榆樹市環城鄉夏寶村旱田噴灌工程設計

謝鴻雁，趙 清，劉鴻濤

（1.榆樹市水利勘測設計處，吉林榆樹130400；2.長春市新立城水庫管理局，吉林 長春 130019；3.長春工程學院，吉林 長春 130012）

1 設計原則

夏寶村旱田灌溉系統規劃設計所遵循的原則是節水性、節能性、經濟性、可靠性和實用性。由于這些原則之間存在著相互制約的關系,有時難以同時得到滿足,在這種情況下,本次設計明確以滿足節水性為首要原則,將節水性作為本工程最需要解決的問題,經方案比較，采用噴灌系統作為本工程的主要形式。

2 水源及水量平衡分析

2.1 水源供水量

根據項目區水文地質條件,項目區地下水主要補給來源是側向徑流補給。依據《吉林省榆樹縣農田供水水文地質勘察報告》和《吉林省榆樹市區域水文地質調查報告》成果資料。

地下水側向徑流補給量計算公式為：

式中：Q側補—地下水側向徑流補給量，萬m3/a；K—滲透系數，取80 m/d；I—天然水力坡度，取0.17%；M—含水層平均厚度，m，取20 m；L—補給斷面長度，m，按不同含水地段垂直承壓水流向的最大過水斷面分別取值進行計算，累計值LⅢ1=1 800 m。

經計算該項目區地下水資源總量為178.71萬m3/a，可開采利用量為169.77萬m3/a。

2.2 灌溉制度

采用吉林省水利水電勘測設計研究院2008年所作的 《榆樹市松榆灌區續建配套與節水改造工程規劃報告》中成果資料，其旱田灌溉制度及灌水率見表1。

表1 旱田灌溉制度表及灌水率表

2.3 水量平衡

項目區灌溉面積為0.01萬hm2，灌水定額為2 700 m3/hm2，灌溉水利用系數按0.784計算，灌溉用水量為34.44萬m3。項目區開發利用地下水資源,目前已開采利用量為5.5萬m3/a，還有164.27萬m3/a尚待開發。扣除本次利用，尚余水129.83萬m3，本區處于地下水易采區,因此項目區水資源滿足工程要求。

3 噴灌工程設計

本工程是以地下水為水源的噴灌工程，其灌溉設計保證率采用90%。

3.1 機電井設計

3.1.1 單井控制面積的確定

根據項目區水文地質條件及當地的實際情況，項目區成井深82 m，單井出水量為80 m3/h，井型采用混凝土管井。

根據SL256-2000《機電井設計規范》，水泥管井單井控制面積按下式計算：

式中：F0—單井控制面積，hm2；Q—單井出水量，m3/h，取70 m3/h；t3—灌溉期間每天開機時間，取18 h；T2—每次輪灌期的天數，取8 d；η—灌溉水利用系數，取0.833；η1—干擾抽水的水量削減系數,取0.2；m2—每公頃每次綜合平均灌水定額，m3/hm2，取 645 m3/hm2。

經計算得：F0=10.4 hm2，取單井控制面積為10 hm2。

3.1.2 井距和井數的確定

根據項目區現有地塊條件，井的布置基本呈方形排列，井距按下式計算:

式中：L0—井距，m；F0—單井控制面積，hm2；

經計算得井距為316 m，即設計最小井距應不小于316 m。

項目區設計控制面積100 hm2，每眼井控制面積10 hm2，因此需打井數為10眼。

3.2 噴灌系統設計

3.2.1 系統選型

項目區種植作物為大田作物，根據當地的氣候條件和運行管理等因素綜合分析，確定采用全移動管道式噴灌系統，即干管、支管均采用移動式PVC涂塑管。

3.2.2 噴頭選型

選用PY1S20噴頭，其工作參數見表2。

3.2.3 間距布置

噴頭布置間距按正方形布置，設計風速小于3.4 m/s（三級風以上停噴）。滿足均勻系數大于75%條件下的最大組合間距射程比Ka=Kb=0.9，a=b=0.95R=0.95×19=18 m。

表2 PY1S20噴頭性能參數表

參數校核如下：

1）霧化指標。

式中：Wh—噴頭的霧化指標；HP—噴頭工作壓力水頭，m；d—噴頭主噴嘴直徑，m。

經計算：Wh=4 286＞3 000，滿足《噴灌工程技術規范》要求。

2）噴灌強度。夏寶村旱田土壤允許噴灌強度為ρ允=10 mm/h。

設計噴灌強度是系統在實際運行時的組合噴灌強度,根據單噴頭全圓噴灑的噴灌強度計算，即實際噴灌強度按單行多噴頭同時工作計算，計算公式為：

式中：ρS—單噴頭全圓噴灑的噴灌計算強度，mm/h；q—噴頭流量，m3/h；R—噴頭射程，m；Cρ—影響噴灌強度的組合系數1.82；Kω—影響噴灌強度的風系數1.37。

經計算 ρ=6.64 mm/h。ρ＜ρ允，滿足要求。

3.2.4 噴灌系統布置

項目區以機電井為單元，共分10個單元，根據地形條件和地塊形狀布置管道系統，以2號井為典型布置如下：

水源井位于地塊的中間。干管沿壟向方向布置，全長210 m，每條干管設12個支管位置，每節長度18 m；支管與壟向垂直布置，單根支管長110 m，每條支管設6個噴頭位置，噴頭間距18 m。

3.2.5 參數設計

1）設計噴灌定額。由夏寶村旱田灌溉制度得知，旱田設計最大灌水定額645 m3/hm2，即64.5 mm。

2)設計灌水周期。按下式計算：

式中：T—噴灌周期天，d；m—設計噴灌定額，mm；η—噴灌水利系數，0.833；E—土壤水分消耗強度，7 mm/d。

經計算T=7.68 d，取噴灌周期為8 d。

3.2.6 噴灌工作制度

1）噴頭在1個位置工作時間：

式中：t—一個工作位置的灌水時間，h；m—設計灌水定額，mm；a—噴頭布置間距，m；b—支管布置間距，m；qp—噴頭設計流量，m3/h；ηp—田間噴灑水利用系數，0.85。

經計算t=8.1 h，即一個工作位置工作時間為8.1 h。

2）日工作時間和每天移動的次數：

式中：nd—一天工作位置數；td—設計日灌水時間，h。

設計日灌水時間為灌水工作時間,加上支管的移動、拆裝及噴頭的啟動時間，每天的工作時間按18 h計算，支管的移動、拆裝及噴頭的啟動時間按1 h算，每天移動的支管次數為 （18-1）÷8.1=2.1次，取2次。

3）同時工作支管數和噴頭數：

式中：np—同時工作噴頭數；NP—灌區噴頭總數。

典型的地塊每眼井設48條支管位置，取輪灌周期為8 d，每天6條支管位置工作。同時工作支管數6÷2=3條，同時工作噴頭數np=18個。

3.2.7 管道系統設計

1）設計流量計算：

式中：Q—噴灌系統設計流量，m3/h；qp—噴頭設計流量，m3/h；ηG—管道系統水利用系數，0.98；np—同時工作噴頭數。

計算得：Q=55 m3/h。

2）管徑選擇。

a.支管管徑的選擇：同一根支管任意兩個噴頭間的工作壓力差應在設計噴頭工作壓力的20%以內，用公式表示為：式中：hW—同一支管上任意兩個噴頭間支管段水頭損失加上兩豎管水頭損失之差，一般情況下可用支管段的沿程水頭損失代替，m；△Z—兩噴頭的進水口高程差（當下游噴頭位置高時取正值，反之取負值），m；hp—噴頭設計工作壓力，30 m。

本設計兩噴頭的進水口高程差為-2～1.5 m，則 hW≤0.2×30-△Z=8～4.5 m。

式 中 ：f—摩 阻 系 數 ，0.948×105；L—管 長 ，m；Q—管中流量，m3/h；m—流量指數，1.77；d—管內徑，mm；b—管徑指數，4.77。

計算得：d≥63.3 mm，采用2.5英寸管，型號為 63.5TS-06,內徑為63.5±2.2 mm。

3）設計水頭計算：

式中：H—噴灌系統設計水頭，m；Zd—典型噴點的地面高程，m；Zs—水源水面高程，m；hs—典型噴點的豎管高度3 m；hp—典型噴點噴頭的工作壓力水頭30 m；Σhf—由水泵進水管至典型噴點噴頭進口處之間管道的沿程水頭損失，m；Σhj—由水泵進水管至典型噴點噴頭進口處之間管道的局部水頭損失，m。

a.沿程損失公式：

式中系數同前。hf=0.948×105×LQ1.77/d4.77。典型區干管 Q=55 m3/h，L=210 m，d=101.6 mm；支管 Q=18.49 m3/h，L=110 m，d=63.5 mm。

計算得 hf=hf干+hf支=6.4+4.6=11 m。

b.局部損失公式：

式中：ξ—局部阻力系數 90°彎管 0.3,三通 1.5；v—管道流速，m/s；g—重力加速度,9.8 m/s2。

典型區干管流速1.88 m/s，支管流速1.62 m/s。局部損失包括：1個 90°彎管，1個干管三通，6個支管三通。

計算得 hj=0.3×1.882÷(2×9.8)+1.5×1.882÷(2×9.8)+6×1.5×1.622÷(2×9.8)=1.53 m。

典型區計算H=218.4-168.6+3+30+11+1.53=95.33 m，取設計水頭95 m。

3.3 水泵及動力設備配套

根據設計流量55 m3/h和設計水頭95 m選用水源井水泵型號為250QJ50-100/5型泵，配套功率22 kW。

4 結語

該噴灌系統的建成將解決夏寶村農業灌溉靠天吃飯的現狀，改變夏寶村農業改善水利設施現狀，提高農業生產水平。噴灌系統不僅節約灌溉用水量,符合我國建設節水型社會的目標，而且大大減輕了勞動強度,同時解決了傳統地面灌溉灌溉水利用系數低的缺點,有利于改善田間氣候，是一種值得推廣的灌溉方式。