碭山縣曹莊鎮(zhèn)梨園新村半固定管道噴灌工程設(shè)計

賈金斗 高 軍

碭山縣曹莊鎮(zhèn)梨園新村半固定管道噴灌工程設(shè)計

賈金斗 高 軍

一、基本情況

碭山縣曹莊鎮(zhèn)梨園新村是2013年小型農(nóng)田水利重點縣項目區(qū)，該村位于曹莊鎮(zhèn)中南部，人口4786，耕地面積4006畝。碭山縣計劃在該村建設(shè)高效節(jié)水灌溉面積2500畝，其中半固定管道噴灌面積2000畝。

該村屬于暖溫帶季風(fēng)氣候、半干旱地區(qū)，年平均風(fēng)速2.0m/s，年平均氣溫14℃，多年平均降雨量760mm，年平均日照時數(shù)2418h，年平均無霜期199d。多種植小麥、玉米等，一年兩熟。淺層地下水水源豐富，水質(zhì)較好，適合灌溉。土質(zhì)為砂壤土，土質(zhì)肥沃。

二、噴灌制度擬定

1.設(shè)計灌水定額

設(shè)計灌水定額 m=1000γhθ （βmax-βmin）/η=1000×1.38×0.5× 25%（85%-65%）/0.85=40.59mm= 27.1m3/畝；其中，適宜含水量上限βmax=85%，適宜含水量下限βmin=65%，田間持水量（重量比）θ=25%（采用威爾科克斯法測定田間持水量），灌溉水利用系數(shù)η=0.85，土壤容重γ=1.38g/cm3（采用環(huán)刀法測定），根據(jù)淮北地區(qū)小麥灌溉試驗資料，小麥孕穗和灌漿期最大日耗水強(qiáng)度Ep=5. 0mm/d，土壤計劃濕潤層深度h=0.5m。

2.設(shè)計噴灌周期

三、單井控制面積的計算

單井控制面積F=［Q×t×T×η （1-μ）］/m

式中：Q為單井出水量，機(jī)井深度50m，機(jī)井內(nèi)徑40cm，單井出水量取30m3/h；t為單井日工作時間，取12h/d；η為灌溉水利用系數(shù)，取0.85；μ為群抽水干擾系數(shù)，取μ=0.05；T為灌溉周期，取7d；m為灌水定額。

經(jīng)計算：F=〔30×12×7×0.85× （1-0.05）〕/27.1=75畝。

四、噴灌系統(tǒng)選型

該地塊種植大田作物，確定采用半固定管道噴灌系統(tǒng)，即干管采用地埋式固定PE管，支管采用移動方便的鋁合金管。

選擇作物噴灌典型地塊長250m，寬200m，地勢平坦。

五、噴頭選型與組合間距確定

1.噴頭選型

根據(jù)《噴灌工程技術(shù)規(guī)范》（GB/T50085-2007），糧食作物霧化指標(biāo)在3000～4000之間，初選PY120型噴頭，噴嘴直徑7.0mm，工作壓力0.25MPa，噴嘴流量為2.97m3/h，射程19m。

該類型噴頭霧化指標(biāo)為Wh=hp/d=1000×25/7.0=3570。式中:Wh為噴灌的霧化指標(biāo)；hp為噴頭工作壓力水頭，m；d為噴頭主噴嘴直徑，mm。

經(jīng)計算校核，該噴頭滿足作物對霧化指標(biāo)的要求。

2.組合間距的確定

噴灌范圍按照風(fēng)向多變考慮，采用正方形布置，全園噴灑。根據(jù)規(guī)范要求，噴頭布置間距a及支管布置間距b宜作等間距布置，風(fēng)速2.0m/s時，取Ka=Kb=0.95，則a=b=Ka×R=0.95×19=18.05，取a=b=18m。

3.設(shè)計噴灌強(qiáng)度

根據(jù)《噴灌工程技術(shù)規(guī)范》確定土壤允許噴灌強(qiáng)度〔ρ〕=15mm/h，噴頭采用單支管多噴頭同時全園噴灑的運行方式，灌溉季節(jié)平均風(fēng)速為2.0m/s，按風(fēng)向夾角45°最不利情況考慮，影響噴射強(qiáng)度的風(fēng)系數(shù)Kw=〔Kw（0°）+Kw（90°）〕/2=（1.12×2.00.302+1.08×2.00.194）/2=1.3。影響噴灌強(qiáng)度的布置系數(shù)：

則噴射強(qiáng)度ρ=Kw.Cp.ρs=Kw. Cp.1000q/A。式中:ρ 為噴射強(qiáng)度，mm/h；Kw為影響噴射強(qiáng)度的風(fēng)系數(shù)；ρs為單噴頭全園噴灑的噴灌計算強(qiáng)度，mm/h；Cp為影響噴灌強(qiáng)度的布置系數(shù)，計算得Cp=1.69；q為噴頭流量，m3/h；A為噴灑面積=πR2，m2。

經(jīng)計算 ρ=1.3×1.69×1000× 2.97/（3.14×192）=5.8mm/h，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，砂壤土的允許噴灌強(qiáng)度為15mm/h，計算結(jié)果符合規(guī)范要求。

六、管道系統(tǒng)布置

噴灌區(qū)地形平坦，地塊形狀規(guī)則，機(jī)井布置在靠路短邊一側(cè)，地塊尺寸為250m×200m。基于上述情況，擬采用干支管兩級布置，干管在地塊中間順長邊穿過灌溉區(qū)域，兩面分水，支管垂直于干管方向布置，平行于種植作物。

七、噴灌工作制度的確定

1.噴頭在一個噴點上的工作時間

式中:t為1個工作位置的灌水時間，h；a為噴頭布置間距，m；b為支管布置間距，m；m為設(shè)計灌水定額，mm；qp為噴頭設(shè)計流量，m3/h；ηp為田間噴灑水利用系數(shù)，取0.85。

2.噴頭每日可工作的噴點數(shù)

nd=td/t=12/5.2=2.3次，取2次，即兩套支管，每套每天移動1次。

式中:nd為1天工作的位置數(shù)；td為設(shè)計日灌水時間，h；t為1個工作位置的灌水時間，h；這樣每天的實際工作時間為2×5.2=10.4h。

3.每次需同時工作的噴頭數(shù)

np=Np/（nd·T）=140/（2×7）=10個；

4.每天需要同時工作的支管數(shù)

n支=np/n=10/5=2根

式中:n支為每天需要同時工作的支管數(shù)；n噴為1根支管上的噴頭數(shù)。

5.運行方案

干管布置14個支管接口位置，支管移動位置為28個；根據(jù)同時工作的支管數(shù)及管道布置情況，決定在干管兩側(cè)同時運行一條支管，每條支管控制噴灌區(qū)域一半的面積，分別自干管兩端起始向另一端運行。

八、管道水力計算

1.管徑的選擇

（1）支管管徑的確定

根據(jù)《噴灌工程技術(shù)規(guī)范》（GB/T50085-2007）要求，同一支管上任意兩個噴頭之間的水頭差不超過噴頭壓力水頭的20%，最大水頭差是在支管首末兩個噴頭之間。

即hw+△Z≤0.2hp

灌區(qū)地勢平坦，hw應(yīng)為支管第一個噴頭與最末一個噴頭之間的水頭損失。

式中:f為摩阻系數(shù)，對鋁合金管，f=0.861×105；Qm支為支管流量，2.97× 5=14.85m3/h；m為流量系數(shù)，根據(jù)管材類型取值，對鋁合金管，m=1.74；b為管徑系數(shù)，根據(jù)管材類型取值，對鋁合金管，b=4.74；L為管道長度，81m。

F為多口系數(shù)，

計算得0.46；式中:N為噴頭或孔口數(shù)，為4；X為多孔支管首孔位置系數(shù)，即支管入口至第一個噴頭（或孔口）的距離與噴頭（或孔口）間距之比。

△Z為兩噴頭的進(jìn)水口高差，此處為0；

解上式得d=43.2mm；選擇規(guī)格為Φ50×1.0薄壁鋁合金管材。

（2）干管管徑的確定

根據(jù)系統(tǒng)運行方式，干管通過的流量為Q=2.97×10=29.7m3/h；

據(jù)此，選擇干管時，采用規(guī)格為Φ75×2.9mmPE管材，承壓能力為0.4MPa。

2.管道水力計算

（1）沿程水頭損失

支管沿程水頭損失

干管沿程水頭損失

式中:f為摩阻系數(shù)，根據(jù)管材類型取值，對PE管，f=0.948×105；X為多孔支管首孔位置系數(shù)為21，F(xiàn)為多口系數(shù)，計算得0.36；Qm為干管設(shè)計流量，計算得29.7m3/h；L為干管長度，234m；d為管道內(nèi)徑，72.1mm；m為流量系數(shù)，根據(jù)管材類型取值，對PE管，m=1.77；b為管徑系數(shù)，根據(jù)管材類型取值，對PE管，b=4.77。

沿程水頭總損失∑hf=2.7+4.5=7.2m。

（2）局部水頭損失∑hj=0.1∑hf=0.7m。

九、水泵及動力選擇

1.設(shè)計流量

2.設(shè)計揚程

噴頭距地面高取1m，動水位埋深16m。

3.水泵及動力選擇

根據(jù)當(dāng)?shù)卦O(shè)備供應(yīng)情況及水源條件，選擇200QJ32-52/4深井潛水泵，額定流量32m3/h，設(shè)計揚程52m，功率7.5kW。

與水泵配套動力設(shè)備為10kW發(fā)電機(jī)組。

十、結(jié)論

與其他灌溉形式相比，半固定管道噴灌具有明顯的優(yōu)勢，如灌水均勻度好，能調(diào)節(jié)田間空氣的溫度和濕度，避免渠灌的輸水損失和田間深層滲漏，減少渠道占地，節(jié)省田間灌水管理勞力，減少土地平整費用，避免地表徑流，防止水土流失等，適用于不平整的土地、坡地，值得推廣■

（作者單位：安徽省碭山縣水務(wù)局235300 安徽疏浚股份有限公司233000）