榆树市环城乡夏宝村旱田喷灌工程设计

谢鸿雁，赵 清，刘鸿涛

（1.榆树市水利勘测设计处，吉林榆树130400；2.长春市新立城水库管理局，吉林 长春 130019；3.长春工程学院，吉林 长春 130012）

1 设计原则

夏宝村旱田灌溉系统规划设计所遵循的原则是节水性、节能性、经济性、可靠性和实用性。由于这些原则之间存在着相互制约的关系,有时难以同时得到满足,在这种情况下,本次设计明确以满足节水性为首要原则,将节水性作为本工程最需要解决的问题,经方案比较，采用喷灌系统作为本工程的主要形式。

2 水源及水量平衡分析

2.1 水源供水量

根据项目区水文地质条件,项目区地下水主要补给来源是侧向径流补给。依据《吉林省榆树县农田供水水文地质勘察报告》和《吉林省榆树市区域水文地质调查报告》成果资料。

地下水侧向径流补给量计算公式为：

式中：Q侧补—地下水侧向径流补给量，万m3/a；K—渗透系数，取80 m/d；I—天然水力坡度，取0.17%；M—含水层平均厚度，m，取20 m；L—补给断面长度，m，按不同含水地段垂直承压水流向的最大过水断面分别取值进行计算，累计值LⅢ1=1 800 m。

经计算该项目区地下水资源总量为178.71万m3/a，可开采利用量为169.77万m3/a。

2.2 灌溉制度

采用吉林省水利水电勘测设计研究院2008年所作的 《榆树市松榆灌区续建配套与节水改造工程规划报告》中成果资料，其旱田灌溉制度及灌水率见表1。

表1 旱田灌溉制度表及灌水率表

2.3 水量平衡

项目区灌溉面积为0.01万hm2，灌水定额为2 700 m3/hm2，灌溉水利用系数按0.784计算，灌溉用水量为34.44万m3。项目区开发利用地下水资源,目前已开采利用量为5.5万m3/a，还有164.27万m3/a尚待开发。扣除本次利用，尚余水129.83万m3，本区处于地下水易采区,因此项目区水资源满足工程要求。

3 喷灌工程设计

本工程是以地下水为水源的喷灌工程，其灌溉设计保证率采用90%。

3.1 机电井设计

3.1.1 单井控制面积的确定

根据项目区水文地质条件及当地的实际情况，项目区成井深82 m，单井出水量为80 m3/h，井型采用混凝土管井。

根据SL256-2000《机电井设计规范》，水泥管井单井控制面积按下式计算：

式中：F0—单井控制面积，hm2；Q—单井出水量，m3/h，取70 m3/h；t3—灌溉期间每天开机时间，取18 h；T2—每次轮灌期的天数，取8 d；η—灌溉水利用系数，取0.833；η1—干扰抽水的水量削减系数,取0.2；m2—每公顷每次综合平均灌水定额，m3/hm2，取 645 m3/hm2。

经计算得：F0=10.4 hm2，取单井控制面积为10 hm2。

3.1.2 井距和井数的确定

根据项目区现有地块条件，井的布置基本呈方形排列，井距按下式计算:

式中：L0—井距，m；F0—单井控制面积，hm2；

经计算得井距为316 m，即设计最小井距应不小于316 m。

项目区设计控制面积100 hm2，每眼井控制面积10 hm2，因此需打井数为10眼。

3.2 喷灌系统设计

3.2.1 系统选型

项目区种植作物为大田作物，根据当地的气候条件和运行管理等因素综合分析，确定采用全移动管道式喷灌系统，即干管、支管均采用移动式PVC涂塑管。

3.2.2 喷头选型

选用PY1S20喷头，其工作参数见表2。

3.2.3 间距布置

喷头布置间距按正方形布置，设计风速小于3.4 m/s（三级风以上停喷）。满足均匀系数大于75%条件下的最大组合间距射程比Ka=Kb=0.9，a=b=0.95R=0.95×19=18 m。

表2 PY1S20喷头性能参数表

参数校核如下：

1）雾化指标。

式中：Wh—喷头的雾化指标；HP—喷头工作压力水头，m；d—喷头主喷嘴直径，m。

经计算：Wh=4 286＞3 000，满足《喷灌工程技术规范》要求。

2）喷灌强度。夏宝村旱田土壤允许喷灌强度为ρ允=10 mm/h。

设计喷灌强度是系统在实际运行时的组合喷灌强度,根据单喷头全圆喷洒的喷灌强度计算，即实际喷灌强度按单行多喷头同时工作计算，计算公式为：

式中：ρS—单喷头全圆喷洒的喷灌计算强度，mm/h；q—喷头流量，m3/h；R—喷头射程，m；Cρ—影响喷灌强度的组合系数1.82；Kω—影响喷灌强度的风系数1.37。

经计算 ρ=6.64 mm/h。ρ＜ρ允，满足要求。

3.2.4 喷灌系统布置

项目区以机电井为单元，共分10个单元，根据地形条件和地块形状布置管道系统，以2号井为典型布置如下：

水源井位于地块的中间。干管沿垄向方向布置，全长210 m，每条干管设12个支管位置，每节长度18 m；支管与垄向垂直布置，单根支管长110 m，每条支管设6个喷头位置，喷头间距18 m。

3.2.5 参数设计

1）设计喷灌定额。由夏宝村旱田灌溉制度得知，旱田设计最大灌水定额645 m3/hm2，即64.5 mm。

2)设计灌水周期。按下式计算：

式中：T—喷灌周期天，d；m—设计喷灌定额，mm；η—喷灌水利系数，0.833；E—土壤水分消耗强度，7 mm/d。

经计算T=7.68 d，取喷灌周期为8 d。

3.2.6 喷灌工作制度

1）喷头在1个位置工作时间：

式中：t—一个工作位置的灌水时间，h；m—设计灌水定额，mm；a—喷头布置间距，m；b—支管布置间距，m；qp—喷头设计流量，m3/h；ηp—田间喷洒水利用系数，0.85。

经计算t=8.1 h，即一个工作位置工作时间为8.1 h。

2）日工作时间和每天移动的次数：

式中：nd—一天工作位置数；td—设计日灌水时间，h。

设计日灌水时间为灌水工作时间,加上支管的移动、拆装及喷头的启动时间，每天的工作时间按18 h计算，支管的移动、拆装及喷头的启动时间按1 h算，每天移动的支管次数为 （18-1）÷8.1=2.1次，取2次。

3）同时工作支管数和喷头数：

式中：np—同时工作喷头数；NP—灌区喷头总数。

典型的地块每眼井设48条支管位置，取轮灌周期为8 d，每天6条支管位置工作。同时工作支管数6÷2=3条，同时工作喷头数np=18个。

3.2.7 管道系统设计

1）设计流量计算：

式中：Q—喷灌系统设计流量，m3/h；qp—喷头设计流量，m3/h；ηG—管道系统水利用系数，0.98；np—同时工作喷头数。

计算得：Q=55 m3/h。

2）管径选择。

a.支管管径的选择：同一根支管任意两个喷头间的工作压力差应在设计喷头工作压力的20%以内，用公式表示为：式中：hW—同一支管上任意两个喷头间支管段水头损失加上两竖管水头损失之差，一般情况下可用支管段的沿程水头损失代替，m；△Z—两喷头的进水口高程差（当下游喷头位置高时取正值，反之取负值），m；hp—喷头设计工作压力，30 m。

本设计两喷头的进水口高程差为-2～1.5 m，则 hW≤0.2×30-△Z=8～4.5 m。

式 中 ：f—摩 阻 系 数 ，0.948×105；L—管 长 ，m；Q—管中流量，m3/h；m—流量指数，1.77；d—管内径，mm；b—管径指数，4.77。

计算得：d≥63.3 mm，采用2.5英寸管，型号为 63.5TS-06,内径为63.5±2.2 mm。

3）设计水头计算：

式中：H—喷灌系统设计水头，m；Zd—典型喷点的地面高程，m；Zs—水源水面高程，m；hs—典型喷点的竖管高度3 m；hp—典型喷点喷头的工作压力水头30 m；Σhf—由水泵进水管至典型喷点喷头进口处之间管道的沿程水头损失，m；Σhj—由水泵进水管至典型喷点喷头进口处之间管道的局部水头损失，m。

a.沿程损失公式：

式中系数同前。hf=0.948×105×LQ1.77/d4.77。典型区干管 Q=55 m3/h，L=210 m，d=101.6 mm；支管 Q=18.49 m3/h，L=110 m，d=63.5 mm。

计算得 hf=hf干+hf支=6.4+4.6=11 m。

b.局部损失公式：

式中：ξ—局部阻力系数 90°弯管 0.3,三通 1.5；v—管道流速，m/s；g—重力加速度,9.8 m/s2。

典型区干管流速1.88 m/s，支管流速1.62 m/s。局部损失包括：1个 90°弯管，1个干管三通，6个支管三通。

计算得 hj=0.3×1.882÷(2×9.8)+1.5×1.882÷(2×9.8)+6×1.5×1.622÷(2×9.8)=1.53 m。

典型区计算H=218.4-168.6+3+30+11+1.53=95.33 m，取设计水头95 m。

3.3 水泵及动力设备配套

根据设计流量55 m3/h和设计水头95 m选用水源井水泵型号为250QJ50-100/5型泵，配套功率22 kW。

4 结语

该喷灌系统的建成将解决夏宝村农业灌溉靠天吃饭的现状，改变夏宝村农业改善水利设施现状，提高农业生产水平。喷灌系统不仅节约灌溉用水量,符合我国建设节水型社会的目标，而且大大减轻了劳动强度,同时解决了传统地面灌溉灌溉水利用系数低的缺点,有利于改善田间气候，是一种值得推广的灌溉方式。