棉花種植中半固定式小型噴灌系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計分析

辛婭文

（塔里木河流域喀什管理局，新疆 喀什 847000）

0 引言

據(jù)權(quán)威部門統(tǒng)計：2018 年我國棉花產(chǎn)量約為609.6 萬t，其中僅新疆自治區(qū)產(chǎn)量就達到511.1 萬t，占全國總量的84%左右，是我國最重要的棉花生產(chǎn)基地。新疆地廣人稀，第一產(chǎn)業(yè)在經(jīng)濟總量中所占比重較大，發(fā)展現(xiàn)代化、集約化農(nóng)業(yè)對自治區(qū)可持續(xù)發(fā)展意義重大。節(jié)水灌溉是現(xiàn)代農(nóng)田水利建設(shè)的重要內(nèi)容，半固定式噴灌系統(tǒng)作為中小型地塊的灌溉形式目前得到廣泛應(yīng)用。

1 設(shè)計地塊概況

由于受地形條件影響，目前中小型灌區(qū)（面積小于100 畝）是自治區(qū)最普遍的種植單元，因此中小型灌區(qū)節(jié)水灌溉形式和參數(shù)設(shè)計對提高用水效率有著重要作用。通過對烏魯木齊市周邊區(qū)域現(xiàn)場調(diào)研，以100 畝左右的灌溉地塊最為常見，所以本文以100 畝地塊作為設(shè)計對象，通過測定，地塊有關(guān)概況見表1。

表1 設(shè)計地塊概況（面積：100 畝）

2 棉花灌溉定額和周期計算

（1）棉花灌水定額計算

設(shè)計灌水定額m計算公式見式（1）[1]，根據(jù)新疆自治區(qū)發(fā)布的各地區(qū)各種灌溉形式的用水定額，總結(jié)出烏魯木齊市周邊棉花灌溉定額見表2，本項目設(shè)計采用噴灌，因此確定m=28 m3/畝。

式中：γ 為土壤容重，g/cm3；h 為土壤計劃濕潤層深度，50 cm；β1、β2為土壤含水量上、下限；η 為灌溉水利用系數(shù)，取值 0.9。

表2 烏魯木齊地區(qū)灌溉定額參考數(shù)值

（2）灌溉需水量計算

凈灌溉需水量Wj計算公式見式（2）[2]，得出本項目設(shè)計地塊每次灌溉用水量約3.08 萬m3。按照棉花在整個生育期內(nèi)需灌溉4 次（出苗期、現(xiàn)蕾期、花玲期、吐絮期）進行計算，整個周期需水量約12.32 萬m3。

式中：A 為種植總面積，100 畝。

（3）灌水周期計算

在此根據(jù)農(nóng)作物日需水量E（取值4.5 mm/d）作為計算灌水周期T 的標準，計算公式見式（3），求得T≈6 d。

3 半固定式小型噴灌系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計

目前，噴灌主要分為固定式、半固定式、移動式三類，其中固定式噴灌雖然后期管理方便，但是初期各種設(shè)施投資成本太高，因此排除；移動式噴灌雖然大大提高了設(shè)施利用效率，且灌溉質(zhì)量好，不過拆裝作業(yè)繁重，管理不便，因此排除。所以最終本項目選取半固定式噴灌作為灌溉方式。

3.1 灌溉流量設(shè)計計算

灌溉流量Qm直接決定了噴灌系統(tǒng)的所有設(shè)計參數(shù)，該參數(shù)與灌水定額、灌溉周期、噴灌系統(tǒng)可工作時間均相關(guān)，在此采用直接計算法，公式見式（4）[3]，得出 Qm=33.3 m3/h。

式中：t 為半固定式噴灌系統(tǒng)每天工作時間，取值14 h。

3.2 輸水管道參數(shù)設(shè)計計算

（1）管網(wǎng)布置方式設(shè)計

本項目設(shè)計地塊平坦，且形狀基本為矩形結(jié)構(gòu)，在此設(shè)計管網(wǎng)布置為最簡單的“豐”字形結(jié)構(gòu)。管網(wǎng)分四級：主干管、干管、分干管、支管（布置方式見圖1）。將100 畝地塊規(guī)劃為Ⅰ、Ⅱ兩個區(qū)，每個區(qū)都有一樣的噴灌系統(tǒng)[4]。

圖1 本項目管網(wǎng)布置示意圖

（2）管道系統(tǒng)設(shè)計

1）支管設(shè)計

由于支管每次灌溉作業(yè)時需要人工拆裝，耐用性必須好，在此選用帶有快速接頭的薄壁鋁合金管，具體規(guī)格：每段長8 m，6 段組成一條。每條支管上設(shè)置3 個噴頭接口，為保護接口，支管與分干管連接處設(shè)置3 m 長軟管連接（具體見圖2）。

圖2 支管設(shè)計示意圖

支管管徑由流量、水壓確定，越靠近頂端，支管壓力和流量越小，因此只要保證最后噴頭的流量和壓力滿足灌溉要求，其他噴頭自然滿足[5]。由于計算復(fù)雜，在此通過試驗室試驗并結(jié)合其他地區(qū)工程經(jīng)驗確定，本項目支管參數(shù)具體見表3。

表3 支管參數(shù)

②干管和分干管設(shè)計

本項目分管和分干管全部采用UPVC 管，每節(jié)長度為3 m，埋設(shè)于地下，管徑D 保持一致，采用“理論計算結(jié)合實際經(jīng)驗”確定，其中計算公式見式（5），該公式僅適用于設(shè)計流量小于120 m3/h。求得D=46.87 mm，因此選取外徑63mm、內(nèi)經(jīng)58mmUPVC管。

3.3 噴頭參數(shù)設(shè)計

（1）噴頭選型設(shè)計

噴頭選型與地形、土壤、作物、氣候、水源等條件息息相關(guān)，選擇合理的噴頭既能發(fā)揮節(jié)水效果，又能降低工程造價。目前一般根據(jù)噴頭射程的不同，將其分為三類：近射程（5 m～14 m）、中射程（14 m～40 m）、遠射程噴頭（大于40 m）。其中近射程噴頭水形和霧化效果好，但不適合大面積灌溉；中、遠射程噴頭適合大面積、平地灌溉，且綜合造價比近射程噴頭低。

本項目是大田糧食作物，因此選用中射程噴頭，通過市場調(diào)研，PY120 型金屬搖臂式噴頭，其具體技術(shù)參數(shù)見表4。

表4 PY120 型金屬搖臂式噴頭技術(shù)參數(shù)

（2）噴頭間距設(shè)計

目前，噴頭基本布置形式有以下兩種：矩形和平行四邊形（見圖3），為了方便拆裝，本項目設(shè)計采用矩形布置形式。考慮到烏魯木齊地區(qū)風(fēng)向多變，因此設(shè)計噴頭行距和列距相等。

圖3 噴頭矩形布置（左）和平形四邊形布置（右）

烏魯木齊地區(qū)灌溉月份平均風(fēng)速為2.2 m/s，根據(jù)經(jīng)驗選取縱向、橫向最大射程比k 均為0.9，且噴頭射程根據(jù)水壓確定在20 m，所以可求得間距a=b=18 m。

（3）噴灌強度計算

噴灌強度是評價噴灌效果的重要指標之一，若強度太大，會侵蝕土壤，破壞地表結(jié)構(gòu)；若強度太小，會造成灌溉時間延長，水分蒸發(fā)量增加，提高了灌溉綜合成本。本項目設(shè)計噴灌強度ρ 計算公式見式（6），求得ρ=7.29 mm/h。通過查找相關(guān)規(guī)范可知：砂壤土最大允許噴灌強度為15 mm/h，所以設(shè)計值滿足規(guī)范要求。

式中：kw為下風(fēng)系數(shù)，1.5；Cρ為全圓噴灑方式下布置系數(shù)，1.8；ρs為噴灌強度，當風(fēng)速小于1 m/s 時，噴灌強度為2.7 mm/h。

4 結(jié)語

半固定式噴灌系統(tǒng)特別適用于中小地塊農(nóng)田水利建設(shè)，相對于固定式噴灌成本降低很多，而且灌溉時人力作業(yè)較少，三四個人就可完成100 畝左右農(nóng)田的灌溉任務(wù)，這對節(jié)約農(nóng)村勞動力成本意義重大，也對目前農(nóng)民種田積極性影響重大。本項目通過試驗設(shè)計了烏魯木齊地區(qū)100 畝地塊半固定式噴灌的詳細參數(shù)，通過在實際應(yīng)用中不斷改進后，取得的成功經(jīng)驗必然能夠應(yīng)用于相似地區(qū)中小地塊建設(shè)，對促進自治區(qū)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展有著積極作用。