喷灌系统在宝鸡市农科院试验田升级改造工程中的应用

董 妍

（岐山县水利工作站,陕西 岐山 722400）

宝鸡市农科院现有耕地58.2 亩,为小麦育种示范基地,为了更进一步提高育种水平,保证水肥适时供应,本次委托岐山县水利工作站与岐山县节水中心联合借鉴现代化自动升降喷灌技术,完成水肥一体化喷灌节水工程设计。

1 基本情况

宝鸡市农科院位于岐山县西南方向6 km处,海拔650 m,喷灌区地势北高南低,面积58.2 亩,田面高差0.5 m。区内种植以小麦为主,年平均气温11.0℃,最低气温-16℃,极端高温38.9℃。降水量610 mm,主要集中在7 月、8 月、9 月三个月。每年冬季至春季为灌溉季节。灌溉期常见风速2.5 m/s～3.4 m/s,主导风向为西北风。

当地土层深厚、土壤种类为中壤,根据有关技术资料,土壤容重为1.47 g/cm3,田间持水性占干重的20%,土壤吸水能力10 mm/h,日耗水量5 mm/d。田间西南方向有75 m深机井一眼,出水量50 m3/h,水质优良,符合喷灌要求,供应整个规划园区作物用水,区内供电设备系统齐全。

2 灌溉制度

灌溉制度是喷灌工程合理用水、编制用水计划所必须的步骤。根据该地区自然环境、气候变化和土壤结构及墒情,充分收集该地区的第一手资料,并对旱作物单位面积上的一次灌水量和灌水周期,一次灌水时间进行合理确定。

资料显示,该区域土壤的干密度为1.47 g/cm3,并且湿润层深度60 cm,土壤含水量的上下限取田间持水量的90%和70%,查附近同类工程,灌溉水利用系数为0.85,按照常规计算法则,确定设计灌水定额m设=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,从而得出单位面积灌水量27.67 m3/亩。

本地区小麦的最大日均耗水量出现在分蘖期,此后耗水量持续下降,按照作物的日需水量7.2 mm记取,设计灌水周期通过计算为4.9 天。

按照前面得出的灌水定额和区域平均喷灌强度,确定一次灌水时间为t=41.51/10.99=3.78 h。

3 喷灌系统

依据设计思路并考虑区域实际情况,本设计选择半固定式管道喷灌系统,除了喷头及竖管上下伸缩自由升降以外,其他组成部分均固定不动,用水时自动升起,灌完后回缩地下,易于维修管理。

4 确定灌区的总体布置

项目区内地势平坦,田间小路东西贯穿,将该区分为两大部分,北部30.24 亩,南部27.96 亩,整个设计区域共用一块水源,两区域各用闸阀井控制,方便运行。

5 系统喷头的选型与组合

首先,根据《农业综合节水技术》得知,在黄土高原地区壤土的允许喷灌强度为12 mm/h,设计要求喷灌系统的平均喷灌强度必须小于土壤的允许喷灌强度,为节省管道的布置和喷头的数目,同时考虑喷头的喷洒半径,设计选用塑料喷头,喷头压力为300 kPa,流量2 m3/h,射程12.5 m,喷嘴直径5 mm。

接下来测算喷头平均喷灌强度。平均喷灌强度等于千倍的单个喷头流量与支管间距和喷头间距乘积的比值来确定,即,这里按照常规做法结合以往的工作经验,支支管的间距一般为1.42 倍的喷头射程,有效水喷洒系数采用经验系数0.8,通过计算,结合风向和田块尺寸,支管的间距定为14 m和喷头的间距13 m,为矩形布置。则ρ平均为10.99 mm/h,小于壤土的允许值12 mm/h,满足要求。

本次喷灌系统覆盖面积58.2亩,折合面积38819.4 m2。按照本区域对系统要求的有效工作数,不安排夜间运行,系统工作时间与建设方沟通确定为11 h。

依照同时工作的喷头数计算规则:

N喷=[38819.4/（14×13）]×[3.78/（4.9×11）]= 14.96个,因此同时工作的喷头数定为15个。

在27.96亩的喷洒区域内,由于支管的长度较长,一根支管的喷头数为15 个,支管数确定为1 支；在30.24 亩的规划区域,支管的长度有长有短,具体的喷灌轮组中同时工作的支管数目和喷头数目灵活取值,但不超过2 支。

6 支管的轮灌方式

在规划设计中,两块田地分别灌溉。对27.96 亩的区域,进行分组灌溉,同时工作支管一条,每天工作三组轮灌。根据前面确定参数可知,同时工作的喷头数的最大数目为15 个,而每个喷头的设计流量为2 m3/h,则整个喷灌系统所需要的最大流量为30 m3/h。按照最不利的条件考虑,在选择水泵扬程时我们确定最大流量为30 m3/h。

7 主支管道设计

（1）支管设计

本次系统选择的是半固定式管道喷灌,喷头和竖管上下伸缩,考虑到腐蚀和土体压力、造价等因素,选取聚氯乙烯PVC管道作为支管材料。与此同时也确定了对应的摩阻系数f为0.948,管道最大流量按照30 m3/h记取,管径指数b为4.77,流量指数m为1.77,区域最大管长L为190 m,安装喷头15只,根据沿程水头损失计算公式,hf=f lQm/db结合《农业综合节水技术》规范,考虑一条支管多个喷头,多口系数F为0.395,工作水头压力240 kPa,水头25 m,经计算,支管直径D为66.78 mm,为安全起见,选择75 mm的PVC-U聚氯乙烯管做为支管,公称压力选0.8 MPa,壁厚2.9 mm。

（2）干管设计

由于所规划的区域很不规则,每个区域干管流量不同。在这里干管的流量按最大所需轮灌流量进行考虑,所有的分干管都按最大考虑,所以当干管流量为30 m3/h时,干管最大长度为90 m,且考虑喷灌对管道流速的要求,选择经济流速ν为1.3 m/s时,按照干管选择公式：

D=90.4 mm,实选管径110 mm,公称压力0.8 MPa,壁厚3.4 mm,干管选择聚氯乙烯材质。

8 管道系统各控制点的压力计算

（1）对支管进口的压力水头进行计算

本设计最大水头差产生在支管首末段喷头间,所以用末端喷头入口压力作为计算基础。小麦株高较低,选择内径为50 mm,外套管60 mm长度1.3 m,不锈钢管长1.25 m（含喷头高度）总长为2.55 m的伸缩管,f=0.861×105。由于地形平坦,实测支管入口与末端的高差为0.5 m,喷头的工作水头以竖管上距喷头进口0.15 m处的压力水头计算,根据支管入口的压力水头等于支管相应管段的沿程水头损失,加上支管入口地面高程到工作压力最低的喷头处的高程差再加0.9倍的喷头设计工作压力水头 ,得出支管入口的压力水头需要41.25 m。

（2）干管配水段入口压力水头测算

一条干管段的沿程水头损失按hf=f lQm/db计算,

带入参数,hf=2.21 m,局部水头损失0.1×2.21 =0.22 m,则该段的水头损失为2.43 m,所以配水段的水头压41.25+2.43=43.68 m.

（3）主干管的入口压力水头计算

主干管入口接水泵出口,其所需要的压力水头等于干管入口的压力水头加上由入口到水泵出口之间的损失及两者之间的高程差。H干=43.68 m,测定ΔZ=1.2 m,主干管压力水头45.63 m。

9 喷灌系统扬程确定

灌区水源井深度75 m,静水位48 m,动水位60 m,抽水管道DN100 钢管,长66 m,管道水损0.76 m,井内取水口及各类弯头、滤水设施形成的局部损失按经验值取3.0 m,水位差62 m。潜水泵需要满足喷灌系统的H扬=45.63+2.03+3.0+62=112.66 m。

水泵及动力机的选择。水源地原有潜水泵及变频设施各1套,潜水泵扬程80 m,小时流量60 m3,水泵功率22 kW,提水于地面后,设有管道加压泵1台,流量60 m3/h,扬程50 m,水泵功率11 kW,本次供水接此水源,主管入口压力水头45.63 m,设计流量确定为30 m3/h。

10 结论

本文首先对岐山县灌区的自然条件进行简要论述,然后对水肥一体化喷灌节水工程的具体内容进行论述,确定该工程的灌溉系统、轮灌方式、主支管道布置及扬程,结果可供类似工程参考。