洮南市農(nóng)田噴灌系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)

劉 玲

(洮南市河道堤防管理站，吉林洮南 137100)

1 基本概況

洮南市農(nóng)田噴灌項(xiàng)目區(qū)位于市南部微波狀平原區(qū)，該區(qū)受松遼凹陷和大興安嶺隆起共同影響，表層淤積了幾十米近百米的第四系松散沉積巖。地下水廣泛存在于第四系地層中，第四系含水層包括顧?quán)l(xiāng)屯組潛水層，白土山組半承壓含水層以及兩者之間的大青溝組弱隔水層，共同組成的多含水層越流系統(tǒng)。白土山組半承壓水是本區(qū)的主要開采層，含水層一般厚4～10 m。含水層頂板埋深30～42 m，含水層巖性大部分為砂礫石，透水性好，單井涌水量大部分為50～100t/h·m，礦化度一般＜0.5g/L，水化學(xué)類型為重碳酸鈣型，符合農(nóng)田灌溉用水標(biāo)準(zhǔn)。

2 總體規(guī)劃

噴灌項(xiàng)目區(qū)現(xiàn)有農(nóng)田面積為7 988 hm2均為旱田，本次規(guī)劃設(shè)計(jì)主要在市南部12個(gè)村新增噴灌面積1 815 hm2，以地下水作為灌溉水源。本項(xiàng)目實(shí)施后，以玉米為例，灌溉增產(chǎn)按277 kg/666.7m2計(jì)算，單價(jià)按1.4元/666.7m2計(jì)算，年可增產(chǎn)玉米754.13萬(wàn)kg，增收1055.78萬(wàn)元，水利效益分?jǐn)傁禂?shù)按0.6計(jì)算，則水利效益為633.47萬(wàn)元。

規(guī)劃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為噴灌系統(tǒng)灌溉保證率為85%，灌溉水利用系數(shù)為0.85。

3 噴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 灌溉定額的確定

灌溉定額采用數(shù)據(jù)是依照我市“農(nóng)田灌溉調(diào)查報(bào)告”的數(shù)據(jù)，作物水量引用白城地區(qū)農(nóng)科所的資料，降雨資料為洮南市氣象站實(shí)測(cè)資料，規(guī)劃區(qū)主要以種植玉米為主，根據(jù)《節(jié)水灌溉技術(shù)規(guī)范》，水資源缺乏地區(qū)，灌溉定額可根據(jù)作物不同生育階段對(duì)水的敏感性，采用灌關(guān)鍵水、非充分灌溉等方式分析計(jì)算如下:

玉米生育期5月10日—9月25日內(nèi)多年平均降雨量為326.1 mm(1965—2000年36 a降水資料)，作物生育期需水量為415 mm關(guān)鍵水，相差88.9 mm，按36 a降水資料分析 P=85%(降雨量為244 mm)的保證率，作物缺水171 mm，因此確定P=85%時(shí)灌溉定額為112 m3/666.7m2，見表1。

表1 灌溉定額表(凈定額) m3/666.7m2

3.2 系統(tǒng)布置

本著高標(biāo)準(zhǔn)又經(jīng)濟(jì)實(shí)用，充分發(fā)揮工程效益的原則，經(jīng)幾種方案比較，確定采用輕小型移動(dòng)式噴灌。

考慮當(dāng)?shù)匾研纬傻奶锪志W(wǎng)工程，機(jī)井布置在各單元地塊中心，控制面積3.67 hm2，管路布置采用豐字型，即干管為垂直于垅向鋪設(shè)，噴灑支管與壟向保持一致，井泵設(shè)在干管的中間。

3.3 單井灌溉面積確定

擬定每天每眼井凈工作時(shí)間9 h。水泵出水量按30 t/h計(jì)，噴灌水利用系數(shù)0.9，群井影響系數(shù)按0.85考慮，則:

取3.67 hm2。

式中:F為單井控制面積;Q為水泵出水量為30m3/h;T為輪灌周期7 d;t為每天凈開機(jī)時(shí)間9 h;η為噴灌水利用系數(shù)0.9;η1為干擾抽水水量削減系數(shù)為0.15;m為每次灌水定額為24 m3/666.7m2

3.4 噴頭的選擇與組合

根據(jù)噴灌設(shè)備廠提供的噴頭產(chǎn)品，及多年來(lái)對(duì)噴灌設(shè)備使用的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)試算，確定選擇PYS20A－D型噴頭，其性能指標(biāo)見表2。

表2 PYS20A－D型噴頭性能指標(biāo)

霧化指標(biāo):HP/d=100X300/8=3750，滿足大田作物霧化程度在3000－4000要求。

由于當(dāng)?shù)仫L(fēng)向不定且風(fēng)力較大，噴頭的組合形式采用正方形等間距布置，a=b=15 m。干管長(zhǎng)191 m，支管長(zhǎng)95.5 m支管上安裝7個(gè)噴頭。噴頭組合后運(yùn)行方式屬單支管多噴頭同時(shí)噴灑情況，按最不利情況考慮，當(dāng)風(fēng)向變化至平行支管時(shí)噴灌強(qiáng)度最大，根據(jù)《噴灌工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》提供的公式:

式中:P為設(shè)計(jì)噴灌強(qiáng)度，mm/h;Cp為布置系數(shù)，查《噴灌工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》表10－1;Cp=Л/{Л－Лarccos(a/2R)/90+a［1－(a/2R)］/};其中 a=15，b=15，R=20，計(jì)算 Cp=2.13;Kw為風(fēng)系數(shù)，查《噴灌工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》表10－2;Kw=1.12V0.302，V=3.5m/s，計(jì)算Kw=1.64;Ps為無(wú)風(fēng)情況下單噴頭全圓噴灑的設(shè)計(jì)噴灌強(qiáng)度，mm/h;Ps=1000q/ЛR2，q為噴頭流量，3.94m3/h，Ps=3.14 mm/h;根據(jù)《噴灌工程技術(shù)規(guī)范》，砂壤土允許噴灌強(qiáng)度15 mm/h，將有關(guān)數(shù)據(jù)代入上式后計(jì)算得出:

組合后的噴灌強(qiáng)度滿足要求

3.5 噴灌工作制度

以玉米噴灌為典型示例進(jìn)行計(jì)算灌水周期

式中:T為設(shè)計(jì)灌水周期，d;m為設(shè)計(jì)灌水定額，mm;以玉米為例m=35 mm;Ep為作物日耗水量，mm/d，(以玉米為例Ep=4.5 mm/d);η為噴灑水利用系數(shù)，η=0.85。

計(jì)算 T=6.6 d，取 T=7 d

一次噴灌時(shí)間

噴頭在工作點(diǎn)噴灑時(shí)間采用下式計(jì)算:符號(hào)同上，經(jīng)計(jì)算t=2.15h。

噴頭每日可噴灑的工作次數(shù)

輕小型全移動(dòng)噴灌機(jī)組，本有一套干、支管，支管在一個(gè)作業(yè)區(qū)工作完畢，需進(jìn)行支管移動(dòng)、折裝及噴頭的啟閉，考慮噴灌后的耕地泥濘，不好作業(yè)，因此確定支管兩次作業(yè)間隔時(shí)間為1.0 h，每天工作時(shí)間為12 h。

則噴頭每日可噴灑的工作次數(shù)為:

n支=12/(2.15+1.0)=3.81，取4 次

同時(shí)工作的噴頭數(shù)

式中:N為同時(shí)工作的噴頭數(shù);F為典型區(qū)噴灌面積3.67 hm2;ab為噴頭組合間距，a=b=15 mm;T為設(shè)計(jì)灌水周期，T=7;n為一天工作的支管數(shù)

經(jīng)計(jì)算N=6.07，取7，取同時(shí)工作一個(gè)支管。

3.6 輪灌方案

干、支管均進(jìn)行輪灌，在一條干管的未端一側(cè)，布置一條支管作業(yè)，作業(yè)完畢移動(dòng)支管在干管未端另一側(cè)布置作業(yè)，支管沿干管依次向地塊中心移動(dòng)，該干管噴灌完后，按同樣的方式噴灌另一干管。

3.7 管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.7.1 管材與管徑的選擇

干、支管管材采用維塑軟管。支管管徑選擇根據(jù)(噴灌工程技術(shù)規(guī)范)規(guī)定，同一條支管任意兩個(gè)噴頭間的工作壓力差應(yīng)在設(shè)計(jì)噴頭工作壓力的20%以內(nèi)，用公式表示為:

式中:hw為同一支管上任意兩噴頭間支管段水頭損失加上2個(gè)豎管水頭損失之差，m;hp為設(shè)計(jì)噴頭工作壓力，m。

根據(jù)上式進(jìn)行試算，確定支管管徑為65 mm。

干管管徑的確定采用經(jīng)濟(jì)法初選管徑，項(xiàng)目區(qū)以柴油機(jī)為動(dòng)力，其經(jīng)濟(jì)管徑公式為:

式中:D為干管經(jīng)濟(jì)管徑，mm;tn為干管每年最多工作小時(shí)數(shù)223.4 h;Xd為柴油6.47元/Kg;Q為干管設(shè)計(jì)流量27.58 m/h;Kaβ 為系數(shù)和指標(biāo)，值為 11、0.15、0.43; γ/γ'為為管價(jià)比0.3;D為修正后的經(jīng)濟(jì)管徑，mm。

根據(jù)系統(tǒng)壓力要求，管材的規(guī)格與布置，并經(jīng)計(jì)算，確定干管管徑為75.4 mm。

3.7.2 管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水源井配柴油機(jī)、水泵提水，通過(guò)干管、支管把有壓水輸送到灌溉地段，利用噴頭將水均勻地噴灑在作物上。

3.8 噴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量和設(shè)計(jì)揚(yáng)程的確定

設(shè)計(jì)流量:

式中:Q為噴灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流量，m3/h;q為設(shè)計(jì)工作壓力下的噴頭流量，3.94 m3/h;∩p為同時(shí)工作的噴頭數(shù)7個(gè);∩管為管道輸水利用系數(shù)，0.99;則Q=27.86m3/h。

設(shè)計(jì)揚(yáng)程:軟管沿程水頭損失采用硬塑料系數(shù)計(jì)算，并按實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)另加10%損失。

式中:H為噴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)水頭，m;Zd為典型噴點(diǎn)的地面高程，m;Zs為水源井動(dòng)水位(井深45m，動(dòng)水位為15m，井深30m，動(dòng)水位為10米);hs典型噴點(diǎn)的豎管高度，2 m;hp為典

3.9 水泵選擇

根據(jù)Q設(shè)=27.86 m3/h、H揚(yáng)=56.80 m或54.80 m，水泵擬選用150JC30－9.5/7型噴灌泵，動(dòng)力為15馬力柴油機(jī)，其性能指標(biāo)見表3。

表3 水泵性能表

4 結(jié)語(yǔ)

采用上述規(guī)劃設(shè)計(jì)方法直觀，比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單，計(jì)算準(zhǔn)確，農(nóng)田采用該設(shè)計(jì)方法進(jìn)行施工安裝，達(dá)到了規(guī)劃設(shè)計(jì)要求，噴灑效果比較理想。需要推廣應(yīng)用噴灌等節(jié)水灌溉技術(shù)，抓好規(guī)劃設(shè)計(jì)工作是關(guān)鍵，才能保證節(jié)水灌溉工程達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

［1］吳普特.現(xiàn)代高效節(jié)水灌溉設(shè)施［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

［2］蔣恩臣.農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化［M］.北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2003.

［3］張樂(lè)元，張小娜.噴灌技術(shù)淺析［J］.山西水利，2011(8):23 －25.

［4］姚素梅，康躍虎.噴灌與地面灌溉條件下冬小麥籽粒灌漿過(guò)程特性分析［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011(7):146－149.