紅廟子紅漢刺五加半固定式噴灌工程典型設計

郭 鵬

(遼寧省撫順市新賓滿族自治縣水務局，遼寧 新賓 113200)

紅廟子紅漢刺五加半固定式噴灌工程典型設計

郭 鵬

(遼寧省撫順市新賓滿族自治縣水務局，遼寧 新賓 113200)

文章介紹了紅廟子紅漢刺五加半固定式噴灌工程設計，根據作物的灌溉方式確定了灌溉制度及水源工程。紅廟子紅漢刺五加半固定式噴灌工程，大大提高了灌溉用水有效利用系數，節(jié)約了水量。建成至今，運行良好。該設計方案可為類似工程設計提供參考。

水源工程；半固定式噴灌；工程設計；投資概算

1 項目區(qū)概況

該典型片區(qū)位于撫順市新賓縣紅廟子鄉(xiāng)紅漢村，總面積10hm2，距離新賓鎮(zhèn)內60km，交通極為便利。

該區(qū)域屬大陸性季風氣候，多年平均降水量為760mm，平均蒸發(fā)量為1050.1mm，多年平均氣溫為5.1℃，最大凍土層深度為1.49m。

本區(qū)域土壤以砂壤土為主，地下含水層厚度為30～50m，地下水礦化度為0.6g/L，符合灌溉水質標準。

該區(qū)域位于遼寧東部山區(qū)丘陵，地面平均比降為1/10000。土壤以砂壤土為主，土壤容重為1.54g/cm3，田間持水率為22%。紅漢村現有人口1000人，年人均收入6200元，鄉(xiāng)內農業(yè)以糧食和經濟作物生產為主，主要糧食作物有玉米、水稻、大豆、高梁等；經濟作物主要有刺五加、五味子等。

目前項目區(qū)內無灌溉設施，也無有效灌溉面積，本次擬在本項目區(qū)內種植10hm2刺五加。本次項目區(qū)內全部種植刺五加，種植面積為10hm2，壟距為0.4m，株距為0.4m。

2 工程設計

主要包括8個方面：

2.1 灌溉方式選擇

根據項目區(qū)水源、地形、當地實際運行方式，灌溉方式采用半固定式噴灌系統(tǒng)。

根據水源地質條件，在項目區(qū)內修建一座大口井，大口井出水量為60m3/h。大口井設計泵房一座，其內布置壓力表、逆止閥等首部工程。

2.2 項目區(qū)水源條件分析

單井出水量60m3/h，井深5m，水質較好，適宜發(fā)展噴灌。

單井控制灌溉面積計算中水源井計算公式為：

F=QTtη/m
F=60×3.5×16×0.83/13.56=13.67hm2

(1)

式中：F為單井控制面積，hm2；Q為單井出水量，60m3/h；T為灌水周期，3.5d；t為每天開機時間，h，t取16h；η為灌溉水利用系數，η=ηG×ηP=0.98×0.85=0.83；m為灌水定額，13.56m3/hm2。

經計算，該井可控制灌溉面積 13.93hm2。

2.3 管網總體布置

項目區(qū)面積10hm2，地勢較平緩，大口井位于項目區(qū)西側，河道附近。

從大口井向地塊內布置主管道長度為585.5m，可布置28條支管，支管間距為18m，每條支管長度為135m，噴頭間距為18m。

其中：干管均為地埋固定管，采用PE管，干管埋深為凍層以下(1.6m)；支管為地面移動管，采用鋁合金管。

項目區(qū)共分為14個輪灌小區(qū)。具體見典型地塊布置圖1。

圖1 地塊布置圖

2.4 灌水定額

計算公式為：

m=0.1γh(β1-β2)

(2)

式中：m為設計灌水定額，mm；h為計劃濕潤層深度，30cm；β1、β2為適宜土壤含水率的上下限，β1=0.9，β2=0.7。

由此可得，m=0.1×1.54×30×(0.9×22-0.7×22)=20.33mm=203.4m3/hm2。

2.5 灌水周期

項目區(qū)在5月上旬為需水高峰期，需水強度ETd=5.5mm/d，灌水周期可按下式計算：

T=m/ETd

(2)

式中：T為灌水周期，d；m為設計灌水定額，20.33mm；ETd為作物耗水量，6mm/d。

由此可得，T=3.7d，取灌水周期為3.5d。

2.6 噴頭選型

根據項目區(qū)內情況綜合分析，項目區(qū)內風速低于3.4m/s，擬采用廣泛使用的ZY—2系列噴頭，該噴頭的參數為：噴嘴直徑d=7mm，工作壓力為230kPa，噴頭流量為3.5m3/h，噴頭射程為18m，其噴灌強度為5.8mm/h。噴頭水力性能參數見表1。

表1 噴頭水力性能參數表

2.7 組合噴灌強度校核

2.7.1 霧化指標

計算公式為：

Wh=hp/d

(3)

式中：Wh為噴灌的霧化指標；hp為設計工作壓力，m；d為噴嘴直徑，m。

由此可得，hp/d=23/0.007=3286

3000

故刺五加的霧化指標滿足要求。

2.7.2 噴灌強度

本項目區(qū)內土壤以砂壤土為主，根據相關規(guī)范查得，砂壤土允許噴灌強度為15mm/h，據此計算噴灌系統(tǒng)的設計噴灌強度。計算公式為：

ρ=KWCDρs

(4)

式中：ρ為噴灌系統(tǒng)的設計噴灌強度，mm/h；KW為風的影響系數，多支管多噴頭同時全圓噴灑時，KW=1；CD為布置系數，CD=πR2/(ab)=3.14×182/(20×20)=2.54；ρs為噴灌強度，mm/h；V為風速，m/s。

由此可得，ρ=KWCDρs=1×2.54×5.8=14.73mm/h≤15mm/h

2.7.3 組合間距的確定

由于示范區(qū)內風向多變，沒有明顯主風向，故采用正方形組合形式。

噴頭間距：a=R；
支管間距：b=R；

(5)

式中：R為噴頭設計射程，18m。由上式計算可得，a=18m，b=18m。

根據支管每根的長度135m，故取噴頭間距為18m，取支管間距為18m。

2.8 噴灌工作制度

2.8.1 噴頭在一個位置上的工作時間

計算公式為：

t=abm/(1000qηp)

(6)

式中：t為噴頭在一個位置上的工作時間，h；a為噴頭間距，18m；b為支管間距，18m；m為設計灌水定額，20.33mm；q為噴頭流量，3.5m3/h；ηP為田間噴灑水利用系數，ηP=0.85。

由此可得，t=18×18×20.33/(1000×3.5×0.85)=2.21h取t=4h

2.8.2 噴頭每天工作點數

計算公式為：

nd=td/t

(7)

式中：nd為噴頭每天工作點數，次；td為噴灌日工作時間，16h；t為噴頭在一個位置上的工作時間，4h。

由此可得，nd=16/4=4次

2.8.3 同時工作噴頭數

計算公式為：

np=Np/(nd×T)

(8)

式中：np為每次同時工作的噴頭數，個；Np為灌區(qū)內噴頭工作點總數，224個；nd為每日噴灑工作點數，4次；T為設計灌水周期，3.5d。

由此可得，np=224/(4×3.5)=16個

2.8.4 輪灌方案的確定

該項目區(qū)總共14個輪灌區(qū)，項目區(qū)內干管均為固定，有2根移動支管，每個輪灌區(qū)工作時即為一條干管和2根移動支管同時工作，灌溉時，每個噴頭在一個位置上的工作時間為4h，每個噴頭每天工作4次，即每次輪灌同時工作16個噴頭，每天可灌溉4個輪灌區(qū)，每天噴灑點數為64點，項目區(qū)全部灌完需時間為3.5d[1]。

噴灌輪灌順序見表2。

表2 噴灌輪灌順序表

2.8.5 管道系統(tǒng)設計

2.8.5.1 各級管道流量的確定

1)支管流量計算公式為：

(9)

式中：Q為噴灌系統(tǒng)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(tǒng)水利用系數，取0.95～0.98；支管的鋪設長度L支=135m，共8個噴頭同時工作，則Q支=28/0.95=30m3/h

2)干管流量計算包括：每個輪灌區(qū)干管流量為Q干= 2Q支=60m3/h。各級管道流量統(tǒng)計見表3。

表3 各級管道流量統(tǒng)計表 m3/h

2.8.5.2 管徑選擇

1)支管管徑：按支管能量損失應滿足Hw≤0.2Hp=hf+hj的條件，若暫時按支管局部水頭損失hj支=10%hf估算，則hf=0.182Hp[2]。通過沿程水頭損失計算公式hf=FfLQm/db經變換后，可得到支管管徑計算表達式為：

d支=(fQmLF/0.182Hp)1/b

(10)

式中：hw為同一支管上任意兩噴頭間支管段水頭損失，m；d支為支管管徑，mm；△Z為兩噴頭進水口高程差，0m；hp為噴頭設計工作壓力，23m；b為管徑指數，鋁合金管b=4.74；f為摩阻系數，f=0.861×105；m為流量系數，m=1.74；Q為支管流量，Q支=30m3/h；F為多口系數，查表得F=0.392；L為支管長度，L=135m。

由式(10)計算，得出d支≥65mm，則選取76mm外直徑的鋁合金管作為支管。

2)干管管徑的計算公式為：

(11)

式中：D為管道直徑，mm；Q為管道流量，Q=60m3/h；ν為經濟流速，m/s，取1.7m/s。

由此可得，D=98mm，故干管的外直徑取110mm，采用PE管。

2.8.5.3 管道水力計算

支管沿程水頭損失計算公式為：

(12)

式中：hfz為沿程水頭損失，m；N為噴頭和孔口數；X為多孔支管首孔位置系數，即支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；F為多口系數。

局部水頭損失計算按照沿程水頭損失的10%計算。

干管沿程水頭損失計算公式為：

(13)

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

局部水頭損失計算按照沿程水頭損失的10%計算。

1)支管水頭損失計算時：

鋁合金管m取1.74，b取4.74，F=0.392，f=0.861×105。

沿程水頭損失計算，hf支=FfL支Q支m/d支b=2.26m。

局部水頭損失計算，hw支= 0.1hf支=0.23m，

支管總水頭損失，h支=hf支+hw支=2.49m。

2)干管水頭損失計算時：

硬塑料管m取1.77，b取4.77，f=0.948×105。

沿程水頭損失計算，hf=fLQm/d干b=15.76m，

局部水頭損失計算，hw= 0.1hf干=1.58m，

干管總水頭損失，h干=hf干+hw干=17.34m。

3)首部工程水頭損失計算時：

鑄鐵管m=1.9，b=5.1， f=6.25×105。

沿程水頭損失計算，hf首=fL首Q首m/d首b=1.41m。

局部水頭損失計算，hw首= 0.1hf首=0.14m。

首部工程總水頭損失，h首=hf首+hw首=1.55m。

2.8.6 水泵選型

H=Zd-Zs+hs+hp+∑hf+∑h

(14)

式中：H為噴灌系統(tǒng)設計水頭，m；Zd為典型噴點的地面高程，m；Zs為水源水面高程，m；hs為典型噴點的豎直高度，m；hp為典型噴點噴頭的工作壓力水頭，m；∑hf為由水泵進水管至典型噴點噴頭進口處之間管道的沿程水頭損失，m；∑hw為由水泵進水管至典型噴點噴頭進口處之間管道的局部水頭損失，m。

由此可得，H=50.38m

查水泵性能手冊，結合該項目區(qū)實際情況，配1臺200QJ63—60/5井用潛水泵。該泵的性能參數詳見表3。

表3 泵的性能參數表

2.8.7 水源工程設計

主要包括2個方面：

2.8.7.1 大口井設計

項目區(qū)內水源工程為大口井，大口井出水量為60m3/h。大口井擬建完成后，與水泵和輸水管道等聯合運行，對項目區(qū)內10hm2刺五加進行灌溉。

大口井工程位于新賓縣紅廟子紅漢，附近有鄉(xiāng)村級道路通過，交通較為便利。

2.8.7.2 井房設計

工程首部工程配置了水泵、逆止閥、壓力表等設施，為保障這些設施安全可靠、良性運行，需修建一座泵房，泵房尺寸：5m(長)×3m(寬)×2.62m(高)，面積15m2。

首部工程示意見圖2，泵房示意見圖3。

圖2 首部工程示意圖

圖3 泵房示意圖

3 工程投資概算

項目區(qū)灌溉工程總投資13.95萬元，平均投資930元，其中：建筑工程投資5.97萬元(水源工程投資4.67萬元，灌溉工程投資1.29萬元)，設備及安裝工程投資7.12萬元(首部工程投資1.66萬元，管網工程投資5.46萬元)，獨立費用投資598.04元，基本預備費投資4063.17元。

[1]要永在.牧場草種生產基地噴灌工程設計要點[J].內蒙古水利,2014(01):51-52.

[2]王紅江.農業(yè)節(jié)水噴灌工程建設和管理探討——以山西省平陸縣橫尖村節(jié)水噴灌工程為例[J].科技情報開發(fā)與經濟，2008，18(34):215-216.

1007-7596(2014)10-0056-04

2014-05-26

郭鵬(1980-)，男，遼寧撫順人，工程師，從事水利工程管理工作。

S277

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