大棚蔬菜微噴灌系統(tǒng)典型工程設(shè)計(jì)實(shí)例

李永剛 秦海霞

（1.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司 河南鄭州 450003；2.河南省水利科學(xué)研究院 河南鄭州 450003)

1 前言

微噴灌是以小流量進(jìn)行局部高頻灌溉的一種灌水型式，其灌水均勻，灌溉水利用率高，一般僅濕潤(rùn)作物和植物根區(qū)附近的土壤，能顯著減少地表水分蒸發(fā)，節(jié)水效果顯著，并可適時(shí)適量供水供肥，使作物根系活動(dòng)層土壤一直處于良好的水、熱、氣和養(yǎng)分供給狀態(tài)，能改善田間小氣候和作物生長(zhǎng)環(huán)境，易于調(diào)節(jié)土壤濕潤(rùn)體內(nèi)鹽分濃度，為作物增產(chǎn)和改善品質(zhì)提供有力條件，特別適合于蔬菜大棚、苗圃、花卉等灌溉。

典型區(qū)位于中牟縣北部狼城崗鎮(zhèn)瓦坡村，為黃河中下游沖積扇南翼之首，區(qū)內(nèi)地勢(shì)比較平緩，以蔬菜種植為主，灌溉水源為地下水，單井出水量約32m3/h，水質(zhì)符合農(nóng)業(yè)灌溉用水要求。現(xiàn)以單眼井所控制的大棚蔬菜微噴為例闡述微噴灌設(shè)計(jì)具體步驟。

2 工程設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)總體布局

微噴灌系統(tǒng)由水源工程、首部樞紐、輸配水管網(wǎng)和灌水器四部分組成。典型區(qū)灌溉水源為地下水，單井控制面積 8hm2；系統(tǒng)首部主要包括200QJ32-65/5型水泵、變頻調(diào)速控制柜、3"離心+網(wǎng)式過(guò)濾器，施肥灌、控制閥、進(jìn)排氣閥等，其作用是從水源取水增壓并將灌溉水處理成符合灌溉要求的水流送給輸配水管網(wǎng)；系統(tǒng)輸配水管網(wǎng)由干管、分干管、支管、毛管及安全、控制和調(diào)節(jié)裝置組成，其作用是將首部樞紐處理過(guò)的水安全合理的輸送分配到灌水器；采用的是241T吊旋微噴頭。

2.2 技術(shù)參數(shù)選取

灌溉設(shè)計(jì)保證率：85%；土壤濕潤(rùn)比：P=70%；設(shè)計(jì)耗水強(qiáng)度：Ic=5.5mm/d；灌溉水利用系數(shù)：η =0.85；計(jì)劃濕潤(rùn)層深度：Z= 0.35m；灌水小區(qū)流量偏差： qv=20%；微噴灌的允許灌水強(qiáng)度取：p允=15mm/h。

3 灌溉制度的確定

3.1 設(shè)計(jì)凈灌水定額

式中：

m—設(shè)計(jì)凈灌水深度，mm；

β—土壤中允許的缺水量占土壤有效持水量的比例，取27%；

Fd、ω0—田間持水量和凋萎系數(shù)，項(xiàng)目區(qū)為輕壤土，田間持水量取32%，凋萎系數(shù)取9%。

計(jì)算得設(shè)計(jì)凈灌水定額 m=15.21mm。

3.2 設(shè)計(jì)灌水周期

式中：

Ia—設(shè)計(jì)補(bǔ)水強(qiáng)度，等值于設(shè)計(jì)耗水強(qiáng)度，5.5mm/d；

計(jì)算得設(shè)計(jì)灌水周期為2.7天。

3.3 一次灌水延續(xù)時(shí)間

式中：

t一次灌水延續(xù)時(shí)間，h；

Se—灌水器間距；

Sl—毛管間距；

Qp—微噴頭流量。

設(shè)計(jì)噴頭選用241T旋轉(zhuǎn)微噴頭，工作壓力Hp為 220Kpa，微噴頭流量Qp為 48L/h，射程R為 3.1m。毛管間距和灌水器間距均確定為3m，經(jīng)計(jì)算，一次灌水延續(xù)時(shí)間t=3.4h。

3.4 單井控制面積

式中：

A—灌溉面積，hm2；

Q—單井出水量，m3/h，為32m3/h；

Ia—設(shè)計(jì)補(bǔ)水強(qiáng)度，等值于設(shè)計(jì)耗水強(qiáng)度，5.5mm/d；

t—單井日工作時(shí)數(shù)，h/d，取16h/d；

η—灌溉水利用系數(shù)，取0.85。

經(jīng)計(jì)算，單井控制面積A=7.9hm2。典型區(qū)大棚規(guī)格100m×10m，間距0.5m，則設(shè)計(jì)綜合確定單井控制面積為8.0 hm2，單眼井控制76個(gè)大棚。

4 管路設(shè)計(jì)

4.1 布置原則

工程管網(wǎng)布置遵循下列原則：根據(jù)項(xiàng)目區(qū)土壤、作物、氣候等條件，盡量立足當(dāng)前，兼顧長(zhǎng)遠(yuǎn)，選擇固定式系統(tǒng)；干管采取雙向分水布置形式，要做到管線平順，盡量減少拐彎、起伏現(xiàn)象，力求使管道總長(zhǎng)度最短，在平面和立面上盡量減少轉(zhuǎn)折；應(yīng)避免穿越障礙物，并避開地下電力、通信等設(shè)施。水源分配均勻一致，避免管道之間出現(xiàn)流量過(guò)于集中和過(guò)于分散的狀況，滿足各用水單位需要，能迅速分散水流，管理維護(hù)方便。輸配水管道沿地勢(shì)較高位置布置，支管宜垂直于作物種植行布置，毛管宜順作物種植行布置。

4.2 支、毛管水頭差分配與毛管極限長(zhǎng)度確定

4.2.1 支、毛管水頭差分配

當(dāng)qv=20%時(shí)，灌水小區(qū)允許水頭差為：

式中：

hmax—灌水小區(qū)中灌水器最大水頭(m)；

hmin—灌水小區(qū)中灌水器最小水頭(m)；

ha—灌水器設(shè)計(jì)水頭，為22m；

qv—灌水小區(qū)流量偏差，為20%；

x—流態(tài)指數(shù)，為0.5；

［△h］—灌水小區(qū)允許的最大水頭差(m)。

計(jì)算可得hmax=28.09m，hmin=19.03 m，［△h］=9.06m。

根據(jù)支、毛管水頭差分配比

式中：

［△h］毛—灌水小區(qū)中毛管允許的最大水頭差(m)；

［△h］支—灌水小區(qū)中支管允許的最大水頭差(m)。

計(jì)算可得［△h］毛=4.98 m、［△h］支=4.07 m。

4.2.2 毛管極限長(zhǎng)度

毛管極限長(zhǎng)度為：

式中：

L毛—毛管的極限長(zhǎng)度(m)；

S—微噴頭間距(m)；

INT—取整符號(hào)；

［△h］毛—灌水小區(qū)中毛管允許的最大水頭差(m)；

d—毛管內(nèi)徑，為15.4mm；

R—水頭損失擴(kuò)大系數(shù)，R取1.1；

qa—微噴頭流量(L/h)。

計(jì)算可得：L毛=60m。

4.3 管網(wǎng)布置與輪灌組劃分

4.3.1 毛管布置

每座大棚從中部沿長(zhǎng)邊分別布置3根毛管，毛管允許單向鋪設(shè)長(zhǎng)度60m，實(shí)際單向鋪設(shè)長(zhǎng)度46.5m，毛管間距3m，毛管上微噴頭間距3m，一根毛管上布置16個(gè)微噴頭。

4.3.2 干、支管布置

干管采用Φ110的PVC管；分干管采用Φ50的PVC管，垂直于干管方向布置在兩座大棚中間，分干管由球閥控制向支管雙向供水；支管采用Φ32的PE管垂直于毛管方向布置，每座大棚中間布置一條支管，向兩側(cè)毛管配水，支管長(zhǎng)度為8.25m。

4.3.3 輪灌組劃分

系統(tǒng)允許的最大輪灌組數(shù)為：

式中：

Nmax—系統(tǒng)允許的最大輪灌組數(shù)(個(gè))；

C—系統(tǒng)日最大運(yùn)行時(shí)數(shù)(h)，取16h；

T—灌水周期(d)；

t—一次灌水延續(xù)時(shí)間(t)。

計(jì)算可得：Nmax=13個(gè)。

每座大棚從中部沿長(zhǎng)邊分別布置3根毛管，一根毛管上布置 16個(gè)微噴頭，一座大棚布置 6根毛管，則單個(gè)大棚設(shè)計(jì)流量：

Q棚=6×16×48=4608L/h=4.6 m3/h

根據(jù)機(jī)井出水量Q井=32m3/h，同時(shí)可以進(jìn)行微噴灌的大棚數(shù)量N=Q井/ Q棚=6.96（個(gè))，約以7個(gè)大棚為一個(gè)輪灌組。由前文計(jì)算單井同時(shí)可控制約76個(gè)大棚，故可劃分為11個(gè)輪灌組，小于系統(tǒng)允許的最大輪灌組數(shù)為 13個(gè)。單井可同時(shí)控制42根毛管672個(gè)微噴頭同時(shí)工作，按輪灌組順序輪灌即可。

5 管網(wǎng)水力計(jì)算

5.1 毛管實(shí)際水頭損失

微灌管道內(nèi)的水流屬于光滑紊流，常采用下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：

Δ h毛—毛管水頭損失(m)；

Q—流量(m3/h)；

D—管道內(nèi)徑(mm)；

L—管道長(zhǎng)度(m)；

F—多口系數(shù)；

R—水頭損失擴(kuò)大系數(shù)，R取1.1。

每條毛管流量為：

q毛=16×48/1000=0.768m3/h；多口系數(shù)，經(jīng)查取0.376，毛管內(nèi)徑15.4mm。經(jīng)計(jì)算毛管實(shí)際水頭損失為2.32m。

因此，毛管進(jìn)口水頭為：

5.2 實(shí)際分配給支管的水頭差

式中：

△h支實(shí)際—支管實(shí)際水頭差(m)；

［△h］—灌水小區(qū)允許的最大水頭差(m)；

h毛實(shí)際—毛管實(shí)際水頭差(m)。

由上式計(jì)算可得：

5.3 支管管徑與支管進(jìn)口水頭計(jì)算

5.3.1 支管流量

式中：

Q —某級(jí)管道的設(shè)計(jì)流量，L/h；

qi—第i號(hào)微噴頭平均流量，48L/h ；

n —同時(shí)工作的滴頭個(gè)數(shù)

一根支管控制6根毛管，一根毛管上布置16個(gè)微噴頭，則支管流量為Q支=6Q毛=6×16×48×0.001=4.6m3/h。

5.3.2 支管管徑

其中：

D—管道內(nèi)徑(mm)；

Q—設(shè)計(jì)流量(m3/h)

經(jīng)計(jì)算，管道內(nèi)徑為27.9mm。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，支管管徑選定為φ32mm，支管長(zhǎng)8.25m。

5.3.3 支管進(jìn)口水頭：

支管是沿程多口出流管道，其水頭損失需采用多口系數(shù)修正。管道水頭損失包括沿程水頭損失與局部水頭損失兩部分。為簡(jiǎn)化計(jì)算，在計(jì)算沿程水頭損失時(shí)采用加大系數(shù)法把局部水頭損失估算在內(nèi)。簡(jiǎn)化后的管道水頭損失計(jì)算式為：

計(jì)算公式為：

式中：

F—多口系數(shù)，經(jīng)查取0.401；

R—水頭損失擴(kuò)大系數(shù)，R取1.1；

其他符號(hào)意義同上。

經(jīng)計(jì)算支管水頭損失h支=0.49m＜△h支實(shí)際，滿足要求。

則支管進(jìn)口水頭為：

5.4 干管管徑及干管進(jìn)口水頭計(jì)算

5.4.1 管徑選擇

分干管：由系統(tǒng)工作制度可知，一根分干管控制兩座大棚，則分干管流量為2×4.6=9.2m3/h。按照經(jīng)濟(jì)流速法計(jì)算公式，經(jīng)計(jì)算管道內(nèi)徑為39.4mm。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，分干管管徑選定為50mm，工作壓力0.6Mpa，管道內(nèi)徑為45.4mm。

干管：干管流量原則上為水泵出水量即：Q干=32m3/h，按照經(jīng)濟(jì)流速法計(jì)算公式，經(jīng)計(jì)算管道內(nèi)徑為73.54mm。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，并考慮項(xiàng)目區(qū)以后擴(kuò)大生產(chǎn)的需要，干管管徑選定為110mm，工作壓力0.8Mpa，管道內(nèi)徑為102.2mm的PVC管。

5.4.2 進(jìn)口水頭

干管、分干管分別選取距水源點(diǎn)最遠(yuǎn)端的距離計(jì)算沿程水頭損失，其長(zhǎng)度分別為干管202m、分干管55m。

管道水頭損失包括沿程水頭損失與局部水頭損失兩部分，同上采用加大系數(shù)法計(jì)算水頭損失。簡(jiǎn)化后的管道水頭損失計(jì)算式為：

式中：

f—系數(shù)，由管材決定，為0.948×105；

Q—流量，Q干=32m3/h，Q分干=9.2 m3/h；

m、b—指數(shù)，m=1.77，b=4.77；

L—管道長(zhǎng)度；

R—水頭損失擴(kuò)大系數(shù)，R取1.1

經(jīng)計(jì)算，分干管水頭損失為3.63m，干管水頭損失為2.40m。

則干管進(jìn)口水頭為：

5.5 系統(tǒng)揚(yáng)程確定

首部樞紐水頭損失（包括過(guò)濾器、控制閥、施肥裝置、泵管等)按△h首部=10m估算，項(xiàng)目區(qū)機(jī)井動(dòng)水位與井口地面參考點(diǎn)高差按20m計(jì)，微噴頭離地高度為2.5m，由上式計(jì)算可得系統(tǒng)總揚(yáng)程：H=27.82+10+20+2.5=60.32m。

5.6 水泵選型及動(dòng)力配套

根據(jù)以上計(jì)算，系統(tǒng)揚(yáng)程60.32m，典型區(qū)機(jī)井出水流量32m3/h，查水泵性能表，擬選用水泵型號(hào)200QJ32-65/5，配套功率為9.2kw。

6 結(jié)論

當(dāng)前我國(guó)水資源十分緊缺，怎樣用好寶貴的水資源，使其產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)效益顯得尤為重要。微噴灌作為一種高效節(jié)水灌溉工程型式，不僅能省水、省肥、省時(shí)，而且具有節(jié)能、增產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，還能控制棚內(nèi)溫度、濕度、減少病蟲害發(fā)生，提高作物產(chǎn)量與質(zhì)量，在設(shè)施農(nóng)業(yè)和特色農(nóng)業(yè)種植中值得推廣應(yīng)用。在進(jìn)行微噴灌工程設(shè)計(jì)時(shí)，首先弄清水源情況，做好系統(tǒng)總體規(guī)劃布局，再根據(jù)種植作物進(jìn)行灌溉制度設(shè)計(jì)，由管網(wǎng)水力計(jì)算得出系統(tǒng)所需揚(yáng)程從而進(jìn)行水泵選型。

1.鐘志強(qiáng).微噴灌技術(shù)在馬跡嶺灌區(qū)中的應(yīng)用（J).黑龍江水利科技，2012（10).

2.洪艷，李家振等.簡(jiǎn)述微噴灌技術(shù)在大棚灌溉系統(tǒng)中的應(yīng)用（J).科學(xué)技術(shù)，2010（2).

3.王鳳民，張麗媛.微噴灌技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用（J).地下水，2009（11).

4.朱春陽(yáng).滴灌在高效節(jié)水農(nóng)業(yè)工程中的應(yīng)用設(shè)計(jì)（J).湖南水利水電，2010（4).

5.水利部農(nóng)村水利司，中國(guó)灌溉排水發(fā)展中心.微灌工程技術(shù)[M] .鄭州：黃河水利出版社，2012.

6.水利部農(nóng)村水利司，中國(guó)灌溉排水發(fā)展中心.節(jié)水灌溉工程實(shí)用手冊(cè)[M] .北京：中國(guó)水利水電出版社，2005.

7.中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB/T 50485-2009 微灌工程技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2009.