半固定式喷灌工程设计

张春笑

（漯河市郾城区水利局）

0 引言

中国水资源相对贫乏，农业发展关系到粮食安全，农业用水量占全国总用水量的70%以上，然而农业用水中有90%是用于灌溉。因此，现代农业发展的必须之道就是发展节水灌溉，这样既能缓解水资源短缺，又能保障粮食安全。

喷灌适用于多种作物灌溉，具有适应性强、节水、增产等优势。喷灌分为固定式、半固定式和移动式。半固定式喷灌系统主要由水源、水泵、干管、支管及喷头等组成；因在灌溉时水泵和干管固定不动而支管、喷头可移动，所以大大减少支管及喷头数量，也相应使设备费用降低了；另外还适应不同形状和大小的田地，具有较强的适应性，具有可推广性。

1 项目概况

项目区现有节水灌溉面积1.54万hm2，不低于200 hm2而集中连片的共有2 片，实施节水灌溉工程后，区域灌溉水利用系数由现在的0.44 提高到0.75；斗农渠改造前0.30，改造后达到0.70；田间水利用系数改造前0.70，改造后达到0.90。

项目区四季分明，春季干旱风沙多，夏季炎热雨水集中，秋季晴和日照长，冬季干燥，雨雪少，属于暖温带大陆性季风气候。多年平均降雨量为610 mm，其中最大年降雨量1 014 mm，最小年降雨量275 mm。雨量年分布极不均匀，6月至9月汛期雨量占全年雨量的65%，历年最大一天暴雨量为215.40 mm。

2 项目区半固定式喷灌工程设计

由本实施方案水源工程计算可知，项目区计划发展半固定式喷灌面积0.02万hm2，设计灌水定额382.50 m3/hm2，每天工作时间12 h，灌水周期为6 d，单井控制灌溉面积4.67 hm2，结合项目实际满足灌溉需机井403 眼。按单井控制系统进行半固定式喷灌典型设计。

2.1 管网管系总体布置

根据项目区内机井分布及地形情况，管道系统由闸阀、安全阀、泄水阀、进排气阀、逆止阀、竖管及其高度、镇、支墩组成。单个机井组成独立的灌溉系统，并且各个灌溉系统之间是独立运行，互不干扰。

管网布置首先要结合项目区的地形等情况，其次是根据项目区内机井位置来进行确定，本工程管网的设计采用梳齿形或丰字型布置，梳齿形布置见图1，丰字型布置见图2。

图1 梳齿型布置图

图2 丰字型布置图

按照国家标准《喷灌工程技术规范》的规定，喷头拟采用ZY-2H型金属摇臂式喷头，喷头布置形式为正方形。喷头间距的确定要结合当地耕作方式和群众灌水习惯，并根据机井出水量、地块地形等因素确定，本工程喷头间距确定为a＝18 m。支管出水口间距确定要根据干支两级管道，还有喷头射程和组合间距来确定，本工程支管间距b＝18 m。

2.2 喷灌工作制度的确定

实际喷灌时，本项目工程设计喷灌制度采用轮灌编组制度，因为轮灌既可以提高管道的利用率，又可以降低设备投资，节约资金，所以采用轮灌制度非常合适。为了方便运行管理，轮灌编组要有一定规律：地势较低或路程较近的组别喷头数略多，地势较高或路程较远的组别喷头数略少，但各轮灌组的工作喷头总数尽量接近；喷头每天轮灌次数取4次。为提高管道设备利用率和水泵的有效运转，轮灌顺序制定时，要避免流量集中于某一条干管配水，应将流量分散到各配水管道，均匀分配流量。

2.3 管道设计和水力计算

2.3.1 管道设计

2.3.1.1 管材选用

规划项目区半固定式喷灌，支管采用0.80 MPa的高压涂塑软管，地埋干管采用工作压力0.80 MPa的UPVC塑料管。

2.3.1.2 支管管径选择

支管的管径选择，除与支管的设计流量有关外，还要受允许压力差的限制，参照《喷灌工程技术规范》规定，同一条支管任意两个喷头间的工作压力。

式中：h为同一支管上任意两喷头间支管段水头损失加上两竖管水头损失之差，m，可用支管的沿程水头损失计算；△z为两喷头的进水口高程差，m；hp为设计喷头工作压力，m。

采用高压涂塑软管时，管道的沿程水头损失按下式计算：

式中：F为多口系数；Q—流量，m3/h；D为管径，mm；L为管长，m。

按机井出水量32 m3/h计算，支管上同时工作的喷头数为8个喷头计算，支管经济管径为72.60 mm，根据实际厂家生产的管材规格，选择高压涂塑软管的管径为Φ80。

2.3.1.3 干管管径选择

干管管径选择与确定采用经济管径法计算得出。当动力为电动机时，按下式来计算：

式中：D为干管的经济管径，mm；tn为干管每年工作小时数；Xd为电价，元/度；Q为干管设计流量，m3/h；K,α,β为系数和指数。

由（3）式计算结果确定干管选用工作压力为0.80 MPa的Φ 110 mm UPVC管材。

2.3.2 水力计算

水泵和电机配套都是根据水头损失计算而进行选择的，而管道管网的水力计算实际就是计算管网中的沿程水头损失和局部水头损失。在本设计中沿程水头损失按《喷灌工程技术规范》沿程水头损失公式进行计算，对于局部水头损失的计算，要按沿程水头损失的15%进行计算。

管网系统沿程水头损失的计算可以按下式来计算：

式中：hw为沿程水头损失，m；f为摩阻系数；L为管道长度，m；Q 为流量，m3/h；m 为流量指数；b 为管径指数；d 为管径，mm。具体计算结果见表1。

由表1 可知，半固定式喷灌系统管网沿程水头损失为10.70 m，局部水头损失按沿程水头损失的15%计算为1.61 m。

表1 半固定喷灌管网水头损失表

2.4 单井控制灌溉面积管道数量的确定

项目区机井出水量按32 m3/h考虑，选择ZY-2型喷头流量为3.83 m3/h，则单井控制灌溉面积内，单支管同时工作的喷头数为8个，地面移动高压涂塑软管管长为126 m。项目区内地势平坦，地块较为规则，为方便群众使用，提高灌溉效率，单井配5套地面移动高压涂塑软带、竖管、支架及快速连接接头等配件。

2.5 水泵选型与动力配套

半固定式喷灌系统设计水头仍按以下公式计算：

式中：H为喷灌系统设计水头，m；hs为典型喷点的竖直高度，m；hp为典型喷点喷头的工作压力水头，m；hf为水泵进水管至典型喷点喷头进口处管道的沿程水头损失，m；hj为水泵进水管至典型喷点喷头进口处管道的局部水头损失，m；△z—两喷头的进水口高程差（m）。

项目区内机井井深60 m，动水位30 m，系统管网枢纽处局部水头损失为2 m，管网水头损失12.32 m，管网最不利点与水泵出水口处地面高差为1.50 m，竖管高度为1.50 m，喷头工作压力30 m水头，计算得水泵扬程为77.31 m。

由以上计算结果，选择水泵型号为200QJ32-78/6 型潜水电泵，水泵扬程78 m，电机功率11 kW。

3 结语

项目区半固定式喷灌工程建成后极大缓解了项目区水资源不足的现状，提高了水资源承载能力；为作物提供了充足的水量，缩短了作物灌溉周期，这样大大提高了作物产量。另外，还改善了用水环境，为水资源的可持续利用创造良好的条件，经济效益和社会效益显著。