牡丹江市黑木耳節(jié)水灌溉工程微噴灌設(shè)計(jì)

曹晨華，崔曉陽(yáng)

(1. 牡丹江市水務(wù)科學(xué)研究院，黑龍江 牡丹江157000;2. 牡丹江市城區(qū)水土保持辦公室，黑龍江 牡丹江157000)

1 工程項(xiàng)目概況

牡丹江市愛(ài)民區(qū)北安鄉(xiāng)黑木耳節(jié)水灌溉工程位于牡丹江市西北側(cè)，牡丹江一級(jí)支流三岔河中游河谷地帶。項(xiàng)目區(qū)距牡丹江市區(qū)25 km。

工程建設(shè)內(nèi)容為建設(shè)黑木耳露地微灌36 hm2，由水源工程、田間微噴灌工程、輸配電工程組成。水源工程全部采用大口井，共12 眼，出水量15 m3/h; 田間微噴灌工程管道系統(tǒng)布置分為干、支、毛管。干、支、毛管布置都在地面，毛管上安裝微噴頭。輸配電線路4 km。

2 水資源評(píng)價(jià)及供需平衡分析

2.1 水資源概況

項(xiàng)目區(qū)內(nèi)主要河流為三岔河，三岔河全長(zhǎng)29 km，流域總面積為221.36 km2，該流域多年平均徑流深150 mm，多年平均徑流量可達(dá)3 321 萬(wàn)m3，項(xiàng)目區(qū)地表水量較豐富，只是年內(nèi)分配不均，在農(nóng)作物生長(zhǎng)期的4—7月，三岔河水量滿足不了大地生產(chǎn)灌溉的需要，需補(bǔ)充水源解決農(nóng)作物生長(zhǎng)期灌溉用水的需要。

根據(jù)牡丹江市水務(wù)科學(xué)研究院1999年《牡丹江市三道關(guān)鄉(xiāng)三岔河水庫(kù)初步設(shè)計(jì)報(bào)告》，項(xiàng)目區(qū)位置以上三岔河控制面積89 km2，多年平均徑流量為1 335 萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)保證率P=80%時(shí)徑流量為662 萬(wàn)m3。

2.1.1 水資源總量

全區(qū)多年平均地表水資源量為1.74 億m3/a，地下水多年平均補(bǔ)給量為2 930 萬(wàn)m3/a，可開(kāi)采量為2 010 萬(wàn)m3/a。補(bǔ)給模數(shù)14.33 萬(wàn)m3/km2·a

2.1.2 水資源開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀

牡丹江市城區(qū)2006年全區(qū)總用水量4.91 億m3，其中地表水為4.858 億m3，地下水為500 萬(wàn)，在總用水量中，農(nóng)業(yè)用水量為2 960 萬(wàn)m3。

從水資源總量和已開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀實(shí)際分析，牡丹江來(lái)水量51.9 億m3，全區(qū)開(kāi)發(fā)利用量5.8 億m3，尚有89%的水資源量沒(méi)有開(kāi)發(fā)利用，為項(xiàng)目區(qū)灌溉提供了充足的水資源保證。

2.2 供需平衡分區(qū)

項(xiàng)目區(qū)所規(guī)劃的黑木耳節(jié)水灌溉項(xiàng)目灌溉水源為同一條自然河流，土地連片集中，故水資源平衡應(yīng)做為一個(gè)區(qū)域進(jìn)行平衡。

2.3 水量供需平衡分析

根據(jù)項(xiàng)目區(qū)開(kāi)發(fā)任務(wù)，確定黑木耳節(jié)水灌溉項(xiàng)目節(jié)水灌溉面積36 hm2。

經(jīng)計(jì)算項(xiàng)目區(qū)年用水量為33.75 萬(wàn)m3，僅占三岔河年來(lái)水總量(662 萬(wàn)m3) 的5.1%，因此年來(lái)水總水量滿足用水要求，只是年內(nèi)分配不均，在黑木耳生長(zhǎng)的4—7月份缺水。建議利用地下水作為配套水源來(lái)滿足黑木耳節(jié)水灌溉項(xiàng)目用水。

3 典型工程設(shè)計(jì)

根據(jù)項(xiàng)目區(qū)氣候、水資源、地塊形狀、作物種植、耕作方向、水源位置等，選擇節(jié)水灌溉模式為露地微灌，微灌作物為黑木耳。選取典型工程位于愛(ài)民區(qū)北安鄉(xiāng)三道關(guān)村二組沿三岔河北岸的灘地上，共12 hm2。

3.1 微噴灌系統(tǒng)典型設(shè)計(jì)

3.1.1 微噴灌首部樞紐設(shè)計(jì)

該典型設(shè)計(jì)規(guī)劃4 眼大口井，根據(jù)地質(zhì)條件確定大口井深9.5 m，直徑2.2 m，出水量15 m3/h以上。全部采用微噴灌方式灌溉黑木耳，每眼井成一個(gè)單獨(dú)的灌溉系統(tǒng)，首部樞紐系統(tǒng)一套，其中包括過(guò)濾器、壓力表、止回閥等各1 只。考慮微噴灌水源是地下水水質(zhì)較好，但也需要過(guò)濾，選取的過(guò)濾器為篩網(wǎng)式過(guò)濾器，篩網(wǎng)過(guò)濾器規(guī)格為WS－160 ×50，數(shù)量1套，每只流量為5 ～20m3/h，查性能曲線可知，當(dāng)流量為15 m3/h，水頭損失為3.5m。在過(guò)濾器出水管后面安裝出水管，將水輸送入干管進(jìn)行灌溉。

3.1.2 微噴頭及支管布置形式

根據(jù)木耳的種類(lèi)，微噴灌區(qū)的木耳畦的大小等條件，以及微噴灌的田間組合情況和運(yùn)行方式，確定噴頭的噴嘴直徑和噴頭工作壓力，選用噴頭型號(hào)。微噴頭采用S－0055 型旋轉(zhuǎn)式微噴頭，性能見(jiàn)表1。

選用q =0.12 m3/h 的噴頭，該噴頭霧化指標(biāo)能滿足木耳的用水要求。該區(qū)土壤為砂壤土，允許噴灌強(qiáng)度ρ =8mm/h。根據(jù)該區(qū)的風(fēng)力、風(fēng)向狀況，按照風(fēng)速小于3.4 m/s的情況制定設(shè)計(jì)方案。采用全園噴灑、三角形組合，組合間距a =4 m，b =4.6m，支管垂直哇向布設(shè)，毛管平行畦向布置。

表1 噴頭性能表

當(dāng)a =4 m，b =4.6 m，設(shè)計(jì)ρ =5.46 mm/h，滿足土壤允許條件。

為提高管道的利用率，降低設(shè)備投資，采取輪灌的方式進(jìn)行灌溉。采用閘閥控制進(jìn)行輪灌，灌完后再開(kāi)啟下一組閘閥，進(jìn)行下一區(qū)片的灌溉。

本設(shè)計(jì)采用4.6 m間距( 設(shè)計(jì)風(fēng)速內(nèi)) 布置，能滿足均勻系數(shù)Cu≥75%要求。

3.1.3 管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1) 管材與管徑的選擇。根據(jù)目前市場(chǎng)現(xiàn)有規(guī)格，干管選用D75PE 管，支管選用D63PE 管，毛管選用D25PE 管。

2) 管道系統(tǒng)的平面布置。根據(jù)畦向，干管平行畦向布置，支管垂直畦向布置，毛管平行畦向布置。根據(jù)當(dāng)?shù)囟嗄攴N植黑木耳的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際情況，確定畦高0.15 m，長(zhǎng)60 m，寬2 m，兩塊畦之間距0.6 m。兩塊畦之間布置一條毛管，每眼大口井控制面積30 hm2，井布置在地中間，采取輪灌的灌溉方式。干管一條，長(zhǎng)120 m，在干管上布置4 條支管，長(zhǎng)80.5 m，總長(zhǎng)322 m。在支管上布置毛管長(zhǎng)60 m，在支管入口處2.3 m布置第1 條毛管，以后沿支管每隔4.6 m布置一條毛管，每條支管共計(jì)布置36 條毛管( 兩側(cè)布置毛管，每側(cè)18 條) ，毛管總長(zhǎng)78 278 m;在毛管入口處2 m布置第1 只微噴頭，以后沿毛管每隔4 m布置一只微噴頭，每條毛管共計(jì)布置15 只微噴頭。

支管布設(shè)的是否合理，可用同一支管上任意兩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)進(jìn)行校核，用公式表示為:

3) 管道系統(tǒng)的布置。管道系統(tǒng)布置分為干、支、毛管，干、支、毛管布置都在地面，毛管上安裝微噴頭。干管、支管、毛管聯(lián)接用管件聯(lián)接。干、支、毛管全部安裝閘閥控制灌溉。

4) 毛管長(zhǎng)度。由以下公式確定:

式中: Nm為毛管允許最大灌水器數(shù)目; d 為毛管內(nèi)徑，mm; k為毛管局部阻力損失加大系數(shù)，1.2 ～1.25; qd為－噴頭流量，l/h; s 為毛管上灌水器間距，m; hd為滴頭工作壓力水頭，m; hv為灌水單元內(nèi)允許灌水器工作水頭變差率; Lm為毛管允許最大長(zhǎng)度，m; s0為毛管進(jìn)口至第一個(gè)灌水器的距離，m。通過(guò)計(jì)算得: Nm=15; Lm=87 m。取毛管長(zhǎng)度60 m，作為設(shè)計(jì)長(zhǎng)度。

3.1.4 管道的水力計(jì)算

1) 干管沿程水頭損失計(jì)算公式為:

式中: hf為沿程水頭損失，m; f 為沿程摩擦系數(shù); L 為管道長(zhǎng)度，L =265m; Q 為流量，Q =15.2 m3/h; d 為管道內(nèi)徑，d =75 mm;通過(guò)計(jì)算: hf=3.5。

支管沿程水頭損失:選取對(duì)系統(tǒng)最不利的支管計(jì)算沿程水頭損失，最不利的支管長(zhǎng)L1=140 m( d =63 mm) ，通過(guò)計(jì)算: hf=13.4 m。

對(duì)于多毛管分支管的沿程水頭損失'計(jì)算公式為:

多口系數(shù)F =0.376

通過(guò)計(jì)算: hf=5.1 m

2) 管道的局部水頭損失的計(jì)算公式為:

選取局部水頭損失為沿程水頭損的10%，作為設(shè)計(jì)的沿程水頭，則局部水頭損失: ∑hj=4.9 m( 其中包括過(guò)濾器水頭損失)

3) 微噴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)揚(yáng)程的計(jì)算公式為:

式中: H 為系統(tǒng)設(shè)計(jì)揚(yáng)程，m; H0為最不利輪灌組所要求干管進(jìn)口工作壓力，m; △Hj－為干管進(jìn)口至水源的水頭損失，m;Zd為干管進(jìn)口處的地面高程，m; Zsp為水源動(dòng)水位，m; 根據(jù)現(xiàn)有大口井地下水位情況，井動(dòng)水位深4 m左右。通過(guò)計(jì)算:H =22.6 m

3.1.5 水泵與動(dòng)力機(jī)選配

通過(guò)以上計(jì)算: 得知Q =15 m3/h，H =22.6 m，根據(jù)設(shè)計(jì)揚(yáng)程及流量選擇大口井潛水泵，型號(hào)為150QJ20－40/6－4，其配套功率為4 kW。該水泵流量20/h，揚(yáng)程40 m，水泵滿足設(shè)計(jì)要求。

3.1.6 微噴灌工作制度

1) 每日工作制度的確定，根據(jù)木耳生長(zhǎng)規(guī)律要求，一般灌水時(shí)間為上午4—9 時(shí)，下午5—10 時(shí)，共計(jì)10 h。

2) 輪灌方式及分組，根據(jù)地塊形狀，系統(tǒng)壓力情況，微噴灌管工作條數(shù)等條件確定輪灌編組。每次灌溉8 條毛管，上午和下午各灌水時(shí)間0.5 h。

4 結(jié) 論

該節(jié)水灌溉項(xiàng)目區(qū)的建成后，將使36 hm2黑木耳田在節(jié)水灌溉措施和先進(jìn)農(nóng)藝措施的綜合作用下，成為高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效農(nóng)田。同時(shí)，與傳統(tǒng)的地面灌溉相比，年畝均節(jié)水180 m3/666.7 hm2，則 本 項(xiàng) 目年 可 節(jié) 水9.72 萬(wàn)m3，節(jié) 能2.18 萬(wàn)kW·h，節(jié)約電費(fèi)1.64 萬(wàn)元。工程達(dá)到設(shè)計(jì)能力時(shí)，在農(nóng)業(yè)技術(shù)措施相同的情況下，每年可增加黑木耳產(chǎn)量32 400 kg，新增產(chǎn)值為162 萬(wàn)元。

［1］牡丹江市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院. 牡丹江市三道關(guān)鄉(xiāng)三岔河水庫(kù)初步設(shè)計(jì)報(bào)告［R］. 牡丹江: 牡丹江市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，1999.

［2］鄭耀泉，劉嬰谷，金宏智. 噴灌微噴設(shè)備使用與維修［M］. 北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2000.