北方中草药喷灌设计

【摘要】文章针对抚顺市清原县中草药喷灌设计的情况，结合北方山区特点，对地块面积的选择、管路的布置、水源的选择等提出了具体设计理念，形成特有的北方中草药喷灌设计模式，取得了显著的效果，丰富了灌溉设计内容。

【关键词】北方中草药；喷灌设计

1 技术规范

《灌溉与排水工程设计规范》GB50288；《节水灌溉工程技术规范》GB/T50363；

《喷灌工程技术规范》GB/T50085-2007；《水利建设项目经济评价规范》SL72。

2 建设方案

2.1 方案比选

本工程以《节水灌溉技术规范》SL207-98，《农田节水灌溉技术灌溉手册》以及椽子沟、大石沟村社会经济与农业发展规划等为依据进行设计。当地农业发展和种植结构为主，按照有利于在当地进行示范推广应用和发展，有利于农民增产增收为原则，选择适宜的节水灌溉模式，根据项目区地形地貌等自然条件，水源条件，当地实际运行方式，灌溉方式采用喷灌系统。

（1）作物种植结构

全部种植龙胆草，种植模式为密植双行，最大高度为100cm左右，行距15cm～20cm，株距为7cm～10cm。根据龙胆草高度、行距、株距选择喷灌形式合适。

（2）地形适应性

项目区地型属中低山区，地处为“U”型河谷，河谷宽约150～400m，岸坡较缓，多为坡积物覆盖，工程布置在河谷两岸，灌溉区域地块分块布置。

从水源角度，该项目区水量充沛、可在河道两岸挖大口井，解决水源工程。

从地块角度，地块为长方形、坡度小于8%。满足喷灌要求。

（3）项目效益

本项目实施后改造原有的0.5万亩中药材灌溉形式，灌溉用水有效利用系数原有的0.4提高到0.85，年节约水量45万m3，按每亩增加中药材30kg，每公斤按52元计算、增加效益780万元，按生长周期3年计算年增加效益260万元。

2.2 建设标准

2.2.1 建设标准

工程建设符合相关的行业技术标准，质量达到合格要求，运行管护规范；规划科学，灌溉用水不超过区域水资源承载力，水质符合农业灌溉用水标准。

喷灌区选在集中连片的地块，坚持高标准、高起点、实行水、田、林、路、沟、渠、桥、涵、电综合配套，做到水源有保障，排水有出路，达到与水利骨干工程标准配套，开发的地块连片集中，具有较大的增产潜力。

通过喷灌工程的实施，实现项目区灌溉管网化，有利于水资源的优化配置和生态环境的改善，有利于提高经济效益、社会效益和生态效益，改善劳动条件，减轻劳动强度，促进农业产业化和农村经济的发展。

2.2.2 技术要求

（1）灌溉水源为提取地表水，按有关技术规范布设水源井，成井工艺按有关技术规范执行。

（2）灌溉水利用系数不应低于0.85。

（3）设计保证率不应低于0.85。

（4）满足设计风速条件下的喷洒水利用系数、喷灌强度、喷灌均匀系数和喷灌雾化指标要求，不得漏喷，不得产生地面径流。

3.3.4.1 龙胆草喷灌设计

3.3.4.1.1 项目区概况

（1）地理位置

项目区为辽宁省清原县英额门镇，素有东北药材生产第一镇之称，地理位置为东经125°03′15.03″～125°05′34.05″，北纬42°03′46.09″～42°08′34.03″。

（2）气候

项目区地处中温带亚湿润区，属温带大陆性季风气候，四季分明，冬季以西北风为主，气候干燥、气温较低、天气寒冷，夏季西太平洋副热带高压增强，暖湿海洋气团从西南、东南方侵入，降雨量比较集中。

多平均年降雨量793.7mm，但水量分配不均，六、七、八三个月占全年降雨量61%。

清原县气象站资料分析，历年最高气温为36.5℃，历年最低气温-37.6℃，年平均气温3.9-5.4℃，最冷出现在1月，最热出现在7月，一月平均气温-16℃，最低气温-37.6℃；七月平均气温22.8℃，最高气温36.5℃。大于10度的年活动积温2497.5-2943.0℃。多年平均冻层深度1.40m，最大冻深达1.65m。

（3）水文地质

项目区为低山丘陵区，基岩地下水的补给、径流、排泄等主要受地质、地貌条件控制，水位埋藏复杂，地下水水量不丰，泉水流量较小。由山地岩石出露地层可见，主要为前震旦系鞍山群之混合岩系，后期侵入各种岩脉。山间河谷为第四纪松散岩孔隙水，其含水岩组的岩性为坡洪积——冲洪积的粗砂、砂砾石、砂卵石等。地下水埋藏深度不一，浅层水约深2～5m，并受气候、地质构造和地貌作用控制。潜水的补给源主要是大气降水，山区河川为潜水的主要排泄场所。

（4）地形和土壤

该区域位于辽宁东部山区，土壤沿河岸冲积平原，上部为第四纪冲积物，表面层为壤土、重粉质壤土，其下部为砂、砂卵石。土壤容重为1.42g/cm3，田间持水率为30%。

（5）种植模式与种植结构

区域内以龙胆草为主，种植模式为密植双行，行距15cm-20cm，株距7cm-10cm，苗小可双株，亩用苗量4万株左右。

3.3.4.1.2工程设计

（1）灌溉方式选择

本工程以《节水灌溉技术规范》GB/T50363-2006，《喷灌工程技术规范》GB/T50085-2007，以及椽子沟村社会经济与农业发展规划等为依据进行设计。当地农业发展和种植结构为主，按照有利于在当地进行示范推广应用和发展，有利于农民增产增收为原则，选择适宜的节水灌溉模式，根据项目区地形地貌等自然条件，水源条件，当地实际运行方式，灌溉方式采用喷灌系统。根据水源地质条件，在项目区内打井为直径4m圆形大口井，井深6m，出水量为32m3/h。水源井设计井房一座，其内布置水泵、IC卡智能水表、逆止阀等首部工程。

本次设计灌溉区为喷灌，喷灌系统由喷头、管道及其附件、动力设备等，考虑到资金配置，本工程采用半固定式喷灌系统。

（2）项目区水源条件分析

单井出水量32m3/h，井深6m，水质较好，适宜发展喷灌。

单井控制灌溉面积计算

水源井计算：

F=32×5×16×0.83/19=111.8亩。

式中：

F——单井控制面积，亩；Q——单井出水量，32m3/h；T——灌水周期，5d；

t——每天开机时间，h，t取16h；

——灌溉水利用系数，η=ηG×ηP=0.98×0.85=0.83；m——灌水定额，19m3/亩。

经计算，该井可控制灌溉面积111.8亩。

（3）管网总体布置

项目区长300m，宽210m，面积94.4亩，地貌类型属中低山区。“U”型河谷左岸，地势较缓，多为壤粘土覆盖，井位于项目区南侧。

从水源井向地块内布置一条φ90mmPVC干管（地下埋深1.7m），垂直于干管布置40条φ65mm铝合金支管（地面铺设，左右布置），支管间距为15×15m。干管长度为312.5m，每条支管长度为97.5m（实际采用100m）。半固定式喷灌，本区共分为20个灌水小区，每个小区的面积4.72亩。

（4）灌溉制度的确定

①喷头选择及组合间距确定

a.壤粘土允许喷灌强度10mm/h，田面坡度为7%，允许喷灌强度应降低20%，则ρ=10×（1-0.2）=8mm/h

b.本地区在灌溉季节主风向较稳定，本设计喷头组合正方形组合式，间距比

Ka=1.0（多支管多喷头全圆喷洒）则布置系数Cρ由下式确定

c.单喷头全圆喷洒无风时允许喷灌强度

d.当风速超过1m/s时，设计喷灌强度可以通过修正ρs的方法计算：

ρ=KWCPρs=1×3.14×2.29=7.19 mm/h<8 mm/h （允许喷灌强度）

雾化度Wh=hρ/d确定单喷嘴喷头型号：

hρ———喷头压力工作水头（m）

d———喷头主喷嘴直径（m）

Wh=hρ/d=20/0.0055=3636m 复合雾化指标（3000<3636<4000）

组合间距b=a= Ka×R=1.0×15=15m。

②设计灌水定额

式中：ms—最大灌水定额mm

h—计划湿润层深度（cm），取h=34.5cm

γ—土壤容重γ=1.42T/m3

，—适宜土壤含水量上下限（重量的%），取90%，取70%，取田间持水率占干土重量的30%，则

=30×90%=27

=30×70%=21

ms=0.1×1.42×34.5×（27-21）

=29.39mm =19 m3/亩

③灌水周期的确定

T=m/ETd

式中：T—设计灌水周期，计算值取整（d）

ETd—作物日蒸发蒸腾量，（取5 mm/d）

m—设计灌水定额，m=29.39mm

T=29.39/5=5.8≈5（d）

④喷灌工作制度

a喷头在一个位置上的工作时间

式中：t—一个工作位置上的灌水时间（h）

a—喷头间距15（m）

b—支管间距15（m）

m—设计灌水定额（m=29.39mm）

qp—喷头设计流量（m3/h） 取qp=1.62m3/h

t=15×15×29.39/（1000×1.62）

=4.0h

b喷头每日工作位置数

式中：nd—一天工作位置数

td—设计日灌水时间（16h）

t—喷头在一个位置的作业时间（4.0h）

nd=16/4.0=4

c需同时工作喷头数

式中：np—同时工作的喷头数（个）

Np—由喷灌系统平面图定出的喷头总位置数（280个）

T—设计灌水周期（5d）

nd—一天工作位置数（4个）

np=280/4/5=14个

灌溉区同时工作的喷头数为14个.

d喷灌系统设计流量

Q=n×Qp/ηG

式中：n—同时工作的喷头数（个）

Qp—喷头喷水量（m3/h） 取Qp=1.62m3/h

ηG—管道系统水利用系数

Q =14×1.62/0.98=23.14m3/h

本区共分为20个灌水小区，一天灌溉4个小区，一天开机时间为16h，灌水周期为5天。

（5）输水管网设计

1主管路管径选择

采用分支管网布置形式，管中流速尽量控制在1.7m/秒，喷灌工程管道中水流沿程水头损失较大，而局部水头损失和流速水头很小.

d=1000×（4×Q/3600/V/π）1/2

式中：d—为干管的直经（mm）

Q—干管设计流量（m3/h）

l—为管道长度（m）

V—为干管内经济流速（m/s）

V经济—1.7（m/s）

d=1000×（4×23.14/1.7/3.14）1/2

=69.34mm

故主管路选取φ90mmPVC管（内径81.4mm）

2支管路管径选择

支管能量损失应满足Hw≤0.2Hp=hf+hj的条件，若暂时按支管局部水头损失hj支=10%hf估算，则hf=0.186Hp，通过沿程水头损失计算公式hf=FfLQm/db经变换后，可得到支管管径计算表达式为：d支=（fQmLF/0.182Hp）1/b

式中：hp—设计喷头工作压力hp=20（m）

△Z—支管首末两喷头高差，支管上坡为△Z正（△Z=1.5）

hp—设计喷头工作压力hp=20（m）

hw—支管沿程水头损失（m）

f，m，b—为沿程摩阻系数f=86100，流量指数m=1.74，管径指数b=4.74

hf—沿程水头损失（m）

Q—管道设计流量Q =7×1.62/0.98=11.57m3/h

L—为管道长度（97.5m）

d—为管径（mm）

f—多口系数，查表得F=0.389；

由上式计算，得出d支=49.07mm，则选取65mm外直径的铝合金管作为支管。

（6）管道水力计算

支管总水头损失满足

式中：hp—设计喷头工作压力hp=20（m）

△Z—支管首末两喷头高差，支管上坡为△Z正（△Z=1.5）

hp—设计喷头工作压力hp=20（m）

hw—支管沿程水头损失（m）

式中：f，m，b—为沿程摩阻系数f=86100，流量指数m=1.74，管径指数b=4.74

hf—沿程水头损失（m）

Q—管道设计流量Q =7×1.62/0.98=11.57m3/h

L—为管道长度（97.5m）

d—为管径（mm）

hf=86100×（97.5×11.571.74/654.74）

=1.52m

hw+△Z=1.52+1.5=3.02（上坡） <0.2hp=0.2×20=4m

①多喷头支管沿程水头损失（下转第页）

（上接第页）

=F×hf=0.389×1.52=0.6m

—多喷头沿程水头损失（m）

hf—支管沿程水头损失（m）

F—多口系数，计算F=0.389

N—喷头数

X—多孔支管首孔位置系数

②多喷头支管局部水头损失

hj按支管沿程水头损失10%计

hj=0.6×10%=0.06m

③干管沿程水头损失

=94800×（312.5×23.141.77/81.44.77）=8.92m

式中：f，m，b—为沿程摩阻系数f=94800，流量指数m=1.77，管径指数b=4.77

hf—沿程水头损失（m）

Q—管道设计流量Q =23.14m3/h

L—为管道长度（312.5m）

d—为管径（mm）

④干管局部水头损失

hj按干管沿程水头损失10%计

hj=8.92×10%=0.89m

⑤水泵吸水管水头损失

选用φ90mm吸水管，管长8m。

=94800×（8×23.141.77/81.44.77）=0.15m

式中：f，m，b—为沿程摩阻系数f=94800，流量指数m=1.77，管径指数b=4.77

hf—沿程水头损失（m）

Q—管道设计流量Q =23.14m3/h

L—为管道长度（8.0m）

d—为管径（mm）

吸水管局部水头损失

hj按吸水管沿程水头损失10%计

hj=0.15×10%=0.015m

（7）水泵选型

灌溉区喷灌设计水头H

式中： H—喷灌设计水头（m）

Zd —典型喷灌点地面高程（m）

Zs—水源稳定水位（m）

hl—典型喷灌点的竖管高度（1.0m）

hp—典型喷灌点喷头工作压力（20m）

∑hf—由水泵吸水管至典型喷点喷头进口处水头损失和（m）

∑hj—由水泵吸水管至典型喷点喷头进口处之间的水头损失和（m）

H=10-7+1.0+20+8.92+0.89+0.6+0.06+0.17=34.64m

根据计算供水流量、扬程，参见上海邦浦实业集团有限公司BPL系列单级单吸立式离心泵，选用BPL80-200A型离心泵。

（8）水源工程设计

① 水源井设计

该地区水量富足，水源来水量满足供水需求，保证喷灌工程的正常运行；水质满足《农田灌溉水质标准》GB5084-92，该项目利用水源为地表水。

根据最高峰流量，一次喷灌延续时间，确定需水量。本次设计水源井靠近河边。用挖掘机开挖，内径为4m圆形大口井，井深6m。井壁基础0.5m高度为浆砌块石，上接3.5m高干砌块石，最上层为2.0m高浆砌块石，井壁厚0.7m，外部回填反滤料及回填土，井顶盖为0.2m厚钢筋混凝土。

② 井房设计

工程首部工程配置了逆止阀、压力表、IC卡智能水表等设施，为保障这些设施安全可靠、良性运行，需修建井房一座，井房尺寸：5m（长）×3m（宽）×3m（高），面积15m2，结构为彩钢板屋。