三原縣安樂(lè)鎮(zhèn)雙雙農(nóng)場(chǎng)小麥、玉米連作水肥一體化技術(shù)推廣項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案淺析

楊永花

（陜西省涇惠水利水電設(shè)計(jì)院，陜西 三原 713800）

1 概述

三原縣安樂(lè)鎮(zhèn)雙雙農(nóng)場(chǎng)位于陜西省三原縣安樂(lè)鎮(zhèn)蔡王村。項(xiàng)目區(qū)地形平坦，以小麥、玉米輪作制，根據(jù)種植作物的特性選用大田噴灌，水由機(jī)井出來(lái)后進(jìn)入蓄水池，再通過(guò)施肥、過(guò)濾，加壓后進(jìn)入管網(wǎng)。工程選用智能化控制，配備水肥一體化系統(tǒng)，灌溉面積82 畝。

2 工程設(shè)計(jì)

2.1 基本資料

地塊地形：地塊長(zhǎng)247 m，寬220 m，地勢(shì)平坦。

土壤：土質(zhì)為壤土，土壤干密度1.42 g/cm3；田間持水量取21%。

土壤允許噴灌強(qiáng)度［ρ]=12 mm/h；設(shè)計(jì)根區(qū)深度為40 cm，設(shè)計(jì)最大日耗水強(qiáng)度6 mm/d，灌溉水利用系數(shù)0.85。

作物：種植小麥和玉米，一年兩熟，南北方向種植。小麥生長(zhǎng)期為10月上旬～次年6月上旬，約240 d。

水源：采用項(xiàng)目區(qū)地塊中間位置的機(jī)井水源，機(jī)井出水量為45 m3/h，灌溉設(shè)計(jì)保證率確定為P=90%。

2.2 灌溉制度擬定

2.2.1 設(shè)計(jì)灌水定額

式中：m凈為設(shè)計(jì)凈灌水定額，mm；γ為土壤容重，g/cm3，該處土壤為砂壤土，取1.42；z 為計(jì)劃濕潤(rùn)土層深度，cm，按大田作物的濕潤(rùn)層厚度取h=40 cm；β1為灌溉后土層含水量上限（以百分?jǐn)?shù)計(jì)）β1=21%×90%=18.9%；β2為灌溉前土層含水量下限，β2=21%×65%=13.65%。

2.2.2 設(shè)計(jì)灌水周期

式中：T設(shè)為設(shè)計(jì)灌水周期，天；Ep為日需水量，mm/d，取臨界期日平均需水量，取Ep=6 mm/d。則灌水周期T設(shè)=29.82/6=4.97（d），取T設(shè)=5 d。

式中：m毛為設(shè)計(jì)毛灌水定額，mm；η灌為灌溉水利用系數(shù)，η灌=0.85。

2.3 管道系統(tǒng)布置

項(xiàng)目區(qū)面積共82 畝，將噴灌區(qū)分為10 個(gè)小區(qū)，各個(gè)小區(qū)之間實(shí)行輪灌。整個(gè)系統(tǒng)選擇固定式系統(tǒng)。水由機(jī)井出來(lái)后，通過(guò)管道加壓泵加壓，再過(guò)濾后進(jìn)入輸水總干管。由輸水總干管向一、二干管輸水，沿干管兩側(cè)平行布置分干管，分干管上垂直布置支管，支管上布置噴頭。共布置10 條分干管，28 條支管。在總干管始端和分干管起始端分別設(shè)閘閥。噴頭的布置形式采用等腰三角形組合。

2.4 選擇噴頭和確定組合間距

2.4.1 選擇噴頭

噴頭采用全圓噴灑，組合形式采用等腰三角形組合。項(xiàng)目區(qū)土壤的允許噴灌強(qiáng)度為12 mm/h，小麥適宜霧化指標(biāo)為3000～4000。選用PY115 系列金屬搖臂式噴頭。其性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 PY115 系列噴頭性能參數(shù)

支管和噴頭組合間距確定：a=0.98R=0.98×15.5=15.19 m；b=1.1R=1.1×15.5=17.05 m。

式中：a為噴頭間距，取15 m；b為支管間距，取15.5 m；R為噴頭射程，m。即噴頭間距均取15 m，支管間距根據(jù)地形取15.5 m。

2.4.2 系統(tǒng)組合噴灌強(qiáng)度校核

式中：ρ為組合噴灌強(qiáng)度；Kw為風(fēng)系數(shù)，多支管多噴頭同時(shí)全圓噴灑，取1；Cp為布置系數(shù)，多支管多噴頭全圓噴灑，為3.24；ρs為單噴頭噴灌強(qiáng)度，mm/h。

ρ=1×3.24×2.35=7.614 mm/h＜［ρ]=12 mm/h，系統(tǒng)組合噴灌強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

2.4.3 霧化指標(biāo)

式中：hp為噴頭工作壓力，kPa；d為噴嘴直徑，mm。滿足小麥霧化指標(biāo)3000～4000 的要求。

2.5 擬定噴灌工作制度

2.5.1 確定噴頭工作點(diǎn)及支管位置

從地塊中間道路兩側(cè)開(kāi)始沿分干管向東西兩邊布置支管，第一個(gè)分干管距路邊7.5 m，以后間隔15 m 布置一條支管。再由第一條支管入口7.5 m 處布置第一個(gè)噴頭，以后每隔15 m布置一個(gè)噴頭，支管之間噴頭布置為梅花行分布。整個(gè)項(xiàng)目區(qū)有28 條支管，219 個(gè)噴頭。

2.5.2 計(jì)算噴頭在工作點(diǎn)上的噴灑時(shí)間

式中：t為噴頭噴灑時(shí)間，h；a為噴頭間距，15 m；b為支管間距，15.5 m；qp為噴頭流量，1.77 m3/h；ηp為噴灑水利用系數(shù)，取0.87。

t=15×15.5×35.29/（1000×1.77×0.87）=5.33 h，即噴頭在工作點(diǎn)上的噴灑時(shí)間為5.33 h。

2.5.3 計(jì)算每天可工作的輪灌組數(shù)

規(guī)劃噴灌不在夜間作業(yè)，每天工作12 h，則：

式中：nd為天工作輪灌的組數(shù)；td為設(shè)計(jì)日灌水時(shí)間，h。

nd=12/5.33=2.25≈2 組，即每天工作輪灌2 組，每天實(shí)際工作時(shí)間為5.33×2=10.66 h。

2.5.4 計(jì)算每次同時(shí)噴灑的噴頭數(shù)

式中：np為同時(shí)工作的噴頭數(shù)；Np為噴頭布置總數(shù)，219 個(gè)；T設(shè)為設(shè)計(jì)灌水周期，5 d。np=219/（2×5）=22（個(gè)），根據(jù)支管?chē)婎^布置情況取為24 個(gè)。即每次同時(shí)噴灑的噴頭數(shù)為24 個(gè)，每條分干管上有3 條支管，每條支管上有8 個(gè)噴頭，則每組輪灌同時(shí)工作的分管為1 條，支管數(shù)為3 條。

系統(tǒng)流量為：Q=np×qn=24×1.77=42.4 m3/h 機(jī)井出水量為45 m3/h，42.48 m3/h＜45 m3/h，水量可滿足灌溉要求。

2.6 輪灌制度

將整個(gè)地塊按10 條分干管劃分為10 個(gè)小區(qū)。每次輪灌一條分干管，3 條支管，每次開(kāi)24 個(gè)噴頭。

2.7 確定各管段的設(shè)計(jì)流量

在輪灌方案確定之后，根據(jù)輪灌順序表確定各管段的設(shè)計(jì)流量。

2.7.1 支管設(shè)計(jì)流量

本次設(shè)計(jì)每條支管長(zhǎng)度112.5 m，每條支管?chē)婎^數(shù)為8 個(gè)，則支管設(shè)計(jì)流量＝1 個(gè)噴頭出水流量×噴頭個(gè)數(shù)=1.77 m3/h×8=14.16 m3/h。

2.7.2 干管設(shè)計(jì)流量

每次輪灌一個(gè)分干管，共24 個(gè)噴頭，總干管、干管、分干管流量均等于管道配水流量42.48 m3/h。

2.8 管道設(shè)計(jì)

2.8.1 管材的選取

通過(guò)經(jīng)濟(jì)比選后，管道選用UPVC 管，壓力等級(jí)為0.6 MPa。噴頭豎桿采用DN20 鍍鋅鋼管。

2.8.2 管徑的確定

初選管徑按公式：

式中：D為管道直徑，mm；Q為設(shè)計(jì)流量，m3/s，取0.0118；V為管內(nèi)流速，m/s，取1.5 m/s～2.5 m/s。經(jīng)計(jì)算：總干管、干管、分干管直徑選dn90、支管流量為分干管的一半，前段選取直徑為dn63，后段選取直徑為dn50。

2.8.3 管道水力計(jì)算

管道沿程水頭損失按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：hf為管道沿程水頭損失，m；f為摩阻系數(shù)，硬塑料管取0.948×105，鋼管取6.25×105；Q為管道設(shè)計(jì)流量，m3/h；L為管道長(zhǎng)度，m；D為管道內(nèi)徑，mm；m為流量指數(shù)，硬塑料管取1.77，鋼管取1.90；b為管徑指數(shù)，硬塑料管取4.77，鋼管取5.10。

局部水頭損失取為沿程水頭損失的0.1 倍。

噴頭豎桿采用DN20 鍍鋅鋼管，長(zhǎng)度2.5 m，露出地面1.8 m，通過(guò)計(jì)算噴頭豎桿需要壓力為1.07+1.8=2.87 m，噴頭工作壓力為20 m，則噴頭進(jìn)口需要壓力為22.87 m。整個(gè)系統(tǒng)所需水頭以最不利點(diǎn)所需水頭來(lái)控制。

2.9 首部樞紐設(shè)計(jì)

2.9.1 過(guò)濾器

在系統(tǒng)首部設(shè)置過(guò)濾器。因?yàn)樗礊榫?，含雜質(zhì)主要為泥沙，過(guò)濾器選用“離心式+網(wǎng)式”，即可滿足噴灌要求，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量42.48 m3/h，離心式過(guò)濾器型號(hào)選用LX-100，網(wǎng)式過(guò)濾器型號(hào)選用WSZ-100。離心式過(guò)濾器水頭損失取5 m，網(wǎng)式過(guò)濾器水頭損失取3 m，合計(jì)取8 m。

2.9.2 施肥系統(tǒng)

施肥罐容積根據(jù)以下公式計(jì)算：

式中：V為施肥罐容積,L；F為每次施肥單位面積施肥量，kg/hm2，取值為225；A為每天施肥面積，hm2，1.1；C初始為肥罐中肥液的初始濃度，kg/L，取值0.5。V=225×1.1/0.5=495 L，取500 L。

施肥系統(tǒng)包括：500 L 施肥桶、200 L 攪拌桶、控制箱、不銹鋼注肥泵兩臺(tái)。

2.9.3 其它設(shè)備

為方便檢修，在首部水泵前后設(shè)置手動(dòng)閘閥，同時(shí)裝有壓力表、排氣閥、止回閥等設(shè)備，水頭損失合計(jì)取1 m。為方便自動(dòng)化控制，在每個(gè)輪灌組首部均設(shè)置DN80 電磁閥。

2.9.4 水泵選型

水泵設(shè)計(jì)流量為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流量42.48 m3/h。

水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程：

式中：H泵為水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程，m；h過(guò)濾為設(shè)備及閥門(mén)管件水頭損失，8+4.1=12.1 m；h損失為最不利點(diǎn)干、支管水頭損失，11.59 m；h噴頭為噴頭處需要水頭壓力，為22.87 m。故水泵出口所需最大壓力水頭為46.56 m。

水泵及動(dòng)力機(jī)選配：水泵的選型根據(jù)設(shè)計(jì)工況需要的揚(yáng)程和流量確定，選用1 臺(tái)ISG65-200（I）A 型管道加壓泵。水泵額定流量為42.48 m3/h，揚(yáng)程44 m，配套功率11 kW。

2.10 自動(dòng)化控制系統(tǒng)

噴灌系統(tǒng)自動(dòng)化控制的主要設(shè)備有首部自動(dòng)化控制器、田間灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)等組成。首部自動(dòng)化控制器：首部自動(dòng)控制器可以對(duì)水泵啟動(dòng)柜、田間電磁閥進(jìn)行控制，保證向灌溉系統(tǒng)提供符合要求（壓力、流量）的水源。

田間灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)：建設(shè)82 畝的田間灌溉自動(dòng)化系統(tǒng)1 套，共計(jì)10 個(gè)控制點(diǎn)，田間灌溉自動(dòng)化系統(tǒng)由灌溉控制器、閥門(mén)控制器、電動(dòng)閥等組成。田間灌溉主要根據(jù)已制定的輪灌制度，自動(dòng)通過(guò)無(wú)線終端給無(wú)線閥控器下達(dá)啟閉指令，對(duì)閥門(mén)進(jìn)行遠(yuǎn)程啟閉操作，實(shí)施田間自動(dòng)灌溉，在出現(xiàn)連續(xù)干旱等極端天氣也可以人工干預(yù)進(jìn)行點(diǎn)片灌溉。

供電系統(tǒng)：電力供應(yīng)有電網(wǎng)供電、太陽(yáng)能供電等方式。首部測(cè)控設(shè)備和視頻設(shè)備采用電網(wǎng)直接供電。田間工程選用太陽(yáng)能電板+鋰電池供電。

3 工程效益

項(xiàng)目實(shí)施后，增產(chǎn)效益為2.58 萬(wàn)元/年，水利分?jǐn)傁禂?shù)取0.4，則可增產(chǎn)效益為1.03 萬(wàn)元/年。灌區(qū)內(nèi)灌溉方式由原來(lái)的明渠灌溉改造為噴灌，灌溉保證率可由原來(lái)的50%提高85%，灌溉水利用系數(shù)由0.47 提高到0.85，每畝地灌溉定額由40 m3/畝，減少至23.5 m3/畝，節(jié)省灌溉用水量40%以上。肥料隨噴灌水直接送達(dá)作物根系部位，易被作物吸收，減少對(duì)環(huán)境和土壤的污染，可做到適時(shí)適量對(duì)作物生長(zhǎng)極為有利，追肥期可提高肥效利用率20%以上，并可防止土壤板結(jié)。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)水肥一體化技術(shù)的實(shí)施，使農(nóng)民的用水方式實(shí)現(xiàn)了三個(gè)轉(zhuǎn)變：一是實(shí)現(xiàn)了大水漫灌向局部灌溉轉(zhuǎn)變；二是由傳統(tǒng)的“澆地”向現(xiàn)代的“澆作物”轉(zhuǎn)變；三是實(shí)現(xiàn)水肥同步，由過(guò)去的單一澆水向水肥營(yíng)養(yǎng)液轉(zhuǎn)變。同時(shí)可以減輕灌溉和施肥的勞動(dòng)強(qiáng)度，有利于農(nóng)村集約化生產(chǎn)和適度規(guī)模經(jīng)營(yíng)的發(fā)展，提高農(nóng)民對(duì)科學(xué)施肥和科學(xué)灌溉的認(rèn)識(shí)，提升農(nóng)民的科學(xué)種田水平，促進(jìn)農(nóng)民增收、能源節(jié)約、環(huán)境優(yōu)化。該項(xiàng)技術(shù)在提高水肥利用率，增加農(nóng)作物產(chǎn)量，降低生產(chǎn)成本的同時(shí)，提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)，增強(qiáng)農(nóng)產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，對(duì)發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)具有重要的促進(jìn)作用。