卷管牵引绞盘式喷灌工程设计应用

吴 刚，彭国明

（1.北京中水新华灌溉技术有限公司，北京100054；2.安达市水务局，黑龙江安达151400）

0 引言

安达市地处黑龙江省西南部松嫩平原腹地，国土面积3 586 km2，有耕地11.27万hm2，草原面积18.13万hm2，湿地2.53万hm2，林地2.98万hm2。通过近几年水利工程的建设，整体提升了安达市的农业水利技术装备水平，在近年的农业抗旱和粮食保增收中发挥了巨大作用。在各种先进的农业灌溉装备中，卷管牵引绞盘式喷灌机作为一种实用的农业灌溉设备，脱颖而出，在使用中具有省工、节水、增产、灵活方便的特点，深受广大农户喜爱，目前在安达市得到大面积推广。文中对卷管牵引绞盘式喷灌工程设计进行总结，对卷管牵引绞盘式喷灌设计进行了系统的论述。

1 喷灌工程设计

选取黑龙江省安达市节水增粮项目的工程地块进行计算说明。地块面积15.33 hm2，地块长512m，宽300m，地块为农户经营，种植作物为玉米。

1.1 主要技术参数

1）灌溉设计保证率选用90%[1]。

2）设计供水强度ETd=3.38mm/d。

3）灌溉水利用系数η=0.88。

4）设计风速取2.5m/s。

1.2 灌溉制度

1）最大灌水定额。最大灌水定额按下式计算：

式中：ms——最大灌水定额，mm；γ——土壤容重，g/cm3，为1.3 g/cm3；h ——计划湿润层深度，cm，取40cm；β′1——适宜土壤含水量上限（重量百分比），%，取田间持水率 θ田=25%的90%；β′2——适宜土壤含水量下限（重量百分比），%，取田间持水率θ田=25%的68%。

经计算：ms=28.6 mm。

2）设计灌水定额。设计灌水定额根据作物的实际需水要求和实验资料按下式选择：

式中：m——设计灌水定额，mm；mS——最大灌水定额，28.6mm。

喷洒水利用系数为0.9，按最大灌水定额计算，需要喷灌机灌水量为28.6/0.9=31.78 mm，结合JP75-300绞盘喷灌机参数，计算值和参数表中30 mm比较接近，因此，确定设计灌水定额为：30×0.9=27 mm。

3）设计灌水周期。设计灌水周期按下式计算：

式中：T——设计灌水周期，d；m——设计灌水定额，27 mm；ETd——作物日蒸发蒸腾量，mm/d，3.38 mm/d。

经计算：T=7.98 d，设计取8 d。

1.3 水量平衡计算

1）水源工程。灌溉水源为地下水，新打机井1眼供水，井深50 m，单井涌水量50 m3/h，静水位埋深13 m，动水位埋深20 m，降深7 m。

2）灌溉系统需水量。地块面积为15.33 hm2，灌溉面积已定。水源供水流量稳定且不考虑调蓄，确定系统需水量时，可根据下式进行计算：

式中：Q——系统需水流量，m3/h；A——灌溉面积，hm2，为15.33 hm2；Ia——设计供水强度，mm/d，3.38 mm/d；td——水泵日供水时数，h/d，20 h/d；η——灌溉水利用系数，0.88。

经计算：Q=29.45 m3/h。

3）水量平衡分析。灌溉系统需水流量为29.45 m3/h，机井单井涌水量50 m3/h，供大于需，水源工程满足灌溉系统的需求。

1.4 绞盘式喷灌机选型

根据井的出水量、地块形状、作物等情况，选择单喷枪JP75-300型卷管牵引绞盘式喷灌机组[2]，根据单井控制面积选择喷灌机工作参数为：喷嘴直径22 mm，喷嘴工作压力为0.3 MPa，射程为38 m，控制带宽为64 m，流量为32.2 m3/h，喷头行走速度为17 m/h，喷灌机入机压力为0.7 MPa。

1.5 喷灌强度校核

实际喷灌强度按单行多喷头同时工作考虑，按下式计算：

式中：ρ——喷灌强度，mm/h；q——流量，m3/h，32.2 m3/h；R——喷头射程，38 m；0.9——折减系数。

经计算：ρ=11.69mm/h，小于壤土允许喷灌强度为12 mm/h，满足（GB/T50085-2007）《喷灌工程技术规范》要求。

1.6 田间布置

根据地块尺寸、作物种植方向和喷灌机性能参数，对地块进行条带划分及管网布置。地块宽512 m，划分为8个条带，每个条带宽64 m。机井位于地块一侧，沿地块北侧铺设输水管道，输水管采用高压软管，机组从输水管引水灌溉［3］。

1.7 工作制度

1）设计日灌水时间。根据（GB/T50085-2007）《喷灌工程技术规范》4.4.1之规定，行喷机组式喷灌系统设计日灌水时间为14～21 h，这次设计喷灌日灌水时间取20 h。

2）一个条带所需的灌水时间。

式中：n——一台机组可控制条带数量，个；td——设计日灌水时间，h，20。

经计算：n=9。典型地块共分为8条带，小于单台机组可控制条带数量，合理。

1.8 水力计算

1）设计流量计算。喷灌系统设计流量按下式计算：

式中：t——一个条带所需的灌水时间，h；L——条带长度，m，取条带平均长度，300m；v——喷头车作业时的行走速度，m/h，17m/h。

经计算：t=17.65 h。

3）一台机组可控制条带数量：

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，32.2 m3/h；np——同时工作的喷头数目，个，1个；ηG——管道系统水利用系数，取0.98。

经计算：Q=32.86 m3/h。

2）管径拟定。管道管径按下式计算：

式中：D——管内径，m；Q——流量，m3/s，32.86 m3/h=32.86/3 600 m3/s；V ——流速，m/s，取 1.0～1.5 m/s。

经计算：D=90～110 mm，在此管径范围内的高压软管为内径100 mm的高压软管，输水管选用型号为13-100-20-涤纶长丝/涤纶长丝-聚氨酯的有衬里消防水带。

3）水头损失计算。距离水源最远的条带为最不利条带，对其进行水头损失计算。

1）输水管水头损失计算。管道的局部水头损失按沿程水头损失的10%计算，水头损失按下列公式计算：

式中：h——水头损失，m；hf——沿程水头损失，m；hj——局部水头损失，m；f——摩阻系数，0.505；L——管长，m，224 m；Q——流量，m3/h，32.86 m3/h；d——管内径，mm，100 mm；m——流量指数，1.75；b——管径指数，4.75。

经计算：h=3.31 m。

输水管进口压力为71+3.31=74.31 m。

4）泵管水头损失计算。泵管为钢管，计算公式利用公式（8）、（9）、（10）进行计算，局部水头损失按沿程水头损失的10%计算，泵管内径为80 mm钢管，管长20 m，摩阻系数取6.25×105，流量指数取1.9，管径指数取5.1，经计算水头损失为2.27 m。

1.9 系统设计流量和设计扬程确定

根据（SL 280-2003）《卷管牵引绞盘式喷灌机使用技术规范》6.4之规定，系统设计工作压力水头按下式计算：

式中：H——系统设计工作压力水头，m；Hm——喷灌机入机压力水头，m，71 m；Hw——喷灌机入口前的管道水头损失，m，5.58 m；△Z——水源工作水位与喷头设计位置的地面高程差，m，20 m。

经计算，H=20 m。

系统设计工作压力水头为96.58 m，设计流量为32.86 m3/h。

1.10 水泵选型

根据系统设计扬程为98.89 m、设计流量为32.86 m3/h，选择井用潜水泵，水泵型号为200QJ32-104/8。

1.11 系统运行复核

系统设计流量为32.86 m3/h，设计扬程98.89 m。对水泵流量与效率曲线进行分析，系统设计工况在水泵的高效工作区工作，满足系统要求。

1.12 动力配套设计

根据水泵电机功率选择柴油发电机组，为保护水泵开机运行顺畅且降低柴油发电机组耗损，启动方式选择使用18.5 kW星三角启动柜启动，选定柴油发电机机组功率为40 kW。

2 结语

卷管牵引绞盘式喷灌机作为一种先进实用的喷灌设备，深受广大农户喜爱，具有节水、节能、增产、省地、省工等效益，受益作物可以不留畦埂，使土地利用率提高10%［4-5］，可适用于小麦、玉米、土豆、甘蔗等大田作物，有利于农业集约化生产和经营，是大田作物比较适宜的灌溉模式，适宜大面积推广。