陜北地區中心支軸式噴灌機典型工程標準設計

蘇月姣

陜西省土地工程建設集團西北分公司 陜西榆林 719000

水資源是國民經濟發展的命脈，是農業發展的重要支撐，更是自然生態安全的重要保障。陜北地區干旱少雨、沙地連片、生態環境惡劣，面對我國水資源短缺的難題，如何合理高效的進行水資源利用是緩解改善當前水資源短缺問題的關鍵所在，而農業用水占到了社會總用水量的70%左右，發展高效節水灌溉技術勢在必行。中心支軸式噴灌機具有節約用水、高效、節約勞動力等特點在發展規模化、集約化農業過程中發揮著重要作用，同時對于緩解地下水超采局面有著重要意義。2012年以來我國關于中心支軸式噴灌機的研究取得了一系列成果，王永輝等對中心支軸式噴灌機末端增壓泵開發進行了研究,開發出增加泵高效水力模型，為解決方形地塊的地角灌溉缺陷問題提供了解決方案[1]。

1 研究區概況

1.1 土壤條件

項目區屬于風沙灘區，地表土層主要為風沙土，沙丘呈波狀起伏較大，局部呈斜坡坡度較大。由于自然修復功能，地表有較薄結皮，但有機質含量有限為2.5g/kg，pH值6.8，堿解氮26mg/kg，有效磷2.17mg/kg，速效鉀22.53mg/kg。項目區土壤質量無法保障作物生長，需運用土體重構技術進行土壤改良，客土土質為紅土，結構較密，粘性較強，該土與沙土參合后，可耕性比較強，對改良土壤有良好的效果。

1.2 水文條件

項目區周邊無常年流水河流，主要依靠地下水開采，井深150m，靜水位為30m，水位降深一般為35m，最低動水位65m，出水量一般在30-35m3/h左右。根據灌溉實際需要布置機井、管網、噴灌機、調節水池和其它建筑物。根據測驗地下水pH值為7.5，微堿性，適合用于灌溉用水。

1.3 電力條件

項目區有10kv高壓線路通過，村內目前在地塊內安裝一臺30kva變壓器，作為供電電源。本項目電源將從區外東北角10kv高壓線“T”型接入，規劃沿田間路邊，根據需要采用地埋電纜形式向中心管理房供電，以滿足區內供電布局要求。

2 水源工程設計

2.1 井型選擇與設計

項目區地處風沙灘區，主要含水層位于第四系松散層孔隙潛水。根據水文地質條件，項目區規劃以新打機井為灌溉水源井，根據相鄰項目鉆孔資料顯示，項目區設計井深150m，靜水位為30m，水位降深一般為35m，最低動水位65m，出水量一般在30-35m3/h左右。井管設計為鋼管，管內徑273mm，壁厚5mm。井壁管外圍填充濾水層。水源井通過潛水電泵提水至噴灌機中央蓄水池。

2.2 單井控制面積

單井控制灌溉面積按公式計算：

式中：AO—單井控制灌溉面積（畝）；

Q—單井出水量（m3/h）；Q=32m3/h；

t—灌溉期機井每天開機時數，t=18（h/d）；

T—每次輪灌期天數（d），6d；

η—灌溉水利用系數，根據《陜西省行業用水定額》陜西省灌區渠系水和田間水利用系數表，項目區采用管道輸水，因此η渠=0.97，η田間=0.92，則η=η渠×η田間=0.8924；

η1—干擾抽水的水量消減系數，經抽水試驗確定，η1=0.1；

m—綜合平均灌水定額（m3/畝），均以噴灌計算，按照前述計算結果，取m=21.3m3/畝。

經計算，單井控制面積AO=130畝。

2.3 井距確定

井距可按公式計算初定：

式中：L—井距(m)；

A0—單井控制灌溉面積（hm2），8.66hm2（130畝）；

K—系數，依據《陜西省土地開發整理建設標準》，按方形布井時，K=99.92，按梅花型布井時，K=107.67；本項目中井按照方形布置。

經過計算，L=294m。

2.4 機井數量

項目區共布置噴灌圈3個，噴灌半徑分別為265m，300m，150m，噴灌面積為55.65hm2，新打機井數量計算如下：

N=A/A0

式中：N—新打機井數量；

A—灌溉面積；以畝計算834.75畝；

A0—單井控制面積，A0=130畝；

則，N=6.42 眼。

3 噴灌系統設計

3.1 噴灌工程設計

（1）設計參數。

a、作物灌水臨界期需水量EP，取EP=7.15mm/d；

b、設計風速小于等于3.4m/s。

（2）初選噴灌機所需水流量的確定

噴灌機所需水流量按公式：

式中：QO—噴灌機總流量，m3/h；

EP—作物灌水臨界期需水量，mm/d；

A—噴灌機灌溉面積，畝；

η—灌溉水利用系數，取0.82。

經計算，R=265m的噴灌圈控制的灌溉面積為21.24hm2，系統設計需水量86.50m3/h，R=300m的噴灌圈控制的灌溉面積為27.34hm2，系統設計需水量110.80m3/h，R=150m的噴灌圈控制的灌溉面積為7.07hm2，系統設計需水量27.70m3/h。根據以上計算的噴灌系統流量，按照噴灌圈半徑和灌溉面積，選取中心支軸電動噴灌機型號。

（3）噴頭等間距布置情況下，噴頭流量的確定（PQ1，R=265m）

桁架中部噴頭的流量，也就是所有噴頭的平均流量為：

式中：α——為桁架等分數。

a=R/L=265/2=135

式中：L——噴頭間距，取2m。

式中：qn為從支軸中心開始，第n個噴頭的流量；

n——從支軸中心開始，第n個噴頭。

計算得：q1=0.005m3/h。其他噴灌圈參數計算結果見表1。

（4）噴灌機加壓泵的選定

①噴灌機加壓泵的流量

根據選取的噴灌機DYP-260，其額定流量為86.50m3/h。

②噴灌機加壓泵揚程計算。

a）輸水管管徑確定

管徑計算依據公式：

式中：D——管道內徑，mm；

Q——灌溉系統設計流量，取86.50m3/h；

V——管內經濟流速，鋼管取2.0m/s。

通過計算，管道內徑為123mm。根據無縫鋼管規格表，選取鋼管尺寸為125mm×5mm的管道即可滿足要求。

b）管道損失計算

水頭損失包括沿程水頭損失和局部水頭損失。根據《灌溉與排水工程設計規范》（GB50288-1999），管道沿程水頭損失采用下列公式計算：

式中：hf—管道沿程水頭損失，m；

f—摩阻系數，項目區管道為鋼管，取6.25×105；

L—管長，取260m；

Q—流量，86.50m3/h；

m—流量指數，取1.9；

d—管道內徑，125mm；

b—管徑指數，5.1。

為簡化局部水頭損失計算，本規劃采用沿程水頭損失的20%計算。

經過計算，可得輸水管沿程水頭損失為7.86m，局部水頭損失為 1.57m，總損失為 9.43m。

c）加壓泵總揚程計算

H總=H池動水位+H輸水管+ΔH+H入

式中：H總—加壓泵總揚程，m；

H池動水位—蓄水池最低水位，2m；

H輸水管—輸水管水頭損失，9.43m；

ΔH—噴灌機轉動最高點與清水池地面高差，取2m；

H入—噴灌機入口工作壓力。

4 結語

本文以陜北地區長勝采當土地開發項目為典型，清晰系統地對中心支軸式噴灌機標準化設計進行了探討，主要包括以下流程：資料收集、水源設計，噴灌機系統設計。近年來陜北地區土地開發項目配套安裝的中心支軸噴灌機使用對糧食作物增產效果明顯，土豆年均產量可達3000kg以上。

隨著我國土地流轉日趨活躍，農業規模化，集約化發展以及水資源短缺，農業勞動力短缺、成本增加等狀況，作為實現農業機械化的重要設備中心支軸式噴灌機作用不言而喻，發展潛力巨大。中心支軸式噴灌機不僅對我國農業發展其中舉足輕重的作用，而且在節水灌溉，保生態方面也扮演著不可忽視的角色，通過本文工程實例典型設計可為陜北地區中心支軸式噴灌機的設計和推廣工作提供理論支撐，為全國其他地區的節水灌溉發展提供借鑒。