海安苗圃水肥一體化項目設計淺析

王自強王曉旭周偉劉東旭王寶杰鄭雪松

(1.中化化肥有限公司，北京 100031；2.中化(煙臺)作物營養有限公司，山東 煙臺 265500)

水肥一體化技術是基于節水灌溉和植物營養的綜合應用，需要灌溉設備、水溶肥料與灌溉施肥制度緊密結合[1，2]。規模種植基地應用水肥一體化技術一般從嚴謹的節水灌溉設計開始[3]，選擇性價比高的灌溉施肥設備組合和便于自動化的水溶性肥料，輔以科學合理的微灌施肥方案，最終實現水肥耦合[4]。本文以海安苗圃為例，對水肥一體化工程項目設計進行分析。

1 項目區概況

1.1 項目區自然條件

海安苗圃位于周吳村、鹽場橋村界內，黃海西路以南，占地9.6hm2，園區內主要種植美國紅楓。項目區內地勢平坦，海拔7m，土壤以暗棕壤壤土為主。耕層厚度為14.1cm，土壤容重γ=1.46g/cm3，田間持水量平均為θmin=26.38%；pH值為6.9，有機質含量2.27%，銨態氮40.7mg/L，硝態氮32.2mg/L，磷41.2mg/L，鉀202mg /L，鈣鎂比為0.2，鎂鉀比為4.7，凍土層厚12cm。多年平均降水量1076mm，年內降雨多集中在汛期的6—9月，約占全年總降雨量的60%～70%[5]。

1.2 項目設施條件

項目區地勢平坦，南北長320m，東西寬290m。距黃海西路120m處有1條東西走向農業生產道路，距離西邊界200m處有1條南北走向水泥道路，水泥道路均寬6m。不同小區之間東西向有4條農業生產道路隔開，寬約4m。園區主要種植美國紅楓，株行距為4m×3.5m。

1.3 項目水源條件

項目區位于老通揚河南，屬于河南高沙土區。項目區內有一不規則露天蓄水池，面積約為4911m2，蓄水深可達2m。蓄水池水源來自老通揚河支流。老通揚河水補給情況良好，水質情況良好，符合農業灌溉用水要求[6]。

2 設計方法

2.1 節水灌溉設計參數

根據《微灌工程技術規范》(GB/T50485-2009)，推薦本園區項目的設計保證率、灌溉水利用系數(η)、計劃濕潤層深度(Z)、土壤設計潤濕比(P)、耗水強度(Ea)等設計參數[7]。

2.2 灌溉制度設計

最大凈灌水定額計算公式：

mmax=0.001γzp(θmax-θmin)

(1)

式中，mmax為最大凈灌水定額，m；γ為土壤容重，g/cm3；z為土壤計劃濕潤層深度，cm；p為設計土壤濕潤比；θmax為適宜土壤含水率上限；θmin為適宜土壤含水率下限。

灌水周期計算公式：

(2)

式中：T為設計灌水周期，d；Tmax為最大灌水周期，d；Ea為設計耗水強度，mm/d。

設計灌水定額計算公式：

(3)

式中：md為設計凈灌水定額，mm；m′為設計毛灌水定額，mm；η為灌溉水利用系數。

一次灌水延續時間計算公式：

(4)

式中：t為一次灌水延續時間，h；m′ 為毛灌水定額，mm；Sr為作物行距，m；St為作物株距，m；ns為每株果樹灌水器個數；qd為灌水器設計流量，L/h。

2.3 灌水器水頭偏差計算公式

(5)

式中：qv為灌水器水頭偏差率(%)；x為灌水器流態指數。

2.4 滴灌帶極限長度計算公式

(6)

式中：k為毛管水頭損失擴大系數，k=1.1～1.2[10]。

2.5 管道水力計算公式

h進口=hf+hj+ha+ΔZAB

(7)

式中：hf為管道沿程水頭損失(m)；hj為管道局部水頭損失，一般為沿程水頭損失的5%～10%計算；ΔZAB為管道位差[11]。

(8)

式中：F為多口系數，f為摩阻系數，Qg為管道流量(L/h)，L為管道長度(m)。

(9)

式中：N為滴灌管上灌水器數量。

2.6 管道流量和管徑計算

滴灌帶流量計算公式：Q毛=nqi

(10)

其他管道流量：Q支=NQ毛

(11)

管徑經驗公式：d= 13Qg0.5

(12)

2.7 灌溉首部設計方法

水泵選型的原則為額定揚程與流量滿足灌溉設計要求。距離地表水源較近(<8m)宜選擇離心泵，距離水源較遠或采用地下水灌溉宜選用潛水泵。長期運行過程中，水泵平均效率要高，而且經常在最高效率點的右側。水泵的工作參數有流量、揚程、功率、效率、轉速、允許吸上真空高度、口徑、比轉數等[8]。水泵的參數選擇可按滴灌所需流量作為設計流量，確定各級管道管徑計算出各級管道水頭損失后，按下式計算水泵設計揚程。

H泵=h泵出口+h過濾+ΔZ

(13)

滴灌系統能否正常、穩定、持久地運行與水質凈化處理設施的性能、質量，以及各種類型過濾器的正確組合有密切關系，選擇過濾設備應考慮水質、過濾精度、水頭損失、經濟實用等因素[9]。

3 設計結果

3.1 海安苗圃水肥一體化項目設計參數

參考美國紅楓4m×3.5m種植株行距、海安苗圃壤土類型[10]，結合滴灌項目設計慣例，本項目參數設計如表1。

表1 海安苗圃水肥一體化項目設計參數

3.2 項目所選灌水器

參考美國紅楓需水規律、本地種植特點及灌水器特性，采用內鑲貼片式非壓力補償滴灌帶。內鑲式滴灌帶參數如表2，性能曲線如圖1。壓力與流量的關系為：Q=0.2356Хh0.4356(γ=0.9987)。

表2 海安苗圃非壓力補償滴灌帶參數

圖1 海安苗圃非壓力補償滴灌帶性能曲線

經計算，本項目所選滴灌帶極限鋪設長度為86.5m。海安苗圃設計毛管最長長度為56m，小于毛管的極限鋪設長度87.5m,因此毛管鋪設長度滿足設計要求。

3.3 灌溉制度計算

最有利于美國紅楓幼苗生長的田間持水量為80%[10]。本項目最大凈灌水定額為61.5mm，灌水周期為9d；設計凈灌水定額58.5mm，毛灌水定額65mm；一次灌水延續時間需56h。

3.4 田間管網壓力與流量計算

選取距離水源較遠、面積稍大的第1輪灌組為典型，進行管網壓力與流量計算。

滴灌帶工作壓力ha=10m時，灌水小區水頭允許偏差為4.7m。微灌小區設計允許水頭偏差在支、毛管之間的分配比例為0.45∶0.55，因此灌水小區中允許的支管最大水頭差為Δh支=2.12m；Δh毛=2.58m。

滴灌帶的進口壓力為10.57m，鋪設最長滴灌帶流量為224L/h。最不利輪灌區支管流量為6m3/h，推薦支管為ф63 PVC管。支管的水力損失為0.28m，支管、毛管水頭總損失為2.12m，滿足水頭偏差要求。

分干管流量為36m3/h，推薦分干管為ф90 PVC管，其壁厚為壁厚2.9mm；干管流量為60m3/h，推薦干管為ф110PVC管，其壁厚為壁厚2.9mm。干管、分干管進口壓力計算結果見表3。

表3 海安苗圃輪灌1組管道進口壓力計算結果表

表4 海安園林海安苗圃其它輪灌組管道進口壓力計算結果表

3.5 灌溉首部設計結果

3.5.1 過濾系統設計

海安苗圃水肥一體化項目水源為露天蓄水池，水體呈淺綠色，存在明顯有機物。根據水源情況選用砂石介質過濾器和疊片過濾器組合，過濾精度均為120目。海安苗圃項目設計最大灌溉流量為64m3/h。按照流量要求選擇2個進出口為80mm、單體直徑120cm的介質過濾器，壓差不高于0.05MPa；選擇3個進出口為50mm疊片過濾器，壓差不高于0.024MPa。

3.5.2 水泵選型設計

H泵=20.4+7.4+3=31.2m。海安苗圃項目所選泵為離心泵，也是農業上廣泛使用的1種水泵,其揚程為42m，流量為64m3/h。

3.5.3 施肥機選型

配施肥機是水肥一體化設備設施的大腦，決定施肥工效，并影響農業種植標準化生產；是高效節水灌溉首部的重要組成部分。海安項目選擇的全自動施肥機根據中國高含量、高密度、高粘度、可含有機質水溶肥特性，模擬配肥、施肥過程，通過泵和電磁閥控制、軟件設定施肥面積，自動完成高氮、高磷鉀、高鉀、有機水溶肥母液桶混，最后將母液按比例或定量添加到灌溉水中[11-14]。

美國紅楓種植過程中需要含氨基酸水溶肥、大量元素水溶肥(高鉀型和高磷鉀型)及尿素硝酸銨溶液進行桶混[15]，故應選擇4通道施肥機；其施肥泵揚程為45m，施肥速率為1m3/h。

4 計算結果分析

節水灌溉規劃應包括基本資料搜集、技術參數初定、灌水器選型、管網布置與設計、管網水力計算和首部樞紐設計。我國灌溉規劃中常采用灌溉保證率法確定灌溉設計標準[16]。

海安苗圃種植面積9.6hm2，根據實際條件確定灌溉保證率為95%、耗水強度為6.5mm/d、土壤設計潤濕比為65%、計劃濕潤層深度為1.2m，圍繞流量、壓力、安全3要素，通過管網水力計算確定管網和首部樞紐設計，確定灌溉施肥制度。設計水源供水能力為64m3/h，水源滿足要求。項目區分為3個輪灌組6個地塊，最大輪灌區2條分干管、12條支管、360 行毛管；最小輪灌區3條分干管、10條支管、300行毛管。管網分為干管、分干管、支管和毛管4級，毛管最大鋪設長度為56m；水頭偏差小于2.58m；支管鋪設長度為95m，水頭偏差小于2.12m，水壓滿足要求，各級管道水流速度在經濟流速范圍內。

5 結語

水肥一體化工程設計是項目建設、管理的主要依據，也是進行具體技術設計的前提。其設計質量和合理性直接影響工程施工質量和建后的運行管理[16]。成功的水肥一體化工程設計應嚴格按照國家現行規范，創造性地結合當地氣象、土壤、水資源、農業生產和管理水平的實際情況，做到技術先進、經濟合理和運行方便可靠[17，18]。

海安苗圃按照以上設計內容完成水肥一化項目實施并驗收，通過高效節水灌溉工程基礎設施建設，和農化相關的測土配肥技術等，現水、肥管理更加高工效，水、肥利用效率更高，必將實現肥料的減量增效。