固定式喷灌在山丘区的应用

2018-05-02邱康利李健炯

浙江水利水电学院学报 2018年1期

邱康利，李健炯，周青

(杭州水利水电勘测设计院有限公司诸暨分公司，浙江诸暨 311800)

喷灌是一种具有节水、增产、节地、省工等优点的节水高效灌溉技术[1]，目前国内关于喷灌工程的设计书目与教材大部分针对规则管网布置的平原地区，专门针对山丘区的专著不多[2].同时喷灌类型多，适用的地形、面积、区域都存在区别，选用合理的喷灌方式可以获得事倍功半的效果，不仅可以增加亩产，同时可以节水节能.以往关于山丘区灌溉技术的文献针对单一模块论述的较多，原理介绍与实践案例偏少，无法展现山丘区喷灌工程的整体性，本文采用理论分析与实际应用相结合的方式，对山丘区固定式喷灌系统的加压模式、轮灌制度、喷头分组和管网布设等方面进行分析和应用，为山丘区喷灌工程的实施提供了指导性参考，具有实践意义.

1 山丘区喷灌系统的设计原理

1.1 喷灌类型

喷灌是把由水泵加压或自然落差形成的有压水通过压力管道送到田间，再经喷头喷射到空中，形成细小水滴，均匀洒落在农田，达到灌溉目的的一种高效节水灌溉方式,喷灌相对地面灌溉而言，具有灌水均匀度高、灌水时间和灌水量可以高度控制、对土壤和作物扰动少、操作简单等优势.[3-6]按照设备种类分类，喷灌分为①管道式喷灌，②机组式喷灌；按照管道安装使用情况，喷灌分为①固定式喷灌，②半固定式喷灌，③管道全移动式喷灌[7-8].

1.2 喷灌系统加压模式

按照喷灌系统获得压力的方式可分为：自压、机压和混压喷灌系统.机压管网水力运行所消耗的水头损失完全依靠水泵加压来维持；自压管网运行压力由水源与作物地面高差形成，首部枢纽一般位于规划区自高点；混压管网是自压和机压的合并使用，特点是半自压、半机压，通过水泵提水自高处蓄水池，然后由蓄水池二次补压或自压供水给喷灌系统.

1.3 管网布设原则

山丘区管网布置呈不规则树状结构，根据地形沿山脊或高低设置总干管，总干管上可设置若干分干管，分干管上设置支管.管网布设使系统管道长度最短、控制面积最优、水头损失最小，投资最低[9].

1.4 轮灌制度确定原则

喷头分组一般是按照灌溉制度推求的一次同时工作喷头数等量进行分组，等量进行编组.

灌区划分力求每个轮灌流量、工作压力基本相同，山丘区喷灌系统中各轮灌区的高程、面积不等，流量和压力的差异是客观存在的，所以水泵工作性能在允许范围内，满足系统正常安全运行即可.

2 实例应用分析

2.1 项目概况

诸暨市街亭镇新胜村坡耕地工程位于诸暨市街亭镇新胜村，连片坡耕地12 hm2，主要以种植香榧为主，种植行距4 m，株距4 m.项目区地势高低起伏，项目区北部高程为89.5 m，水源为项目区北端下蓝田湾山塘，塘内常年有水；南部、西部和东部最高高程为142～146 m，中部较为平坦.

2.2 工程设计

(1)选择固定式喷灌原由

由于机组式喷灌设备大多数适用于大规模、机械化的集约农业生产，不适应小户经营模式[10-12]，因此选择管道式喷灌较为合理，管道喷灌中，固定式具有方便管理、成本适中的优点，综合考虑本次设计采用固定式喷灌类型.

(2)首部压力方式

诸暨市山丘区为主要种植区，山丘海拔与落差均不高，自压使用情况相对较少；诸暨市雨量丰沛,空气湿润；同时江河水库数量众多，为节水灌溉的水源调节起到了保证作用，混压喷灌系统在我国辽宁省应用较为广泛，主要用于水源供水量在时空上的分配不足不能满足喷灌用水需求而需要调蓄的情况；而机压喷灌系统可用于平原地区和落差不大的山丘区.综上考虑本次设计使用机压系统较为合理.

(3)供需平衡分析

项目区水源为范围线北侧山下蓝田湾山塘，山塘集雨面积0.17 km2，正常容积2.5万m3，项目区多年平均降雨量1 400.9 mm，枯水年(P=90%)降雨量907.4 mm.多年平均径流量为11.47万m3，年径流系数C值取0.5，枯水年(P=90%)径流量为7.76万m3.

经计算，在保证率90%的情况下，全部采用喷灌，项目需水量为8 750 m3.对项目区设计水平年的可供水量和需水量进行供需水量平衡计算，计算结果(见表1).

表1 灌区水量供需平衡分析表

(4)灌溉制度的确定

①喷头的选择

根据作物种植间距及台阶式梯坎大小，选用35ATNT型摇臂式全圆型喷头，其工作参数(见表2).

表2 35ATNT型摇臂式全圆型喷头性能参数表

②一个工作位置的灌水时间

(1)

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，本工程取0.9；

由上式计算得:t=4.0 h

③一天工作位置数

(2)

式中：nd—一天工作位置数；

td—设计日灌水时间,h；

t—一个工作位置的灌水时间,h；

设计日灌水时间取16 h，则nd=3.98，取4.

④同时工作喷头数

(3)

式中：np—同时工作喷头数,个；

Np—灌区喷头总数,个；

nd—一天工作位置数；

T—设计灌水周期,d.

项目区占地12 ha，地块需要喷头数535个.初估同时工作喷头数为30个.

(5)灌区划分区块

根据以上计算得到轮灌制度，确定灌区喷头总数为535个，喷灌周期为4.5 d，设计日灌水时间为16 h，一个工作位置的灌水时间为4.0 h，一天工作轮数为4，根据设计方案中喷头分组原则，将地块划共划分18个喷灌组，每一分组均由闸阀控制.

在地形变化的山丘区若等量编组，会导致系统喷头在超压的情况下运行，使系统喷灌均匀度降低，缩短喷头使用寿命.采用水泵出口阀门来调节水泵工作，但因投资相对较高，管理技术要求也较高，无法推广运用[13-14]，因此通过改变一次同时工作喷头数的编组方法，使工作压力和工作流量等于或接近于额定值，从而保证喷头的正常工作，又不造成能源浪费，还简化了系统的管理.具体喷头分组(见表3).

根据管道布置方案进行该项目干管、分干管和支管的铺设，具体灌区划分(见图1).

表3 喷头分组

图1 灌溉分区和管道铺设图

3 结论

固定式喷灌系统在山丘区特殊的地形地貌和种植方式下可以更好地发挥节水和增产效益；新胜村坡耕地工程实例节水3 500 m3，香榧增产150 kg/hm2；在固定式喷灌系统中，喷头分组和轮灌制度是保证管道系统高效运行和管理工作的关键;避免等量分组造成的泵机带压工作，结合水头和压力合理分组，新胜村坡耕地工程实例轮灌周期4.5 d，日轮灌组数4组，较符合作物需水周期和管理人员的作息时间.本章在计算一个喷灌位置灌水时间的喷灌水利用系数直接参考经验值未考虑田间小气候、风速、日照等因素对谁利用系数的影响.今后要增加理论在实践中的深入，研究出专门适用于山丘区喷灌技术标准和工程设计规范，使喷灌系统更好的为山丘区发挥作用.

参考文献：

[1] 孙文峰,程亨曼,李孝存,等.我国喷灌设备现状与市场前景分析[J].农机化研究,2005(1):63-64.

[2] 金玉洁,张展羽,汪光宇,等,山丘区滴管工程设计方法研究[J].节水灌溉,2009(6):39-41.

[3] 吴卫峰.稻田生态节水系统研究[J].浙江水利水电学院学报,2016,28(2):53-57.

[4] 戚高晟,朱星宇,刘剑军,等.多功能虹吸式灌溉装置在小型农业水利工程中的应用[J].浙江水利水电学院学报,2017,29(3):37-40.

[5] 史少培,谢崇宝,高虹,等.喷灌技术发展历程及设备存在问题的探讨[J].节水灌溉,2013,(11):78-81.

[6] 褚琳琳.国内外喷灌技术研究现状与发展趋势[J].节水灌溉,2014(6):71-73.

[7] 董惠民.节水灌溉技术知识讲座之三喷灌分类[J].云南农业,2003(3):8-8.

[8] 郑冬浩，曹志华，董勇卫，等.660MW超超临界机组低负荷下凝结水系统控制优化[J].浙江电力,2017,36(7):20-23.

[9] 郭元裕.农田水利学[M].3版.北京:中国水利水电出版社,2002.

[10] 范永申,王全九,周庆峰,等.中国喷灌技术发展面临的主要问题及对策[J].排灌机械工程学报,2015,33(5):450-453

[11] 董勇卫，柏元华，房文蔚，等.实时优化控制系统在660MW超超临界机组的应用[J].浙江电力,2017,36(7):46-49.