組合式雙支管多噴噴灌系統及最佳灌溉參數設計

謝成海

（中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130021）

1 工程概況

完善的灌溉系統是保證農田產量的重要因素，而節水灌溉作為高標準農田的標準配置，始終是建設重點。本項目選取了某塊面積約3.33 hm2的田地作為試驗對象，目標是設計一款適合在當地推廣的節水灌溉系統，共涉及耕地面積超過0.097萬hm2。經過對比，在兼顧經濟性和實用性的基礎上，采用組合式雙支管多噴噴灌系統灌溉，具體參數根據現場試驗進行優化。

2 組合式雙支管多噴噴灌系統設計

2.1 灌溉系統總體布置形式

傳統的輕小型移動式噴灌機組存在噴頭間距難以調節，且不適合丘陵地區灌溉要求等缺點，因此，本項目設計開發了一款組合式雙支管噴灌系統，其本質是將傳統的“一字形”布置改進為“一主+雙支（多對）”的灌溉模式（見圖1）。該模式的優點主要表現在以下3個方面［1］。第一，用戶可根據地形、地塊、風向和風力等情況，通過調整雙支管和噴頭實現矩形、三角形等不同地形的噴灑。第二，在經濟欠發達地區，或者應急抗旱時，可直接利用支管漫灌。第三，每個噴頭均與支管單獨連接，可更好地適應地形變化，而且管道水力損失小，噴頭工作壓力穩定，總體能耗低。

2.2 關鍵部件設計

管道和噴頭連接件是影響移動式噴灌系統使用便捷性的關鍵因素之一，本項目針對原有部件進行改進，具體如下。

2.2.1 快速連接管件。傳統連接件通過三通將噴頭、管道、支桿等裝置連接，在安裝和拆卸時過程煩瑣，而且稍不注意，連接件內會侵入泥土，影響連接效率，甚至出現部件損壞的情況。針對這種實際問題，本項目將其改進為快速連接管件，噴頭和管道連接處使用浮球式結構，立桿插入即可通水，拔出則自動密封，實現了快速安裝和拆卸［2］。

2.2.2 固定底座。灌溉水進入土壤后會使土地變松軟，如果固定底座強度不夠，會在風力和旋轉力的作用下傾倒，直接影響噴灌系統的正常工作。為解決這一問題，重新設計了支座，具體結構由底盤、可移動固定板、定位螺栓和立管定位器組成。在實際應用時，支座可依靠自重和插地尖頭保證整個裝置的穩定性；底盤上的2片可移動板可對供水管起到固定作用，而移動立管定位螺栓可避免供水管因噴頭旋轉而傾斜［3］。

2.3 管道配置方式拓展設計

輕型移動式噴灌系統的主要特征是適應性強，能夠根據不同水源位置、不同形狀地塊進行靈活調整。根據實際應用可知，當噴頭數量超過10個后，若僅僅是采用組合式雙支管形式，會大大增加管道沿程水頭損失，造成末端噴頭壓力不足。因此，需在組合式雙支管的基礎上進行拓展［4］。

2.3.1 “一字形”與組合式雙支管結合。當灌溉地塊為長方形且面積較小時，則直接沿著地塊中線安設1根干管，雙支管依次排開，但要求總噴頭數不能超過10個（即5對）。

2.3.2 “梳齒形/豐字形”與組合式雙支管結合。當灌溉地塊面積較大時，管網一般采用梳齒形或豐字形與組合式雙支管結合布置。前者適用于水源位于地塊邊緣處；后者適用于水源位于地塊中心位置，且地塊長度較長時（見圖2）［5］。

3 最佳灌溉均勻性目標參數設計

灌溉均勻性是評價灌溉質量的重要參數之一，其影響因素包括噴頭、管道分布、工作壓力和轉速等。本項目主要通過現場對比試驗來設計最佳灌溉參數。

3.1 噴頭工作壓力設計

噴頭工作壓力一旦變化，會直接影響噴頭的噴水距離、水量分布等參數，對灌溉均勻性有著直接影響。因此，對比市場上最常見的15PY和20PY 2種噴頭在不同工作壓力下的水量分布情況，設計最佳灌溉參數，具體結果如圖3所示。

由圖3可知：①對于同一型號噴頭，在不同壓力下，噴灑水量基本一樣，均呈現先升高后降低的趨勢，水量最大位置均位于距離噴頭60%射程處，其中15PY噴頭水量最大位置在距離圓心9.5 m處，20PY噴頭水量最大位置在距離圓心11.0 m處；②對于同一型號噴頭，當工作壓力增大時，主要對50%射程內的水量有影響，尤其是15PY，在0.20 MPa（噴灌水深3.0 mm/h）和0.35 MPa（噴灌水深4.5 mm/h），距離噴頭5.0 m處水量差距可達50%；③隨著工作壓力增加，噴水量增大，但使用20PY后增大量并不明顯［6］。

圖3 不同工作壓力下噴頭水量噴灑曲線

綜上，筆者建議15PY和20PY噴灌工作壓力均控制在0.30 MPa，基本可兼顧灌溉均勻性和運行能耗。

3.2 噴頭間距設計（矩形布置）

噴灌系統噴頭間距是一項重要的設計內容。而這一參數也需要和噴頭工作壓力進行結合試驗。本項目以15PY和20PY噴頭為研究對象，分析其在不同壓力下最優噴頭間距，具體結果如圖4所示。

由圖4可知：①對于同一型號的噴頭，在同一壓力下，當逐漸加大噴頭間距時，不均勻性基本能維持在70%左右；②當15PY型噴頭工作壓力為0.20 MPa時，噴頭間距最大不超過16 m，其他壓力下最大間距可擴大至18 m；③20PY型噴頭間距一旦超過某一數值，灌溉均勻性會大幅度下降，其中0.30 MPa下的最大間距為23.5 m，0.35 MPa下的最大間距為22.0 m，0.40 MPa下的最大間距為24.4 m［7］。

圖4 不同噴頭間距下均勻性曲線

綜合分析，筆者建議15PY和20PY噴灌系統最佳噴頭間距分別為16 m和22 m。無論何種壓力下均能保證灌溉均勻性處于一個較大數值。

3.3 水滴直徑沿射程分布規律

水滴直徑越大，對農作物和土壤打擊力度越大，會影響農作物正常生長發育，造成土壤水土流失、結塊等問題，因此，水滴直徑越小越好。但該值與工作壓力有著根本聯系，因此，以水滴直徑作為標準，驗算上文得到的0.30 MPa噴頭壓力是否合適［8］。

以0.25、0.30、0.35 MPa 3個相接近參數為分析對象，驗證在該噴灌壓力下水滴直徑的分布情況，測試裝置示意圖如圖5所示。由于不同噴灌壓力直接影響水滴速度，在此以水滴速度為分析對象［9］。

圖5 水滴直徑測試裝置圖

3.3.1 0.25 MPa時水滴直徑分布。由圖6可知，隨著水滴速度增大，水滴直徑增大，噴射的距離越遠。在0.25 MPa壓力下，水滴直徑在1.0～2.5 mm占比80%左右。最大水滴直徑為3.4 mm，最大速度值為8.5 m/s，但其水滴量很少，其影響可忽略不計。經過試驗可得，在0.25 MPa下，最外圈農作物不會在水滴打擊下發生傾倒、折斷問題，壓力值滿足使用要求。

圖6 0.25 MPa時水滴直徑分布

3.3.2 0.30 MPa時水滴直徑分布。由圖7可知，在0.30 MPa壓力下，最大水滴直徑增大到3.6 mm，水滴速度最大值為8.7 m/s，水滴直徑在1.0～2.5 mm的比重占60%左右，2.5 mm以上的水滴占比顯著增加，但大于3.0 mm直徑的水滴量不多，其影響程度有限。經過試驗可得，在0.30 MPa下，最外圈農作物未在水滴打擊下發生傾倒、折斷問題，壓力值滿足使用要求。

圖7 0.30 MPa時水滴直徑分布

3.3.3 0.35 MPa時水滴直徑分布。由圖8可知，在0.35 MPa壓力下，最大水滴直徑增長大到3.9 mm，水滴速度最大值為8.8 m/s，水滴直徑在1.0～2.5 mm的比重占55%左右，2.5 mm以上的水滴占比顯著增加，而且大于3.0 mm直徑的水滴量較多，集中于最外圈，其影響程度較大。經試驗可得，在0.35 MPa下，最外圈農作物在水滴打擊下存在傾倒、折斷問題，壓力值較大，不適合作為作物生長初期的灌溉參數。

圖8 0.35 MPa時水滴直徑分布

綜合分析，在滿足灌溉面積的情況下，建議噴頭壓力值在0.25 MPa；為了提高灌溉效率，最大壓力值不得超過0.30 MPa。當植物過了抽穗期后，則不必再考慮水滴直徑對植物的影響，而且此時水滴對土壤的傷害也會被農作物抵消很大一部分，因此，壓力可以再適當增大。

4 最佳灌溉制度設計

經過調查試驗區域水文資料，該地區多年平均降雨量約為448.6 mm，其中夏季（7—9月）降水量占70%以上，種植作物以小麥、玉米為主，要求濕潤土層深度不小于50 mm（本項目按照60 mm計算）［10］。

4.1 灌水定額設計

灌溉標準以農作物最大需水量計算，其中小麥日最大需水量（抽穗期和灌漿期）為3.5 mm/d，玉米日最大需水量（抽穗期）為4.5 mm/d，因此，本項目作物的最大需水量按照4.5 mm/d計算，玉米各生育期需水量見表1。

表1 玉米各生育期需水量

由于項目區田間主要土質為沙壤土，土壤容質量約為1.35 g/cm3，要求田間持水率保持在25%以上（本項目按照27%計算），凋萎系數值為0.45，設計土壤含水率以田間持水率為標準，上、下限分別為標準值的0.9倍和0.7倍。以此為根據，參照公式（1）［11］計算出灌水定額為Mmax=33 mm，灌溉周期為6 d。

式（1）中：γ為土壤容質量，g/cm3；z為土壤計劃濕潤層深度，mm；p為設計土壤濕潤比，%；θmax為土壤含水率上限，%；θmin為土壤含水率下限，%。

4.2 噴灌灌溉制度的確定

為了計算簡單，本項目按照“時歷法”結合實踐經驗，確定玉米歷年的灌溉制度，以最不利年份為典型年。通過大量試驗并分析，得出結論：試驗區域玉米灌溉次數為4次，每667 m2每次灌水定額設計值10.0～20.0 m3，每667 m2凈灌水定額為62.7 m3，毛灌水定額為72.41 m3，詳細的灌溉制度見表2［12］。

表2 試驗區域玉米（噴灌）灌溉制度設計

5 結論

進入21世紀以來，我國大力發展節水灌溉工程，目前覆蓋率已在60%以上，剩下的一些耕地因經濟性和施工因素影響，不適合建設固定或半固定節水灌溉設施。因此，大力發展輕型、可移動組合式雙支管多噴噴灌系統成為必然。該系統兼具組合靈活、拆卸方便、投資少及效果好等優點，可適用于偏遠地區或面積不規則地塊等。