節水灌溉水肥一體化微噴灌系統設計分析

焦文娟

(水利部新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

我國水資源分布極為不均，尤其是作為糧食主產區的新疆供水壓力巨大。雖然新疆擁有水資源總量832億m3，但新疆全面降水量比較匱乏，且農業地域廣闊。同時，由于新疆植被覆蓋面積較少，加上近年來生態環境破壞嚴重，冰川儲水量減少，造成農業灌溉用水越來越少。為此，大力發展節水灌溉是緩解水資源供求矛盾的主要途徑之一，同時也是減少灌溉作業勞動強度、保證農民種地積極性的重要措施。

1 工程概況

2019年，新疆某地區全年農作物種植面積達到9.79萬 hm2，該地區是新疆重要的糧食、種植基地。但經統計：目前該地區水資源總量約為2.4億m3，人均水資源占有量僅為新疆人均水平的55%，年平均用水缺口為600萬m3～800萬m3，屬于新疆區域內嚴重缺水市(縣)之一。在此，選取某一個地塊作為試驗場所，設計一套適應該地區的水肥一體化噴灌系統。

2 水肥一體化微噴灌系統結構原理分析

水肥一體化微噴灌系統是將灌溉和施肥合為一體，不用再去田間單獨施肥，大大節省了勞動強度，該系統首部結構示意圖見圖1[1]，主要運行原理為：灌溉水通過水泵進入主管道，同時另一個水泵也會從肥料罐中將肥料液(固體廢料用水溶化稀釋)送入主管道，之后含有肥料溶液的灌溉水被輸送至噴灌帶內進入田地，整個過程只需要保證系統運行順利即可。而且整個系統規模小、重量輕，可放置在電動或機動三輪車上靈活移動[2]。

注：1為灌溉水源；2、4、8為過濾裝置；3、9為水泵；5為主管道；6為進水管；7為肥料罐；10為流量表；11為壓力表；12為控制裝置。

3 水肥一體化微噴灌系統設計分析

為設計一套適合應用的水肥一體化微噴灌系統，技術人員在新疆某區域選取一塊23畝田塊作為試驗場。參照其他地區工程經驗，本次設計的整套灌溉系統主要技術指標見表1。下面針對該灌溉系統主要組成部分進行詳細分析設計[3]。

表1 水肥一體化微噴灌系統主要技術指標

3.1 水泵參數設計

(1)水泵流量設計

水泵流量由灌水定額m來確定，這是最重要的灌溉參數，決定了灌溉水量、灌溉制度等，計算公式[4]：

m=Z·P·(θmax-θmin)/η

式中：Z為計劃土壤濕潤層深度，400 mm；P為滴灌設計土壤濕潤比，65%；θmax、θmin為適宜土壤含水率，η分別取90%、70%；η為滴灌水利用率，90%。

經計算m=57.8 mm，等于35.9 m3/畝，最后取整為36 m3/畝。本項目所設計的水肥一體化噴灌系統一次最大灌溉面積1000 m2，灌溉時間為1 h，因此水泵需要滿足的最大流量為54 m3/h[5]。

(2)水泵工作壓力設計

水泵壓力是保證灌溉水量的重要參數，其主要由系統首部水頭損失和干管工作壓力組成，其中干管一般選用聚乙烯管，管徑為100 mm，額定工作壓力為50 m。系統首部水頭損失H總=干管沿程水頭損失h沿+局部水頭損失h局+過濾系統水頭損失(廠家給定參數5 m)h濾+微噴帶水頭損失h噴，其中h沿計算公式[6]：

式中：v為干管內水流速度，1.6 m/s；D為干管管徑，0.1 m；L為干管長度，50 m；λ為管道水阻系數，0.013；g為重力加速度，9.8 m/s2。

經計算h沿≈0.85 m。為簡化計算，由大量工程經驗可知：微噴帶水頭損失h噴約為11 m；局部水頭損失h局=(h沿+h噴)×15%，在此直接計算出h局≈1.78 m。最終得出水泵工作壓力應不小于68.63 m，即0.67 MPa[7]。

3.2 過濾裝置設計

由于水肥一體化微噴灌系統較為精密，必須首先對灌溉水進行簡單過濾，防止水草、石塊等雜質進入水泵打壞葉片。過濾裝置設計分“粗過濾+細過濾”兩級，具體分析如下：

(1)粗過濾裝置設計

粗過濾裝置安設位置在進水管最頂端，直接接觸水源，堵塞管道開口，裝置示意圖見圖2。設計粗過濾段長度為1.0 m～1.5 m，在管道上均勻鉆孔，孔徑與進水管管徑之比為1∶5，即20 mm，鉆孔間距設計為30 mm；然后用50目標準過濾網將鉆孔段管道嚴密包裹，并用鐵絲捆扎牢固[8]。

圖2 粗過濾裝置設計示意圖

(2)細過濾裝置設計

細過濾裝置安設在水源泵和肥料泵之間的干管之上，對灌溉水再進行一次過濾，防止細微雜質堵塞微噴帶開孔。細過濾裝置在價格、安裝及清洗難度等方面均比粗過濾器明顯提升，綜合分析該系統選擇篩網式過濾器，濾網規格與微噴帶開孔孔徑直接相關，對應關系見表2[9]。經實地調查：本項目區水源雜質為細砂，且微噴帶開孔孔徑為0.9 mm，因此選擇120目濾網完全滿足使用要求。

表2 細過濾裝置濾網規格與微噴帶孔口對應關系(部分)

3.3 微噴帶參數設計

(1)微噴帶管徑對比設計分析

目前應用最廣泛的微噴灌帶型號有三種：N45、N50、N63，具體技術參數見表3[10]。為了對比管徑不同對噴灑效果的影響，在此統一將開孔孔徑定為0.9 mm，長度均為80 m，具體對比結果見圖3。

表3 三種微噴灌帶詳細技術參數

圖3 不同管徑微噴帶沿程壓力變化曲線

由圖3可知：①隨著噴灌帶長度的增加，三種型號噴灌帶的管內壓力均在逐漸降低；②管道內壓力大小排名依次為：N63>N50>N45，單從這方面分析N63型效果最好；③當噴灌帶達到80 m時，N45噴灌帶的管內壓力為0.11 MPa，依然滿足噴射范圍要求。因此綜合分析：三種型號噴灌帶均滿足使用要求，但是N45型最為經濟，推薦采用。

(2)微噴帶開孔孔徑對比設計分析

N45型微噴帶5孔設計見圖4，為設計最佳開孔孔徑，在此設計其他參數均一致，對比1.5 mm、1.2 mm、0.9 mm三種開孔孔徑下微噴帶沿程壓力變化曲線，具體對比結果見圖5。

圖4 微噴帶5孔分布設計圖

圖5 不同開孔孔徑微噴帶沿程壓力變化曲線

由圖5可知：①隨著噴灌帶開孔孔徑的變大，在同等長度噴灌帶下，管內壓力變小；②當噴灌帶長度達到80 m時，1.5 mm開孔孔徑的噴灌帶壓力降到了0.7 MPa，已經不滿足使用要求。而1.2 mm和0.9 mm噴灌帶保持在0.1 MPa以上，滿足使用要求。相對來說0.9 mm開孔孔徑壓力下降的小，更為有利，推薦使用。

(3)水肥一體化微噴灌系統最大適應坡度分析

坡度會影響沿程噴灌帶管內的壓力，若末端低于0.1 MPa則不能滿足要求，為了測定該微噴灌系統能夠適應的最大坡度，在此通過人為逐漸抬高噴灌帶來測定管內壓力變化。測定的坡度主要有10°、12°、15°三種情況，測定結果見圖6。

由圖6可知：①隨著坡度越大，噴灌帶沿程壓力降低越明顯；②坡度為10°時，80 m處噴灌帶壓力在0.11 MPa左右，滿足使用要求；③坡度為12°和15°時，80 m處壓力已經降低至0.1 MPa以下，不滿足使用要求。尤其是15°時，噴灌帶在60 m處其壓力就已經小于0.1 MPa。綜合分析：該水肥一體化微噴灌系統最大適應坡度為10°，長度不足60 m地塊可滿足12°坡度的使用要求。

圖6 不同坡度微噴帶沿程壓力變化曲線

4 結語

水肥一體化微噴灌系統可以將施肥作業融合到灌溉體系中，大大降低了勞動強度，提高了農業自動化水平，即使是留守家庭婦女、老人也可獨立完成灌溉作業。本設計雖確定了適應該地區的水肥一體化微噴灌系統重要參數，但沒有給出具體的注意事項，因此在將該系統投入使用之前應做好技術指導，包括操作控制、日常維護、故障檢查排除等知識，且應當設計專門的技術人員和停放場所來減少設備故障率。