噴灌系統(tǒng)在寶雞市農(nóng)科院試驗(yàn)田升級(jí)改造工程中的應(yīng)用

董 妍

（岐山縣水利工作站,陜西 岐山 722400）

寶雞市農(nóng)科院現(xiàn)有耕地58.2 畝,為小麥育種示范基地,為了更進(jìn)一步提高育種水平,保證水肥適時(shí)供應(yīng),本次委托岐山縣水利工作站與岐山縣節(jié)水中心聯(lián)合借鑒現(xiàn)代化自動(dòng)升降噴灌技術(shù),完成水肥一體化噴灌節(jié)水工程設(shè)計(jì)。

1 基本情況

寶雞市農(nóng)科院位于岐山縣西南方向6 km處,海拔650 m,噴灌區(qū)地勢(shì)北高南低,面積58.2 畝,田面高差0.5 m。區(qū)內(nèi)種植以小麥為主,年平均氣溫11.0℃,最低氣溫-16℃,極端高溫38.9℃。降水量610 mm,主要集中在7 月、8 月、9 月三個(gè)月。每年冬季至春季為灌溉季節(jié)。灌溉期常見風(fēng)速2.5 m/s～3.4 m/s,主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)。

當(dāng)?shù)赝翆由詈瘛⑼寥婪N類為中壤,根據(jù)有關(guān)技術(shù)資料,土壤容重為1.47 g/cm3,田間持水性占干重的20%,土壤吸水能力10 mm/h,日耗水量5 mm/d。田間西南方向有75 m深機(jī)井一眼,出水量50 m3/h,水質(zhì)優(yōu)良,符合噴灌要求,供應(yīng)整個(gè)規(guī)劃園區(qū)作物用水,區(qū)內(nèi)供電設(shè)備系統(tǒng)齊全。

2 灌溉制度

灌溉制度是噴灌工程合理用水、編制用水計(jì)劃所必須的步驟。根據(jù)該地區(qū)自然環(huán)境、氣候變化和土壤結(jié)構(gòu)及墑情,充分收集該地區(qū)的第一手資料,并對(duì)旱作物單位面積上的一次灌水量和灌水周期,一次灌水時(shí)間進(jìn)行合理確定。

資料顯示,該區(qū)域土壤的干密度為1.47 g/cm3,并且濕潤層深度60 cm,土壤含水量的上下限取田間持水量的90%和70%,查附近同類工程,灌溉水利用系數(shù)為0.85,按照常規(guī)計(jì)算法則,確定設(shè)計(jì)灌水定額m設(shè)=0.1hγ（β1-β2）p/η=0.1×60×1.47×（0.9-0.7）×20/0.85=41.51 mm=415.1 m3/hm2,從而得出單位面積灌水量27.67 m3/畝。

本地區(qū)小麥的最大日均耗水量出現(xiàn)在分蘗期,此后耗水量持續(xù)下降,按照作物的日需水量7.2 mm記取,設(shè)計(jì)灌水周期通過計(jì)算為4.9 天。

按照前面得出的灌水定額和區(qū)域平均噴灌強(qiáng)度,確定一次灌水時(shí)間為t=41.51/10.99=3.78 h。

3 噴灌系統(tǒng)

依據(jù)設(shè)計(jì)思路并考慮區(qū)域?qū)嶋H情況,本設(shè)計(jì)選擇半固定式管道噴灌系統(tǒng),除了噴頭及豎管上下伸縮自由升降以外,其他組成部分均固定不動(dòng),用水時(shí)自動(dòng)升起,灌完后回縮地下,易于維修管理。

4 確定灌區(qū)的總體布置

項(xiàng)目區(qū)內(nèi)地勢(shì)平坦,田間小路東西貫穿,將該區(qū)分為兩大部分,北部30.24 畝,南部27.96 畝,整個(gè)設(shè)計(jì)區(qū)域共用一塊水源,兩區(qū)域各用閘閥井控制,方便運(yùn)行。

5 系統(tǒng)噴頭的選型與組合

首先,根據(jù)《農(nóng)業(yè)綜合節(jié)水技術(shù)》得知,在黃土高原地區(qū)壤土的允許噴灌強(qiáng)度為12 mm/h,設(shè)計(jì)要求噴灌系統(tǒng)的平均噴灌強(qiáng)度必須小于土壤的允許噴灌強(qiáng)度,為節(jié)省管道的布置和噴頭的數(shù)目,同時(shí)考慮噴頭的噴灑半徑,設(shè)計(jì)選用塑料噴頭,噴頭壓力為300 kPa,流量2 m3/h,射程12.5 m,噴嘴直徑5 mm。

接下來測(cè)算噴頭平均噴灌強(qiáng)度。平均噴灌強(qiáng)度等于千倍的單個(gè)噴頭流量與支管間距和噴頭間距乘積的比值來確定,即,這里按照常規(guī)做法結(jié)合以往的工作經(jīng)驗(yàn),支支管的間距一般為1.42 倍的噴頭射程,有效水噴灑系數(shù)采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)0.8,通過計(jì)算,結(jié)合風(fēng)向和田塊尺寸,支管的間距定為14 m和噴頭的間距13 m,為矩形布置。則ρ平均為10.99 mm/h,小于壤土的允許值12 mm/h,滿足要求。

本次噴灌系統(tǒng)覆蓋面積58.2畝,折合面積38819.4 m2。按照本區(qū)域?qū)ο到y(tǒng)要求的有效工作數(shù),不安排夜間運(yùn)行,系統(tǒng)工作時(shí)間與建設(shè)方溝通確定為11 h。

依照同時(shí)工作的噴頭數(shù)計(jì)算規(guī)則:

N噴=[38819.4/（14×13）]×[3.78/（4.9×11）]= 14.96個(gè),因此同時(shí)工作的噴頭數(shù)定為15個(gè)。

在27.96畝的噴灑區(qū)域內(nèi),由于支管的長度較長,一根支管的噴頭數(shù)為15 個(gè),支管數(shù)確定為1 支；在30.24 畝的規(guī)劃區(qū)域,支管的長度有長有短,具體的噴灌輪組中同時(shí)工作的支管數(shù)目和噴頭數(shù)目靈活取值,但不超過2 支。

6 支管的輪灌方式

在規(guī)劃設(shè)計(jì)中,兩塊田地分別灌溉。對(duì)27.96 畝的區(qū)域,進(jìn)行分組灌溉,同時(shí)工作支管一條,每天工作三組輪灌。根據(jù)前面確定參數(shù)可知,同時(shí)工作的噴頭數(shù)的最大數(shù)目為15 個(gè),而每個(gè)噴頭的設(shè)計(jì)流量為2 m3/h,則整個(gè)噴灌系統(tǒng)所需要的最大流量為30 m3/h。按照最不利的條件考慮,在選擇水泵揚(yáng)程時(shí)我們確定最大流量為30 m3/h。

7 主支管道設(shè)計(jì)

（1）支管設(shè)計(jì)

本次系統(tǒng)選擇的是半固定式管道噴灌,噴頭和豎管上下伸縮,考慮到腐蝕和土體壓力、造價(jià)等因素,選取聚氯乙烯PVC管道作為支管材料。與此同時(shí)也確定了對(duì)應(yīng)的摩阻系數(shù)f為0.948,管道最大流量按照30 m3/h記取,管徑指數(shù)b為4.77,流量指數(shù)m為1.77,區(qū)域最大管長L為190 m,安裝噴頭15只,根據(jù)沿程水頭損失計(jì)算公式,hf=f lQm/db結(jié)合《農(nóng)業(yè)綜合節(jié)水技術(shù)》規(guī)范,考慮一條支管多個(gè)噴頭,多口系數(shù)F為0.395,工作水頭壓力240 kPa,水頭25 m,經(jīng)計(jì)算,支管直徑D為66.78 mm,為安全起見,選擇75 mm的PVC-U聚氯乙烯管做為支管,公稱壓力選0.8 MPa,壁厚2.9 mm。

（2）干管設(shè)計(jì)

由于所規(guī)劃的區(qū)域很不規(guī)則,每個(gè)區(qū)域干管流量不同。在這里干管的流量按最大所需輪灌流量進(jìn)行考慮,所有的分干管都按最大考慮,所以當(dāng)干管流量為30 m3/h時(shí),干管最大長度為90 m,且考慮噴灌對(duì)管道流速的要求,選擇經(jīng)濟(jì)流速ν為1.3 m/s時(shí),按照干管選擇公式：

D=90.4 mm,實(shí)選管徑110 mm,公稱壓力0.8 MPa,壁厚3.4 mm,干管選擇聚氯乙烯材質(zhì)。

8 管道系統(tǒng)各控制點(diǎn)的壓力計(jì)算

（1）對(duì)支管進(jìn)口的壓力水頭進(jìn)行計(jì)算

本設(shè)計(jì)最大水頭差產(chǎn)生在支管首末段噴頭間,所以用末端噴頭入口壓力作為計(jì)算基礎(chǔ)。小麥株高較低,選擇內(nèi)徑為50 mm,外套管60 mm長度1.3 m,不銹鋼管長1.25 m（含噴頭高度）總長為2.55 m的伸縮管,f=0.861×105。由于地形平坦,實(shí)測(cè)支管入口與末端的高差為0.5 m,噴頭的工作水頭以豎管上距噴頭進(jìn)口0.15 m處的壓力水頭計(jì)算,根據(jù)支管入口的壓力水頭等于支管相應(yīng)管段的沿程水頭損失,加上支管入口地面高程到工作壓力最低的噴頭處的高程差再加0.9倍的噴頭設(shè)計(jì)工作壓力水頭 ,得出支管入口的壓力水頭需要41.25 m。

（2）干管配水段入口壓力水頭測(cè)算

一條干管段的沿程水頭損失按hf=f lQm/db計(jì)算,

帶入?yún)?shù),hf=2.21 m,局部水頭損失0.1×2.21 =0.22 m,則該段的水頭損失為2.43 m,所以配水段的水頭壓41.25+2.43=43.68 m.

（3）主干管的入口壓力水頭計(jì)算

主干管入口接水泵出口,其所需要的壓力水頭等于干管入口的壓力水頭加上由入口到水泵出口之間的損失及兩者之間的高程差。H干=43.68 m,測(cè)定ΔZ=1.2 m,主干管壓力水頭45.63 m。

9 噴灌系統(tǒng)揚(yáng)程確定

灌區(qū)水源井深度75 m,靜水位48 m,動(dòng)水位60 m,抽水管道DN100 鋼管,長66 m,管道水損0.76 m,井內(nèi)取水口及各類彎頭、濾水設(shè)施形成的局部損失按經(jīng)驗(yàn)值取3.0 m,水位差62 m。潛水泵需要滿足噴灌系統(tǒng)的H揚(yáng)=45.63+2.03+3.0+62=112.66 m。

水泵及動(dòng)力機(jī)的選擇。水源地原有潛水泵及變頻設(shè)施各1套,潛水泵揚(yáng)程80 m,小時(shí)流量60 m3,水泵功率22 kW,提水于地面后,設(shè)有管道加壓泵1臺(tái),流量60 m3/h,揚(yáng)程50 m,水泵功率11 kW,本次供水接此水源,主管入口壓力水頭45.63 m,設(shè)計(jì)流量確定為30 m3/h。

10 結(jié)論

本文首先對(duì)岐山縣灌區(qū)的自然條件進(jìn)行簡要論述,然后對(duì)水肥一體化噴灌節(jié)水工程的具體內(nèi)容進(jìn)行論述,確定該工程的灌溉系統(tǒng)、輪灌方式、主支管道布置及揚(yáng)程,結(jié)果可供類似工程參考。