北方中草藥噴灌設計

【摘要】文章針對撫順市清原縣中草藥噴灌設計的情況，結合北方山區(qū)特點，對地塊面積的選擇、管路的布置、水源的選擇等提出了具體設計理念，形成特有的北方中草藥噴灌設計模式，取得了顯著的效果，豐富了灌溉設計內容。

【關鍵詞】北方中草藥；噴灌設計

1 技術規(guī)范

《灌溉與排水工程設計規(guī)范》GB50288；《節(jié)水灌溉工程技術規(guī)范》GB/T50363；

《噴灌工程技術規(guī)范》GB/T50085-2007；《水利建設項目經濟評價規(guī)范》SL72。

2 建設方案

2.1 方案比選

本工程以《節(jié)水灌溉技術規(guī)范》SL207-98，《農田節(jié)水灌溉技術灌溉手冊》以及椽子溝、大石溝村社會經濟與農業(yè)發(fā)展規(guī)劃等為依據進行設計。當地農業(yè)發(fā)展和種植結構為主，按照有利于在當地進行示范推廣應用和發(fā)展，有利于農民增產增收為原則，選擇適宜的節(jié)水灌溉模式，根據項目區(qū)地形地貌等自然條件，水源條件，當地實際運行方式，灌溉方式采用噴灌系統(tǒng)。

（1）作物種植結構

全部種植龍膽草，種植模式為密植雙行，最大高度為100cm左右，行距15cm～20cm，株距為7cm～10cm。根據龍膽草高度、行距、株距選擇噴灌形式合適。

（2）地形適應性

項目區(qū)地型屬中低山區(qū)，地處為“U”型河谷，河谷寬約150～400m，岸坡較緩，多為坡積物覆蓋，工程布置在河谷兩岸，灌溉區(qū)域地塊分塊布置。

從水源角度，該項目區(qū)水量充沛、可在河道兩岸挖大口井，解決水源工程。

從地塊角度，地塊為長方形、坡度小于8%。滿足噴灌要求。

（3）項目效益

本項目實施后改造原有的0.5萬畝中藥材灌溉形式，灌溉用水有效利用系數原有的0.4提高到0.85，年節(jié)約水量45萬m3，按每畝增加中藥材30kg，每公斤按52元計算、增加效益780萬元，按生長周期3年計算年增加效益260萬元。

2.2 建設標準

2.2.1 建設標準

工程建設符合相關的行業(yè)技術標準，質量達到合格要求，運行管護規(guī)范；規(guī)劃科學，灌溉用水不超過區(qū)域水資源承載力，水質符合農業(yè)灌溉用水標準。

噴灌區(qū)選在集中連片的地塊，堅持高標準、高起點、實行水、田、林、路、溝、渠、橋、涵、電綜合配套，做到水源有保障，排水有出路，達到與水利骨干工程標準配套，開發(fā)的地塊連片集中，具有較大的增產潛力。

通過噴灌工程的實施，實現項目區(qū)灌溉管網化，有利于水資源的優(yōu)化配置和生態(tài)環(huán)境的改善，有利于提高經濟效益、社會效益和生態(tài)效益，改善勞動條件，減輕勞動強度，促進農業(yè)產業(yè)化和農村經濟的發(fā)展。

2.2.2 技術要求

（1）灌溉水源為提取地表水，按有關技術規(guī)范布設水源井，成井工藝按有關技術規(guī)范執(zhí)行。

（2）灌溉水利用系數不應低于0.85。

（3）設計保證率不應低于0.85。

（4）滿足設計風速條件下的噴灑水利用系數、噴灌強度、噴灌均勻系數和噴灌霧化指標要求，不得漏噴，不得產生地面徑流。

3.3.4.1 龍膽草噴灌設計

3.3.4.1.1 項目區(qū)概況

（1）地理位置

項目區(qū)為遼寧省清原縣英額門鎮(zhèn)，素有東北藥材生產第一鎮(zhèn)之稱，地理位置為東經125°03′15.03″～125°05′34.05″，北緯42°03′46.09″～42°08′34.03″。

（2）氣候

項目區(qū)地處中溫帶亞濕潤區(qū)，屬溫帶大陸性季風氣候，四季分明，冬季以西北風為主，氣候干燥、氣溫較低、天氣寒冷，夏季西太平洋副熱帶高壓增強，暖濕海洋氣團從西南、東南方侵入，降雨量比較集中。

多平均年降雨量793.7mm，但水量分配不均，六、七、八三個月占全年降雨量61%。

清原縣氣象站資料分析，歷年最高氣溫為36.5℃，歷年最低氣溫-37.6℃，年平均氣溫3.9-5.4℃，最冷出現在1月，最熱出現在7月，一月平均氣溫-16℃，最低氣溫-37.6℃；七月平均氣溫22.8℃，最高氣溫36.5℃。大于10度的年活動積溫2497.5-2943.0℃。多年平均凍層深度1.40m，最大凍深達1.65m。

（3）水文地質

項目區(qū)為低山丘陵區(qū)，基巖地下水的補給、徑流、排泄等主要受地質、地貌條件控制，水位埋藏復雜，地下水水量不豐，泉水流量較小。由山地巖石出露地層可見，主要為前震旦系鞍山群之混合巖系，后期侵入各種巖脈。山間河谷為第四紀松散巖孔隙水，其含水巖組的巖性為坡洪積——沖洪積的粗砂、砂礫石、砂卵石等。地下水埋藏深度不一，淺層水約深2～5m，并受氣候、地質構造和地貌作用控制。潛水的補給源主要是大氣降水，山區(qū)河川為潛水的主要排泄場所。

（4）地形和土壤

該區(qū)域位于遼寧東部山區(qū)，土壤沿河岸沖積平原，上部為第四紀沖積物，表面層為壤土、重粉質壤土，其下部為砂、砂卵石。土壤容重為1.42g/cm3，田間持水率為30%。

（5）種植模式與種植結構

區(qū)域內以龍膽草為主，種植模式為密植雙行，行距15cm-20cm，株距7cm-10cm，苗小可雙株，畝用苗量4萬株左右。

3.3.4.1.2工程設計

（1）灌溉方式選擇

本工程以《節(jié)水灌溉技術規(guī)范》GB/T50363-2006，《噴灌工程技術規(guī)范》GB/T50085-2007，以及椽子溝村社會經濟與農業(yè)發(fā)展規(guī)劃等為依據進行設計。當地農業(yè)發(fā)展和種植結構為主，按照有利于在當地進行示范推廣應用和發(fā)展，有利于農民增產增收為原則，選擇適宜的節(jié)水灌溉模式，根據項目區(qū)地形地貌等自然條件，水源條件，當地實際運行方式，灌溉方式采用噴灌系統(tǒng)。根據水源地質條件，在項目區(qū)內打井為直徑4m圓形大口井，井深6m，出水量為32m3/h。水源井設計井房一座，其內布置水泵、IC卡智能水表、逆止閥等首部工程。

本次設計灌溉區(qū)為噴灌，噴灌系統(tǒng)由噴頭、管道及其附件、動力設備等，考慮到資金配置，本工程采用半固定式噴灌系統(tǒng)。

（2）項目區(qū)水源條件分析

單井出水量32m3/h，井深6m，水質較好，適宜發(fā)展噴灌。

單井控制灌溉面積計算

水源井計算：

F=32×5×16×0.83/19=111.8畝。

式中：

F——單井控制面積，畝；Q——單井出水量，32m3/h；T——灌水周期，5d；

t——每天開機時間，h，t取16h；

——灌溉水利用系數，η=ηG×ηP=0.98×0.85=0.83；m——灌水定額，19m3/畝。

經計算，該井可控制灌溉面積111.8畝。

（3）管網總體布置

項目區(qū)長300m，寬210m，面積94.4畝，地貌類型屬中低山區(qū)?！癠”型河谷左岸，地勢較緩，多為壤粘土覆蓋，井位于項目區(qū)南側。

從水源井向地塊內布置一條φ90mmPVC干管（地下埋深1.7m），垂直于干管布置40條φ65mm鋁合金支管（地面鋪設，左右布置），支管間距為15×15m。干管長度為312.5m，每條支管長度為97.5m（實際采用100m）。半固定式噴灌，本區(qū)共分為20個灌水小區(qū)，每個小區(qū)的面積4.72畝。

（4）灌溉制度的確定

①噴頭選擇及組合間距確定

a.壤粘土允許噴灌強度10mm/h，田面坡度為7%，允許噴灌強度應降低20%，則ρ=10×（1-0.2）=8mm/h

b.本地區(qū)在灌溉季節(jié)主風向較穩(wěn)定，本設計噴頭組合正方形組合式，間距比

Ka=1.0（多支管多噴頭全圓噴灑）則布置系數Cρ由下式確定

c.單噴頭全圓噴灑無風時允許噴灌強度

d.當風速超過1m/s時，設計噴灌強度可以通過修正ρs的方法計算：

ρ=KWCPρs=1×3.14×2.29=7.19 mm/h<8 mm/h （允許噴灌強度）

霧化度Wh=hρ/d確定單噴嘴噴頭型號：

hρ———噴頭壓力工作水頭（m）

d———噴頭主噴嘴直徑（m）

Wh=hρ/d=20/0.0055=3636m 復合霧化指標（3000<3636<4000）

組合間距b=a= Ka×R=1.0×15=15m。

②設計灌水定額

式中：ms—最大灌水定額mm

h—計劃濕潤層深度（cm），取h=34.5cm

γ—土壤容重γ=1.42T/m3

，—適宜土壤含水量上下限（重量的%），取90%，取70%，取田間持水率占干土重量的30%，則

=30×90%=27

=30×70%=21

ms=0.1×1.42×34.5×（27-21）

=29.39mm =19 m3/畝

③灌水周期的確定

T=m/ETd

式中：T—設計灌水周期，計算值取整（d）

ETd—作物日蒸發(fā)蒸騰量，（取5 mm/d）

m—設計灌水定額，m=29.39mm

T=29.39/5=5.8≈5（d）

④噴灌工作制度

a噴頭在一個位置上的工作時間

式中：t—一個工作位置上的灌水時間（h）

a—噴頭間距15（m）

b—支管間距15（m）

m—設計灌水定額（m=29.39mm）

qp—噴頭設計流量（m3/h） 取qp=1.62m3/h

t=15×15×29.39/（1000×1.62）

=4.0h

b噴頭每日工作位置數

式中：nd—一天工作位置數

td—設計日灌水時間（16h）

t—噴頭在一個位置的作業(yè)時間（4.0h）

nd=16/4.0=4

c需同時工作噴頭數

式中：np—同時工作的噴頭數（個）

Np—由噴灌系統(tǒng)平面圖定出的噴頭總位置數（280個）

T—設計灌水周期（5d）

nd—一天工作位置數（4個）

np=280/4/5=14個

灌溉區(qū)同時工作的噴頭數為14個.

d噴灌系統(tǒng)設計流量

Q=n×Qp/ηG

式中：n—同時工作的噴頭數（個）

Qp—噴頭噴水量（m3/h） 取Qp=1.62m3/h

ηG—管道系統(tǒng)水利用系數

Q =14×1.62/0.98=23.14m3/h

本區(qū)共分為20個灌水小區(qū)，一天灌溉4個小區(qū)，一天開機時間為16h，灌水周期為5天。

（5）輸水管網設計

1主管路管徑選擇

采用分支管網布置形式，管中流速盡量控制在1.7m/秒，噴灌工程管道中水流沿程水頭損失較大，而局部水頭損失和流速水頭很小.

d=1000×（4×Q/3600/V/π）1/2

式中：d—為干管的直經（mm）

Q—干管設計流量（m3/h）

l—為管道長度（m）

V—為干管內經濟流速（m/s）

V經濟—1.7（m/s）

d=1000×（4×23.14/1.7/3.14）1/2

=69.34mm

故主管路選取φ90mmPVC管（內徑81.4mm）

2支管路管徑選擇

支管能量損失應滿足Hw≤0.2Hp=hf+hj的條件，若暫時按支管局部水頭損失hj支=10%hf估算，則hf=0.186Hp，通過沿程水頭損失計算公式hf=FfLQm/db經變換后，可得到支管管徑計算表達式為：d支=（fQmLF/0.182Hp）1/b

式中：hp—設計噴頭工作壓力hp=20（m）

△Z—支管首末兩噴頭高差，支管上坡為△Z正（△Z=1.5）

hp—設計噴頭工作壓力hp=20（m）

hw—支管沿程水頭損失（m）

f，m，b—為沿程摩阻系數f=86100，流量指數m=1.74，管徑指數b=4.74

hf—沿程水頭損失（m）

Q—管道設計流量Q =7×1.62/0.98=11.57m3/h

L—為管道長度（97.5m）

d—為管徑（mm）

f—多口系數，查表得F=0.389；

由上式計算，得出d支=49.07mm，則選取65mm外直徑的鋁合金管作為支管。

（6）管道水力計算

支管總水頭損失滿足

式中：hp—設計噴頭工作壓力hp=20（m）

△Z—支管首末兩噴頭高差，支管上坡為△Z正（△Z=1.5）

hp—設計噴頭工作壓力hp=20（m）

hw—支管沿程水頭損失（m）

式中：f，m，b—為沿程摩阻系數f=86100，流量指數m=1.74，管徑指數b=4.74

hf—沿程水頭損失（m）

Q—管道設計流量Q =7×1.62/0.98=11.57m3/h

L—為管道長度（97.5m）

d—為管徑（mm）

hf=86100×（97.5×11.571.74/654.74）

=1.52m

hw+△Z=1.52+1.5=3.02（上坡） <0.2hp=0.2×20=4m

①多噴頭支管沿程水頭損失（下轉第頁）

（上接第頁）

=F×hf=0.389×1.52=0.6m

—多噴頭沿程水頭損失（m）

hf—支管沿程水頭損失（m）

F—多口系數，計算F=0.389

N—噴頭數

X—多孔支管首孔位置系數

②多噴頭支管局部水頭損失

hj按支管沿程水頭損失10%計

hj=0.6×10%=0.06m

③干管沿程水頭損失

=94800×（312.5×23.141.77/81.44.77）=8.92m

式中：f，m，b—為沿程摩阻系數f=94800，流量指數m=1.77，管徑指數b=4.77

hf—沿程水頭損失（m）

Q—管道設計流量Q =23.14m3/h

L—為管道長度（312.5m）

d—為管徑（mm）

④干管局部水頭損失

hj按干管沿程水頭損失10%計

hj=8.92×10%=0.89m

⑤水泵吸水管水頭損失

選用φ90mm吸水管，管長8m。

=94800×（8×23.141.77/81.44.77）=0.15m

式中：f，m，b—為沿程摩阻系數f=94800，流量指數m=1.77，管徑指數b=4.77

hf—沿程水頭損失（m）

Q—管道設計流量Q =23.14m3/h

L—為管道長度（8.0m）

d—為管徑（mm）

吸水管局部水頭損失

hj按吸水管沿程水頭損失10%計

hj=0.15×10%=0.015m

（7）水泵選型

灌溉區(qū)噴灌設計水頭H

式中： H—噴灌設計水頭（m）

Zd —典型噴灌點地面高程（m）

Zs—水源穩(wěn)定水位（m）

hl—典型噴灌點的豎管高度（1.0m）

hp—典型噴灌點噴頭工作壓力（20m）

∑hf—由水泵吸水管至典型噴點噴頭進口處水頭損失和（m）

∑hj—由水泵吸水管至典型噴點噴頭進口處之間的水頭損失和（m）

H=10-7+1.0+20+8.92+0.89+0.6+0.06+0.17=34.64m

根據計算供水流量、揚程，參見上海邦浦實業(yè)集團有限公司BPL系列單級單吸立式離心泵，選用BPL80-200A型離心泵。

（8）水源工程設計

① 水源井設計

該地區(qū)水量富足，水源來水量滿足供水需求，保證噴灌工程的正常運行；水質滿足《農田灌溉水質標準》GB5084-92，該項目利用水源為地表水。

根據最高峰流量，一次噴灌延續(xù)時間，確定需水量。本次設計水源井靠近河邊。用挖掘機開挖，內徑為4m圓形大口井，井深6m。井壁基礎0.5m高度為漿砌塊石，上接3.5m高干砌塊石，最上層為2.0m高漿砌塊石，井壁厚0.7m，外部回填反濾料及回填土，井頂蓋為0.2m厚鋼筋混凝土。

② 井房設計

工程首部工程配置了逆止閥、壓力表、IC卡智能水表等設施，為保障這些設施安全可靠、良性運行，需修建井房一座，井房尺寸：5m（長）×3m（寬）×3m（高），面積15m2，結構為彩鋼板屋。