固定式喷灌在经济作物灌溉中的设计和应用

赵士蜜

摘要：固定式喷灌系统常用于经济作物。该系统主要特点是：水泵、输水干支管和固定式喷头。在水源保障的前提下，通过水泵流量和扬程选择，根据经济作物的灌溉制度和雾化指标，计算选择主支管道直径和喷头参数，达到满足经济作物需水量目的。

关键词：固定式喷灌；灌溉；设计应用

一、前言

五河县国土面积1428km2，人口66.7万，耕地面积109.8万亩，其中流转土地4.9万亩，主要經营蔬菜瓜果等高价值的经济作物。这些高经作物对灌溉制度和雾化指标等都有严格的要求。经营业主为了改善作物的生长条件，同时达到省工、省时效果，决定采用固定式喷灌，同时选择小喷嘴喷头满足雾化。现就五河县宇繁农业合作社的露天蔬菜种植区的喷灌设计和应用做一介绍。

（一）地形和水源

该露天蔬菜喷灌区位于五河县头铺镇境内的龙潭湖农场的南部，地势平坦，南北长350m，东西宽210m，中部布置一条12米宽的生产道路，实际喷灌面积110亩。该片紧靠怀洪新河，计划采用地下水作为灌溉水源。

（二）单并控制灌溉面积及机并数量确定

根据物探报告，物探区域均为第四系覆盖，覆盖层厚度最大达80米左右，砂层与粘土层互层。该水厂动水位20m，单井出水量为20-25M 3/h，设计采用常规井，井深40m，井径Φ40cm。根据《机井技术规范》要求，单井控制灌溉面积由下式计算：

式中：F0—单井控制灌溉面积，亩

Q—单井出水量，取20m3/h；

t3—灌溉期间开机时间，取14h/d；

T2—每次轮灌期的天数，取3d；

η—灌溉水利用系数，井灌区取0.7；

η1—干扰抽水的水量削减系数，取0.1；

m2—每亩每次综合平均灌水定额（m3）e

综合平均灌水定额按夏季考虑。茎叶类需水量最大，灌水周期3天，每亩每次综合平均灌水定额为10m3/亩。

将上述参数代入上式计算后得：F0=53.0（亩）。

b.井数的确定

N≥∑F=100÷53.0≈2眼。

c.井距的确定

井距按带状布置，公式如下：规划布局机井间距为190m，并结合现有路沟布置，方便群众生产和生活。

d.农用井结构

采用Φ40cm无砂砼管，滤水管孔隙率为20%左右，泥孔直径700mm，宜井深度40m，并需采用级配滤料，采用砾石层，砾石层厚度一般为75-100mm滤料粒径应为含水砂层粒径的8-10倍。

（三）水质

根据附近地区的头铺水厂的物探资料及水质化验情况，该地区地下水含量一般20-25m3/h，水质满足农业灌溉要求。

根据机井控制面积的要求，该喷灌灌区共需布置4眼机井，每眼机井控制范围为独立的小灌区，干管对称于机井布置，喷头按正三角形布置，每眼井布置2条干管，布置支管12条，平均每条长94m，喷头间距21.73m，所以每条支管上的喷头个数为4个，共布置喷头48个，站管高度2.0m，埋深0.5m.

（1）灌溉系统设计参数

根据设计规范及结合当地的实际情况，选用如下设计参数：

a：日耗水强度Ea：Ea=5.4mm/d

b：土壤湿润比P：蔬菜滴灌取P=70

c：灌溉水的有效利用系数η≥0.90

d：土壤计划湿润层深度h：蔬菜取h=30cm

c：土壤容重1.4g/cm3

f-田间持水量，取18%（重量含水量）

g：土壤允许喷洒强度12mm/h

h：凋零系数14%

（2）露天蔬菜河灌区喷灌式低压管道灌溉工程设计

1.选择喷灌系统形式

露天蔬菜喷灌示范区种植作物为蔬菜等经济作物，经济价值高，考虑蔬菜灌水次数多，人工用量大，人工工资高及土地等因素限制，计划采用固定管道式喷灌，现对输水管道进行典型设计。

2.确定喷洒方式和喷头组合形式

由于是固定式喷灌系统，为了节省管道决定采用全圆周喷灌，喷头组合方式选用正三角形式布置。

3.喷头的选择

蔬菜要求水滴较小，喷灌质量好，根据种植种类选择雾化指标，按国标规定的雾化指标：蔬菜及花卉4000～5000。由于决定采用全圆周喷洒，项目区土壤为壤土，土壤允许喷洒强度12mm/h；故选用ZY-2型金属摇臂式系列喷头。

ZY2系列喷头喷灌设备参数

设计工作压力为2.5bar；

设计射程：15.7m；设计流量：1.87m3/h

喷嘴尺寸：5.5mm 驱动方式：垂直摆臂

喷灌强度ρ全=1000qη/A=1000×1.87×0.9÷15.7÷15.7=6.83mm/h，小于该项目区的土壤允许喷洒强度12 mmm；

雾化指标：2.5×10÷5.5×1000=4545，满足蔬菜的雾化指标4000～5000。

4.管材的选择

喷头的工作压力为2.5bar，则要求管材能够承受6-8bar的压力即可，故管材选用PE管材，管道承压为0.8MPa。

5.管网选择与布置

喷灌管网采用主干管、支管二级管道布置。

根据管网布置原则，支管布置考虑水头压力差不大于20%，主干管沿灌区中部东西向布置，干管长350m；支管按梳子型布置，在保证均匀布设分管的前提下，支管南北方向布置，以利于蔬菜生长。按国标规定的雾化指标选取的喷头最大射程15.7m，设计射程R设=O.BR=0.8×15.7=12.56m。喷头按照全圆正三角布置。

支管间距b=1.5R设=1.5×12.56=18.84m；

喷头间距为a=1.738设=1.73×13.12=21.73m。

该灌区共布置4眼机井，干管对称布置于道路两侧，喷头按正三角形布置，每眼井布置2条干管，布置支管12条，平均每条长94m，喷头间距21.73m，所以每条支管上的喷头个数为4个，共布置喷头48个，站管高度2.0m，埋深0.5m。

6.灌水定额

该区土质为壤土，土壤容重r=1.4g/cm3，田间持水量β取18%（重量含水量），采用下列公式：

m=0.1rh（β1-β2），式中m：设计灌水定额（mm）；r：土壤容重，g/cm3；β1：适宜土壤含水量上限，取田间持水量的90%（重量含水量）；β2：适宜土壤含水量下限，应大于凋零系数，根据经验取田间持水量的70%比较适宜；h：计划湿润层深度，取30cm。

计算得：m=0.1×1.4×30×（0.22×90-0.22×70）=16.42mm。

7.灌水周期

两次灌水之间的时间间隔为灌水周期，计算公式为T=m/Ea，式中T：灌水周期（d）

Ea：临界期日耗水量，取5.0-7mm/d，取夏、秋季耗水量大6mm/d；代入数据得：T=16.42÷6=2.73（d）取3d。

8.设计日灌水时间

根据喷灌管材技术规范要求，固定管道式农作物设计日灌水时间12-20h，考虑更换喷头等因素限制，本设计选用12h。

9.一个工作位置的灌水时间

式中：t—一个工作位置灌水时间（h）

m—设计灌水定额（俐川

a—喷头布置间距（m），根据正三角布置全圆周喷灌，喷头间距为21.73m

b—支管布置间距（m），根据正三角布置全圆周喷灌，支管间距为18.84m

qp—喷头设计流量（m3/h）。所选喷头流量1.87m3/h

ηp—田间喷洒水利用系数，根据气候条件可在下列范围内选取：

风速低于3.4m/s，ηp=0.8-0.9

风速为3.4～5.4m/s，ηp=0.7～0.8

项目区多年平均风速3.4m/s，ηp取0.85

10.一天工作位置数

式中：nd—一天工作位置数

td—设计日灌水时间（h），选14h

t—一个工作位置灌水时间（h）

11.同时工作喷头数

式中：np—同时工作喷头数

nd—一天工作位置数

Np—灌区喷头总数

Tp—灌水周期（d）

最多可供8喷头同时工作。考虑支管每根3-4个喷头。为方便管理，按每条支管同时工作，同时工作的喷头按2×4=8个计算。为使本灌溉系统管理方便，且安全稳定的运行，在支管的首部设置控制井内安装进水闸阀、减压阀、进排气阀、泄水闸阀安全保护装置。

为避免管路破坏我们对田间的支管采用深埋处理，并根据《低压管道输水灌溉工程技术规范》计算，我们将大块面积地块的支管采用深埋处理，埋深80cm。

12.设计流量和设计水头

喷灌系统的设计流量

式中：Q—喷灌系统设计流量（m3/h）；

qp—设计工作压力下的喷头流量（m3/h）；

np—同时工作的喷头数目；

ηp—管道系统水利用系数，取值范围：0.95～0.98，本设计选0.96；

13.喷灌系统设计水头

H=Zd-Zs+hs+hp+∑hf+∑hj

式中：H—喷灌系统设计水头（m）

Zd—典型喷点的地面高程（m）取13.5m

ZS—水源水面高程（m）取2.5m

hS—典型喷点的竖管高度恤）取2.0m

hp—典型喷点喷头的工作压力水头（m），喷头的工作压力为2.5bar，即工作水头25.0m

∑hf—由加压水泵进水管到典型喷点喷头进口处的管道沿程水头损失（m）

∑hj—由加压水泵进水管到典型喷点喷头进口处的管道局部水头损失（m）

14.管道水力计算

①沿程水头损失

干管：喷灌区南北总长350m，为使干管沿程损失最小，计划机井居中，干管对称，长度为120m，按8个喷头同时工作的最大管道流量14.96m3/h计算。

沿程水头损失hf计算公式

式中：气一管道的水头损失，m；

f——摩阻系数，0.948×105

Q——管道流量（m3/h）；

d——管道内径佃朋）

L——管道长度（m）；

m——流量指数，1.77

b——管径指数，4.77

根据喷灌管材技术规范要求，管道最小流速不应低于0.3m/s，最大流速不应超过2.5m/s。综合考虑流速和沿程水头损失等因素，根据分析比较计算结果，干管管道直径选用75mm，管道承压均为0.8MPa。

每条干管上布置9个支管，多孔口系数根据公式

其中：

m—流量指数，取1.77

N—喷头或孔口数，为9个

X—多孔支管首孔位置系数，即支管入口至第一喷头（或孔口）的距离与喷头（或孔口）间距之比，为14.64/18.84=0.67

则多孔口支管沿程水头损失h'f=Fhf=0.4036*1.84-0.74m。

支管：支管最大布置长度为90m，每条支管安装4个喷头，因此而即将支管流量应按4个喷头同时工作的最大管道流量7.48m3/h计算。

根据喷灌工程技术规范要求，校核设计计算式，管道最小流速不应小于0.3m/s，最大流速不应大于2.5m/s。分析比较上表，选用支管直径50mmPE管道较为合适。管道承压均为0.8MPa。每条分干管上布置4个支管，多空口系数根据公式

则多孔口支管沿程水头损失h'f=Fhf=0.45×2.6=1.17m。

竖管：竖管长度2.0m，管道流量7.2m3/h，沿程损失

根据喷灌工程技术規范要求，校核设计计算式，管道最小流速不应小于0.3m/s，最大流速不应大于2.5m/s。分析比较上表，选用支管直径32mmPE管道较为合适。管道承压均为0.8MPa。

管道沿程损失总和为0.74+1.26+0.04=2.04m

②局部水头损失hj按沿程水头损失的10%～15%估算

hj=0.15*hj=0.15×2.04=0.3m

因此，喷灌系统的总水头损失

H=Zd-Zs+hs+hp+∑hf+∑hj=13.5-2.5+2+25+2.04+0.3=40.34m

③水泵的选择

本次规划采用潜水泵直接提水加压完成灌溉的方式。

泵的选型

a.加压泵流量的确定：

根据以上计算，为满足灌溉周期和灌水定额的要求，需要8个喷头同时工作，因此，加压泵的流量应大于等于8×1.87÷0.96=15.58m3/h。

b.加压泵扬程的确定：

喷灌系统的总水头损失为40.34m，根据S型单级双吸离心泵性能参数表选用QS20-54/3-5.5型离心泵，流量20m3/h，扬程54m，配套电机5.5kw。

二、结束语

笔者通过工程设计和后期技术服务，发现宇繁农业合作社的露天蔬菜种植区的喷灌效果很好，因此有信心和理由相信，通过严谨工程设计、规范的工程施工和科学的经营管理，机井推广固定式喷灌，为农作物提供适宜的水分和湿度，一定达到了省工省时、稳产高产的目标。