴頭間距為a=1.738設(shè)=1.73×13.12=21.73m。

該灌區(qū)共布置4眼機(jī)井，干管對稱布置于道路兩側(cè)，噴頭按正三角形布置，每眼井布置2條干管，布置支管12條，平均每條長94m，噴頭間距21.73m，所以每條支管上的噴頭個(gè)數(shù)為4個(gè)，共布置噴頭48個(gè)，站管高度2.0m，埋深0.5m。

6.灌水定額

該區(qū)土質(zhì)為壤土，土壤容重r=1.4g/cm3，田間持水量β取18%（重量含水量），采用下列公式：

m=0.1rh（β1-β2），式中m：設(shè)計(jì)灌水定額（mm）；r：土壤容重，g/cm3；β1：適宜土壤含水量上限，取田間持水量的90%（重量含水量）；β2：適宜土壤含水量下限，應(yīng)大于凋零系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取田間持水量的70%比較適宜；h：計(jì)劃濕潤層深度，取30cm。

計(jì)算得：m=0.1×1.4×30×（0.22×90-0.22×70）=16.42mm。

7.灌水周期

兩次灌水之間的時(shí)間間隔為灌水周期，計(jì)算公式為T=m/Ea，式中T：灌水周期（d）

Ea：臨界期日耗水量，取5.0-7mm/d，取夏、秋季耗水量大6mm/d；代入數(shù)據(jù)得：T=16.42÷6=2.73（d）取3d。

8.設(shè)計(jì)日灌水時(shí)間

根據(jù)噴灌管材技術(shù)規(guī)范要求，固定管道式農(nóng)作物設(shè)計(jì)日灌水時(shí)間12-20h，考慮更換噴頭等因素限制，本設(shè)計(jì)選用12h。

9.一個(gè)工作位置的灌水時(shí)間

式中：t—一個(gè)工作位置灌水時(shí)間（h）

m—設(shè)計(jì)灌水定額（俐川

a—噴頭布置間距（m），根據(jù)正三角布置全圓周噴灌，噴頭間距為21.73m

b—支管布置間距（m），根據(jù)正三角布置全圓周噴灌，支管間距為18.84m

qp—噴頭設(shè)計(jì)流量（m3/h）。所選噴頭流量1.87m3/h

ηp—田間噴灑水利用系數(shù)，根據(jù)氣候條件可在下列范圍內(nèi)選?。?/p>

風(fēng)速低于3.4m/s，ηp=0.8-0.9

風(fēng)速為3.4～5.4m/s，ηp=0.7～0.8

項(xiàng)目區(qū)多年平均風(fēng)速3.4m/s，ηp取0.85

10.一天工作位置數(shù)

式中：nd—一天工作位置數(shù)

td—設(shè)計(jì)日灌水時(shí)間（h），選14h

t—一個(gè)工作位置灌水時(shí)間（h）

11.同時(shí)工作噴頭數(shù)

式中：np—同時(shí)工作噴頭數(shù)

nd—一天工作位置數(shù)

Np—灌區(qū)噴頭總數(shù)

Tp—灌水周期（d）

最多可供8噴頭同時(shí)工作?？紤]支管每根3-4個(gè)噴頭。為方便管理，按每條支管同時(shí)工作，同時(shí)工作的噴頭按2×4=8個(gè)計(jì)算。為使本灌溉系統(tǒng)管理方便，且安全穩(wěn)定的運(yùn)行，在支管的首部設(shè)置控制井內(nèi)安裝進(jìn)水閘閥、減壓閥、進(jìn)排氣閥、泄水閘閥安全保護(hù)裝置。

為避免管路破壞我們對田間的支管采用深埋處理，并根據(jù)《低壓管道輸水灌溉工程技術(shù)規(guī)范》計(jì)算，我們將大塊面積地塊的支管采用深埋處理，埋深80cm。

12.設(shè)計(jì)流量和設(shè)計(jì)水頭

噴灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流量

式中：Q—噴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量（m3/h）；

qp—設(shè)計(jì)工作壓力下的噴頭流量（m3/h）；

np—同時(shí)工作的噴頭數(shù)目；

ηp—管道系統(tǒng)水利用系數(shù)，取值范圍：0.95～0.98，本設(shè)計(jì)選0.96；

13.噴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)水頭

H=Zd-Zs+hs+hp+∑hf+∑hj

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）取13.5m

ZS—水源水面高程（m）取2.5m

hS—典型噴點(diǎn)的豎管高度恤）取2.0m

hp—典型噴點(diǎn)噴頭的工作壓力水頭（m），噴頭的工作壓力為2.5bar，即工作水頭25.0m

∑hf—由加壓水泵進(jìn)水管到典型噴點(diǎn)噴頭進(jìn)口處的管道沿程水頭損失（m）

∑hj—由加壓水泵進(jìn)水管到典型噴點(diǎn)噴頭進(jìn)口處的管道局部水頭損失（m）

14.管道水力計(jì)算

①沿程水頭損失

干管：噴灌區(qū)南北總長350m，為使干管沿程損失最小，計(jì)劃機(jī)井居中，干管對稱，長度為120m，按8個(gè)噴頭同時(shí)工作的最大管道流量14.96m3/h計(jì)算。

沿程水頭損失hf計(jì)算公式

式中：氣一管道的水頭損失，m；

f——摩阻系數(shù)，0.948×105

Q——管道流量（m3/h）；

d——管道內(nèi)徑佃朋）

L——管道長度（m）；

m——流量指數(shù)，1.77

b——管徑指數(shù)，4.77

根據(jù)噴灌管材技術(shù)規(guī)范要求，管道最小流速不應(yīng)低于0.3m/s，最大流速不應(yīng)超過2.5m/s。綜合考慮流速和沿程水頭損失等因素，根據(jù)分析比較計(jì)算結(jié)果，干管管道直徑選用75mm，管道承壓均為0.8MPa。

每條干管上布置9個(gè)支管，多孔口系數(shù)根據(jù)公式

其中：

m—流量指數(shù)，取1.77

N—噴頭或孔口數(shù)，為9個(gè)

X—多孔支管首孔位置系數(shù)，即支管入口至第一噴頭（或孔口）的距離與噴頭（或孔口）間距之比，為14.64/18.84=0.67

則多孔口支管沿程水頭損失h'f=Fhf=0.4036*1.84-0.74m。

支管：支管最大布置長度為90m，每條支管安裝4個(gè)噴頭，因此而即將支管流量應(yīng)按4個(gè)噴頭同時(shí)工作的最大管道流量7.48m3/h計(jì)算。

根據(jù)噴灌工程技術(shù)規(guī)范要求，校核設(shè)計(jì)計(jì)算式，管道最小流速不應(yīng)小于0.3m/s，最大流速不應(yīng)大于2.5m/s。分析比較上表，選用支管直徑50mmPE管道較為合適。管道承壓均為0.8MPa。每條分干管上布置4個(gè)支管，多空口系數(shù)根據(jù)公式

則多孔口支管沿程水頭損失h'f=Fhf=0.45×2.6=1.17m。

豎管：豎管長度2.0m，管道流量7.2m3/h，沿程損失

根據(jù)噴灌工程技術(shù)規(guī)范要求，校核設(shè)計(jì)計(jì)算式，管道最小流速不應(yīng)小于0.3m/s，最大流速不應(yīng)大于2.5m/s。分析比較上表，選用支管直徑32mmPE管道較為合適。管道承壓均為0.8MPa。

管道沿程損失總和為0.74+1.26+0.04=2.04m

②局部水頭損失hj按沿程水頭損失的10%～15%估算

hj=0.15*hj=0.15×2.04=0.3m

因此，噴灌系統(tǒng)的總水頭損失

H=Zd-Zs+hs+hp+∑hf+∑hj=13.5-2.5+2+25+2.04+0.3=40.34m

③水泵的選擇

本次規(guī)劃采用潛水泵直接提水加壓完成灌溉的方式。

泵的選型

a.加壓泵流量的確定：

根據(jù)以上計(jì)算，為滿足灌溉周期和灌水定額的要求，需要8個(gè)噴頭同時(shí)工作，因此，加壓泵的流量應(yīng)大于等于8×1.87÷0.96=15.58m3/h。

b.加壓泵揚(yáng)程的確定：

噴灌系統(tǒng)的總水頭損失為40.34m，根據(jù)S型單級雙吸離心泵性能參數(shù)表選用QS20-54/3-5.5型離心泵，流量20m3/h，揚(yáng)程54m，配套電機(jī)5.5kw。

二、結(jié)束語

筆者通過工程設(shè)計(jì)和后期技術(shù)服務(wù)，發(fā)現(xiàn)宇繁農(nóng)業(yè)合作社的露天蔬菜種植區(qū)的噴灌效果很好，因此有信心和理由相信，通過嚴(yán)謹(jǐn)工程設(shè)計(jì)、規(guī)范的工程施工和科學(xué)的經(jīng)營管理，機(jī)井推廣固定式噴灌，為農(nóng)作物提供適宜的水分和濕度，一定達(dá)到了省工省時(shí)、穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的目標(biāo)。