節(jié)水灌溉水肥一體化微噴灌系統(tǒng)設(shè)計分析

焦文娟

(水利部新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

我國水資源分布極為不均，尤其是作為糧食主產(chǎn)區(qū)的新疆供水壓力巨大。雖然新疆擁有水資源總量832億m3，但新疆全面降水量比較匱乏，且農(nóng)業(yè)地域廣闊。同時，由于新疆植被覆蓋面積較少，加上近年來生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重，冰川儲水量減少，造成農(nóng)業(yè)灌溉用水越來越少。為此，大力發(fā)展節(jié)水灌溉是緩解水資源供求矛盾的主要途徑之一，同時也是減少灌溉作業(yè)勞動強度、保證農(nóng)民種地積極性的重要措施。

1 工程概況

2019年，新疆某地區(qū)全年農(nóng)作物種植面積達(dá)到9.79萬 hm2，該地區(qū)是新疆重要的糧食、種植基地。但經(jīng)統(tǒng)計：目前該地區(qū)水資源總量約為2.4億m3，人均水資源占有量僅為新疆人均水平的55%，年平均用水缺口為600萬m3～800萬m3，屬于新疆區(qū)域內(nèi)嚴(yán)重缺水市(縣)之一。在此，選取某一個地塊作為試驗場所，設(shè)計一套適應(yīng)該地區(qū)的水肥一體化噴灌系統(tǒng)。

2 水肥一體化微噴灌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理分析

水肥一體化微噴灌系統(tǒng)是將灌溉和施肥合為一體，不用再去田間單獨施肥，大大節(jié)省了勞動強度，該系統(tǒng)首部結(jié)構(gòu)示意圖見圖1[1]，主要運行原理為：灌溉水通過水泵進入主管道，同時另一個水泵也會從肥料罐中將肥料液(固體廢料用水溶化稀釋)送入主管道，之后含有肥料溶液的灌溉水被輸送至噴灌帶內(nèi)進入田地，整個過程只需要保證系統(tǒng)運行順利即可。而且整個系統(tǒng)規(guī)模小、重量輕，可放置在電動或機動三輪車上靈活移動[2]。

注：1為灌溉水源；2、4、8為過濾裝置；3、9為水泵；5為主管道；6為進水管；7為肥料罐；10為流量表；11為壓力表；12為控制裝置。

3 水肥一體化微噴灌系統(tǒng)設(shè)計分析

為設(shè)計一套適合應(yīng)用的水肥一體化微噴灌系統(tǒng)，技術(shù)人員在新疆某區(qū)域選取一塊23畝田塊作為試驗場。參照其他地區(qū)工程經(jīng)驗，本次設(shè)計的整套灌溉系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)見表1。下面針對該灌溉系統(tǒng)主要組成部分進行詳細(xì)分析設(shè)計[3]。

表1 水肥一體化微噴灌系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

3.1 水泵參數(shù)設(shè)計

(1)水泵流量設(shè)計

水泵流量由灌水定額m來確定，這是最重要的灌溉參數(shù)，決定了灌溉水量、灌溉制度等，計算公式[4]：

m=Z·P·(θmax-θmin)/η

式中：Z為計劃土壤濕潤層深度，400 mm；P為滴灌設(shè)計土壤濕潤比，65%；θmax、θmin為適宜土壤含水率，η分別取90%、70%；η為滴灌水利用率，90%。

經(jīng)計算m=57.8 mm，等于35.9 m3/畝，最后取整為36 m3/畝。本項目所設(shè)計的水肥一體化噴灌系統(tǒng)一次最大灌溉面積1000 m2，灌溉時間為1 h，因此水泵需要滿足的最大流量為54 m3/h[5]。

(2)水泵工作壓力設(shè)計

水泵壓力是保證灌溉水量的重要參數(shù)，其主要由系統(tǒng)首部水頭損失和干管工作壓力組成，其中干管一般選用聚乙烯管，管徑為100 mm，額定工作壓力為50 m。系統(tǒng)首部水頭損失H總=干管沿程水頭損失h沿+局部水頭損失h局+過濾系統(tǒng)水頭損失(廠家給定參數(shù)5 m)h濾+微噴帶水頭損失h噴，其中h沿計算公式[6]：

式中：v為干管內(nèi)水流速度，1.6 m/s；D為干管管徑，0.1 m；L為干管長度，50 m；λ為管道水阻系數(shù)，0.013；g為重力加速度，9.8 m/s2。

經(jīng)計算h沿≈0.85 m。為簡化計算，由大量工程經(jīng)驗可知：微噴帶水頭損失h噴約為11 m；局部水頭損失h局=(h沿+h噴)×15%，在此直接計算出h局≈1.78 m。最終得出水泵工作壓力應(yīng)不小于68.63 m，即0.67 MPa[7]。

3.2 過濾裝置設(shè)計

由于水肥一體化微噴灌系統(tǒng)較為精密，必須首先對灌溉水進行簡單過濾，防止水草、石塊等雜質(zhì)進入水泵打壞葉片。過濾裝置設(shè)計分“粗過濾+細(xì)過濾”兩級，具體分析如下：

(1)粗過濾裝置設(shè)計

粗過濾裝置安設(shè)位置在進水管最頂端，直接接觸水源，堵塞管道開口，裝置示意圖見圖2。設(shè)計粗過濾段長度為1.0 m～1.5 m，在管道上均勻鉆孔，孔徑與進水管管徑之比為1∶5，即20 mm，鉆孔間距設(shè)計為30 mm；然后用50目標(biāo)準(zhǔn)過濾網(wǎng)將鉆孔段管道嚴(yán)密包裹，并用鐵絲捆扎牢固[8]。

圖2 粗過濾裝置設(shè)計示意圖

(2)細(xì)過濾裝置設(shè)計

細(xì)過濾裝置安設(shè)在水源泵和肥料泵之間的干管之上，對灌溉水再進行一次過濾，防止細(xì)微雜質(zhì)堵塞微噴帶開孔。細(xì)過濾裝置在價格、安裝及清洗難度等方面均比粗過濾器明顯提升，綜合分析該系統(tǒng)選擇篩網(wǎng)式過濾器，濾網(wǎng)規(guī)格與微噴帶開孔孔徑直接相關(guān)，對應(yīng)關(guān)系見表2[9]。經(jīng)實地調(diào)查：本項目區(qū)水源雜質(zhì)為細(xì)砂，且微噴帶開孔孔徑為0.9 mm，因此選擇120目濾網(wǎng)完全滿足使用要求。

表2 細(xì)過濾裝置濾網(wǎng)規(guī)格與微噴帶孔口對應(yīng)關(guān)系(部分)

3.3 微噴帶參數(shù)設(shè)計

(1)微噴帶管徑對比設(shè)計分析

目前應(yīng)用最廣泛的微噴灌帶型號有三種：N45、N50、N63，具體技術(shù)參數(shù)見表3[10]。為了對比管徑不同對噴灑效果的影響，在此統(tǒng)一將開孔孔徑定為0.9 mm，長度均為80 m，具體對比結(jié)果見圖3。

表3 三種微噴灌帶詳細(xì)技術(shù)參數(shù)

圖3 不同管徑微噴帶沿程壓力變化曲線

由圖3可知：①隨著噴灌帶長度的增加，三種型號噴灌帶的管內(nèi)壓力均在逐漸降低；②管道內(nèi)壓力大小排名依次為：N63>N50>N45，單從這方面分析N63型效果最好；③當(dāng)噴灌帶達(dá)到80 m時，N45噴灌帶的管內(nèi)壓力為0.11 MPa，依然滿足噴射范圍要求。因此綜合分析：三種型號噴灌帶均滿足使用要求，但是N45型最為經(jīng)濟，推薦采用。

(2)微噴帶開孔孔徑對比設(shè)計分析

N45型微噴帶5孔設(shè)計見圖4，為設(shè)計最佳開孔孔徑，在此設(shè)計其他參數(shù)均一致，對比1.5 mm、1.2 mm、0.9 mm三種開孔孔徑下微噴帶沿程壓力變化曲線，具體對比結(jié)果見圖5。

圖4 微噴帶5孔分布設(shè)計圖

圖5 不同開孔孔徑微噴帶沿程壓力變化曲線

由圖5可知：①隨著噴灌帶開孔孔徑的變大，在同等長度噴灌帶下，管內(nèi)壓力變??；②當(dāng)噴灌帶長度達(dá)到80 m時，1.5 mm開孔孔徑的噴灌帶壓力降到了0.7 MPa，已經(jīng)不滿足使用要求。而1.2 mm和0.9 mm噴灌帶保持在0.1 MPa以上，滿足使用要求。相對來說0.9 mm開孔孔徑壓力下降的小，更為有利，推薦使用。

(3)水肥一體化微噴灌系統(tǒng)最大適應(yīng)坡度分析

坡度會影響沿程噴灌帶管內(nèi)的壓力，若末端低于0.1 MPa則不能滿足要求，為了測定該微噴灌系統(tǒng)能夠適應(yīng)的最大坡度，在此通過人為逐漸抬高噴灌帶來測定管內(nèi)壓力變化。測定的坡度主要有10°、12°、15°三種情況，測定結(jié)果見圖6。

由圖6可知：①隨著坡度越大，噴灌帶沿程壓力降低越明顯；②坡度為10°時，80 m處噴灌帶壓力在0.11 MPa左右，滿足使用要求；③坡度為12°和15°時，80 m處壓力已經(jīng)降低至0.1 MPa以下，不滿足使用要求。尤其是15°時，噴灌帶在60 m處其壓力就已經(jīng)小于0.1 MPa。綜合分析：該水肥一體化微噴灌系統(tǒng)最大適應(yīng)坡度為10°，長度不足60 m地塊可滿足12°坡度的使用要求。

圖6 不同坡度微噴帶沿程壓力變化曲線

4 結(jié)語

水肥一體化微噴灌系統(tǒng)可以將施肥作業(yè)融合到灌溉體系中，大大降低了勞動強度，提高了農(nóng)業(yè)自動化水平，即使是留守家庭婦女、老人也可獨立完成灌溉作業(yè)。本設(shè)計雖確定了適應(yīng)該地區(qū)的水肥一體化微噴灌系統(tǒng)重要參數(shù)，但沒有給出具體的注意事項，因此在將該系統(tǒng)投入使用之前應(yīng)做好技術(shù)指導(dǎo)，包括操作控制、日常維護、故障檢查排除等知識，且應(yīng)當(dāng)設(shè)計專門的技術(shù)人員和停放場所來減少設(shè)備故障率。