噴灌系統在寶雞市農科院試驗田升級改造工程中的應用

董 妍

（岐山縣水利工作站,陜西 岐山 722400）

寶雞市農科院現有耕地58.2 畝,為小麥育種示范基地,為了更進一步提高育種水平,保證水肥適時供應,本次委托岐山縣水利工作站與岐山縣節水中心聯合借鑒現代化自動升降噴灌技術,完成水肥一體化噴灌節水工程設計。

1 基本情況

寶雞市農科院位于岐山縣西南方向6 km處,海拔650 m,噴灌區地勢北高南低,面積58.2 畝,田面高差0.5 m。區內種植以小麥為主,年平均氣溫11.0℃,最低氣溫-16℃,極端高溫38.9℃。降水量610 mm,主要集中在7 月、8 月、9 月三個月。每年冬季至春季為灌溉季節。灌溉期常見風速2.5 m/s～3.4 m/s,主導風向為西北風。

當地土層深厚、土壤種類為中壤,根據有關技術資料,土壤容重為1.47 g/cm3,田間持水性占干重的20%,土壤吸水能力10 mm/h,日耗水量5 mm/d。田間西南方向有75 m深機井一眼,出水量50 m3/h,水質優良,符合噴灌要求,供應整個規劃園區作物用水,區內供電設備系統齊全。

2 灌溉制度

灌溉制度是噴灌工程合理用水、編制用水計劃所必須的步驟。根據該地區自然環境、氣候變化和土壤結構及墑情,充分收集該地區的第一手資料,并對旱作物單位面積上的一次灌水量和灌水周期,一次灌水時間進行合理確定。

資料顯示,該區域土壤的干密度為1.47 g/cm3,并且濕潤層深度60 cm,土壤含水量的上下限取田間持水量的90%和70%,查附近同類工程,灌溉水利用系數為0.85,按照常規計算法則,確定設計灌水定額m設=0.1hγ（β1-β2）p/η=0.1×60×1.47×（0.9-0.7）×20/0.85=41.51 mm=415.1 m3/hm2,從而得出單位面積灌水量27.67 m3/畝。

本地區小麥的最大日均耗水量出現在分蘗期,此后耗水量持續下降,按照作物的日需水量7.2 mm記取,設計灌水周期通過計算為4.9 天。

按照前面得出的灌水定額和區域平均噴灌強度,確定一次灌水時間為t=41.51/10.99=3.78 h。

3 噴灌系統

依據設計思路并考慮區域實際情況,本設計選擇半固定式管道噴灌系統,除了噴頭及豎管上下伸縮自由升降以外,其他組成部分均固定不動,用水時自動升起,灌完后回縮地下,易于維修管理。

4 確定灌區的總體布置

項目區內地勢平坦,田間小路東西貫穿,將該區分為兩大部分,北部30.24 畝,南部27.96 畝,整個設計區域共用一塊水源,兩區域各用閘閥井控制,方便運行。

5 系統噴頭的選型與組合

首先,根據《農業綜合節水技術》得知,在黃土高原地區壤土的允許噴灌強度為12 mm/h,設計要求噴灌系統的平均噴灌強度必須小于土壤的允許噴灌強度,為節省管道的布置和噴頭的數目,同時考慮噴頭的噴灑半徑,設計選用塑料噴頭,噴頭壓力為300 kPa,流量2 m3/h,射程12.5 m,噴嘴直徑5 mm。

接下來測算噴頭平均噴灌強度。平均噴灌強度等于千倍的單個噴頭流量與支管間距和噴頭間距乘積的比值來確定,即,這里按照常規做法結合以往的工作經驗,支支管的間距一般為1.42 倍的噴頭射程,有效水噴灑系數采用經驗系數0.8,通過計算,結合風向和田塊尺寸,支管的間距定為14 m和噴頭的間距13 m,為矩形布置。則ρ平均為10.99 mm/h,小于壤土的允許值12 mm/h,滿足要求。

本次噴灌系統覆蓋面積58.2畝,折合面積38819.4 m2。按照本區域對系統要求的有效工作數,不安排夜間運行,系統工作時間與建設方溝通確定為11 h。

依照同時工作的噴頭數計算規則:

N噴=[38819.4/（14×13）]×[3.78/（4.9×11）]= 14.96個,因此同時工作的噴頭數定為15個。

在27.96畝的噴灑區域內,由于支管的長度較長,一根支管的噴頭數為15 個,支管數確定為1 支；在30.24 畝的規劃區域,支管的長度有長有短,具體的噴灌輪組中同時工作的支管數目和噴頭數目靈活取值,但不超過2 支。

6 支管的輪灌方式

在規劃設計中,兩塊田地分別灌溉。對27.96 畝的區域,進行分組灌溉,同時工作支管一條,每天工作三組輪灌。根據前面確定參數可知,同時工作的噴頭數的最大數目為15 個,而每個噴頭的設計流量為2 m3/h,則整個噴灌系統所需要的最大流量為30 m3/h。按照最不利的條件考慮,在選擇水泵揚程時我們確定最大流量為30 m3/h。

7 主支管道設計

（1）支管設計

本次系統選擇的是半固定式管道噴灌,噴頭和豎管上下伸縮,考慮到腐蝕和土體壓力、造價等因素,選取聚氯乙烯PVC管道作為支管材料。與此同時也確定了對應的摩阻系數f為0.948,管道最大流量按照30 m3/h記取,管徑指數b為4.77,流量指數m為1.77,區域最大管長L為190 m,安裝噴頭15只,根據沿程水頭損失計算公式,hf=f lQm/db結合《農業綜合節水技術》規范,考慮一條支管多個噴頭,多口系數F為0.395,工作水頭壓力240 kPa,水頭25 m,經計算,支管直徑D為66.78 mm,為安全起見,選擇75 mm的PVC-U聚氯乙烯管做為支管,公稱壓力選0.8 MPa,壁厚2.9 mm。

（2）干管設計

由于所規劃的區域很不規則,每個區域干管流量不同。在這里干管的流量按最大所需輪灌流量進行考慮,所有的分干管都按最大考慮,所以當干管流量為30 m3/h時,干管最大長度為90 m,且考慮噴灌對管道流速的要求,選擇經濟流速ν為1.3 m/s時,按照干管選擇公式：

D=90.4 mm,實選管徑110 mm,公稱壓力0.8 MPa,壁厚3.4 mm,干管選擇聚氯乙烯材質。

8 管道系統各控制點的壓力計算

（1）對支管進口的壓力水頭進行計算

本設計最大水頭差產生在支管首末段噴頭間,所以用末端噴頭入口壓力作為計算基礎。小麥株高較低,選擇內徑為50 mm,外套管60 mm長度1.3 m,不銹鋼管長1.25 m（含噴頭高度）總長為2.55 m的伸縮管,f=0.861×105。由于地形平坦,實測支管入口與末端的高差為0.5 m,噴頭的工作水頭以豎管上距噴頭進口0.15 m處的壓力水頭計算,根據支管入口的壓力水頭等于支管相應管段的沿程水頭損失,加上支管入口地面高程到工作壓力最低的噴頭處的高程差再加0.9倍的噴頭設計工作壓力水頭 ,得出支管入口的壓力水頭需要41.25 m。

（2）干管配水段入口壓力水頭測算

一條干管段的沿程水頭損失按hf=f lQm/db計算,

帶入參數,hf=2.21 m,局部水頭損失0.1×2.21 =0.22 m,則該段的水頭損失為2.43 m,所以配水段的水頭壓41.25+2.43=43.68 m.

（3）主干管的入口壓力水頭計算

主干管入口接水泵出口,其所需要的壓力水頭等于干管入口的壓力水頭加上由入口到水泵出口之間的損失及兩者之間的高程差。H干=43.68 m,測定ΔZ=1.2 m,主干管壓力水頭45.63 m。

9 噴灌系統揚程確定

灌區水源井深度75 m,靜水位48 m,動水位60 m,抽水管道DN100 鋼管,長66 m,管道水損0.76 m,井內取水口及各類彎頭、濾水設施形成的局部損失按經驗值取3.0 m,水位差62 m。潛水泵需要滿足噴灌系統的H揚=45.63+2.03+3.0+62=112.66 m。

水泵及動力機的選擇。水源地原有潛水泵及變頻設施各1套,潛水泵揚程80 m,小時流量60 m3,水泵功率22 kW,提水于地面后,設有管道加壓泵1臺,流量60 m3/h,揚程50 m,水泵功率11 kW,本次供水接此水源,主管入口壓力水頭45.63 m,設計流量確定為30 m3/h。

10 結論

本文首先對岐山縣灌區的自然條件進行簡要論述,然后對水肥一體化噴灌節水工程的具體內容進行論述,確定該工程的灌溉系統、輪灌方式、主支管道布置及揚程,結果可供類似工程參考。