大棚蔬菜微噴灌系統典型工程設計實例

李永剛 秦海霞

（1.黃河勘測規劃設計有限公司 河南鄭州 450003；2.河南省水利科學研究院 河南鄭州 450003)

1 前言

微噴灌是以小流量進行局部高頻灌溉的一種灌水型式，其灌水均勻，灌溉水利用率高，一般僅濕潤作物和植物根區附近的土壤，能顯著減少地表水分蒸發，節水效果顯著，并可適時適量供水供肥，使作物根系活動層土壤一直處于良好的水、熱、氣和養分供給狀態，能改善田間小氣候和作物生長環境，易于調節土壤濕潤體內鹽分濃度，為作物增產和改善品質提供有力條件，特別適合于蔬菜大棚、苗圃、花卉等灌溉。

典型區位于中牟縣北部狼城崗鎮瓦坡村，為黃河中下游沖積扇南翼之首，區內地勢比較平緩，以蔬菜種植為主，灌溉水源為地下水，單井出水量約32m3/h，水質符合農業灌溉用水要求。現以單眼井所控制的大棚蔬菜微噴為例闡述微噴灌設計具體步驟。

2 工程設計方案

2.1 系統總體布局

微噴灌系統由水源工程、首部樞紐、輸配水管網和灌水器四部分組成。典型區灌溉水源為地下水，單井控制面積 8hm2；系統首部主要包括200QJ32-65/5型水泵、變頻調速控制柜、3"離心+網式過濾器，施肥灌、控制閥、進排氣閥等，其作用是從水源取水增壓并將灌溉水處理成符合灌溉要求的水流送給輸配水管網；系統輸配水管網由干管、分干管、支管、毛管及安全、控制和調節裝置組成，其作用是將首部樞紐處理過的水安全合理的輸送分配到灌水器；采用的是241T吊旋微噴頭。

2.2 技術參數選取

灌溉設計保證率：85%；土壤濕潤比：P=70%；設計耗水強度：Ic=5.5mm/d；灌溉水利用系數：η =0.85；計劃濕潤層深度：Z= 0.35m；灌水小區流量偏差： qv=20%；微噴灌的允許灌水強度取：p允=15mm/h。

3 灌溉制度的確定

3.1 設計凈灌水定額

式中：

m—設計凈灌水深度，mm；

β—土壤中允許的缺水量占土壤有效持水量的比例，取27%；

Fd、ω0—田間持水量和凋萎系數，項目區為輕壤土，田間持水量取32%，凋萎系數取9%。

計算得設計凈灌水定額 m=15.21mm。

3.2 設計灌水周期

式中：

Ia—設計補水強度，等值于設計耗水強度，5.5mm/d；

計算得設計灌水周期為2.7天。

3.3 一次灌水延續時間

式中：

t一次灌水延續時間，h；

Se—灌水器間距；

Sl—毛管間距；

Qp—微噴頭流量。

設計噴頭選用241T旋轉微噴頭，工作壓力Hp為 220Kpa，微噴頭流量Qp為 48L/h，射程R為 3.1m。毛管間距和灌水器間距均確定為3m，經計算，一次灌水延續時間t=3.4h。

3.4 單井控制面積

式中：

A—灌溉面積，hm2；

Q—單井出水量，m3/h，為32m3/h；

Ia—設計補水強度，等值于設計耗水強度，5.5mm/d；

t—單井日工作時數，h/d，取16h/d；

η—灌溉水利用系數，取0.85。

經計算，單井控制面積A=7.9hm2。典型區大棚規格100m×10m，間距0.5m，則設計綜合確定單井控制面積為8.0 hm2，單眼井控制76個大棚。

4 管路設計

4.1 布置原則

工程管網布置遵循下列原則：根據項目區土壤、作物、氣候等條件，盡量立足當前，兼顧長遠，選擇固定式系統；干管采取雙向分水布置形式，要做到管線平順，盡量減少拐彎、起伏現象，力求使管道總長度最短，在平面和立面上盡量減少轉折；應避免穿越障礙物，并避開地下電力、通信等設施。水源分配均勻一致，避免管道之間出現流量過于集中和過于分散的狀況，滿足各用水單位需要，能迅速分散水流，管理維護方便。輸配水管道沿地勢較高位置布置，支管宜垂直于作物種植行布置，毛管宜順作物種植行布置。

4.2 支、毛管水頭差分配與毛管極限長度確定

4.2.1 支、毛管水頭差分配

當qv=20%時，灌水小區允許水頭差為：

式中：

hmax—灌水小區中灌水器最大水頭(m)；

hmin—灌水小區中灌水器最小水頭(m)；

ha—灌水器設計水頭，為22m；

qv—灌水小區流量偏差，為20%；

x—流態指數，為0.5；

［△h］—灌水小區允許的最大水頭差(m)。

計算可得hmax=28.09m，hmin=19.03 m，［△h］=9.06m。

根據支、毛管水頭差分配比

式中：

［△h］毛—灌水小區中毛管允許的最大水頭差(m)；

［△h］支—灌水小區中支管允許的最大水頭差(m)。

計算可得［△h］毛=4.98 m、［△h］支=4.07 m。

4.2.2 毛管極限長度

毛管極限長度為：

式中：

L毛—毛管的極限長度(m)；

S—微噴頭間距(m)；

INT—取整符號；

［△h］毛—灌水小區中毛管允許的最大水頭差(m)；

d—毛管內徑，為15.4mm；

R—水頭損失擴大系數，R取1.1；

qa—微噴頭流量(L/h)。

計算可得：L毛=60m。

4.3 管網布置與輪灌組劃分

4.3.1 毛管布置

每座大棚從中部沿長邊分別布置3根毛管，毛管允許單向鋪設長度60m，實際單向鋪設長度46.5m，毛管間距3m，毛管上微噴頭間距3m，一根毛管上布置16個微噴頭。

4.3.2 干、支管布置

干管采用Φ110的PVC管；分干管采用Φ50的PVC管，垂直于干管方向布置在兩座大棚中間，分干管由球閥控制向支管雙向供水；支管采用Φ32的PE管垂直于毛管方向布置，每座大棚中間布置一條支管，向兩側毛管配水，支管長度為8.25m。

4.3.3 輪灌組劃分

系統允許的最大輪灌組數為：

式中：

Nmax—系統允許的最大輪灌組數(個)；

C—系統日最大運行時數(h)，取16h；

T—灌水周期(d)；

t—一次灌水延續時間(t)。

計算可得：Nmax=13個。

每座大棚從中部沿長邊分別布置3根毛管，一根毛管上布置 16個微噴頭，一座大棚布置 6根毛管，則單個大棚設計流量：

Q棚=6×16×48=4608L/h=4.6 m3/h

根據機井出水量Q井=32m3/h，同時可以進行微噴灌的大棚數量N=Q井/ Q棚=6.96（個)，約以7個大棚為一個輪灌組。由前文計算單井同時可控制約76個大棚，故可劃分為11個輪灌組，小于系統允許的最大輪灌組數為 13個。單井可同時控制42根毛管672個微噴頭同時工作，按輪灌組順序輪灌即可。

5 管網水力計算

5.1 毛管實際水頭損失

微灌管道內的水流屬于光滑紊流，常采用下式進行計算：

式中：

Δ h毛—毛管水頭損失(m)；

Q—流量(m3/h)；

D—管道內徑(mm)；

L—管道長度(m)；

F—多口系數；

R—水頭損失擴大系數，R取1.1。

每條毛管流量為：

q毛=16×48/1000=0.768m3/h；多口系數，經查取0.376，毛管內徑15.4mm。經計算毛管實際水頭損失為2.32m。

因此，毛管進口水頭為：

5.2 實際分配給支管的水頭差

式中：

△h支實際—支管實際水頭差(m)；

［△h］—灌水小區允許的最大水頭差(m)；

h毛實際—毛管實際水頭差(m)。

由上式計算可得：

5.3 支管管徑與支管進口水頭計算

5.3.1 支管流量

式中：

Q —某級管道的設計流量，L/h；

qi—第i號微噴頭平均流量，48L/h ；

n —同時工作的滴頭個數

一根支管控制6根毛管，一根毛管上布置16個微噴頭，則支管流量為Q支=6Q毛=6×16×48×0.001=4.6m3/h。

5.3.2 支管管徑

其中：

D—管道內徑(mm)；

Q—設計流量(m3/h)

經計算，管道內徑為27.9mm。根據計算結果，支管管徑選定為φ32mm，支管長8.25m。

5.3.3 支管進口水頭：

支管是沿程多口出流管道，其水頭損失需采用多口系數修正。管道水頭損失包括沿程水頭損失與局部水頭損失兩部分。為簡化計算，在計算沿程水頭損失時采用加大系數法把局部水頭損失估算在內。簡化后的管道水頭損失計算式為：

計算公式為：

式中：

F—多口系數，經查取0.401；

R—水頭損失擴大系數，R取1.1；

其他符號意義同上。

經計算支管水頭損失h支=0.49m＜△h支實際，滿足要求。

則支管進口水頭為：

5.4 干管管徑及干管進口水頭計算

5.4.1 管徑選擇

分干管：由系統工作制度可知，一根分干管控制兩座大棚，則分干管流量為2×4.6=9.2m3/h。按照經濟流速法計算公式，經計算管道內徑為39.4mm。根據計算結果，分干管管徑選定為50mm，工作壓力0.6Mpa，管道內徑為45.4mm。

干管：干管流量原則上為水泵出水量即：Q干=32m3/h，按照經濟流速法計算公式，經計算管道內徑為73.54mm。根據計算結果，并考慮項目區以后擴大生產的需要，干管管徑選定為110mm，工作壓力0.8Mpa，管道內徑為102.2mm的PVC管。

5.4.2 進口水頭

干管、分干管分別選取距水源點最遠端的距離計算沿程水頭損失，其長度分別為干管202m、分干管55m。

管道水頭損失包括沿程水頭損失與局部水頭損失兩部分，同上采用加大系數法計算水頭損失。簡化后的管道水頭損失計算式為：

式中：

f—系數，由管材決定，為0.948×105；

Q—流量，Q干=32m3/h，Q分干=9.2 m3/h；

m、b—指數，m=1.77，b=4.77；

L—管道長度；

R—水頭損失擴大系數，R取1.1

經計算，分干管水頭損失為3.63m，干管水頭損失為2.40m。

則干管進口水頭為：

5.5 系統揚程確定

首部樞紐水頭損失（包括過濾器、控制閥、施肥裝置、泵管等)按△h首部=10m估算，項目區機井動水位與井口地面參考點高差按20m計，微噴頭離地高度為2.5m，由上式計算可得系統總揚程：H=27.82+10+20+2.5=60.32m。

5.6 水泵選型及動力配套

根據以上計算，系統揚程60.32m，典型區機井出水流量32m3/h，查水泵性能表，擬選用水泵型號200QJ32-65/5，配套功率為9.2kw。

6 結論

當前我國水資源十分緊缺，怎樣用好寶貴的水資源，使其產生更大的經濟效益顯得尤為重要。微噴灌作為一種高效節水灌溉工程型式，不僅能省水、省肥、省時，而且具有節能、增產等優點，還能控制棚內溫度、濕度、減少病蟲害發生，提高作物產量與質量，在設施農業和特色農業種植中值得推廣應用。在進行微噴灌工程設計時，首先弄清水源情況，做好系統總體規劃布局，再根據種植作物進行灌溉制度設計，由管網水力計算得出系統所需揚程從而進行水泵選型。

1.鐘志強.微噴灌技術在馬跡嶺灌區中的應用（J).黑龍江水利科技，2012（10).

2.洪艷，李家振等.簡述微噴灌技術在大棚灌溉系統中的應用（J).科學技術，2010（2).

3.王鳳民，張麗媛.微噴灌技術在設施農業中的應用（J).地下水，2009（11).

4.朱春陽.滴灌在高效節水農業工程中的應用設計（J).湖南水利水電，2010（4).

5.水利部農村水利司，中國灌溉排水發展中心.微灌工程技術[M] .鄭州：黃河水利出版社，2012.

6.水利部農村水利司，中國灌溉排水發展中心.節水灌溉工程實用手冊[M] .北京：中國水利水電出版社，2005.

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