面向農(nóng)戶分散經(jīng)營的規(guī)模化噴微灌模式應(yīng)用研究

虞奎　王霞　談泓洋

摘 要：發(fā)展噴微灌技術(shù)是引領(lǐng)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)深刻變革的重要舉措，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。但噴微灌系統(tǒng)規(guī)模化與小農(nóng)戶分散經(jīng)營存在矛盾，基于此，該研究提出了適應(yīng)農(nóng)戶分散經(jīng)營的規(guī)模化噴微灌系統(tǒng)用水戶隨機(jī)用水模式，通過對其應(yīng)用效果的分析，為農(nóng)戶分散經(jīng)營的規(guī)模化噴微灌模式應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：規(guī)模化噴微灌;現(xiàn)代農(nóng)業(yè);農(nóng)戶分散經(jīng)營

中圖分類號 F323 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2022）07-0127-04

1 引言

噴灌作為一種先進(jìn)的現(xiàn)代高效節(jié)水灌溉技術(shù)，能夠較好地與機(jī)械化作業(yè)程度很高的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)相配合，便于實現(xiàn)水利機(jī)械化和自動化，代表了集約化現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢。噴微灌更適于規(guī)模化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，因此噴微灌系統(tǒng)設(shè)計時往往考慮輪灌組的劃分，其設(shè)計思想和方法與規(guī)模化噴微灌系統(tǒng)相適應(yīng)。

噴微灌系統(tǒng)如何適應(yīng)當(dāng)前大量存在農(nóng)戶分散經(jīng)營的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，多年來一直困擾著種植戶和工程技術(shù)人員和管理人員。一些技術(shù)人員進(jìn)行了部分嘗試，如“經(jīng)濟(jì)型噴微灌”輪灌單元小規(guī)模化的一些思想可應(yīng)用于河網(wǎng)平原區(qū)，結(jié)合低壓管道輸水系統(tǒng)噴微灌的改造等。然而這些都是區(qū)域或者局部的經(jīng)驗，由于地形條件、自然狀況和農(nóng)業(yè)種植情況復(fù)雜，如何根據(jù)各地具體情況，解決噴微灌系統(tǒng)適應(yīng)農(nóng)戶分散經(jīng)營的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式的問題，需要進(jìn)行系統(tǒng)地、深入地研究分析。本研究主要采用規(guī)模化微噴灌系統(tǒng)模式，分析其適用性和應(yīng)用效果等，以為農(nóng)戶分散經(jīng)營的規(guī)模化噴微灌模式應(yīng)用提供參考。

2 項目區(qū)概況及管網(wǎng)布置參數(shù)

某項目區(qū)所在地塊地勢平坦，地塊長約360m，寬約185m，面積約6.67hm2，項目區(qū)種植大棚蔬菜（毛豆、西蘭花、大白菜等）。該項目區(qū)由12戶農(nóng)戶組成，每戶約0.55hm2，實際管理為農(nóng)戶獨立經(jīng)營管理。土壤質(zhì)地類型為壤土，系統(tǒng)水源為池塘水，水量充足，能滿足灌溉要求。

項目區(qū)種植大棚蔬菜，每個大棚東西長45m，南北寬8m，占地約360.18m2。分4排布置，每排36個，共144個大棚，每個大棚設(shè)2條微噴帶，蔬菜沿東西向種植。本次設(shè)計采用微噴灌方式，針對隨機(jī)用水的灌溉制度，為保證管網(wǎng)流量的穩(wěn)定性和供水的可靠性，采用環(huán)狀管網(wǎng)的布置方式。每個節(jié)點設(shè)置2個取水栓，雙向供水，共控制24個大棚，即每12個大棚設(shè)置1個取水栓，共設(shè)置6×2=12個取水栓。每戶12個大棚，每次可同時灌溉3個大棚。

根據(jù)作物間距，選擇國內(nèi)某公司生產(chǎn)的Φ403～5孔增強(qiáng)型微噴水帶，流量40L/（h·m），額定工作壓力60kPa，噴灑寬度為4.0m，其工作參數(shù)見表1。

單個大棚尺寸為8m×45m，在每個大棚中布置2條噴水帶，則1個大棚的灌水流量為：q=45×2×40=3600L/h=3.6m3/h。管網(wǎng)參數(shù)見表2。

3 規(guī)模化噴微灌系統(tǒng)用水戶隨機(jī)用水模式

3.1 設(shè)計思想 隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的推進(jìn)，規(guī)模化噴微灌區(qū)也逐漸發(fā)展起來。規(guī)模化噴微灌是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)合噴微灌系統(tǒng)的一種綜合灌水方式，具有水利用率高、灌水均勻性好等特點，便于實現(xiàn)規(guī)模化管理，能夠統(tǒng)一整地，統(tǒng)一種地，統(tǒng)一收獲等。規(guī)模化便于管理，經(jīng)濟(jì)效益好，也是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)過渡的必然選擇。由于我國農(nóng)村土地承包責(zé)任制和農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)多樣化的特點，決定了我國農(nóng)業(yè)灌溉的隨機(jī)性和分散性很大，而傳統(tǒng)的利用水泵加壓條件下的噴微灌技術(shù)應(yīng)用中存在支管及輪灌組要嚴(yán)格按照水泵流量的要求進(jìn)行劃分，不能適應(yīng)農(nóng)村土地承包責(zé)任制和農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)多樣化條件下的農(nóng)民灌溉用水的要求。同時，也很難滿足系統(tǒng)設(shè)計允許壓力變幅和灌水均勻度的要求。目前，隨著農(nóng)村聯(lián)產(chǎn)承包責(zé)任制的進(jìn)一步落實，灌溉用水的隨機(jī)取水性顯得更為突出。

水泵變頻調(diào)節(jié)適合經(jīng)濟(jì)條件好、規(guī)模化的種植基地或者示范區(qū)，農(nóng)戶多而分散經(jīng)營，系統(tǒng)采用環(huán)狀管網(wǎng)或者樹狀管網(wǎng)，每一農(nóng)戶設(shè)置獨立給水栓，可滿足隨機(jī)用水需要。該模式具有較高的供水保障能力，系統(tǒng)便于實現(xiàn)自動化控制灌溉和精準(zhǔn)化灌溉，但投資相對較高，可優(yōu)先在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)推行。管網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計需要根據(jù)地形條件、水源條件、灌溉面積等綜合考慮選定。平原河網(wǎng)區(qū)、盆地區(qū)和具備水源的緩坡地均可采用，平原河網(wǎng)區(qū)和盆地區(qū)，為增加管網(wǎng)壓力的穩(wěn)定性，推薦采用環(huán)狀管網(wǎng)，緩坡地推薦采用樹狀管網(wǎng)。

3.2 設(shè)計要點 對規(guī)模化的噴微灌系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)按設(shè)計工況工作時，需要水泵以額定轉(zhuǎn)速運行來為灌水設(shè)施提供所需的壓力和流量。但由于作物種植情況不同，造成農(nóng)戶灌水時間不統(tǒng)一，灌水時也只有部分灌水設(shè)施工作，此時雖然可以通過閥門控制來滿足灌水設(shè)施工作壓力的要求，但這種運行管理模式要以能量損失為代價，造成電能的浪費。采用電機(jī)變頻調(diào)節(jié)技術(shù)，可以通過調(diào)節(jié)噴頭所需的壓力與流量，滿足規(guī)模化噴微灌系統(tǒng)用水戶隨機(jī)用水的需求，同時還可以保證噴灌均勻度的要求，降低電機(jī)功耗，節(jié)約電能。

環(huán)狀管網(wǎng)的最大優(yōu)點是供水可靠，當(dāng)某一支路發(fā)生故障或需檢修時，不影響整個管網(wǎng)的供水，或者受影響的范圍和程度縮小到最小。管網(wǎng)內(nèi)壓力相對趨于均勻，環(huán)狀網(wǎng)使整個管網(wǎng)充滿壓力水，水量調(diào)度靈活，利于隨機(jī)用水，不論那個節(jié)點需水，各管道同時向該節(jié)點供水，每條管道均處于工作狀態(tài)，管道利用率高。而基于水泵變頻調(diào)節(jié)的環(huán)狀管網(wǎng)不僅能夠滿足規(guī)模化噴微灌用水戶隨機(jī)用水需求，還便于實現(xiàn)自動化控制灌溉和精準(zhǔn)化灌溉。

3.2.1 管網(wǎng)計算的2個基本原則 一是流入節(jié)點的流量應(yīng)等于流出節(jié)點的流量。通常取流入節(jié)點的流量為正，流出節(jié)點的流量為負(fù)，則任意節(jié)點處流量代數(shù)和為零，即[Q=0];二是在任意環(huán)路中，由一節(jié)點沿2個方向到另一個節(jié)點的能量損失相等。同樣，如果取逆時針方向流動的損失為正，順時針方向流動的損失為負(fù)，則環(huán)路能量損失代數(shù)和為零，即[hf=0]。

3.2.2 管段、節(jié)點和基環(huán)數(shù)之間的關(guān)系 環(huán)狀管網(wǎng)的管段（P）、節(jié)點（J）和基環(huán)數(shù)（L）之間滿足關(guān)系：P=J+L-1。

3.2.3 管網(wǎng)流量計算 對于整個系統(tǒng)管網(wǎng)中的眾多取水口而言，管網(wǎng)中所有取水口存在同時開啟率的問題，取水口同時開啟的數(shù)目服從2項分布的隨機(jī)變量，累積概率為管網(wǎng)設(shè)計保證率，因此可通過概率論的基本原理，對各個取水口的開啟率進(jìn)行分析計算，進(jìn)而以此推求系統(tǒng)設(shè)計流量。任意一個取水口的用水概率可按下式計算：

式中：[p]為用水概率;[S]為取水口控制面積（hm2）;[q]為設(shè)計灌水率（m3/h·hm2）;[t]為24h;[d]為取水口的額定流量（m3/h）;[t′]為取水口1d的中供水時間（h）。

當(dāng)系統(tǒng)中最多有m個取水口同時開啟時的概率為：

通過概率論的基本原理可以推出，系統(tǒng)內(nèi)同時開啟的取水口的個數(shù)為：

式中：U為隨機(jī)變量，可查正態(tài)分布表。

此時，系統(tǒng)的設(shè)計流量為：

3.2.4 管網(wǎng)水頭損失 水頭損失是管網(wǎng)水力計算中的重要元素，對于管網(wǎng)的沿程水頭損失，可按下式計算：

式中：[hf]為沿程水頭損失（m）;[f]為管材摩阻系數(shù)，取0.948×105（管材為硬塑料管）;[Q]為管道設(shè)計流量（m3/h）;[L]為管長（m）;[D]為管內(nèi)徑（mm）;[m]為流量指數(shù)，取1.77;[b]為管徑指數(shù)，取4.77。

管道的局部水頭損失可按沿程水頭損失的一定比例估算，支管宜為0.05～0.1，毛管宜為0.1～0.2。

3.3 設(shè)計實例

3.3.1 灌溉制度的擬定

（1）最大凈灌水定額用下式計算：

式中：[mmax]為最大凈灌水定額（mm）;[γ]為土壤容重（g/m3），取1.37g/cm3;[z]為土壤計劃濕潤土層深度（cm），取25cm;[p]為設(shè)計土壤濕潤比（%），取90%;[θ'max]為適宜土壤含水率上限（重量百分比）（%），取22.5%;[θ'min]為適宜土壤含水率下限（重量百分比）（%），取17.5%。

則最大凈灌水定額為：[mmax]=15.41mm。

（2）設(shè)計灌水周期由下式計算：

式中：T為設(shè)計灌水周期，d;Tmax為最大灌水周期，d。

取T=3d。

（3）設(shè)計毛灌水定額由下式計算：

式中：[md]為設(shè)計凈灌水定額，mm;[m']為設(shè)計毛灌水定額，mm。

則m′=3×5.0/0.95=15.79（mm），[md]=15（mm）。

（4）一次灌水延續(xù)時間：

式中：t為一次灌水延續(xù)時間，h;Sl為微噴水帶間距，m;qd為灌水器設(shè)計流量，L/h。

（5）任意一個取水口的用水概率為：

系統(tǒng)內(nèi)同時開啟的取水口的個數(shù)為：

即取4，即取水栓同時開啟的個數(shù)為4個（式中累計概率P=0.95時，從正態(tài)分布表中查的U=1.645）。則此時系統(tǒng)的設(shè)計流量為：

3.3.2 管道設(shè)計及水力計算

（1）干管管徑的計算公式為：

式中：[Q]為管道設(shè)計流量，m3/s;V為管道流速，1.0～1.5m/s，取1.0m/s。

管道采用PE管，先用經(jīng)驗公式法初選管徑，待進(jìn)行水力計算后調(diào)整管徑。各管段的經(jīng)濟(jì)管徑及實選管徑見表3。

（2）分干管（即環(huán)狀管網(wǎng)）的管徑根據(jù)節(jié)點方程和能量方程進(jìn)行試算，取其最不利工況。計算結(jié)果見表4。由表4可知，干管實選DN125PE管，分干管實選DN110PE管，公稱壓力1.0MPa。若采用樹狀管網(wǎng)設(shè)計時，所選擇的干管和分干管管徑分別為125mm、110mm。

3.3.3 水泵及變頻設(shè)備的選型

（1）設(shè)計揚程和設(shè)計流量：

在微灌工作制度確定之后，水泵的設(shè)計流量Q=43.2m3/h。

水泵設(shè)計揚程為：

式中：[H]為微灌系統(tǒng)設(shè)計水頭，m;[Zp]為典型灌水小區(qū)管網(wǎng)進(jìn)口的高程，m;[Zb]為水源的設(shè)計水位，m;[h0]為典型灌水小區(qū)進(jìn)水口設(shè)計水頭，m;[hf]為系統(tǒng)進(jìn)水口至典型灌水小區(qū)進(jìn)口的管道沿程水頭損失（含首部樞紐沿程水頭損失），m;[hj]為系統(tǒng)進(jìn)水口至典型灌水小區(qū)進(jìn)口的管道局部水頭損失（含首部樞紐沿程水頭損失），m。

經(jīng)計算得：水泵的設(shè)計揚程為21.31m。

（2）水泵及動力機(jī)選配：根據(jù)水泵選型的原則及計算參數(shù)，為便于管理及運行，水泵類型選用變流恒壓泵。水泵及變頻設(shè)備的工作性能見表5。

3.3.4 投資估算 經(jīng)估算，項目總投資26.3萬元，每hm2投資39450元。相對于樹狀管網(wǎng)，基于水泵變頻調(diào)節(jié)的環(huán)狀管網(wǎng)投資有所增加，平均增加投資約11250元/hm2，增加的部分主要體現(xiàn)在管徑的增大和變頻恒壓設(shè)備的投資上。但對于經(jīng)濟(jì)條件好、農(nóng)戶多而分散經(jīng)營的規(guī)模化種植基地或示范區(qū)，可以采用環(huán)狀管網(wǎng)，其可以實現(xiàn)噴微灌系統(tǒng)內(nèi)農(nóng)戶或各地塊隨機(jī)用水。

4 結(jié)論

通過采用面向農(nóng)戶分散經(jīng)營的微噴灌模式為規(guī)模化噴微灌系統(tǒng)，對平地單環(huán)的環(huán)狀管網(wǎng)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，規(guī)模化噴微灌系統(tǒng)用水戶隨機(jī)用水模式以環(huán)狀管網(wǎng)和用水戶隨機(jī)用水為核心，適于成規(guī)模但農(nóng)戶分散獨立管理的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地，但投資較高。

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（責(zé)編：張宏民）

作者簡介：虞奎（1988—）男，江蘇無錫人，本科，工程師，研究方向：水利工程設(shè)計、水運工程設(shè)計。? 收稿日期：2021-11-25