陜北地區(qū)中心支軸式噴灌機典型工程標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計

蘇月姣

陜西省土地工程建設(shè)集團西北分公司 陜西榆林 719000

水資源是國民經(jīng)濟發(fā)展的命脈，是農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要支撐，更是自然生態(tài)安全的重要保障。陜北地區(qū)干旱少雨、沙地連片、生態(tài)環(huán)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(dāng)前水資源短缺問題的關(guān)鍵所在，而農(nóng)業(yè)用水占到了社會總用水量的70%左右，發(fā)展高效節(jié)水灌溉技術(shù)勢在必行。中心支軸式噴灌機具有節(jié)約用水、高效、節(jié)約勞動力等特點在發(fā)展規(guī)模化、集約化農(nóng)業(yè)過程中發(fā)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(guān)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(fā)進行了研究,開發(fā)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(qū)概況

1.1 土壤條件

項目區(qū)屬于風(fēng)沙灘區(qū)，地表土層主要為風(fēng)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(fù)功能，地表有較薄結(jié)皮，但有機質(zhì)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(qū)土壤質(zhì)量無法保障作物生長，需運用土體重構(gòu)技術(shù)進行土壤改良，客土土質(zhì)為紅土，結(jié)構(gòu)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(qū)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(jù)灌溉實際需要布置機井、管網(wǎng)、噴灌機、調(diào)節(jié)水池和其它建筑物。根據(jù)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(qū)有10kv高壓線路通過，村內(nèi)目前在地塊內(nèi)安裝一臺30kva變壓器，作為供電電源。本項目電源將從區(qū)外東北角10kv高壓線“T”型接入，規(guī)劃沿田間路邊，根據(jù)需要采用地埋電纜形式向中心管理房供電，以滿足區(qū)內(nèi)供電布局要求。

2 水源工程設(shè)計

2.1 井型選擇與設(shè)計

項目區(qū)地處風(fēng)沙灘區(qū)，主要含水層位于第四系松散層孔隙潛水。根據(jù)水文地質(zhì)條件，項目區(qū)規(guī)劃以新打機井為灌溉水源井，根據(jù)相鄰項目鉆孔資料顯示，項目區(qū)設(shè)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(shè)計為鋼管，管內(nèi)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(shù)，t=18（h/d）；

T—每次輪灌期天數(shù)（d），6d；

η—灌溉水利用系數(shù)，根據(jù)《陜西省行業(yè)用水定額》陜西省灌區(qū)渠系水和田間水利用系數(shù)表，項目區(qū)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(shù)，經(jīng)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(jié)果，取m=21.3m3/畝。

經(jīng)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(shù)，依據(jù)《陜西省土地開發(fā)整理建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》，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(jīng)過計算，L=294m。

2.4 機井?dāng)?shù)量

項目區(qū)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?dāng)?shù)量計算如下：

N=A/A0

式中：N—新打機井?dāng)?shù)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(tǒng)設(shè)計

3.1 噴灌工程設(shè)計

（1）設(shè)計參數(shù)。

a、作物灌水臨界期需水量EP，取EP=7.15mm/d；

b、設(shè)計風(fēng)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(shù)，取0.82。

經(jīng)計算，R=265m的噴灌圈控制的灌溉面積為21.24hm2，系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)設(shè)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(tǒng)設(shè)計需水量27.70m3/h。根據(jù)以上計算的噴灌系統(tǒng)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?jǐn)?shù)。

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(shù)計算結(jié)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(jù)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(jù)公式：

式中：D——管道內(nèi)徑，mm；

Q——灌溉系統(tǒng)設(shè)計流量，取86.50m3/h；

V——管內(nèi)經(jīng)濟流速，鋼管取2.0m/s。

通過計算，管道內(nèi)徑為123mm。根據(jù)無縫鋼管規(guī)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(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)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(shù)，項目區(qū)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(shù)，取1.9；

d—管道內(nèi)徑，125mm；

b—管徑指數(shù)，5.1。

為簡化局部水頭損失計算，本規(guī)劃采用沿程水頭損失的20%計算。

經(jīng)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(zhuǎn)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(jié)語

本文以陜北地區(qū)長勝采當(dāng)土地開發(fā)項目為典型，清晰系統(tǒng)地對中心支軸式噴灌機標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計進行了探討，主要包括以下流程：資料收集、水源設(shè)計，噴灌機系統(tǒng)設(shè)計。近年來陜北地區(qū)土地開發(fā)項目配套安裝的中心支軸噴灌機使用對糧食作物增產(chǎn)效果明顯，土豆年均產(chǎn)量可達3000kg以上。

隨著我國土地流轉(zhuǎn)日趨活躍，農(nóng)業(yè)規(guī)模化，集約化發(fā)展以及水資源短缺，農(nóng)業(yè)勞動力短缺、成本增加等狀況，作為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械化的重要設(shè)備中心支軸式噴灌機作用不言而喻，發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｖ行闹лS式噴灌機不僅對我國農(nóng)業(yè)發(fā)展其中舉足輕重的作用，而且在節(jié)水灌溉，保生態(tài)方面也扮演著不可忽視的角色，通過本文工程實例典型設(shè)計可為陜北地區(qū)中心支軸式噴灌機的設(shè)計和推廣工作提供理論支撐，為全國其他地區(qū)的節(jié)水灌溉發(fā)展提供借鑒。