砀山县曹庄镇梨园新村半固定管道喷灌工程设计

2013-03-02贾金斗

治淮 2013年7期

关键词：支管水头管材

贾金斗高军

贾金斗高军

一、基本情况

砀山县曹庄镇梨园新村是2013年小型农田水利重点县项目区，该村位于曹庄镇中南部，人口4786，耕地面积4006亩。砀山县计划在该村建设高效节水灌溉面积2500亩，其中半固定管道喷灌面积2000亩。

该村属于暖温带季风气候、半干旱地区，年平均风速2.0m/s，年平均气温14℃，多年平均降雨量760mm，年平均日照时数2418h，年平均无霜期199d。多种植小麦、玉米等，一年两熟。浅层地下水水源丰富，水质较好，适合灌溉。土质为砂壤土，土质肥沃。

二、喷灌制度拟定

1.设计灌水定额

设计灌水定额 m=1000γhθ （βmax-βmin）/η=1000×1.38×0.5× 25%（85%-65%）/0.85=40.59mm= 27.1m3/亩；其中，适宜含水量上限βmax=85%，适宜含水量下限βmin=65%，田间持水量（重量比）θ=25%（采用威尔科克斯法测定田间持水量），灌溉水利用系数η=0.85，土壤容重γ=1.38g/cm3（采用环刀法测定），根据淮北地区小麦灌溉试验资料，小麦孕穗和灌浆期最大日耗水强度Ep=5. 0mm/d，土壤计划湿润层深度h=0.5m。

2.设计喷灌周期

三、单井控制面积的计算

单井控制面积F=［Q×t×T×η （1-μ）］/m

式中：Q为单井出水量，机井深度50m，机井内径40cm，单井出水量取30m3/h；t为单井日工作时间，取12h/d；η为灌溉水利用系数，取0.85；μ为群抽水干扰系数，取μ=0.05；T为灌溉周期，取7d；m为灌水定额。

经计算：F=〔30×12×7×0.85× （1-0.05）〕/27.1=75亩。

四、喷灌系统选型

该地块种植大田作物，确定采用半固定管道喷灌系统，即干管采用地埋式固定PE管，支管采用移动方便的铝合金管。

选择作物喷灌典型地块长250m，宽200m，地势平坦。

五、喷头选型与组合间距确定

1.喷头选型

根据《喷灌工程技术规范》（GB/T50085-2007），粮食作物雾化指标在3000～4000之间，初选PY120型喷头，喷嘴直径7.0mm，工作压力0.25MPa，喷嘴流量为2.97m3/h，射程19m。

该类型喷头雾化指标为Wh=hp/d=1000×25/7.0=3570。式中:Wh为喷灌的雾化指标；hp为喷头工作压力水头，m；d为喷头主喷嘴直径，mm。

经计算校核，该喷头满足作物对雾化指标的要求。

2.组合间距的确定

喷灌范围按照风向多变考虑，采用正方形布置，全园喷洒。根据规范要求，喷头布置间距a及支管布置间距b宜作等间距布置，风速2.0m/s时，取Ka=Kb=0.95，则a=b=Ka×R=0.95×19=18.05，取a=b=18m。

3.设计喷灌强度

根据《喷灌工程技术规范》确定土壤允许喷灌强度〔ρ〕=15mm/h，喷头采用单支管多喷头同时全园喷洒的运行方式，灌溉季节平均风速为2.0m/s，按风向夹角45°最不利情况考虑，影响喷射强度的风系数Kw=〔Kw（0°）+Kw（90°）〕/2=（1.12×2.00.302+1.08×2.00.194）/2=1.3。影响喷灌强度的布置系数：

则喷射强度ρ=Kw.Cp.ρs=Kw. Cp.1000q/A。式中:ρ 为喷射强度，mm/h；Kw为影响喷射强度的风系数；ρs为单喷头全园喷洒的喷灌计算强度，mm/h；Cp为影响喷灌强度的布置系数，计算得Cp=1.69；q为喷头流量，m3/h；A为喷洒面积=πR2，m2。

经计算 ρ=1.3×1.69×1000× 2.97/（3.14×192）=5.8mm/h，根据规范规定，砂壤土的允许喷灌强度为15mm/h，计算结果符合规范要求。

六、管道系统布置

喷灌区地形平坦，地块形状规则，机井布置在靠路短边一侧，地块尺寸为250m×200m。基于上述情况，拟采用干支管两级布置，干管在地块中间顺长边穿过灌溉区域，两面分水，支管垂直于干管方向布置，平行于种植作物。

七、喷灌工作制度的确定

1.喷头在一个喷点上的工作时间

式中:t为1个工作位置的灌水时间，h；a为喷头布置间距，m；b为支管布置间距，m；m为设计灌水定额，mm；qp为喷头设计流量，m3/h；ηp为田间喷洒水利用系数，取0.85。

2.喷头每日可工作的喷点数

nd=td/t=12/5.2=2.3次，取2次，即两套支管，每套每天移动1次。

式中:nd为1天工作的位置数；td为设计日灌水时间，h；t为1个工作位置的灌水时间，h；这样每天的实际工作时间为2×5.2=10.4h。

3.每次需同时工作的喷头数

np=Np/（nd·T）=140/（2×7）=10个；

4.每天需要同时工作的支管数

n支=np/n=10/5=2根

式中:n支为每天需要同时工作的支管数；n喷为1根支管上的喷头数。

5.运行方案

干管布置14个支管接口位置，支管移动位置为28个；根据同时工作的支管数及管道布置情况，决定在干管两侧同时运行一条支管，每条支管控制喷灌区域一半的面积，分别自干管两端起始向另一端运行。

八、管道水力计算

1.管径的选择

（1）支管管径的确定

根据《喷灌工程技术规范》（GB/T50085-2007）要求，同一支管上任意两个喷头之间的水头差不超过喷头压力水头的20%，最大水头差是在支管首末两个喷头之间。

即hw+△Z≤0.2hp

灌区地势平坦，hw应为支管第一个喷头与最末一个喷头之间的水头损失。

式中:f为摩阻系数，对铝合金管，f=0.861×105；Qm支为支管流量，2.97× 5=14.85m3/h；m为流量系数，根据管材类型取值，对铝合金管，m=1.74；b为管径系数，根据管材类型取值，对铝合金管，b=4.74；L为管道长度，81m。

F为多口系数，

计算得0.46；式中:N为喷头或孔口数，为4；X为多孔支管首孔位置系数，即支管入口至第一个喷头（或孔口）的距离与喷头（或孔口）间距之比。

△Z为两喷头的进水口高差，此处为0；

解上式得d=43.2mm；选择规格为Φ50×1.0薄壁铝合金管材。

（2）干管管径的确定

根据系统运行方式，干管通过的流量为Q=2.97×10=29.7m3/h；

据此，选择干管时，采用规格为Φ75×2.9mmPE管材，承压能力为0.4MPa。

2.管道水力计算

（1）沿程水头损失

支管沿程水头损失

干管沿程水头损失

式中:f为摩阻系数，根据管材类型取值，对PE管，f=0.948×105；X为多孔支管首孔位置系数为21，F为多口系数，计算得0.36；Qm为干管设计流量，计算得29.7m3/h；L为干管长度，234m；d为管道内径，72.1mm；m为流量系数，根据管材类型取值，对PE管，m=1.77；b为管径系数，根据管材类型取值，对PE管，b=4.77。

沿程水头总损失∑hf=2.7+4.5=7.2m。

（2）局部水头损失∑hj=0.1∑hf=0.7m。