西馬峰鎮(zhèn)半固定式噴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉錄良

(遼寧西北供水有限責(zé)任公司，沈陽110006)

1 概 述

農(nóng)田土地平整，利于灌排，排水渠系配套整治，電力配套建設(shè)，達(dá)到旱能灌，澇能排;灌溉采用節(jié)水灌溉技術(shù)，采用噴灌形式;農(nóng)田道路方格化建設(shè)，有利于田間作業(yè)節(jié)省土地;防護(hù)林網(wǎng)建設(shè)，減少風(fēng)沙危害，改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，加大科技投入，大力推廣實(shí)用農(nóng)業(yè)技術(shù)，采用無公害生產(chǎn)進(jìn)程。項(xiàng)目區(qū)的遠(yuǎn)景建設(shè)目標(biāo)為綠色農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地［1］。

根據(jù)規(guī)劃，項(xiàng)目區(qū)為井灌區(qū)，，共打井13 眼，井深20 ～40 m，單井出流量為60 m3/h，其中井1#～5#井所控制面積60 hm2為半固定式噴灌，6#～13#井所控制面積106.67 hm2為固定式噴灌。

井灌區(qū)內(nèi)主要種植蔬菜、小麥、大豆等經(jīng)濟(jì)作物，兩井之間東西向距離約為300 m，土壤為中壤土，土壤容重約為1.4 g/cm3。

2 作物需水量和灌溉制度

2.1 作物日耗水量e

按照《中國主要作物需水量與灌溉》，根據(jù)項(xiàng)目區(qū)作物需水規(guī)律，綜合考慮區(qū)內(nèi)主要作物需水臨界期耗水強(qiáng)度，取灌水臨界期日平均最大耗水量為e=5 mm/d。

2.2 設(shè)計(jì)灌水定額m

依據(jù)《噴灌工程技術(shù)規(guī)范》，有:式中:m 為設(shè)計(jì)灌水定額，mm;γ 為土壤容重，g/cm3;h 為土壤的計(jì)劃濕潤層深度，cm;β 為土壤的田間持水率;β1為適宜土壤含水量上限，(重量百分比);β2為適宜土壤含水量下限，(重量百分比);η為噴灑水利用系數(shù)，取0.80。

土壤田間持水率取25%，土壤適宜含水量上下限分別取田間持水率的90%和70%，γ =1.4 g/cm3，h=50 cm，則:m=29.33 m3/hm2。

2.3 灌水周期T

式中:T 為灌水周期，d;其它符號(hào)同前。

結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)及水源供水情況，灌水周期取為8 d。

2.4 單井控制面積

井灌區(qū)地下水量充足。單井出流量為60 m3/h，則單井控制面積為:

式中:A 單井控制面積，hm2;Q 為單井出流量，m3/h;t 為灌溉期每天開機(jī)時(shí)間，取16 h;其它符號(hào)含義同前。

則A=15.67 hm2

根據(jù)規(guī)劃，單井的最大控制面積為12.67 hm2，所以可知，單井供水量能夠滿足灌溉需水要求。

3 選擇噴頭及確定布置形式

3.1 初選噴頭型號(hào)

考慮當(dāng)?shù)囟囡L(fēng)，根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)條件，國內(nèi)噴頭樣品系列及本地區(qū)設(shè)備供應(yīng)情況，要求低仰角抗風(fēng)加重噴頭，故采用河南水利機(jī)械廠生產(chǎn)的ZY—2 型噴頭，其主要性能指標(biāo)如表3 所示。

表3 所選噴頭主要性能指標(biāo)

3.2 確定噴頭組合形式、噴灑方式及組合間距

噴頭采取正方形組合，噴灑方式為全圓噴灑，靠地邊第一排采取半圓噴灑，以防水噴到路上。

則噴頭設(shè)計(jì)射程:

式中:R設(shè)為噴頭的設(shè)計(jì)射程，m;K 為系數(shù)，根據(jù)當(dāng)?shù)囟囡L(fēng)情況，取K=0.7;則R設(shè)=13 m。

則噴頭間距b=1.42R設(shè)=18.5m。

支管間距L=1.42R設(shè)=18.5m。

綜合考慮風(fēng)速等情況，取b=L=18 m。

3.3 校核噴灌系統(tǒng)的噴灌強(qiáng)度

按下式計(jì)算:

即灌溉不會(huì)產(chǎn)生積水和地面徑流，滿足要求。

3.4 校核霧化指標(biāo)

按下式計(jì)算:

式中:P 為霧化指標(biāo);H 為噴頭設(shè)計(jì)工作壓力，m;d為噴嘴直徑，mm。

則P=5167 ＞4000，滿足霧化指標(biāo)要求。

4 管道系統(tǒng)平面布置

以4#井所控制的灌溉面積為典型布置，地塊為330 m×300 m，在靠生產(chǎn)路的一側(cè)地邊中間位置打井，沿東西方向設(shè)干管一支，兩側(cè)分水，第一根移動(dòng)支管沿地邊布設(shè)，然后每隔18 m設(shè)一給水栓，共設(shè)17根支管，每根移動(dòng)支管上布設(shè)9 個(gè)噴頭，共設(shè)306 個(gè)噴頭，間距為18 m。每個(gè)給水栓入口設(shè)有閘閥。

5 噴灌工作制度

5.1 噴頭在一個(gè)噴點(diǎn)上的噴灑時(shí)間t

式中:t 為噴頭在一個(gè)噴點(diǎn)上的噴灑時(shí)間，h;q 為噴頭的流量，m3/h;其它符號(hào)同前。

5.2 同時(shí)工作的噴頭數(shù)N

式中:A 為整個(gè)噴灌系統(tǒng)的面積，m2;C 為一天中噴灌系統(tǒng)有效工作小時(shí)數(shù)，h;其它符號(hào)同前。

則N=12 個(gè)。

5.3 計(jì)算同時(shí)工作的支管數(shù)N 支

式中:n噴頭為一根支管上的噴頭數(shù)，個(gè);其它符號(hào)同前。

則N支=1.3 根。

取每次輪灌同時(shí)工作的支管數(shù)為2。

6 管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)

6.1 管材選擇

根據(jù)當(dāng)?shù)噩F(xiàn)有材料供應(yīng)狀況，干管和支管選用硬聚氯乙烯(UPVC)管。豎管選用鋼管。

6.2 確定各級(jí)管道流量

豎管流量Q豎=3.01m3/h

支管流量Q支=nq=9×3.01=27.1m3/h

干管流量Q干=2Q支=54.2m3/h

6.3 管徑選擇

6.3.1 支管管徑選擇

按規(guī)范要求，支管上任意兩個(gè)噴頭之間的水頭差應(yīng)不超過噴頭壓力水頭的20%，即

式中:hw為同一支管上任意兩噴頭間支管段水頭損失，m;取hw≈h′f;ΔZ 為該兩噴頭進(jìn)水口高差程，m;hp 為噴頭設(shè)計(jì)工作壓力水頭，m。

查相關(guān)規(guī)范，f =0.948×105，m =1.77，b =4.77，F(xiàn)=0.375，則有，D支≥61.6 mm。

查《噴灌與微灌設(shè)備》，選取外徑為75 mm的UPVC 管，壁厚為3 mm的輕型管。6.3.2 干管管徑的選擇

Q干=54.2 m3/h，根 據(jù) 經(jīng) 驗(yàn) 公 式，當(dāng) Q ＜120 m3/h時(shí)

則D干=95.7 mm。

查《噴灌與微灌設(shè)備》，選取外徑為110 mm的UPVC 管，壁厚為4.2 mm的輕型管。6.3.3 豎管管徑選擇

Q豎=3.01 m3/h，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，當(dāng) Q ＜120 m3/h時(shí)，

則D豎=22.6 mm。

查《噴灌與微灌設(shè)備》，選取外徑為32 mm的鍍鋅薄壁鋼管。

7 水力計(jì)算和水泵選型

以工作狀況最不利的噴頭為設(shè)計(jì)典型噴頭。本設(shè)計(jì)中選離井最遠(yuǎn)處支管上的最遠(yuǎn)端噴頭。

7.1 支管入口壓力水頭

按《噴灌工程手冊》，支管末端噴頭的壓力按噴頭設(shè)計(jì)壓力的90%計(jì)，則:

式中:H支為支管入口壓力水頭，m;L豎計(jì)為豎管計(jì)算長度，m;ΔZ 為支管入口地面高程到工作壓力最低的噴頭進(jìn)水口的高程差，m;其它符號(hào)同前:hf支=3.50 m;hf豎=0.1 m。

則H支=33.7 m。

7.2 地埋干管沿程水頭損失

7.3 干管局部水頭損失

按沿程水頭損失的15%計(jì)。則hj干=15%hf干=1.44。

7.4 水泵吸水管至干管入口總水頭損失

局部水頭損失按沿程水頭損失的15%計(jì)，則，h吸w=0.93。

7.5 設(shè)計(jì)揚(yáng)程

式中:ΔZ′為水源動(dòng)水位與典型噴頭間的地面高差，取15 m。

則H=57.69 m。

7.6 單井設(shè)計(jì)供水流量

流量損失以5%計(jì)，則Q=56.9 m3/h。

7.7 水泵選型

根據(jù)上述流量、揚(yáng)程值，選擇200QJ(R)64—62/4 型潛水泵5 臺(tái)，即流量為64 m3/h，揚(yáng)程為62 m，轉(zhuǎn)速為2 900 r/min的四級(jí)泵。配套電動(dòng)機(jī)為YQS(U)200—18.5 型三相異步電動(dòng)機(jī)，功率為18.5 kW，具體性能指標(biāo)如表2 所示。

表2 水泵及配套電動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)表

8 排水工程設(shè)計(jì)

8.1 排水方式及排水系統(tǒng)組成

項(xiàng)目區(qū)內(nèi)排水溝設(shè)于田間路與生產(chǎn)路的一側(cè)，并沿河堤的林帶邊設(shè)一排水溝。田間路與林帶邊的為排水干溝，沿生產(chǎn)路布設(shè)的為排水支溝，在排水溝與路、堤相交處沒涵管，排水干尾部設(shè)涵管入河道。在主管路末端設(shè)一個(gè)排水井。

8.2 排水溝工程設(shè)計(jì)

8.2.1 排水溝排澇流量計(jì)算

1)排水干溝排澇流量計(jì)算:

沿林帶邊設(shè)的排水干溝控制面積最大，所以以此進(jìn)行設(shè)計(jì)流量的計(jì)算。則地塊面積F1=0.84km2。除澇排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用10 年一遇的暴雨，3 日暴雨，3 日排除。根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)排澇模數(shù) q =0.22 m3/s·km2，則排澇流量為:

2)排水支溝排澇流量計(jì)算:

以典型地塊(指4 號(hào)井和10 號(hào)井所控制的灌溉面積)所控制排澇面積計(jì)算，則地塊面積為F2=0.21 km2。則排澇流量為:

8.2.2 排水干溝斷面設(shè)計(jì)

1)設(shè)計(jì)依據(jù):

依據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，并根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際地形及土質(zhì)情況，選取i=1/1000，m=1，n=0.025。

2)排水干溝斷面設(shè)計(jì):

計(jì)算溝道輸水流量Q計(jì)算:

校核溝道輸水能力，則:

經(jīng)過試算，當(dāng)b=0.4m，h=0.45m 時(shí)，流量、流速都滿足要求。同時(shí)考慮加大水深的要求，確定溝深為0.65 m，b =0.4 m，h =0.45 m。則排水干溝斷面如圖1 所示。

圖1 排水干溝斷面示意圖

3)排水支溝斷面設(shè)計(jì):

計(jì)算過程同干溝的一樣。則經(jīng)過計(jì)算，溝深為0.45m，底寬b=0.3m，h=0.25m。則排水支溝斷面如圖2 示。

圖2 排水支溝斷面示意圖

［1］馬艷，趙永清，韓金超.淺談半固定式噴灌系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)［J］.水利科技與經(jīng)濟(jì)，2008(12):957－958.