蔬菜地半固定式喷灌典型工程设计实例分析

□王艳平 □秦海霞 □孟 玥 □李永刚

（1河南省水利科学研究院 2河南省节水灌溉工程技术研究中心3河南科源水利建设工程检测有限公司 4黄河勘测规划设计有限公司）

0 前言

渑池县位于河南省西部，果元乡赵庄节水增效项目区66.67 hm2范围是当地蔬菜生产基地，经济效益较好，项目区选择半固定喷灌进行高效节水灌溉，不仅可以节约灌溉用水，而且可以改善作物品质，提高经济效益。项目区灌溉水源为位于项目区南1.50km处的胡家洼水库水，水量有保障。

1 灌溉制度拟定

1.1 设计灌水定额

式中：m—设计灌水定额（mm）；r—土壤容重（g/cm3）；H—计划湿润层深度（cm）；β1—适宜土壤含水量上限（重量比%）；β2—适宜土壤含水量下限（重量比%）；η—喷洒水利用系数。

根据项目区土壤情况和作物种植情况，土壤容重取1.40 g/cm3，主要根系活动层深取50 cm，田间持水量取28%，适宜土壤含水量上限取田间持水量的90%，下限取70%，喷洒水利用系数按规范要求取0.90，由式（1）计算得设计灌水定额为43.60mm，合 436.50m3/hm2。

1.2 设计灌水周期

式中：T—设计灌水周期（d）；m—设计灌水定额（mm）；η—喷洒水利用系数；Ep—需水临界期日均需水强度（mm/d）。

半固定喷灌项目区主要种植蔬菜，其需水临界期日均需水强度取4mm/d，其它参数取值同式（1），经计算得设计灌水周期T=7.80 d，设计取 8 d。

2 喷头选型及组合间距

2.1 喷头选型

参考以往类似工程经验及实际应用情况，喷头选用性价比较好的ZY-2型喷头，该喷头生产工艺先进、材质好、经久耐用。所选喷头性能指标参数：喷嘴直径d为7.00mm×3.10mm；工作压力HP为0.30MPa；喷嘴流量QP为3.83m3/h；射程R为19.10m；雾化指标Wh为4286。

2.2 组合间距

按喷灌均匀系数不低于75%的要求，设计风速取3.40m/s，喷头组合间距取（1.00～0.80）R，在无固定风向的情况下，按正方形布置，喷头间距和支管间距均取18m。

单支管多喷头同时喷洒时，组合喷灌强度由式（3）计算：

式中：ρ—组合喷灌强度（mm/h）；Kw—风系数；Cp—布置系数；ρs—单喷头喷灌强度（mm/h）；V—设计风速（m/s）；Qp—喷头设计流量(m3/h)。

根据喷头工作参数计算单喷头喷灌强度ρs为3.34，由a/R(0.94)查Cp-a曲线得布置系数Cp为1.72，按设计风速3.40m/s计算风系数Kw=1.37。组合喷灌强度ρ计算结果为7.90，项目区土壤允许喷灌强度为10mm/h，即组合喷灌强度满足设计要求。

3 喷灌设计流量

按设计灌溉面积66.67 hm2，管网水利用系数0.95，每日工作时数18 h，设计灌水周期8 d，设计灌水定额436.50m3/hm2，计算设计流量：

Q=436.50×66.67/(0.95×18×8)=212.70（m3/h）

4 喷灌工作制度

4.1 喷头在工作点上的喷洒时间（t）

式中:a、b—分别为喷头、支管间距，其它符号意义同前。

由式（4）计算得d7.00×3.10喷头在工作点上的喷洒时间t为4.50 h。

4.2 喷头每日可喷洒的工作点数（N）

d7.00×3.10喷头每日工作时数td为18 h，则喷头每日可喷洒的工作点数为4个。

4.3 每次同时喷洒的喷头数（n）

按设计流量212.70m3/h计算，d7.00×3.10同时工作的喷头数为53个，根据规划同时工作的喷头数为56个。

5 管网布置及轮灌组划分

5.1 管网布置原则

为使喷灌系统安全运行、管理方便，管网系统布置应体现的原则：结合地块特征，合理布置管线，使管道总长度最短；管道布置应满足各用水户的需求，管理方便，有利于组织轮灌和迅速分散流量，支管应尽可能与作物种植方向一致，便于耕作；固定地埋管道的末端、边坡、转弯和分叉处应设镇墩。管网埋设深度应满足机耕、防冻要求。

5.2 轮灌组划分

根据管网布置和设计流量，可满足8条支管上的喷头同时运行，共分成4个轮灌组，每个轮灌组1次2条支管运行，顺序轮灌即可。

6 管网水力计算及水泵选型

6.1 经济管径计算和选择

6.1.1 干管管径

首先用经济管径计算公式（5）初选，最后经水力计算确定。

式中：D—计算经济管径（mm）；Q—通过的流量（m3/h）。

6.1.2 支管管径

支管管径应满足喷灌《规范》规定的同一条支管上任意2个喷头之间的工作压力差不大于喷头设计工作压力的20%，经水力计算后确定。

6.2 水力计算基本公式

6.2.1 沿程水头损失计算

管道沿程水头损失按公式（6）计算，公式中的有关参数选取见表1。

式中：hf—管道沿程水头损失（m）；L、d—计算管道长度（m）、管道内径（mm）；Q—计算管道通过流量（m3/h）；f—管道摩阻系数；m、b—流量指数、管径指数。

6.2.2 支管多喷头喷洒沿程水头损失

按多口系数法计算，见式（7）

式中：H′f—多喷头支管沿程水头损失（m）；F—多口系数，查《喷灌工程设计手册》；Hf—设计流量均匀通过支管计算的沿程水头损失。

表1 各种管材参数值表

6.2.3 局部水头损失

为简化计算，局部水头损失按沿程水头损失乘加大系数进行估算，本设计加大系数取1.05。

6.3 水力计算结果及水泵选型

根据管网布置、管网轮灌工作制度选择最不利工作点进行水力计算。计算结果见表2。

表2 水源工程输水干管水力计算表

6.3.1 水源工程

由水源至田间蓄水池水位高差10.00m，输水干管计算长度2500.00m。

喷灌工程田间拟建日调节蓄水池，泵站水泵机组每日24 h连续工作，设计灌水周期8 d，管网水利用系数0.95，泵站设计流量为：

水源工程输水干管选用Φ200×9.70PVC管，由公式（6）并考虑局部水头损失加大系数计算得水头损失为33.90m，设计扬程为43.90m，见表2。根据设计流量和设计扬程选用1台6Sh-9型水泵，额定流量170m3/h、扬程47.60m，配套电机200L2-2/37、功率37 kW。

6.3.2 田间蓄水池容积

喷灌工程田间管网每日运行18 h，因此田间蓄水池容积应能容纳泵站其余6 h内所提供的水量，田间蓄水池调蓄水量为：

半固定式喷灌工程田间蓄水池容积取1050m3。

6.3.3 田间管网

根据管网布置和轮灌组划分，田间管网分为2个独立运行的系统。水泵与管网连接段设计流量为106.30m3/h、计算长度24.00m、选用Φ160×4.70PVC管；干管设计流量为53.10m3/h、计算长度426.00m、选用Φ160×4.70 PVC管。干管变径后设计流量为26.60m3/h，计算长度290.00m，选用Φ110×3.40PVC管；移动支管设计流量为26.60m3/h，计算长度126.00m，选用Φ75铝合金管；由公式（6），并考虑局部水头损失加大系数、多口系数，分别计算连接段、干管、移动支管水头损失，计算结果见表3。

表3 半固定式喷灌水力计算成果表

由管网水头损失考虑喷头工作压力0.30MPa、竖管高度1.50m、地形高差2.00m，计算系统扬程为41.80m。

根据设计流量和设计扬程，查水泵性能表，拟选用2台IS125-80-160Z型水泵，额定流量105m3/h、扬程42.80m，配套电机200L1-2/30、功率30 kW。

7 结语

当前我国水资源十分紧缺，用好宝贵的水资源，使其产生更大的经济效益显得尤为重要。半固定式喷灌作为一种高效节水灌溉工程形式，与传统地面灌溉相比，可以有效减少输水渗漏，提高输水效率，一般不会产生径流和深层渗漏，田间水利用系数高，容易实现自动化，节省劳力，适应性强，且半固定式喷灌系统支管可重复使用，能降低投资，操作方便，占地少，值得大范围推广应用。在进行半固定式喷灌工程设计时，首先要弄清水源情况，做好系统总体规划布局，再根据种植作物进行灌溉制度设计，由管网水力计算得出系统所需扬程从而进行水泵选型。