綏化市寶山鎮移動式噴灌典型區設計

張可巍

(綏化市水務局，黑龍江 綏化 152000)

1 項目區概況

綏化市位于黑龍江省中南部，松嫩平原的呼蘭河流域。全市總面積34 063 km2，占黑龍江省總面積的8.9%。其中耕地144萬hm2。境內平原占72%，丘陵山區占19%，江河泡沼占9%，大體上是“二山一水七分田”。

“節水增糧”項目區位于綏化市城區西南12 km處的寶山鎮，屬呼蘭河中游崗阜狀臺地區，地勢較平坦，海拔高程為165～170 m，西南略高，東北偏低，地面坡降1/1 000左右。項目區地下水資源較豐富，含水層厚度30 m左右，成井深度60 m左右，單井涌水量一般為80 m3/h左右，礦化度0.13～0.78 g/L，符合灌溉水質要求，且灌溉保證率較高。

項目區土壤主要以碳酸鹽黑鈣土和草甸黑鈣土為主，土壤容重為1.2 g/cm3，田間持水率30%。pH值6～8，腐殖質含量為2.14% ～2.17%，土壤類型比較單一，土質較好，養分含量較高，適宜農耕。現狀耕地面積占70%，以種植玉米、大豆等為主。

2 典型區選擇

根據黑龍江省《關于編制2012年度市縣級“節水增糧行動”實施方案有關工作的通知》精神，結合綏化市本級實際情況，2012年綏化市“節水增糧”項目區選擇在地下水儲量豐富、成井條件好、出水量高、水質滿足灌溉水質要求、光熱條件及土壤條件適宜、交通及電力等基礎設施健全、當地群眾對先進的技術和先進生產方式接受能力強的寶山鎮作為本規劃的主要實施區域。規劃新建管道移動式噴灌工程6處，總面積190.8 hm2。

根據寶山鎮地形、土壤及工程狀況，選擇具有代表性的地塊作為典型區。移動式噴灌典型區選在寶山村1號地塊內。該地塊地形平坦，土壤以壤土為主。典型區地形和土壤條件與整個項目區基本一致，具有一定的代表性。典型區水源采用地下水，利用井灌方式進行田間灌溉，內種植作物為玉米。

3 主要設計參數[1]

3.1 節水灌溉制度設計

1)噴灌工程設計主要技術指標的確定。以地下水為水源的噴灌工程，灌溉設計保證率取90%;灌溉水利用系數取0.9;噴灌均勻系數取0.8。

2)灌溉制度的確定。根據綏化市現有灌區有關資料確定噴灌灌水定額和灌水周期。項目區種植作物為玉米，故以玉米進行灌溉制度的設計。

式中:m為設計灌水定額，mm;γ為土壤容重，g/cm;取γ=1.2g/cm3;h為計劃土壤濕潤層深度，cm，取h=50cm;β1為適宜土壤含水率上限(重量百分比);β2為適宜土壤含水率下限(重量百分比);取β1-β2=5.94;T為設計灌水周期，d;η為灌溉水的利用系數，取η=0.9;W為作物日需水量，mm/d，取W=4mm/d;經計算得:m=35.64mm，T=8d。

由于項目區屬半干旱地區，噴灌屬補充灌溉，參照項目區附近灌區資料，在玉米作物生育期內灌溉4次，灌溉定額為1 080 m3/hm2。

3.2 水源工程設計

根據當地水文地質情況，綜合考慮影響半徑及節灌的作業情況等因素，新建水源井位置盡量位于噴灌設備的中央。宜井間距400～500 m。設計典型井深60 m，開口直徑500 mm。下壁厚5 mm、直徑300 mm鐵管。根據附近現有井開采經驗，單井出水量為80 m3/h，動、靜水位為33 m、29 m，下泵深度為45 m左右。水泵采用15 kW和18.5 kW的深井潛水泵。[2]

單井控制面積的確定:

式中:F0為單井控制灌溉面積，hm2;Q為單井出水量，m3/h，取Q=80m3/h;t3為灌溉期間每天開機時間，h，取t3=16h;T2為每次輪灌期的天數，d，取T2=8d;η為灌溉水利用系數，取η=0.9;η1為干擾抽水的水量削減系數，取η1=0;m2為每hm2每次綜合平均灌溉定額，m3/hm2，取 m2=365.4 m3/hm2。經計算，單井控制面積為25.87 hm2。

3.3 移動式噴灌工作制度確定

1)噴頭選型及支管布置形式。移動式噴灌系統的噴頭采用ZY-2型金屬噴頭，其性能見表1。

該噴頭霧化指標3 333 h/d能夠滿足規范要求，在作物允許霧化指數范圍之內。典型區風力、風向狀況，按照設計風速＞3.4 m/s的情況制定設計方案，采用全圓噴灌、正方形組合，組合間距采用垂直主風向間距。

表1 移動式噴灌系統參數性能表

ZY—2型噴頭，垂直主風向間距a=b=1.1×R=1.1×16.3=17.93m，取18m。

本噴灌系統支管噴頭間距a采用18 m，支管間距b也采用18 m。在設計風速時噴灌均勻系數＞75%(見《規范》4.2.2條)。取 a=b=18 m，則 ρ設計=7.5 mm/h＜15 mm/h，滿足土壤允許入滲條件。從干管最遠端分水口開始順序向近端移動支管。

2)噴灌工作制度。噴頭在一個工作位置的灌水時間與設計灌水定額、噴頭參數和組合間距有關，用下式計算:

式中:q為噴頭流量，m3/h;hp為噴灑水的有效利用系數，一般取0.9。計算t=5.28h。

為了確保在灌水周期內完成噴灌系統控制面積，支管到噴頭全部配置備用設備以方便支管的移動。灌溉季節，每日除正常的機泵檢修和保養停機外，均可視為工作時間，按系統承擔灌溉面積的大小確定工作時間，一般為21 h。一個灌水周期支管工作位置數:

式中:T設為設計灌水周期，d;e為作物耗水最旺時期的日平均耗水量，4mm/d;nd為每日支管工作位置數，nd=4;td為噴灌系統工作時間，21 h/d。

每次同時噴灑的噴頭數，按水源可供的設計流量來計算:

3.4 系統設計

3.4.1 管材與管徑的選擇

根據目前市場現有規格，豎管選用φ33鍍鋅鋼管;干支管均選用涂塑軟管。

3.4.2 管道的布設

管道移動式噴灌系統選擇帶有快速接頭的涂塑軟管，支管的適宜管徑應通過計算確定，使同一支管任意兩噴頭間的工作壓力差應在設計噴頭工作壓力的20%以內，用公式表示為:

式中:hw為同一支管上任意兩噴頭間支管段水頭損失加上兩豎管水頭損失之差，m，一般用支管段的沿程水頭損失計算;Δz為兩噴頭的進水的高程差，m。

3.4.3 管道系統的結構

確定豎管高度:根據作物情況選擇豎管高度，考慮操作方便及種植作物不同生育期生長高度選用豎管高度為1.5 m，設置豎管支架，以保證噴頭工作的穩定性。支管每18 m布設一個噴頭，噴頭與支管通過豎管和方便體連接，支管入口干管處設置截閥體開關，干管每18 m為一個支管工作位置。

4 管道水力計算

4.1 噴灌系統流量計算

噴灌系統流量用下式計算:

式中:Q為噴灌系統設計流量，m3/h;qp為設計工作壓力下的噴頭流量，m3/h;np為同時工作的噴頭數目;ηG為管道系統水利用系數，取0.95。

4.2 管道沿程水頭損失計算

各種管材f、m、b參數表見表2。

4.2.1 干管水頭損失計算

式中:hf’為沿程水頭損失，m;f為摩阻系數;L為管長，m;Q為流量，m3/h;d為管內徑，mm;m為流量指數;b為管徑指數。

對于多分水口干管的沿程水頭損失。涂塑管為多出口管道，考慮多口系數:

式中:N為噴頭或孔口數目;m為流量指數，與摩阻損失有關，m=1.77;x為涂塑管入口至第一個噴頭(或孔口)的距離與噴頭(或孔口)間距之比。

式中:hf為多分水口干管的沿程水頭損失，m;F為多口系數。

表2 各種管材f、m、b參數表

4.2.2 管道的局部水頭損失計算

管道的局部水頭損失用下式計算:

式中:hj為局部水頭損失，m;ξ為局部阻力系數;V為管道水流速，m/s。

逆止閥損失系數1.70，閘閥損失系數0.20。

支管水頭損失計算同干管計算。

4.2.3 噴灌系統設計水頭的計算

式中:H為噴灌系統設計水頭，m;hd為井內動水位變深，m;hs為典型噴灌豎管高度，m;hp為典型噴灌噴頭的工作壓力水頭，m;hg為過濾器損失量;Σhf為由水泵吸水管至典型噴灌的噴頭進水口處之間管道的沿程水頭損失，m;Σhj為由水泵吸水管至典型噴灌的噴頭進水口處之間管道的局部水頭損失，m。移動式噴灌工程布置圖見圖1。管道移動式噴灌系統典型設計計算數值見表3。

5 結語

項目建成后，新增節水灌溉面積190.8 hm2。可節水17.11萬m3/a;節能2.22萬kW·h/a;增產糧食作物72萬 kg/a，增加效益128.79萬元/a，項目區受益人口873人，人均增收1 475元。從國民經濟計算指標看，該項目社會效益較好，經濟效益顯著。當社會折現率取8%時，經濟內部收益率49.33%，高于社會折現率8%，經濟凈現值為292.25萬元，效益費用比為2.25，＞1.0。項目在投資、效益單項浮動時，內部收益率均＞8%;經濟凈現值＞0，效益費用比＞1.0，該項目抗風險能力較強，總體指標較好。

圖1 移動式噴灌工程布置圖

該項目區地處黑龍江省中南部地區，其節水高效灌溉農業模式的轟動效應，將推動綏化市節水灌溉和農村經濟的發展，同時示范作用將波及周邊鄉鎮和地區，為該地區發展特色農業提供不同的節水灌溉技術模式。[4]

通過項目區的實施，能夠摸索出適宜我省中南部地區節灌技術和節灌模式，培養出一批節水灌溉工作的技術人員，為全面推廣節水灌溉技術打下良好的基礎。由于當地農業生產技術老舊，未能合理開發利用農業水資源，及旱、風、雹、冷害等自然災害經常發生，致使農業生產不能正常發展，生產效益不高，土地利用尚未充分發揮效益。先進的節水灌溉技術，保證作物全生育期的需水量，促進作物正常生長、發育，增加作物產量，促進系統物質循環和能量轉化。發展節水灌溉技術能夠調節田間小氣候，減小蒸發量，增加地表水份，穩定表土，減少流失，降低風害程度。合理布設取水井點，遵循水土平衡規律，合理開采提水，保證灌溉高效。

表3 管道移動式噴灌系統典型設計計算數值表

[1] 中華人民共和國水利部.GB/T 50085—2007，噴灌工程技術規范[S].北京:中國計劃出版社，2007.

[2] 綏化市水利勘測設計研究院.黑龍江省綏化市本級“節水增糧行動”2012年實施方案[R].綏化:綏化市水利勘測設計研究院，2012.

[3] 董興華.富南旱田典型區設計[J].黑龍江水利科技，2012，40(3):150-151.

[4] 白丹，王新.區域農業節水最優規劃數學模型及應用[J].黑龍江大學工程學報，2010，01(01):40-44.