中心支轴式喷灌机在陵县项目中的应用

孙 力，吕宁江，王 薇，黄 乾，于晓蕾

(山东省水利科学研究院，山东 济南250013)

由于我国水资源日益短缺的现状和发展趋势，我国十分重视节水灌溉技术的推广，取得了显著的成效。目前可供选择的节水灌溉技术有很多种，但都有一定的适用范围，选择最适合本地发展的节水灌溉技术尤为重要。在陵县德强农场节水灌溉高产示范区项目设计过程中，针对项目区土地规模化流转，集约化经营现状，采用中心支轴式喷灌机灌溉，节水、省工效益尤其显著，在同类地区具有广阔的发展前景。

1 中心支轴式喷灌机设备的优缺点

中心支轴式喷灌机是一种装有喷头的输水支管安装在自动行走的塔架车上，围绕可供水的中心支座一边旋转一边进行喷洒作业的灌溉机械。可分为固定中心支轴式和可拖移中心支轴式。喷灌机能够对灌水量进行精准控制，具有以下优点和缺点。

1.1 设备的优点

(1)便于实现机械化和自动化，可降低劳动强度，省时省力。

(2)设备的适应性强，几乎所有作物都可以使用。

(3)跨体间采用橡胶套筒柔性连接，最大允许地面坡度不大于15%。可以对土地不平整的地块进行灌溉。

(4)可实现定时、定量灌溉，同时可以通过化学品自动添加系统实现施肥、施药等功能。

1.2 设备的缺点

(1)在风大和极为干旱的地方，喷灌机的灌水效率明显降低。

(2)喷灌机喷灌时，田块的四角会出现漏喷，喷灌面积占总面积的比例只能达到75%左右。

(3)喷灌机从中心至末端，喷头喷水量逐渐增加，末端容易形成地表径流。

(4)喷灌机不太适合土壤允许入渗强度较小的土壤。

2 中心支轴式喷灌机工程设计

中心支轴式喷灌机工程设计流程主要包括以下几个步骤:资料收集、项目规划和工程设计。本文以山东陵县德强农场为例，提出了引黄地区固定中心支轴式喷灌机工程设计流程。

2.1 基本资料收集

中心支轴式喷灌机工程设计需要收集水源、灌溉区域地形图、土壤、作物、气象、能源电力、道路交通等方面资料，通过资料收集为工程典型设计提供重要依据。

2.2 中心支轴式喷灌机设计计算

2.2.1 喷灌机有效长度计算

喷灌机有效长度为跨体长度和末端悬臂长度之和，其中跨体长度一般那又分为多种，典型喷灌机跨体长度为296.6 m。

2.2.2 喷灌机灌溉控制面积计算

喷灌机灌溉控制面积为喷灌机在同一个作业位置的喷灌面积和喷灌机尾枪或末端喷头喷灌面积之和。喷灌机尾枪的覆盖范围主要分为两种，一种是与其他喷头同时喷洒在一个作业位置，喷洒形状为环形;另一种是仅在设定范围内喷洒(一般为正方形的四角)，喷洒形状为月牙形，末端喷头的喷洒形状为环形。典型喷灌机喷灌面积为27.6 hm2。

2.2.3 喷灌机设计流量计算

喷灌机设计流量应为喷头流量和尾枪流量之和，但同时应不小于设计日最大需水量，如果不满足条件，应重新选择喷头和尾枪。

根据作物类型和气候条件，一般选用尼尔森D3000系列喷头作为喷灌机的配套喷头。典型喷灌机设计流量为92.6 m3/h。

2.2.4 喷灌机设计入机压力计算

喷灌机设计入机压力为末端喷头设计工作压力、喷灌机进水口至末端喷头之间的输水管水头损失和喷灌机进水口与喷灌机喷头运行轨迹最高点之间的高程差之和。尾枪安装在喷灌机最末端，并装配一个增压泵来确保水压，因此，此处不计算尾枪压力。典型喷灌机设计入机压力为24 m。

2.2.5 喷灌机运行参数计算

1)设计最大灌水定额

根据《喷灌工程技术规范》(GB/T50085－2007)的规定，最大灌水定额根据土壤容重、计划湿润层深度、适宜土壤含水量上下限、田间喷洒水利用系数来确定，典型喷灌机设计最大灌水定额为47.3 mm。

2)喷灌机旋转一圈所需最短时间

目前，口腔专业研究生规范化培训存在“严进宽出”，甚至“宽进宽出”的现象，致使学员规范化培训后的考核方式不够完善。现有的考核方式主要有临床轮转考核手册、指导教员评语、临床学习情况总结汇报等，而临床操作技能方面的考核比重较少。

喷灌机旋转一圈所需最短时间根据中心支座中心点与末端塔架车轮胎之间的距离、行走驱动装置总速比、配套轮胎外径和行走驱动装置配套电机额定转速来确定，典型喷灌机旋转一圈所需最短时间为10.67 h。

3)根据设计灌水定额计算喷灌机运行时间

根据设计灌水定额按式(1)计算喷灌机运行时间

式中:T为中心支轴式喷灌机单次灌水所需运行时间(h);A为喷灌一圈的面积(hm2);m为设计灌水定额(mm)，m≤mS;Q为喷灌机入机流量(m3/h)。

计算结果详见表1。

表1 设计灌水定额条件下喷灌机运行时间表

4)喷灌机按照设计灌水参数运行时速度调节比例

喷灌机按照设计灌水参数运行时速度调节比例按式(2)计算。

计算结果详见表2。

表2 喷灌机按照设计灌水参数运行时速度调节比例表

根据计算结果可知:设计灌水定额相同的条件下，喷灌机存在不同的旋转圈数和速度调节比例。

2.3 输水管道水力计算

从水泵至中心支轴式喷灌机入口选用PVC－M塑料管，管道外径160 mm，许可压力0.63 MPa。输水管道水头损失为管道沿程水头损失和局部水头损失之和，管道局部水头损失按照沿程水头损失的10%～15%估算，本典型设计取10%。

2.4 水泵扬程计算

喷灌机水泵扬程为喷灌机输水管道水头损失、水泵泵管水头损失、动水位至喷灌机入口高差和喷灌机入口工作压力之和。水泵总扬程为37.0 m。

2.5 水泵选型

根据喷灌机的流量和扬程，在水泵性能型谱表中进行选择。如果水泵扬程相差不多，或相差5%左右，仍可选用;若扬程相差很多，则选用扬程较大的水泵，或增大各级输水管道管径，减小水头损失。

选用卧式离心泵1台，型号为IS100－65－200(A)，流量:94.1 m3/h，扬程:44.2 m，功率:22 kW。

2.6 总功率计算

喷灌机总等于水泵功率、行走塔电机功率和尾枪增压泵功率之和。总功率为24.75 kW。

3 结语

本文以山东省陵县德强农场为例，对中心支轴式喷灌机工程设计中应注意的问题进行了探讨，中心支轴式喷灌机工程设计流程主要包括以下几个步骤:资料收集、项目规划和工程设计。根据项目区种植作物各生长时期所需要的灌水定额，选择喷灌机不同运行圈数和速度调节比例，达到按需灌溉。

在我国农村土地规模化流转，集约化经营过程中，以中心支轴式喷灌机为代表的大型喷灌机在我国的使用量也呈现出逐年增长的趋势。因此，中心支轴式喷灌机的设计在实际应用中的作用越来越大，希望本文的探讨能够对中心支轴式喷灌机的设计和安装有所裨益，并能指导中心支轴式喷灌机的日常使用，对我国的节水灌溉事业有所帮助。

［1］李保明.中心支轴式喷灌机典型标准工程设计［J］.中国马铃薯.2012(6):374－378.

［2］DB23/T 1499－2013.中心支轴式喷灌机使用技术规范［S］.黑龙江质量技术监督局.2013.

［3］GB/T50085－2007.喷灌工程技术规范［S］.中国计划出版社.2007.