半固定式噴灌工程設計

張春笑

（漯河市郾城區水利局）

0 引言

中國水資源相對貧乏，農業發展關系到糧食安全，農業用水量占全國總用水量的70%以上，然而農業用水中有90%是用于灌溉。因此，現代農業發展的必須之道就是發展節水灌溉，這樣既能緩解水資源短缺，又能保障糧食安全。

噴灌適用于多種作物灌溉，具有適應性強、節水、增產等優勢。噴灌分為固定式、半固定式和移動式。半固定式噴灌系統主要由水源、水泵、干管、支管及噴頭等組成；因在灌溉時水泵和干管固定不動而支管、噴頭可移動，所以大大減少支管及噴頭數量，也相應使設備費用降低了；另外還適應不同形狀和大小的田地，具有較強的適應性，具有可推廣性。

1 項目概況

項目區現有節水灌溉面積1.54萬hm2，不低于200 hm2而集中連片的共有2 片，實施節水灌溉工程后，區域灌溉水利用系數由現在的0.44 提高到0.75；斗農渠改造前0.30，改造后達到0.70；田間水利用系數改造前0.70，改造后達到0.90。

項目區四季分明，春季干旱風沙多，夏季炎熱雨水集中，秋季晴和日照長，冬季干燥，雨雪少，屬于暖溫帶大陸性季風氣候。多年平均降雨量為610 mm，其中最大年降雨量1 014 mm，最小年降雨量275 mm。雨量年分布極不均勻，6月至9月汛期雨量占全年雨量的65%，歷年最大一天暴雨量為215.40 mm。

2 項目區半固定式噴灌工程設計

由本實施方案水源工程計算可知，項目區計劃發展半固定式噴灌面積0.02萬hm2，設計灌水定額382.50 m3/hm2，每天工作時間12 h，灌水周期為6 d，單井控制灌溉面積4.67 hm2，結合項目實際滿足灌溉需機井403 眼。按單井控制系統進行半固定式噴灌典型設計。

2.1 管網管系總體布置

根據項目區內機井分布及地形情況，管道系統由閘閥、安全閥、泄水閥、進排氣閥、逆止閥、豎管及其高度、鎮、支墩組成。單個機井組成獨立的灌溉系統，并且各個灌溉系統之間是獨立運行，互不干擾。

管網布置首先要結合項目區的地形等情況，其次是根據項目區內機井位置來進行確定，本工程管網的設計采用梳齒形或豐字型布置，梳齒形布置見圖1，豐字型布置見圖2。

圖1 梳齒型布置圖

圖2 豐字型布置圖

按照國家標準《噴灌工程技術規范》的規定，噴頭擬采用ZY-2H型金屬搖臂式噴頭，噴頭布置形式為正方形。噴頭間距的確定要結合當地耕作方式和群眾灌水習慣，并根據機井出水量、地塊地形等因素確定，本工程噴頭間距確定為a＝18 m。支管出水口間距確定要根據干支兩級管道，還有噴頭射程和組合間距來確定，本工程支管間距b＝18 m。

2.2 噴灌工作制度的確定

實際噴灌時，本項目工程設計噴灌制度采用輪灌編組制度，因為輪灌既可以提高管道的利用率，又可以降低設備投資，節約資金，所以采用輪灌制度非常合適。為了方便運行管理，輪灌編組要有一定規律：地勢較低或路程較近的組別噴頭數略多，地勢較高或路程較遠的組別噴頭數略少，但各輪灌組的工作噴頭總數盡量接近；噴頭每天輪灌次數取4次。為提高管道設備利用率和水泵的有效運轉，輪灌順序制定時，要避免流量集中于某一條干管配水，應將流量分散到各配水管道，均勻分配流量。

2.3 管道設計和水力計算

2.3.1 管道設計

2.3.1.1 管材選用

規劃項目區半固定式噴灌，支管采用0.80 MPa的高壓涂塑軟管，地埋干管采用工作壓力0.80 MPa的UPVC塑料管。

2.3.1.2 支管管徑選擇

支管的管徑選擇，除與支管的設計流量有關外，還要受允許壓力差的限制，參照《噴灌工程技術規范》規定，同一條支管任意兩個噴頭間的工作壓力。

式中：h為同一支管上任意兩噴頭間支管段水頭損失加上兩豎管水頭損失之差，m，可用支管的沿程水頭損失計算；△z為兩噴頭的進水口高程差，m；hp為設計噴頭工作壓力，m。

采用高壓涂塑軟管時，管道的沿程水頭損失按下式計算：

式中：F為多口系數；Q—流量，m3/h；D為管徑，mm；L為管長，m。

按機井出水量32 m3/h計算，支管上同時工作的噴頭數為8個噴頭計算，支管經濟管徑為72.60 mm，根據實際廠家生產的管材規格，選擇高壓涂塑軟管的管徑為Φ80。

2.3.1.3 干管管徑選擇

干管管徑選擇與確定采用經濟管徑法計算得出。當動力為電動機時，按下式來計算：

式中：D為干管的經濟管徑，mm；tn為干管每年工作小時數；Xd為電價，元/度；Q為干管設計流量，m3/h；K,α,β為系數和指數。

由（3）式計算結果確定干管選用工作壓力為0.80 MPa的Φ 110 mm UPVC管材。

2.3.2 水力計算

水泵和電機配套都是根據水頭損失計算而進行選擇的，而管道管網的水力計算實際就是計算管網中的沿程水頭損失和局部水頭損失。在本設計中沿程水頭損失按《噴灌工程技術規范》沿程水頭損失公式進行計算，對于局部水頭損失的計算，要按沿程水頭損失的15%進行計算。

管網系統沿程水頭損失的計算可以按下式來計算：

式中：hw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。具體計算結果見表1。

由表1 可知，半固定式噴灌系統管網沿程水頭損失為10.70 m，局部水頭損失按沿程水頭損失的15%計算為1.61 m。

表1 半固定噴灌管網水頭損失表

2.4 單井控制灌溉面積管道數量的確定

項目區機井出水量按32 m3/h考慮，選擇ZY-2型噴頭流量為3.83 m3/h，則單井控制灌溉面積內，單支管同時工作的噴頭數為8個，地面移動高壓涂塑軟管管長為126 m。項目區內地勢平坦，地塊較為規則，為方便群眾使用，提高灌溉效率，單井配5套地面移動高壓涂塑軟帶、豎管、支架及快速連接接頭等配件。

2.5 水泵選型與動力配套

半固定式噴灌系統設計水頭仍按以下公式計算：

式中：H為噴灌系統設計水頭，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為水泵進水管至典型噴點噴頭進口處管道的沿程水頭損失，m；hj為水泵進水管至典型噴點噴頭進口處管道的局部水頭損失，m；△z—兩噴頭的進水口高程差（m）。

項目區內機井井深60 m，動水位30 m，系統管網樞紐處局部水頭損失為2 m，管網水頭損失12.32 m，管網最不利點與水泵出水口處地面高差為1.50 m，豎管高度為1.50 m，噴頭工作壓力30 m水頭，計算得水泵揚程為77.31 m。

由以上計算結果，選擇水泵型號為200QJ32-78/6 型潛水電泵，水泵揚程78 m，電機功率11 kW。

3 結語

項目區半固定式噴灌工程建成后極大緩解了項目區水資源不足的現狀，提高了水資源承載能力；為作物提供了充足的水量，縮短了作物灌溉周期，這樣大大提高了作物產量。另外，還改善了用水環境，為水資源的可持續利用創造良好的條件，經濟效益和社會效益顯著。