半固定式噴灌工程設(shè)計

張春笑

（漯河市郾城區(qū)水利局）

0 引言

中國水資源相對貧乏，農(nóng)業(yè)發(fā)展關(guān)系到糧食安全，農(nóng)業(yè)用水量占全國總用水量的70%以上，然而農(nóng)業(yè)用水中有90%是用于灌溉。因此，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必須之道就是發(fā)展節(jié)水灌溉，這樣既能緩解水資源短缺，又能保障糧食安全。

噴灌適用于多種作物灌溉，具有適應(yīng)性強(qiáng)、節(jié)水、增產(chǎn)等優(yōu)勢。噴灌分為固定式、半固定式和移動式。半固定式噴灌系統(tǒng)主要由水源、水泵、干管、支管及噴頭等組成；因在灌溉時水泵和干管固定不動而支管、噴頭可移動，所以大大減少支管及噴頭數(shù)量，也相應(yīng)使設(shè)備費(fèi)用降低了；另外還適應(yīng)不同形狀和大小的田地，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，具有可推廣性。

1 項目概況

項目區(qū)現(xiàn)有節(jié)水灌溉面積1.54萬hm2，不低于200 hm2而集中連片的共有2 片，實施節(jié)水灌溉工程后，區(qū)域灌溉水利用系數(shù)由現(xiàn)在的0.44 提高到0.75；斗農(nóng)渠改造前0.30，改造后達(dá)到0.70；田間水利用系數(shù)改造前0.70，改造后達(dá)到0.90。

項目區(qū)四季分明，春季干旱風(fēng)沙多，夏季炎熱雨水集中，秋季晴和日照長，冬季干燥，雨雪少，屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候。多年平均降雨量為610 mm，其中最大年降雨量1 014 mm，最小年降雨量275 mm。雨量年分布極不均勻，6月至9月汛期雨量占全年雨量的65%，歷年最大一天暴雨量為215.40 mm。

2 項目區(qū)半固定式噴灌工程設(shè)計

由本實施方案水源工程計算可知，項目區(qū)計劃發(fā)展半固定式噴灌面積0.02萬hm2，設(shè)計灌水定額382.50 m3/hm2，每天工作時間12 h，灌水周期為6 d，單井控制灌溉面積4.67 hm2，結(jié)合項目實際滿足灌溉需機(jī)井403 眼。按單井控制系統(tǒng)進(jìn)行半固定式噴灌典型設(shè)計。

2.1 管網(wǎng)管系總體布置

根據(jù)項目區(qū)內(nèi)機(jī)井分布及地形情況，管道系統(tǒng)由閘閥、安全閥、泄水閥、進(jìn)排氣閥、逆止閥、豎管及其高度、鎮(zhèn)、支墩組成。單個機(jī)井組成獨(dú)立的灌溉系統(tǒng)，并且各個灌溉系統(tǒng)之間是獨(dú)立運(yùn)行，互不干擾。

管網(wǎng)布置首先要結(jié)合項目區(qū)的地形等情況，其次是根據(jù)項目區(qū)內(nèi)機(jī)井位置來進(jìn)行確定，本工程管網(wǎng)的設(shè)計采用梳齒形或豐字型布置，梳齒形布置見圖1，豐字型布置見圖2。

圖1 梳齒型布置圖

圖2 豐字型布置圖

按照國家標(biāo)準(zhǔn)《噴灌工程技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，噴頭擬采用ZY-2H型金屬搖臂式噴頭，噴頭布置形式為正方形。噴頭間距的確定要結(jié)合當(dāng)?shù)馗鞣绞胶腿罕姽嗨?xí)慣，并根據(jù)機(jī)井出水量、地塊地形等因素確定，本工程噴頭間距確定為a＝18 m。支管出水口間距確定要根據(jù)干支兩級管道，還有噴頭射程和組合間距來確定，本工程支管間距b＝18 m。

2.2 噴灌工作制度的確定

實際噴灌時，本項目工程設(shè)計噴灌制度采用輪灌編組制度，因為輪灌既可以提高管道的利用率，又可以降低設(shè)備投資，節(jié)約資金，所以采用輪灌制度非常合適。為了方便運(yùn)行管理，輪灌編組要有一定規(guī)律：地勢較低或路程較近的組別噴頭數(shù)略多，地勢較高或路程較遠(yuǎn)的組別噴頭數(shù)略少，但各輪灌組的工作噴頭總數(shù)盡量接近；噴頭每天輪灌次數(shù)取4次。為提高管道設(shè)備利用率和水泵的有效運(yùn)轉(zhuǎn)，輪灌順序制定時，要避免流量集中于某一條干管配水，應(yīng)將流量分散到各配水管道，均勻分配流量。

2.3 管道設(shè)計和水力計算

2.3.1 管道設(shè)計

2.3.1.1 管材選用

規(guī)劃項目區(qū)半固定式噴灌，支管采用0.80 MPa的高壓涂塑軟管，地埋干管采用工作壓力0.80 MPa的UPVC塑料管。

2.3.1.2 支管管徑選擇

支管的管徑選擇，除與支管的設(shè)計流量有關(guān)外，還要受允許壓力差的限制，參照《噴灌工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，同一條支管任意兩個噴頭間的工作壓力。

式中：h為同一支管上任意兩噴頭間支管段水頭損失加上兩豎管水頭損失之差，m，可用支管的沿程水頭損失計算；△z為兩噴頭的進(jìn)水口高程差，m；hp為設(shè)計噴頭工作壓力，m。

采用高壓涂塑軟管時，管道的沿程水頭損失按下式計算：

式中：F為多口系數(shù)；Q—流量，m3/h；D為管徑，mm；L為管長，m。

按機(jī)井出水量32 m3/h計算，支管上同時工作的噴頭數(shù)為8個噴頭計算，支管經(jīng)濟(jì)管徑為72.60 mm，根據(jù)實際廠家生產(chǎn)的管材規(guī)格，選擇高壓涂塑軟管的管徑為Φ80。

2.3.1.3 干管管徑選擇

干管管徑選擇與確定采用經(jīng)濟(jì)管徑法計算得出。當(dāng)動力為電動機(jī)時，按下式來計算：

式中：D為干管的經(jīng)濟(jì)管徑，mm；tn為干管每年工作小時數(shù)；Xd為電價，元/度；Q為干管設(shè)計流量，m3/h；K,α,β為系數(shù)和指數(shù)。

由（3）式計算結(jié)果確定干管選用工作壓力為0.80 MPa的Φ 110 mm UPVC管材。

2.3.2 水力計算

水泵和電機(jī)配套都是根據(jù)水頭損失計算而進(jìn)行選擇的，而管道管網(wǎng)的水力計算實際就是計算管網(wǎng)中的沿程水頭損失和局部水頭損失。在本設(shè)計中沿程水頭損失按《噴灌工程技術(shù)規(guī)范》沿程水頭損失公式進(jìn)行計算，對于局部水頭損失的計算，要按沿程水頭損失的15%進(jìn)行計算。

管網(wǎng)系統(tǒng)沿程水頭損失的計算可以按下式來計算：

式中：hw為沿程水頭損失，m；f為摩阻系數(shù)；L為管道長度，m；Q 為流量，m3/h；m 為流量指數(shù)；b 為管徑指數(shù)；d 為管徑，mm。具體計算結(jié)果見表1。

由表1 可知，半固定式噴灌系統(tǒng)管網(wǎng)沿程水頭損失為10.70 m，局部水頭損失按沿程水頭損失的15%計算為1.61 m。

表1 半固定噴灌管網(wǎng)水頭損失表

2.4 單井控制灌溉面積管道數(shù)量的確定

項目區(qū)機(jī)井出水量按32 m3/h考慮，選擇ZY-2型噴頭流量為3.83 m3/h，則單井控制灌溉面積內(nèi)，單支管同時工作的噴頭數(shù)為8個，地面移動高壓涂塑軟管管長為126 m。項目區(qū)內(nèi)地勢平坦，地塊較為規(guī)則，為方便群眾使用，提高灌溉效率，單井配5套地面移動高壓涂塑軟帶、豎管、支架及快速連接接頭等配件。

2.5 水泵選型與動力配套

半固定式噴灌系統(tǒng)設(shè)計水頭仍按以下公式計算：

式中：H為噴灌系統(tǒng)設(shè)計水頭，m；hs為典型噴點(diǎn)的豎直高度，m；hp為典型噴點(diǎn)噴頭的工作壓力水頭，m；hf為水泵進(jìn)水管至典型噴點(diǎn)噴頭進(jìn)口處管道的沿程水頭損失，m；hj為水泵進(jìn)水管至典型噴點(diǎn)噴頭進(jìn)口處管道的局部水頭損失，m；△z—兩噴頭的進(jìn)水口高程差（m）。

項目區(qū)內(nèi)機(jī)井井深60 m，動水位30 m，系統(tǒng)管網(wǎng)樞紐處局部水頭損失為2 m，管網(wǎng)水頭損失12.32 m，管網(wǎng)最不利點(diǎn)與水泵出水口處地面高差為1.50 m，豎管高度為1.50 m，噴頭工作壓力30 m水頭，計算得水泵揚(yáng)程為77.31 m。

由以上計算結(jié)果，選擇水泵型號為200QJ32-78/6 型潛水電泵，水泵揚(yáng)程78 m，電機(jī)功率11 kW。

3 結(jié)語

項目區(qū)半固定式噴灌工程建成后極大緩解了項目區(qū)水資源不足的現(xiàn)狀，提高了水資源承載能力；為作物提供了充足的水量，縮短了作物灌溉周期，這樣大大提高了作物產(chǎn)量。另外，還改善了用水環(huán)境，為水資源的可持續(xù)利用創(chuàng)造良好的條件，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益顯著。