大慶市大同區(qū)地埋式自動伸縮一體化噴灌典型設計

陳桂梅，曲志軍，王春雨

(1.黑龍江省水利學校，黑龍江 大慶 163300；2.大慶市水利規(guī)劃設計研究院，黑龍江 大慶163311)

1 概 述

項目區(qū)位于大慶市大同區(qū)祝三鄉(xiāng)平橋村三門呂家屯南及八井子鄉(xiāng)吳守業(yè)屯西。大同區(qū)位于松嫩平原中部，黑龍江省西部，屬松花江流域。

項目區(qū)總的氣候特征是：春季干旱多風，夏季雨熱同期，秋季晴朗氣爽，冬季寒冷漫長。多年平均氣溫4.7 ℃，年日照時數(shù)2846.9 h，無霜期平均140 d，最大凍土深2.3 m，年平均風速3.4 m/s。多年平均降水量420 mm，年際變化大，年內分配不均，多年平均水面蒸發(fā)量966 mm(E601)，蒸發(fā)量年內分配不均，秋、冬季蒸發(fā)量小; 春、夏季蒸發(fā)量大，素有“十年九春旱”之說，是黑龍江省西部重點干旱區(qū)。2017年初，大慶市水務局擬建設大慶市大同區(qū)地埋式自動伸縮一體化噴滴灌設備推廣試驗工程。

2 方案選擇

本工程為農田新技術試驗工程，對于噴灌設備選取具有較高要求。綜合國內目前使用的噴灌設備種類，現(xiàn)廣泛應用的是固定式和半固定式噴灌設備。半固定式噴灌設備投資相對較少，但在運用中需頻繁更換噴頭，操作強度大，效率低；固定式噴灌設備投資較多，可省去更換噴頭的操作，提高了效率。上述半固定與固定式噴灌設備，除管道埋設在地下外，噴頭栓管均在地表以上，這給農業(yè)機械規(guī)模化作業(yè)帶來了很大不便，在機種、機收時需避讓、保護或拆除栓管，以避免栓管及噴頭遭到破壞，使灌水作業(yè)人工強度增大[1]。

目前水利部灌排中心研發(fā)的地埋式半自動伸縮噴滴灌設備的系列產品可避免上述問題出現(xiàn)，綜合經濟和實用性的比較，對固定式噴灌比較適合的設備有兩種：噴灌專用自動伸縮取水設備和地埋式自動伸縮一體化噴灌設備。

與傳統(tǒng)給水栓相比，噴灌專用自動伸縮取水設備埋設于耕作層以下，在水壓作用下自動伸出地面，避免人為破壞，有利于田間耕作，該設備雖無需尋找田間出水口位置，但其需要在出地后另外安裝立桿、支架和噴頭進行灌溉，噴灌作業(yè)完成需要拆卸下立桿、支架和噴頭，然后通過人力使用專用工具將出水栓管壓回到耕作層以下(地表以下40 cm)，該設備在噴灌期間無需對栓管實施套管或專用設施保護，可減輕勞動強度，提高工作效率。

地埋式自動伸縮一體化噴灌設備埋于耕作層以下[2]，不影響耕作，集出地管、豎管、升降式噴頭于一體，同時具有噴水和頂出功能，無需尋找田間出水口位置，噴灌作業(yè)前、后均不需要再安裝或拆卸任何設施，噴灌結束后可通過人力用專用工具將出水栓管及噴頭壓回到耕作層以下(地表以下40 cm)，大大減輕了勞動強度，提高了工作效率。已有示范工程的應用結果表明：該設備能夠滿足噴灌工程建設和使用要求，運行穩(wěn)定，使用方便，經濟合理，經久耐用。

綜合上述噴灌新技術優(yōu)缺點，本工程選用地埋伸縮式一體化噴灌設備，采用設備型號分別為：SD-03、SD-04、SD-02A及SD-1-φ75。

3 工程設計

3.1 基本資料

本次管網典型設計選擇3號溫室大棚作為典型設計[3]，該棚室由18拱組成，每拱寬為8 m。棚長為144 m，寬為95 m，有效灌溉面積為1.333 hm2。

大棚內種植作物為花卉[4]，土壤容重為1.39 g/cm3，田間持水量26%，灌溉水源為地下水，利用現(xiàn)有機井提水灌溉。

3.2 基本參數(shù)選取

(1)灌溉保證率[5]。根據(jù)《噴灌工程技術規(guī)范》(GB/T 50085—2007)確定地下水噴灌灌溉設計保證率為90%。

(2)灌溉水利用系數(shù)。根據(jù)《噴灌工程技術規(guī)范》(GB/T 50085—2007)，管道系統(tǒng)水利用系數(shù)取0.98，田間噴灑水利用系數(shù)取0.90，計算灌溉水利用系數(shù)取0.88。

(3)設計耗水強度。根據(jù)當?shù)匮芯抠Y料選取設計耗水強度為4 mm/d。

3.3 灌水定額和灌水周期

3.3.1 設計灌水定額

噴灌區(qū)內土壤田間持水率為26%(重量百分比)，容重γ=1.39 g/cm3，計劃濕潤層深取40 cm，適宜土壤含水量上、下限分別為田間持水率的85%與65%，經計算灌水定額m=28.91 mm。

3.3.2 灌水周期

設計取需水強度為4 mm/d。經計算灌水周期T=7.2 d，為管理方便，實際灌水周期應取整數(shù)，所以灌水周期取為7 d。

3.3.3 噴頭選擇和確定組合間距

(1)噴頭選擇。噴頭選用全自動及半自動地埋式自升降噴頭兩種形式。其中靠近水源井的兩拱作物噴灌設備選用全自動噴頭，其余選擇半自動噴頭。這兩種噴頭形狀均為圓型，其性能參數(shù)如表1所示。

表1 噴頭性能參數(shù)表

(2)確定噴頭組合間距。噴頭的布置形式采用正方形組合，取Ka=Kb=0.9，則a=b=0.9R=0.9×15=13.5 m。

結合當?shù)貙嶋H情況，綜合考慮灌溉均勻度，取支管間距和噴頭間距均為a=b=12 m。

(3)系統(tǒng)組合噴灌強度校核。由于大棚內全部為管道系統(tǒng)，故可以認為灌溉水利用系數(shù)近似為噴灑水利用系數(shù)，計算得ρ=11.25 mm/h，小于ρ允=15 mm/h，系統(tǒng)組合噴灌強度滿足規(guī)范要求。

(4)霧化指標。噴頭設計工作壓力為250 kPa，噴嘴直徑為7.0 mm，經計算霧化指標Fa=3571，大田糧食作物適宜霧化指標為3000～4000，所以噴灌霧化指標滿足規(guī)范要求。

3.3.4 確定噴灌工作制度

(1)噴頭在每個位置上的工作時間。經計算得t=3.5 h，取噴頭在工作點上噴灑的時間為3.5 h。

(2)噴頭每日可噴灑的工作點數(shù)。根據(jù)《噴灌工程技術規(guī)范》(GB 50085—2007)計算一天工作位置，經計算nd=5.7，取實際工作時噴頭每天輪灌次數(shù)6次。

3.3.5 管網布置及工作制度

(1)管網布置。管網布置按照種植方向進行，該地塊形狀為長方形，管網可按照梳字形布置。水源井位于棚室西南角，噴灌系統(tǒng)干管布置在北邊，垂直于干管方向布置支管。由于每拱的寬度為8 m，為方便施工和運行管理，支管間距調整為8 m。干、支管均采用PE管。布置圖見圖1。

(2)輪灌制度。將灌溉區(qū)的18條支管分為9個小區(qū)，每組輪灌同時工作2條支管，每次灌溉時間為3.5 h。

3.3.6 確定各級管道管徑

(1)確定各級管道設計流量。按照已確定的輪灌方案，各支管的設計流量相同，為7×1.8=12.6 m3/h，同時工作支管數(shù)為2條，所以干管設計流量為25.2 m3/h。

(2)支管管徑。由于地形平坦，支管首、末兩個噴頭的地形高差為0。根據(jù)規(guī)范要求，只需考慮支管上首、末噴頭之間的工作壓力差不超過噴頭設計工作壓力的20%即可。支管采用PE管材，每條支管長95 m。以支管首、末噴頭之間的管段為分析對象，計算公式見式(1)：

(1)

式中：F為多孔系數(shù)；f為摩阻系數(shù)；L為管道長度，m；Q為流量，m3/h；d為管內經，mm；m為流量指數(shù)；b為管徑指數(shù)；ΔZ為管道首、末噴頭高程差，m；hp為噴頭設計工作壓力，kPa。

圖1 噴灌典型布置圖(單位：m)

根據(jù)規(guī)范取F=0.392，f=0.948×105，m=1.77，b=4.77，由于地面平坦，ΔZ=0。

經試算，d≥43.1 mm，考慮到管道最不利的運行狀態(tài)，選擇外徑63.0 mm、內徑55.8 mm、公稱壓力0.6 MPa的PE管。

(3)干管管徑。干管采用PE管，管徑由經驗公式計算確定。根據(jù)輪灌方案可知干管最大設計流量為Q=25.2 m3/h，相應經濟管徑計算見式(2)：

(2)

經計算經濟管徑d=65.3 mm。本工程干管包括主干管及分干管，由于主干管長度較長，主干管選用外徑90.0 mm、內徑79.8 mm、公稱壓力0.6 MPa的PE管，分干管選用外徑75.0 mm、內徑69.2 mm、公稱壓力0.6 MPa的PE管。

3.3.7 管網水力計算

(1)支管入口壓力水頭。噴頭的工作設計壓力為250 kPa(約25.0 m水頭)，噴點距離支管進水口高度(豎管高度)1.6 m。支管為PE 管，噴頭距支管入口最遠距離為95.0 m，支管局部水頭損失估取沿程損失的10%，支管水頭損失計算公式見式(3)：

(3)

經計算支管水頭損失hsf=1.6 m，則支管入口壓力水頭為25.0+1.6+1.6=28.2 m。

(2)分干管入口壓力水頭。分干管與主干管入口處的高差為0，水頭損失為0。以距離分干管入口最遠的支管工作時進行計算，根據(jù)干支管布置方案，支管工作時距分干管入口最遠的支管長度為144 m，分干管局部損失取沿程損失的10%，分干管水頭損失計算見式(4)：

(4)

經計算分干管水頭損失hzf=2.97 m，所以干管入口壓力水頭為28.2+2.97=31.17 m。

(3)干管入口壓力水頭。分干管與主干管于水源井處直接相連，水頭損失為0。以距離分干管入口最遠的支管工作時進行計算，根據(jù)干支管布置方案，支管工作時距干管入口最遠的支管長度為93 m，干管局部損失取沿程損失的10%，干管水頭損失計算見式(4)。

經計算干管水頭損失hzf=0.97 m，干管入口與支管入口處的高差為0，則干管入口壓力水頭為31.17+0.97=32.14 m。

3.3.8 水泵選型

水泵的選型根據(jù)設計工況需要的揚程和流量確定。本系統(tǒng)選用潛水泵，則不考慮地形影響時水泵的總揚程，計算公式見式(5)：

H=H0+h首部+Δz

(5)

式中：H為系統(tǒng)不考慮地形影響時水泵的總揚程，m；H0為干管進水口所要求的工作水頭，m；h首部為干管進水口至水源的總水頭損失，包括揚水鋼管、閘閥、連接件、施肥裝置、過濾器、量測設備等的水頭損失，取h首部=10 m；Δz為機井動水位，取30 m。

經計算得H=72.14 m。根據(jù)噴灌系統(tǒng)流量與揚程選擇水泵，水泵型號及其技術參數(shù)見表2。

表2 水泵性能參數(shù)

4 結 語

實施 “大慶市大同區(qū)地埋式自動伸縮一體化噴滴灌設備推廣試驗工程”后，18.667 hm2大田年可節(jié)水1.4×104m3，玉米年可增產3.2萬kg，年可增收6.86萬元。8棟連拱溫室大棚每畝可產花卉11萬株，年可增收72萬元，水利增收效益為78.86萬元，取得了節(jié)水、增產、增效等顯著的效益，達到了高效節(jié)水灌溉效果。做到了地下水資源合理利用、采蓄平衡，在沒有破壞生態(tài)環(huán)境的基礎上增加了耕地的效益，符合國家人與自然和諧建設總體思路，該典型設計為干旱缺水地區(qū)提供了重要的技術依據(jù)和實踐經驗。