卷管牽引絞盤式噴灌工程設計應用

吳 剛，彭國明

（1.北京中水新華灌溉技術有限公司，北京100054；2.安達市水務局，黑龍江安達151400）

0 引言

安達市地處黑龍江省西南部松嫩平原腹地，國土面積3 586 km2，有耕地11.27萬hm2，草原面積18.13萬hm2，濕地2.53萬hm2，林地2.98萬hm2。通過近幾年水利工程的建設，整體提升了安達市的農(nóng)業(yè)水利技術裝備水平，在近年的農(nóng)業(yè)抗旱和糧食保增收中發(fā)揮了巨大作用。在各種先進的農(nóng)業(yè)灌溉裝備中，卷管牽引絞盤式噴灌機作為一種實用的農(nóng)業(yè)灌溉設備，脫穎而出，在使用中具有省工、節(jié)水、增產(chǎn)、靈活方便的特點，深受廣大農(nóng)戶喜愛，目前在安達市得到大面積推廣。文中對卷管牽引絞盤式噴灌工程設計進行總結，對卷管牽引絞盤式噴灌設計進行了系統(tǒng)的論述。

1 噴灌工程設計

選取黑龍江省安達市節(jié)水增糧項目的工程地塊進行計算說明。地塊面積15.33 hm2，地塊長512m，寬300m，地塊為農(nóng)戶經(jīng)營，種植作物為玉米。

1.1 主要技術參數(shù)

1）灌溉設計保證率選用90%[1]。

2）設計供水強度ETd=3.38mm/d。

3）灌溉水利用系數(shù)η=0.88。

4）設計風速取2.5m/s。

1.2 灌溉制度

1）最大灌水定額。最大灌水定額按下式計算：

式中：ms——最大灌水定額，mm；γ——土壤容重，g/cm3，為1.3 g/cm3；h ——計劃濕潤層深度，cm，取40cm；β′1——適宜土壤含水量上限（重量百分比），%，取田間持水率 θ田=25%的90%；β′2——適宜土壤含水量下限（重量百分比），%，取田間持水率θ田=25%的68%。

經(jīng)計算：ms=28.6 mm。

2）設計灌水定額。設計灌水定額根據(jù)作物的實際需水要求和實驗資料按下式選擇：

式中：m——設計灌水定額，mm；mS——最大灌水定額，28.6mm。

噴灑水利用系數(shù)為0.9，按最大灌水定額計算，需要噴灌機灌水量為28.6/0.9=31.78 mm，結合JP75-300絞盤噴灌機參數(shù)，計算值和參數(shù)表中30 mm比較接近，因此，確定設計灌水定額為：30×0.9=27 mm。

3）設計灌水周期。設計灌水周期按下式計算：

式中：T——設計灌水周期，d；m——設計灌水定額，27 mm；ETd——作物日蒸發(fā)蒸騰量，mm/d，3.38 mm/d。

經(jīng)計算：T=7.98 d，設計取8 d。

1.3 水量平衡計算

1）水源工程。灌溉水源為地下水，新打機井1眼供水，井深50 m，單井涌水量50 m3/h，靜水位埋深13 m，動水位埋深20 m，降深7 m。

2）灌溉系統(tǒng)需水量。地塊面積為15.33 hm2，灌溉面積已定。水源供水流量穩(wěn)定且不考慮調蓄，確定系統(tǒng)需水量時，可根據(jù)下式進行計算：

式中：Q——系統(tǒng)需水流量，m3/h；A——灌溉面積，hm2，為15.33 hm2；Ia——設計供水強度，mm/d，3.38 mm/d；td——水泵日供水時數(shù)，h/d，20 h/d；η——灌溉水利用系數(shù)，0.88。

經(jīng)計算：Q=29.45 m3/h。

3）水量平衡分析。灌溉系統(tǒng)需水流量為29.45 m3/h，機井單井涌水量50 m3/h，供大于需，水源工程滿足灌溉系統(tǒng)的需求。

1.4 絞盤式噴灌機選型

根據(jù)井的出水量、地塊形狀、作物等情況，選擇單噴槍JP75-300型卷管牽引絞盤式噴灌機組[2]，根據(jù)單井控制面積選擇噴灌機工作參數(shù)為：噴嘴直徑22 mm，噴嘴工作壓力為0.3 MPa，射程為38 m，控制帶寬為64 m，流量為32.2 m3/h，噴頭行走速度為17 m/h，噴灌機入機壓力為0.7 MPa。

1.5 噴灌強度校核

實際噴灌強度按單行多噴頭同時工作考慮，按下式計算：

式中：ρ——噴灌強度，mm/h；q——流量，m3/h，32.2 m3/h；R——噴頭射程，38 m；0.9——折減系數(shù)。

經(jīng)計算：ρ=11.69mm/h，小于壤土允許噴灌強度為12 mm/h，滿足（GB/T50085-2007）《噴灌工程技術規(guī)范》要求。

1.6 田間布置

根據(jù)地塊尺寸、作物種植方向和噴灌機性能參數(shù)，對地塊進行條帶劃分及管網(wǎng)布置。地塊寬512 m，劃分為8個條帶，每個條帶寬64 m。機井位于地塊一側，沿地塊北側鋪設輸水管道，輸水管采用高壓軟管，機組從輸水管引水灌溉［3］。

1.7 工作制度

1）設計日灌水時間。根據(jù)（GB/T50085-2007）《噴灌工程技術規(guī)范》4.4.1之規(guī)定，行噴機組式噴灌系統(tǒng)設計日灌水時間為14～21 h，這次設計噴灌日灌水時間取20 h。

2）一個條帶所需的灌水時間。

式中：n——一臺機組可控制條帶數(shù)量，個；td——設計日灌水時間，h，20。

經(jīng)計算：n=9。典型地塊共分為8條帶，小于單臺機組可控制條帶數(shù)量，合理。

1.8 水力計算

1）設計流量計算。噴灌系統(tǒng)設計流量按下式計算：

式中：t——一個條帶所需的灌水時間，h；L——條帶長度，m，取條帶平均長度，300m；v——噴頭車作業(yè)時的行走速度，m/h，17m/h。

經(jīng)計算：t=17.65 h。

3）一臺機組可控制條帶數(shù)量：

式中：Q——噴灌系統(tǒng)設計流量，m3/h；qp——設計工作壓力下的噴頭流量，m3/h，32.2 m3/h；np——同時工作的噴頭數(shù)目，個，1個；ηG——管道系統(tǒng)水利用系數(shù)，取0.98。

經(jīng)計算：Q=32.86 m3/h。

2）管徑擬定。管道管徑按下式計算：

式中：D——管內徑，m；Q——流量，m3/s，32.86 m3/h=32.86/3 600 m3/s；V ——流速，m/s，取 1.0～1.5 m/s。

經(jīng)計算：D=90～110 mm，在此管徑范圍內的高壓軟管為內徑100 mm的高壓軟管，輸水管選用型號為13-100-20-滌綸長絲/滌綸長絲-聚氨酯的有襯里消防水帶。

3）水頭損失計算。距離水源最遠的條帶為最不利條帶，對其進行水頭損失計算。

1）輸水管水頭損失計算。管道的局部水頭損失按沿程水頭損失的10%計算，水頭損失按下列公式計算：

式中：h——水頭損失，m；hf——沿程水頭損失，m；hj——局部水頭損失，m；f——摩阻系數(shù)，0.505；L——管長，m，224 m；Q——流量，m3/h，32.86 m3/h；d——管內徑，mm，100 mm；m——流量指數(shù)，1.75；b——管徑指數(shù)，4.75。

經(jīng)計算：h=3.31 m。

輸水管進口壓力為71+3.31=74.31 m。

4）泵管水頭損失計算。泵管為鋼管，計算公式利用公式（8）、（9）、（10）進行計算，局部水頭損失按沿程水頭損失的10%計算，泵管內徑為80 mm鋼管，管長20 m，摩阻系數(shù)取6.25×105，流量指數(shù)取1.9，管徑指數(shù)取5.1，經(jīng)計算水頭損失為2.27 m。

1.9 系統(tǒng)設計流量和設計揚程確定

根據(jù)（SL 280-2003）《卷管牽引絞盤式噴灌機使用技術規(guī)范》6.4之規(guī)定，系統(tǒng)設計工作壓力水頭按下式計算：

式中：H——系統(tǒng)設計工作壓力水頭，m；Hm——噴灌機入機壓力水頭，m，71 m；Hw——噴灌機入口前的管道水頭損失，m，5.58 m；△Z——水源工作水位與噴頭設計位置的地面高程差，m，20 m。

經(jīng)計算，H=20 m。

系統(tǒng)設計工作壓力水頭為96.58 m，設計流量為32.86 m3/h。

1.10 水泵選型

根據(jù)系統(tǒng)設計揚程為98.89 m、設計流量為32.86 m3/h，選擇井用潛水泵，水泵型號為200QJ32-104/8。

1.11 系統(tǒng)運行復核

系統(tǒng)設計流量為32.86 m3/h，設計揚程98.89 m。對水泵流量與效率曲線進行分析，系統(tǒng)設計工況在水泵的高效工作區(qū)工作，滿足系統(tǒng)要求。

1.12 動力配套設計

根據(jù)水泵電機功率選擇柴油發(fā)電機組，為保護水泵開機運行順暢且降低柴油發(fā)電機組耗損，啟動方式選擇使用18.5 kW星三角啟動柜啟動，選定柴油發(fā)電機機組功率為40 kW。

2 結語

卷管牽引絞盤式噴灌機作為一種先進實用的噴灌設備，深受廣大農(nóng)戶喜愛，具有節(jié)水、節(jié)能、增產(chǎn)、省地、省工等效益，受益作物可以不留畦埂，使土地利用率提高10%［4-5］，可適用于小麥、玉米、土豆、甘蔗等大田作物，有利于農(nóng)業(yè)集約化生產(chǎn)和經(jīng)營，是大田作物比較適宜的灌溉模式，適宜大面積推廣。