組合式雙支管多噴噴灌系統(tǒng)及最佳灌溉參數(shù)設(shè)計(jì)

謝成海

（中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130021）

1 工程概況

完善的灌溉系統(tǒng)是保證農(nóng)田產(chǎn)量的重要因素，而節(jié)水灌溉作為高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田的標(biāo)準(zhǔn)配置，始終是建設(shè)重點(diǎn)。本項(xiàng)目選取了某塊面積約3.33 hm2的田地作為試驗(yàn)對(duì)象，目標(biāo)是設(shè)計(jì)一款適合在當(dāng)?shù)赝茝V的節(jié)水灌溉系統(tǒng)，共涉及耕地面積超過(guò)0.097萬(wàn)hm2。經(jīng)過(guò)對(duì)比，在兼顧經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性的基礎(chǔ)上，采用組合式雙支管多噴噴灌系統(tǒng)灌溉，具體參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化。

2 組合式雙支管多噴噴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 灌溉系統(tǒng)總體布置形式

傳統(tǒng)的輕小型移動(dòng)式噴灌機(jī)組存在噴頭間距難以調(diào)節(jié)，且不適合丘陵地區(qū)灌溉要求等缺點(diǎn)，因此，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一款組合式雙支管?chē)姽嘞到y(tǒng)，其本質(zhì)是將傳統(tǒng)的“一字形”布置改進(jìn)為“一主+雙支（多對(duì)）”的灌溉模式（見(jiàn)圖1）。該模式的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面［1］。第一，用戶可根據(jù)地形、地塊、風(fēng)向和風(fēng)力等情況，通過(guò)調(diào)整雙支管和噴頭實(shí)現(xiàn)矩形、三角形等不同地形的噴灑。第二，在經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，或者應(yīng)急抗旱時(shí)，可直接利用支管漫灌。第三，每個(gè)噴頭均與支管單獨(dú)連接，可更好地適應(yīng)地形變化，而且管道水力損失小，噴頭工作壓力穩(wěn)定，總體能耗低。

2.2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

管道和噴頭連接件是影響移動(dòng)式噴灌系統(tǒng)使用便捷性的關(guān)鍵因素之一，本項(xiàng)目針對(duì)原有部件進(jìn)行改進(jìn)，具體如下。

2.2.1 快速連接管件。傳統(tǒng)連接件通過(guò)三通將噴頭、管道、支桿等裝置連接，在安裝和拆卸時(shí)過(guò)程煩瑣，而且稍不注意，連接件內(nèi)會(huì)侵入泥土，影響連接效率，甚至出現(xiàn)部件損壞的情況。針對(duì)這種實(shí)際問(wèn)題，本項(xiàng)目將其改進(jìn)為快速連接管件，噴頭和管道連接處使用浮球式結(jié)構(gòu)，立桿插入即可通水，拔出則自動(dòng)密封，實(shí)現(xiàn)了快速安裝和拆卸［2］。

2.2.2 固定底座。灌溉水進(jìn)入土壤后會(huì)使土地變松軟，如果固定底座強(qiáng)度不夠，會(huì)在風(fēng)力和旋轉(zhuǎn)力的作用下傾倒，直接影響噴灌系統(tǒng)的正常工作。為解決這一問(wèn)題，重新設(shè)計(jì)了支座，具體結(jié)構(gòu)由底盤(pán)、可移動(dòng)固定板、定位螺栓和立管定位器組成。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，支座可依靠自重和插地尖頭保證整個(gè)裝置的穩(wěn)定性；底盤(pán)上的2片可移動(dòng)板可對(duì)供水管起到固定作用，而移動(dòng)立管定位螺栓可避免供水管因噴頭旋轉(zhuǎn)而傾斜［3］。

2.3 管道配置方式拓展設(shè)計(jì)

輕型移動(dòng)式噴灌系統(tǒng)的主要特征是適應(yīng)性強(qiáng)，能夠根據(jù)不同水源位置、不同形狀地塊進(jìn)行靈活調(diào)整。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用可知，當(dāng)噴頭數(shù)量超過(guò)10個(gè)后，若僅僅是采用組合式雙支管形式，會(huì)大大增加管道沿程水頭損失，造成末端噴頭壓力不足。因此，需在組合式雙支管的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展［4］。

2.3.1 “一字形”與組合式雙支管結(jié)合。當(dāng)灌溉地塊為長(zhǎng)方形且面積較小時(shí)，則直接沿著地塊中線安設(shè)1根干管，雙支管依次排開(kāi)，但要求總噴頭數(shù)不能超過(guò)10個(gè)（即5對(duì)）。

2.3.2 “梳齒形/豐字形”與組合式雙支管結(jié)合。當(dāng)灌溉地塊面積較大時(shí)，管網(wǎng)一般采用梳齒形或豐字形與組合式雙支管結(jié)合布置。前者適用于水源位于地塊邊緣處；后者適用于水源位于地塊中心位置，且地塊長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)（見(jiàn)圖2）［5］。

3 最佳灌溉均勻性目標(biāo)參數(shù)設(shè)計(jì)

灌溉均勻性是評(píng)價(jià)灌溉質(zhì)量的重要參數(shù)之一，其影響因素包括噴頭、管道分布、工作壓力和轉(zhuǎn)速等。本項(xiàng)目主要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)最佳灌溉參數(shù)。

3.1 噴頭工作壓力設(shè)計(jì)

噴頭工作壓力一旦變化，會(huì)直接影響噴頭的噴水距離、水量分布等參數(shù)，對(duì)灌溉均勻性有著直接影響。因此，對(duì)比市場(chǎng)上最常見(jiàn)的15PY和20PY 2種噴頭在不同工作壓力下的水量分布情況，設(shè)計(jì)最佳灌溉參數(shù)，具體結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知：①對(duì)于同一型號(hào)噴頭，在不同壓力下，噴灑水量基本一樣，均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，水量最大位置均位于距離噴頭60%射程處，其中15PY噴頭水量最大位置在距離圓心9.5 m處，20PY噴頭水量最大位置在距離圓心11.0 m處；②對(duì)于同一型號(hào)噴頭，當(dāng)工作壓力增大時(shí)，主要對(duì)50%射程內(nèi)的水量有影響，尤其是15PY，在0.20 MPa（噴灌水深3.0 mm/h）和0.35 MPa（噴灌水深4.5 mm/h），距離噴頭5.0 m處水量差距可達(dá)50%；③隨著工作壓力增加，噴水量增大，但使用20PY后增大量并不明顯［6］。

圖3 不同工作壓力下噴頭水量噴灑曲線

綜上，筆者建議15PY和20PY噴灌工作壓力均控制在0.30 MPa，基本可兼顧灌溉均勻性和運(yùn)行能耗。

3.2 噴頭間距設(shè)計(jì)（矩形布置）

噴灌系統(tǒng)噴頭間距是一項(xiàng)重要的設(shè)計(jì)內(nèi)容。而這一參數(shù)也需要和噴頭工作壓力進(jìn)行結(jié)合試驗(yàn)。本項(xiàng)目以15PY和20PY噴頭為研究對(duì)象，分析其在不同壓力下最優(yōu)噴頭間距，具體結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知：①對(duì)于同一型號(hào)的噴頭，在同一壓力下，當(dāng)逐漸加大噴頭間距時(shí)，不均勻性基本能維持在70%左右；②當(dāng)15PY型噴頭工作壓力為0.20 MPa時(shí)，噴頭間距最大不超過(guò)16 m，其他壓力下最大間距可擴(kuò)大至18 m；③20PY型噴頭間距一旦超過(guò)某一數(shù)值，灌溉均勻性會(huì)大幅度下降，其中0.30 MPa下的最大間距為23.5 m，0.35 MPa下的最大間距為22.0 m，0.40 MPa下的最大間距為24.4 m［7］。

圖4 不同噴頭間距下均勻性曲線

綜合分析，筆者建議15PY和20PY噴灌系統(tǒng)最佳噴頭間距分別為16 m和22 m。無(wú)論何種壓力下均能保證灌溉均勻性處于一個(gè)較大數(shù)值。

3.3 水滴直徑沿射程分布規(guī)律

水滴直徑越大，對(duì)農(nóng)作物和土壤打擊力度越大，會(huì)影響農(nóng)作物正常生長(zhǎng)發(fā)育，造成土壤水土流失、結(jié)塊等問(wèn)題，因此，水滴直徑越小越好。但該值與工作壓力有著根本聯(lián)系，因此，以水滴直徑作為標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)算上文得到的0.30 MPa噴頭壓力是否合適［8］。

以0.25、0.30、0.35 MPa 3個(gè)相接近參數(shù)為分析對(duì)象，驗(yàn)證在該噴灌壓力下水滴直徑的分布情況，測(cè)試裝置示意圖如圖5所示。由于不同噴灌壓力直接影響水滴速度，在此以水滴速度為分析對(duì)象［9］。

圖5 水滴直徑測(cè)試裝置圖

3.3.1 0.25 MPa時(shí)水滴直徑分布。由圖6可知，隨著水滴速度增大，水滴直徑增大，噴射的距離越遠(yuǎn)。在0.25 MPa壓力下，水滴直徑在1.0～2.5 mm占比80%左右。最大水滴直徑為3.4 mm，最大速度值為8.5 m/s，但其水滴量很少，其影響可忽略不計(jì)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)可得，在0.25 MPa下，最外圈農(nóng)作物不會(huì)在水滴打擊下發(fā)生傾倒、折斷問(wèn)題，壓力值滿足使用要求。

圖6 0.25 MPa時(shí)水滴直徑分布

3.3.2 0.30 MPa時(shí)水滴直徑分布。由圖7可知，在0.30 MPa壓力下，最大水滴直徑增大到3.6 mm，水滴速度最大值為8.7 m/s，水滴直徑在1.0～2.5 mm的比重占60%左右，2.5 mm以上的水滴占比顯著增加，但大于3.0 mm直徑的水滴量不多，其影響程度有限。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)可得，在0.30 MPa下，最外圈農(nóng)作物未在水滴打擊下發(fā)生傾倒、折斷問(wèn)題，壓力值滿足使用要求。

圖7 0.30 MPa時(shí)水滴直徑分布

3.3.3 0.35 MPa時(shí)水滴直徑分布。由圖8可知，在0.35 MPa壓力下，最大水滴直徑增長(zhǎng)大到3.9 mm，水滴速度最大值為8.8 m/s，水滴直徑在1.0～2.5 mm的比重占55%左右，2.5 mm以上的水滴占比顯著增加，而且大于3.0 mm直徑的水滴量較多，集中于最外圈，其影響程度較大。經(jīng)試驗(yàn)可得，在0.35 MPa下，最外圈農(nóng)作物在水滴打擊下存在傾倒、折斷問(wèn)題，壓力值較大，不適合作為作物生長(zhǎng)初期的灌溉參數(shù)。

圖8 0.35 MPa時(shí)水滴直徑分布

綜合分析，在滿足灌溉面積的情況下，建議噴頭壓力值在0.25 MPa；為了提高灌溉效率，最大壓力值不得超過(guò)0.30 MPa。當(dāng)植物過(guò)了抽穗期后，則不必再考慮水滴直徑對(duì)植物的影響，而且此時(shí)水滴對(duì)土壤的傷害也會(huì)被農(nóng)作物抵消很大一部分，因此，壓力可以再適當(dāng)增大。

4 最佳灌溉制度設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)調(diào)查試驗(yàn)區(qū)域水文資料，該地區(qū)多年平均降雨量約為448.6 mm，其中夏季（7—9月）降水量占70%以上，種植作物以小麥、玉米為主，要求濕潤(rùn)土層深度不小于50 mm（本項(xiàng)目按照60 mm計(jì)算）［10］。

4.1 灌水定額設(shè)計(jì)

灌溉標(biāo)準(zhǔn)以農(nóng)作物最大需水量計(jì)算，其中小麥日最大需水量（抽穗期和灌漿期）為3.5 mm/d，玉米日最大需水量（抽穗期）為4.5 mm/d，因此，本項(xiàng)目作物的最大需水量按照4.5 mm/d計(jì)算，玉米各生育期需水量見(jiàn)表1。

表1 玉米各生育期需水量

由于項(xiàng)目區(qū)田間主要土質(zhì)為沙壤土，土壤容質(zhì)量約為1.35 g/cm3，要求田間持水率保持在25%以上（本項(xiàng)目按照27%計(jì)算），凋萎系數(shù)值為0.45，設(shè)計(jì)土壤含水率以田間持水率為標(biāo)準(zhǔn)，上、下限分別為標(biāo)準(zhǔn)值的0.9倍和0.7倍。以此為根據(jù)，參照公式（1）［11］計(jì)算出灌水定額為Mmax=33 mm，灌溉周期為6 d。

式（1）中：γ為土壤容質(zhì)量，g/cm3；z為土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層深度，mm；p為設(shè)計(jì)土壤濕潤(rùn)比，%；θmax為土壤含水率上限，%；θmin為土壤含水率下限，%。

4.2 噴灌灌溉制度的確定

為了計(jì)算簡(jiǎn)單，本項(xiàng)目按照“時(shí)歷法”結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，確定玉米歷年的灌溉制度，以最不利年份為典型年。通過(guò)大量試驗(yàn)并分析，得出結(jié)論：試驗(yàn)區(qū)域玉米灌溉次數(shù)為4次，每667 m2每次灌水定額設(shè)計(jì)值10.0～20.0 m3，每667 m2凈灌水定額為62.7 m3，毛灌水定額為72.41 m3，詳細(xì)的灌溉制度見(jiàn)表2［12］。

表2 試驗(yàn)區(qū)域玉米（噴灌）灌溉制度設(shè)計(jì)

5 結(jié)論

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)大力發(fā)展節(jié)水灌溉工程，目前覆蓋率已在60%以上，剩下的一些耕地因經(jīng)濟(jì)性和施工因素影響，不適合建設(shè)固定或半固定節(jié)水灌溉設(shè)施。因此，大力發(fā)展輕型、可移動(dòng)組合式雙支管多噴噴灌系統(tǒng)成為必然。該系統(tǒng)兼具組合靈活、拆卸方便、投資少及效果好等優(yōu)點(diǎn)，可適用于偏遠(yuǎn)地區(qū)或面積不規(guī)則地塊等。