豫東平原半固定式噴灌設計分析研究

□朱鑫峰（商丘市水利建筑勘測設計院）

1.前言

目前我國水資源十分緊缺，而農業用水浪費極為嚴重傳統的大水漫灌方式使農業成了用水大戶，其用水量占全國總用水量的70%以上，而水的有效利用率只有30%～40%，僅為發達國家的一半左右，水的糧食生產能力只有0.85kg/m3，遠遠低于發達國家2kg/m3以上的水平。改變農民傳統的灌溉習慣，用較少的水獲得較高的產出效益，推廣高效節水灌溉技術是一項重任，也是緩解我國水資源緊缺的途徑之一，更是現代農業發展的必然選擇。

2.灌溉方式選擇

噴灌的主要優點如下：節水效果顯著，水的利用率可達80%以上；灌水均勻，土壤不板結，有利于搶季節、保全苗；改善了田間小氣候和農業生態環境；大大減少了田間渠系建設及管理維護和平整土地等的工作量；減少了農民用于灌水的費用和投勞，增加了農民收入；有利于加快實現農業機械化、產業化、現代化；避免由于過量灌溉造成的土壤次生鹽堿化。常用的灌溉方式有固定式、移動式、半固定式。

一是固定式噴灌是將管道、噴頭安裝在田間固定不動。其優點操作方便，易于管理，生產效率高，工程占地少，且便于實行自動化控制。主要缺點是設備利用率低，耗材多，投資大。二是移動式噴灌：整個系統除水源工程外，從水泵、各級管道直到噴頭全部可移動進行輪灌。其優點是設備利用率高，設備用量與投資較低，缺點是設備拆裝搬移勞動強度大，生產效率較低，有時會損傷農作物；設備維修、保養工作量大。三是半固定式噴灌是將輸水干管固定埋設在地下，支管和噴頭可拆裝搬移。與固定式噴灌相比，由于支管可以移動并重復使用，減少了用量，降低了投資；與移動式相比，干管不動，方便了運行操作，提高了生產效率。

通過以上方式比選，半固定式噴灌設備用量、投資造價和運行管理均介于固定式和移動式之間，優點顯著。

3.工程設計

3.1 灌溉水利用系數

噴灌的灌溉水利用系數按下式計算：

式中：η—灌溉水利用系數；ηG—管道系統水利用系數，取0.95；ηP—田間噴灑水利用系數，取0.85。代入數據，計算結果η=0.81。

3.2 灌溉制度確定

3.2.1 最大灌水定額

最大灌水定額按下式計算

式中：m—最大灌水定額，m m；γ—土壤容重，取1.6 g/cm3；H—計劃濕潤層深度，取40 cm;β1—適宜土壤含水量上限，取20；β2—適宜土壤含水量下限，取14。代入數據，m s=38.4 m m即m s=1.71 m3/hm2。

3.2.2 設計灌水定額

設計灌溉定額m≤m s，根據作物種植結構，確定設計灌水定額 m=1.67 m3/hm2，即 m=37.5 m m 。

3.2.3 灌水周期

灌水周期按下式計算：

式中：T—設計灌水周期，d；Ed—作物日蒸發蒸騰量，取6.5 m m/d；m意義同前。代入數據，T=5.8 d，取6 d。

3.2.4 灌水時間

參考《噴灌工程技術規程》，設計灌水時間取t d=15d。

3.3 單井控制灌溉面積

單井控制灌溉面積按下式計算：

式中：F—單井控制灌溉面積，畝；Q—單井出水量，取35m3/h；T—灌水周期，取6 d；t—每天灌水時數，取15h；η—灌溉水利用系數，為0.81；η1—水量消減系數，取0.20；m—作物灌水定額，1.67 m3/hm2。代入數據，計算結果F=5.4 hm2，根據實際況，取F=5.33 hm2。

3.4 工作參數確定

3.4.1 選擇噴頭及其參數

初選噴頭選用ZY-2型，其參數如下：噴嘴直徑d=6.5 m m；工作壓力hp=250 kpa；噴頭流量q=3.39 m3/h；噴頭射程R=18.9 m；噴溉強度ρ=3.02 m m/h

3.4.2 霧化指標

霧化指標按下式計算

代入數據，W h=3846。示范區以種植經濟作物為主，其霧化指標為3000～4000，計算結果滿足作物要求。

3.4.3 組合間距

設計風速2.4 m/s，其組合間距計算：垂直風向a=0.95 R=17.95 m，取18 m；平行風向b=1.2 R=22.7，取20 m。

3.4.4 校核組合噴灌強度

組合噴灌強度用下式計算：

式中：ρ—組合噴灌強度；Cρ—布置系數；ρs—風系數。

多支管多噴頭同時噴灑的情況下：Kw=1.0

多支管多噴頭同時噴灑的情況下：

Cρ=πR2/ab=3.14×18.92/（18×20）=3.11

則：ρ=KwCρρs=1.0×3.11×3.02=9.4

(m m/h)＜[ρ]=12 m m/h

示范區土壤以壤土為主，允許噴灌強度為12 m m/h。所選噴頭型號滿足要求。

3.4.5 一個工作位置的灌水時間

噴頭在一個噴點上的噴灑時間t與設計灌水定額、噴頭流量和噴頭組合間距有關，可按下式計算：

式中：t—一個工作位置的灌水時間，h；a—支管間距，取20m；b—噴頭間距，取18 m；m—設計灌水定額，37.5 m m；qs—噴頭設計流量，取3.39 m3/h；ηp—田間噴灑水利用系數，取0.85；經計算，t=4.7 h，取 5 h。

3.4.6 一個工作位置數

代入數據，nd=3。

3.4.7 同時工作噴頭個數

同時工作的噴頭個數按下式計算：

式中：np—同時灌溉的噴頭個數；Np—灌區噴頭總數；A—單井控制噴灌面積，5.33 hm2；T－設計灌溉天數，6 d；代入數據，np=8.2個，取8個。

3.5 灌溉管道水力設計

3.5.1 灌溉管道系統

灌溉管道主要包括：干管（包括立管）、支管、豎管（包括噴頭）。干管埋設于地下，設計埋深0.8 m，干管從機井引水，每隔一定距離布置一個出水口；支管采用移動式與出水口連接，豎管連接支管，并將噴頭安置在適當高度，以便進行田間噴灑。出水口采用輪灌方式，以輪灌組為單元輪流灌溉。干管選用PVC管材；支管選用涂塑軟管，立管（噴頭）為鍍鋅管。

干管上同時工作2條支管，間距20 m，每條支管布置4個噴頭，噴頭間距18 m，支管長度72 m；干管8個噴頭進行灌溉。

3.5.2 噴灌系統設計流量

3.5.2.1 干支管流量計算

每條支管上同時工作4個噴頭，每條干管上同時工作8個噴頭，噴頭流量為3.39 m3/h。

支管流量：

Q支＝nd×qs/ηP=4×3.39/0.85=15.95 m3/h

干管流量：

Q干＝np×qs/ηP=8×3.39/0.85=31.90 m3/h

3.5.2.2 管徑的確定

管徑計算采用經濟流速法確定管徑，其公式如下：

式中：ν-經濟流速，取1.2m/s。經計算，干管管徑Ф110m m，公稱壓力0.63 M pa；支管選用Ф75 m m的涂塑軟管。

3.5.3 水頭損失計算

3.5.3.1 管道沿程水頭損失

管道沿程水頭損失按下式計算：

式中：hf－干管沿程水頭損失；f－沿程水頭損失摩阻系數，取0.948×105；m－流量指數，取1.77；b－管徑指數，取4.77；Q－設計流量，m3/h；d－管道內徑，m m ；L－管道長度，m。

3.5.3.2 管道局部水頭損失

局部水頭損失按沿程水頭損失的15%估算。管道水頭損失計算結果詳表1。

表1 管道管徑及水力計算表

4.效果分析

4.1 用水分析

噴灌的灌溉方式類似降雨，灌水均勻，在人工控制下可不產生地面徑流或深層滲漏，因此在灌水周期一樣的情況下，可減少每次灌水時間，節水25%左右。

4.2 土地利用效率分析

噴灌適應性強，不受地形限制，另外噴灌進行灌溉時，田間可不分畦田和開挖壟溝，可節省土地10%左右，提高了土地利用率，同時可節省一半勞動力。

4.3 作物增產分析

噴灌可有效地調節田間土壤水分和農田小氣候，促進水、肥、氣、熱各因素之間的相互轉化，有利于作物的生長發育，一般可增產15%左右。

4.4 影響因素分析

噴灌受風影響較大，當風速≥5.4 m/s時，能吹散水滴，使灌溉均勻性大大降低，飄移損失也會增大，最大損失可達30%，但是噴灌如果結合大棚灌溉，效果將大大改善。地面灌溉一般不受風力影響。

4.5 耗能分析

噴灌水泵電機功率較大，經分析計算噴灌將增加耗能25%左右。