固定式噴灌在經濟作物灌溉中的設計和應用

趙士蜜

摘要：固定式噴灌系統常用于經濟作物。該系統主要特點是：水泵、輸水干支管和固定式噴頭。在水源保障的前提下，通過水泵流量和揚程選擇，根據經濟作物的灌溉制度和霧化指標，計算選擇主支管道直徑和噴頭參數，達到滿足經濟作物需水量目的。

關鍵詞：固定式噴灌；灌溉；設計應用

一、前言

五河縣國土面積1428km2，人口66.7萬，耕地面積109.8萬畝，其中流轉土地4.9萬畝，主要經營蔬菜瓜果等高價值的經濟作物。這些高經作物對灌溉制度和霧化指標等都有嚴格的要求。經營業主為了改善作物的生長條件，同時達到省工、省時效果，決定采用固定式噴灌，同時選擇小噴嘴噴頭滿足霧化。現就五河縣宇繁農業合作社的露天蔬菜種植區的噴灌設計和應用做一介紹。

（一）地形和水源

該露天蔬菜噴灌區位于五河縣頭鋪鎮境內的龍潭湖農場的南部，地勢平坦，南北長350m，東西寬210m，中部布置一條12米寬的生產道路，實際噴灌面積110畝。該片緊靠懷洪新河，計劃采用地下水作為灌溉水源。

（二）單并控制灌溉面積及機并數量確定

根據物探報告，物探區域均為第四系覆蓋，覆蓋層厚度最大達80米左右，砂層與粘土層互層。該水廠動水位20m，單井出水量為20-25M 3/h，設計采用常規井，井深40m，井徑Φ40cm。根據《機井技術規范》要求，單井控制灌溉面積由下式計算：

式中：F0—單井控制灌溉面積，畝

Q—單井出水量，取20m3/h；

t3—灌溉期間開機時間，取14h/d；

T2—每次輪灌期的天數，取3d；

η—灌溉水利用系數，井灌區取0.7；

η1—干擾抽水的水量削減系數，取0.1；

m2—每畝每次綜合平均灌水定額（m3）e

綜合平均灌水定額按夏季考慮。莖葉類需水量最大，灌水周期3天，每畝每次綜合平均灌水定額為10m3/畝。

將上述參數代入上式計算后得：F0=53.0（畝）。

b.井數的確定

N≥∑F=100÷53.0≈2眼。

c.井距的確定

井距按帶狀布置，公式如下：規劃布局機井間距為190m，并結合現有路溝布置，方便群眾生產和生活。

d.農用井結構

采用Φ40cm無砂砼管，濾水管孔隙率為20%左右，泥孔直徑700mm，宜井深度40m，并需采用級配濾料，采用礫石層，礫石層厚度一般為75-100mm濾料粒徑應為含水砂層粒徑的8-10倍。

（三）水質

根據附近地區的頭鋪水廠的物探資料及水質化驗情況，該地區地下水含量一般20-25m3/h，水質滿足農業灌溉要求。

根據機井控制面積的要求，該噴灌灌區共需布置4眼機井，每眼機井控制范圍為獨立的小灌區，干管對稱于機井布置，噴頭按正三角形布置，每眼井布置2條干管，布置支管12條，平均每條長94m，噴頭間距21.73m，所以每條支管上的噴頭個數為4個，共布置噴頭48個，站管高度2.0m，埋深0.5m.

（1）灌溉系統設計參數

根據設計規范及結合當地的實際情況，選用如下設計參數：

a：日耗水強度Ea：Ea=5.4mm/d

b：土壤濕潤比P：蔬菜滴灌取P=70

c：灌溉水的有效利用系數η≥0.90

d：土壤計劃濕潤層深度h：蔬菜取h=30cm

c：土壤容重1.4g/cm3

f-田間持水量，取18%（重量含水量）

g：土壤允許噴灑強度12mm/h

h：凋零系數14%

（2）露天蔬菜河灌區噴灌式低壓管道灌溉工程設計

1.選擇噴灌系統形式

露天蔬菜噴灌示范區種植作物為蔬菜等經濟作物，經濟價值高，考慮蔬菜灌水次數多，人工用量大，人工工資高及土地等因素限制，計劃采用固定管道式噴灌，現對輸水管道進行典型設計。

2.確定噴灑方式和噴頭組合形式

由于是固定式噴灌系統，為了節省管道決定采用全圓周噴灌，噴頭組合方式選用正三角形式布置。

3.噴頭的選擇

蔬菜要求水滴較小，噴灌質量好，根據種植種類選擇霧化指標，按國標規定的霧化指標：蔬菜及花卉4000～5000。由于決定采用全圓周噴灑，項目區土壤為壤土，土壤允許噴灑強度12mm/h；故選用ZY-2型金屬搖臂式系列噴頭。

ZY2系列噴頭噴灌設備參數

設計工作壓力為2.5bar；

設計射程：15.7m；設計流量：1.87m3/h

噴嘴尺寸：5.5mm 驅動方式：垂直擺臂

噴灌強度ρ全=1000qη/A=1000×1.87×0.9÷15.7÷15.7=6.83mm/h，小于該項目區的土壤允許噴灑強度12 mmm；

霧化指標：2.5×10÷5.5×1000=4545，滿足蔬菜的霧化指標4000～5000。

4.管材的選擇

噴頭的工作壓力為2.5bar，則要求管材能夠承受6-8bar的壓力即可，故管材選用PE管材，管道承壓為0.8MPa。

5.管網選擇與布置

噴灌管網采用主干管、支管二級管道布置。

根據管網布置原則，支管布置考慮水頭壓力差不大于20%，主干管沿灌區中部東西向布置，干管長350m；支管按梳子型布置，在保證均勻布設分管的前提下，支管南北方向布置，以利于蔬菜生長。按國標規定的霧化指標選取的噴頭最大射程15.7m，設計射程R設=O.BR=0.8×15.7=12.56m。噴頭按照全圓正三角布置。

支管間距b=1.5R設=1.5×12.56=18.84m；

噴頭間距為a=1.738設=1.73×13.12=21.73m。

該灌區共布置4眼機井，干管對稱布置于道路兩側，噴頭按正三角形布置，每眼井布置2條干管，布置支管12條，平均每條長94m，噴頭間距21.73m，所以每條支管上的噴頭個數為4個，共布置噴頭48個，站管高度2.0m，埋深0.5m。

6.灌水定額

該區土質為壤土，土壤容重r=1.4g/cm3，田間持水量β取18%（重量含水量），采用下列公式：

m=0.1rh（β1-β2），式中m：設計灌水定額（mm）；r：土壤容重，g/cm3；β1：適宜土壤含水量上限，取田間持水量的90%（重量含水量）；β2：適宜土壤含水量下限，應大于凋零系數，根據經驗取田間持水量的70%比較適宜；h：計劃濕潤層深度，取30cm。

計算得：m=0.1×1.4×30×（0.22×90-0.22×70）=16.42mm。

7.灌水周期

兩次灌水之間的時間間隔為灌水周期，計算公式為T=m/Ea，式中T：灌水周期（d）

Ea：臨界期日耗水量，取5.0-7mm/d，取夏、秋季耗水量大6mm/d；代入數據得：T=16.42÷6=2.73（d）取3d。

8.設計日灌水時間

根據噴灌管材技術規范要求，固定管道式農作物設計日灌水時間12-20h，考慮更換噴頭等因素限制，本設計選用12h。

9.一個工作位置的灌水時間

式中：t—一個工作位置灌水時間（h）

m—設計灌水定額（俐川

a—噴頭布置間距（m），根據正三角布置全圓周噴灌，噴頭間距為21.73m

b—支管布置間距（m），根據正三角布置全圓周噴灌，支管間距為18.84m

qp—噴頭設計流量（m3/h）。所選噴頭流量1.87m3/h

ηp—田間噴灑水利用系數，根據氣候條件可在下列范圍內選取：

風速低于3.4m/s，ηp=0.8-0.9

風速為3.4～5.4m/s，ηp=0.7～0.8

項目區多年平均風速3.4m/s，ηp取0.85

10.一天工作位置數

式中：nd—一天工作位置數

td—設計日灌水時間（h），選14h

t—一個工作位置灌水時間（h）

11.同時工作噴頭數

式中：np—同時工作噴頭數

nd—一天工作位置數

Np—灌區噴頭總數

Tp—灌水周期（d）

最多可供8噴頭同時工作。考慮支管每根3-4個噴頭。為方便管理，按每條支管同時工作，同時工作的噴頭按2×4=8個計算。為使本灌溉系統管理方便，且安全穩定的運行，在支管的首部設置控制井內安裝進水閘閥、減壓閥、進排氣閥、泄水閘閥安全保護裝置。

為避免管路破壞我們對田間的支管采用深埋處理，并根據《低壓管道輸水灌溉工程技術規范》計算，我們將大塊面積地塊的支管采用深埋處理，埋深80cm。

12.設計流量和設計水頭

噴灌系統的設計流量

式中：Q—噴灌系統設計流量（m3/h）；

qp—設計工作壓力下的噴頭流量（m3/h）；

np—同時工作的噴頭數目；

ηp—管道系統水利用系數，取值范圍：0.95～0.98，本設計選0.96；

13.噴灌系統設計水頭

H=Zd-Zs+hs+hp+∑hf+∑hj

式中：H—噴灌系統設計水頭（m）

Zd—典型噴點的地面高程（m）取13.5m

ZS—水源水面高程（m）取2.5m

hS—典型噴點的豎管高度恤）取2.0m

hp—典型噴點噴頭的工作壓力水頭（m），噴頭的工作壓力為2.5bar，即工作水頭25.0m

∑hf—由加壓水泵進水管到典型噴點噴頭進口處的管道沿程水頭損失（m）

∑hj—由加壓水泵進水管到典型噴點噴頭進口處的管道局部水頭損失（m）

14.管道水力計算

①沿程水頭損失

干管：噴灌區南北總長350m，為使干管沿程損失最小，計劃機井居中，干管對稱，長度為120m，按8個噴頭同時工作的最大管道流量14.96m3/h計算。

沿程水頭損失hf計算公式

式中：氣一管道的水頭損失，m；

f——摩阻系數，0.948×105

Q——管道流量（m3/h）；

d——管道內徑佃朋）

L——管道長度（m）；

m——流量指數，1.77

b——管徑指數，4.77

根據噴灌管材技術規范要求，管道最小流速不應低于0.3m/s，最大流速不應超過2.5m/s。綜合考慮流速和沿程水頭損失等因素，根據分析比較計算結果，干管管道直徑選用75mm，管道承壓均為0.8MPa。

每條干管上布置9個支管，多孔口系數根據公式

其中：

m—流量指數，取1.77

N—噴頭或孔口數，為9個

X—多孔支管首孔位置系數，即支管入口至第一噴頭（或孔口）的距離與噴頭（或孔口）間距之比，為14.64/18.84=0.67

則多孔口支管沿程水頭損失h'f=Fhf=0.4036*1.84-0.74m。

支管：支管最大布置長度為90m，每條支管安裝4個噴頭，因此而即將支管流量應按4個噴頭同時工作的最大管道流量7.48m3/h計算。

根據噴灌工程技術規范要求，校核設計計算式，管道最小流速不應小于0.3m/s，最大流速不應大于2.5m/s。分析比較上表，選用支管直徑50mmPE管道較為合適。管道承壓均為0.8MPa。每條分干管上布置4個支管，多空口系數根據公式

則多孔口支管沿程水頭損失h'f=Fhf=0.45×2.6=1.17m。

豎管：豎管長度2.0m，管道流量7.2m3/h，沿程損失

根據噴灌工程技術規范要求，校核設計計算式，管道最小流速不應小于0.3m/s，最大流速不應大于2.5m/s。分析比較上表，選用支管直徑32mmPE管道較為合適。管道承壓均為0.8MPa。

管道沿程損失總和為0.74+1.26+0.04=2.04m

②局部水頭損失hj按沿程水頭損失的10%～15%估算

hj=0.15*hj=0.15×2.04=0.3m

因此，噴灌系統的總水頭損失

H=Zd-Zs+hs+hp+∑hf+∑hj=13.5-2.5+2+25+2.04+0.3=40.34m

③水泵的選擇

本次規劃采用潛水泵直接提水加壓完成灌溉的方式。

泵的選型

a.加壓泵流量的確定：

根據以上計算，為滿足灌溉周期和灌水定額的要求，需要8個噴頭同時工作，因此，加壓泵的流量應大于等于8×1.87÷0.96=15.58m3/h。

b.加壓泵揚程的確定：

噴灌系統的總水頭損失為40.34m，根據S型單級雙吸離心泵性能參數表選用QS20-54/3-5.5型離心泵，流量20m3/h，揚程54m，配套電機5.5kw。

二、結束語

筆者通過工程設計和后期技術服務，發現宇繁農業合作社的露天蔬菜種植區的噴灌效果很好，因此有信心和理由相信，通過嚴謹工程設計、規范的工程施工和科學的經營管理，機井推廣固定式噴灌，為農作物提供適宜的水分和濕度，一定達到了省工省時、穩產高產的目標。