大庆市大同区地埋式自动伸缩一体化喷灌典型设计

陈桂梅，曲志军，王春雨

(1.黑龙江省水利学校，黑龙江 大庆 163300；2.大庆市水利规划设计研究院，黑龙江 大庆163311)

1 概 述

项目区位于大庆市大同区祝三乡平桥村三门吕家屯南及八井子乡吴守业屯西。大同区位于松嫩平原中部，黑龙江省西部，属松花江流域。

项目区总的气候特征是：春季干旱多风，夏季雨热同期，秋季晴朗气爽，冬季寒冷漫长。多年平均气温4.7 ℃，年日照时数2846.9 h，无霜期平均140 d，最大冻土深2.3 m，年平均风速3.4 m/s。多年平均降水量420 mm，年际变化大，年内分配不均，多年平均水面蒸发量966 mm(E601)，蒸发量年内分配不均，秋、冬季蒸发量小; 春、夏季蒸发量大，素有“十年九春旱”之说，是黑龙江省西部重点干旱区。2017年初，大庆市水务局拟建设大庆市大同区地埋式自动伸缩一体化喷滴灌设备推广试验工程。

2 方案选择

本工程为农田新技术试验工程，对于喷灌设备选取具有较高要求。综合国内目前使用的喷灌设备种类，现广泛应用的是固定式和半固定式喷灌设备。半固定式喷灌设备投资相对较少，但在运用中需频繁更换喷头，操作强度大，效率低；固定式喷灌设备投资较多，可省去更换喷头的操作，提高了效率。上述半固定与固定式喷灌设备，除管道埋设在地下外，喷头栓管均在地表以上，这给农业机械规模化作业带来了很大不便，在机种、机收时需避让、保护或拆除栓管，以避免栓管及喷头遭到破坏，使灌水作业人工强度增大[1]。

目前水利部灌排中心研发的地埋式半自动伸缩喷滴灌设备的系列产品可避免上述问题出现，综合经济和实用性的比较，对固定式喷灌比较适合的设备有两种：喷灌专用自动伸缩取水设备和地埋式自动伸缩一体化喷灌设备。

与传统给水栓相比，喷灌专用自动伸缩取水设备埋设于耕作层以下，在水压作用下自动伸出地面，避免人为破坏，有利于田间耕作，该设备虽无需寻找田间出水口位置，但其需要在出地后另外安装立杆、支架和喷头进行灌溉，喷灌作业完成需要拆卸下立杆、支架和喷头，然后通过人力使用专用工具将出水栓管压回到耕作层以下(地表以下40 cm)，该设备在喷灌期间无需对栓管实施套管或专用设施保护，可减轻劳动强度，提高工作效率。

地埋式自动伸缩一体化喷灌设备埋于耕作层以下[2]，不影响耕作，集出地管、竖管、升降式喷头于一体，同时具有喷水和顶出功能，无需寻找田间出水口位置，喷灌作业前、后均不需要再安装或拆卸任何设施，喷灌结束后可通过人力用专用工具将出水栓管及喷头压回到耕作层以下(地表以下40 cm)，大大减轻了劳动强度，提高了工作效率。已有示范工程的应用结果表明：该设备能够满足喷灌工程建设和使用要求，运行稳定，使用方便，经济合理，经久耐用。

综合上述喷灌新技术优缺点，本工程选用地埋伸缩式一体化喷灌设备，采用设备型号分别为：SD-03、SD-04、SD-02A及SD-1-φ75。

3 工程设计

3.1 基本资料

本次管网典型设计选择3号温室大棚作为典型设计[3]，该棚室由18拱组成，每拱宽为8 m。棚长为144 m，宽为95 m，有效灌溉面积为1.333 hm2。

大棚内种植作物为花卉[4]，土壤容重为1.39 g/cm3，田间持水量26%，灌溉水源为地下水，利用现有机井提水灌溉。

3.2 基本参数选取

(1)灌溉保证率[5]。根据《喷灌工程技术规范》(GB/T 50085—2007)确定地下水喷灌灌溉设计保证率为90%。

(2)灌溉水利用系数。根据《喷灌工程技术规范》(GB/T 50085—2007)，管道系统水利用系数取0.98，田间喷洒水利用系数取0.90，计算灌溉水利用系数取0.88。

(3)设计耗水强度。根据当地研究资料选取设计耗水强度为4 mm/d。

3.3 灌水定额和灌水周期

3.3.1 设计灌水定额

喷灌区内土壤田间持水率为26%(重量百分比)，容重γ=1.39 g/cm3，计划湿润层深取40 cm，适宜土壤含水量上、下限分别为田间持水率的85%与65%，经计算灌水定额m=28.91 mm。

3.3.2 灌水周期

设计取需水强度为4 mm/d。经计算灌水周期T=7.2 d，为管理方便，实际灌水周期应取整数，所以灌水周期取为7 d。

3.3.3 喷头选择和确定组合间距

(1)喷头选择。喷头选用全自动及半自动地埋式自升降喷头两种形式。其中靠近水源井的两拱作物喷灌设备选用全自动喷头，其余选择半自动喷头。这两种喷头形状均为圆型，其性能参数如表1所示。

表1 喷头性能参数表

(2)确定喷头组合间距。喷头的布置形式采用正方形组合，取Ka=Kb=0.9，则a=b=0.9R=0.9×15=13.5 m。

结合当地实际情况，综合考虑灌溉均匀度，取支管间距和喷头间距均为a=b=12 m。

(3)系统组合喷灌强度校核。由于大棚内全部为管道系统，故可以认为灌溉水利用系数近似为喷洒水利用系数，计算得ρ=11.25 mm/h，小于ρ允=15 mm/h，系统组合喷灌强度满足规范要求。

(4)雾化指标。喷头设计工作压力为250 kPa，喷嘴直径为7.0 mm，经计算雾化指标Fa=3571，大田粮食作物适宜雾化指标为3000～4000，所以喷灌雾化指标满足规范要求。

3.3.4 确定喷灌工作制度

(1)喷头在每个位置上的工作时间。经计算得t=3.5 h，取喷头在工作点上喷洒的时间为3.5 h。

(2)喷头每日可喷洒的工作点数。根据《喷灌工程技术规范》(GB 50085—2007)计算一天工作位置，经计算nd=5.7，取实际工作时喷头每天轮灌次数6次。

3.3.5 管网布置及工作制度

(1)管网布置。管网布置按照种植方向进行，该地块形状为长方形，管网可按照梳字形布置。水源井位于棚室西南角，喷灌系统干管布置在北边，垂直于干管方向布置支管。由于每拱的宽度为8 m，为方便施工和运行管理，支管间距调整为8 m。干、支管均采用PE管。布置图见图1。

(2)轮灌制度。将灌溉区的18条支管分为9个小区，每组轮灌同时工作2条支管，每次灌溉时间为3.5 h。

3.3.6 确定各级管道管径

(1)确定各级管道设计流量。按照已确定的轮灌方案，各支管的设计流量相同，为7×1.8=12.6 m3/h，同时工作支管数为2条，所以干管设计流量为25.2 m3/h。

(2)支管管径。由于地形平坦，支管首、末两个喷头的地形高差为0。根据规范要求，只需考虑支管上首、末喷头之间的工作压力差不超过喷头设计工作压力的20%即可。支管采用PE管材，每条支管长95 m。以支管首、末喷头之间的管段为分析对象，计算公式见式(1)：

(1)

式中：F为多孔系数；f为摩阻系数；L为管道长度，m；Q为流量，m3/h；d为管内经，mm；m为流量指数；b为管径指数；ΔZ为管道首、末喷头高程差，m；hp为喷头设计工作压力，kPa。

图1 喷灌典型布置图(单位：m)

根据规范取F=0.392，f=0.948×105，m=1.77，b=4.77，由于地面平坦，ΔZ=0。

经试算，d≥43.1 mm，考虑到管道最不利的运行状态，选择外径63.0 mm、内径55.8 mm、公称压力0.6 MPa的PE管。

(3)干管管径。干管采用PE管，管径由经验公式计算确定。根据轮灌方案可知干管最大设计流量为Q=25.2 m3/h，相应经济管径计算见式(2)：

(2)

经计算经济管径d=65.3 mm。本工程干管包括主干管及分干管，由于主干管长度较长，主干管选用外径90.0 mm、内径79.8 mm、公称压力0.6 MPa的PE管，分干管选用外径75.0 mm、内径69.2 mm、公称压力0.6 MPa的PE管。

3.3.7 管网水力计算

(1)支管入口压力水头。喷头的工作设计压力为250 kPa(约25.0 m水头)，喷点距离支管进水口高度(竖管高度)1.6 m。支管为PE 管，喷头距支管入口最远距离为95.0 m，支管局部水头损失估取沿程损失的10%，支管水头损失计算公式见式(3)：

(3)

经计算支管水头损失hsf=1.6 m，则支管入口压力水头为25.0+1.6+1.6=28.2 m。

(2)分干管入口压力水头。分干管与主干管入口处的高差为0，水头损失为0。以距离分干管入口最远的支管工作时进行计算，根据干支管布置方案，支管工作时距分干管入口最远的支管长度为144 m，分干管局部损失取沿程损失的10%，分干管水头损失计算见式(4)：

(4)

经计算分干管水头损失hzf=2.97 m，所以干管入口压力水头为28.2+2.97=31.17 m。

(3)干管入口压力水头。分干管与主干管于水源井处直接相连，水头损失为0。以距离分干管入口最远的支管工作时进行计算，根据干支管布置方案，支管工作时距干管入口最远的支管长度为93 m，干管局部损失取沿程损失的10%，干管水头损失计算见式(4)。

经计算干管水头损失hzf=0.97 m，干管入口与支管入口处的高差为0，则干管入口压力水头为31.17+0.97=32.14 m。

3.3.8 水泵选型

水泵的选型根据设计工况需要的扬程和流量确定。本系统选用潜水泵，则不考虑地形影响时水泵的总扬程，计算公式见式(5)：

H=H0+h首部+Δz

(5)

式中：H为系统不考虑地形影响时水泵的总扬程，m；H0为干管进水口所要求的工作水头，m；h首部为干管进水口至水源的总水头损失，包括扬水钢管、闸阀、连接件、施肥装置、过滤器、量测设备等的水头损失，取h首部=10 m；Δz为机井动水位，取30 m。

经计算得H=72.14 m。根据喷灌系统流量与扬程选择水泵，水泵型号及其技术参数见表2。

表2 水泵性能参数

4 结 语

实施 “大庆市大同区地埋式自动伸缩一体化喷滴灌设备推广试验工程”后，18.667 hm2大田年可节水1.4×104m3，玉米年可增产3.2万kg，年可增收6.86万元。8栋连拱温室大棚每亩可产花卉11万株，年可增收72万元，水利增收效益为78.86万元，取得了节水、增产、增效等显著的效益，达到了高效节水灌溉效果。做到了地下水资源合理利用、采蓄平衡，在没有破坏生态环境的基础上增加了耕地的效益，符合国家人与自然和谐建设总体思路，该典型设计为干旱缺水地区提供了重要的技术依据和实践经验。