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      三原縣安樂(lè)鎮(zhèn)雙雙農(nóng)場(chǎng)小麥、玉米連作水肥一體化技術(shù)推廣項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案淺析

      2021-04-16 06:31:58楊永花
      陜西水利 2021年3期
      關(guān)鍵詞:干管支管水頭

      楊永花

      (陜西省涇惠水利水電設(shè)計(jì)院,陜西 三原 713800)

      1 概述

      三原縣安樂(lè)鎮(zhèn)雙雙農(nóng)場(chǎng)位于陜西省三原縣安樂(lè)鎮(zhèn)蔡王村。項(xiàng)目區(qū)地形平坦,以小麥、玉米輪作制,根據(jù)種植作物的特性選用大田噴灌,水由機(jī)井出來(lái)后進(jìn)入蓄水池,再通過(guò)施肥、過(guò)濾,加壓后進(jìn)入管網(wǎng)。工程選用智能化控制,配備水肥一體化系統(tǒng),灌溉面積82 畝。

      2 工程設(shè)計(jì)

      2.1 基本資料

      地塊地形:地塊長(zhǎng)247 m,寬220 m,地勢(shì)平坦。

      土壤:土質(zhì)為壤土,土壤干密度1.42 g/cm3;田間持水量取21%。

      土壤允許噴灌強(qiáng)度[ρ]=12 mm/h;設(shè)計(jì)根區(qū)深度為40 cm,設(shè)計(jì)最大日耗水強(qiáng)度6 mm/d,灌溉水利用系數(shù)0.85。

      作物:種植小麥和玉米,一年兩熟,南北方向種植。小麥生長(zhǎng)期為10月上旬~次年6月上旬,約240 d。

      水源:采用項(xiàng)目區(qū)地塊中間位置的機(jī)井水源,機(jī)井出水量為45 m3/h,灌溉設(shè)計(jì)保證率確定為P=90%。

      2.2 灌溉制度擬定

      2.2.1 設(shè)計(jì)灌水定額

      式中:m凈為設(shè)計(jì)凈灌水定額,mm;γ為土壤容重,g/cm3,該處土壤為砂壤土,取1.42;z 為計(jì)劃濕潤(rùn)土層深度,cm,按大田作物的濕潤(rùn)層厚度取h=40 cm;β1為灌溉后土層含水量上限(以百分?jǐn)?shù)計(jì))β1=21%×90%=18.9%;β2為灌溉前土層含水量下限,β2=21%×65%=13.65%。

      2.2.2 設(shè)計(jì)灌水周期

      式中:T設(shè)為設(shè)計(jì)灌水周期,天;Ep為日需水量,mm/d,取臨界期日平均需水量,取Ep=6 mm/d。則灌水周期T設(shè)=29.82/6=4.97(d),取T設(shè)=5 d。

      式中:m毛為設(shè)計(jì)毛灌水定額,mm;η灌為灌溉水利用系數(shù),η灌=0.85。

      2.3 管道系統(tǒng)布置

      項(xiàng)目區(qū)面積共82 畝,將噴灌區(qū)分為10 個(gè)小區(qū),各個(gè)小區(qū)之間實(shí)行輪灌。整個(gè)系統(tǒng)選擇固定式系統(tǒng)。水由機(jī)井出來(lái)后,通過(guò)管道加壓泵加壓,再過(guò)濾后進(jìn)入輸水總干管。由輸水總干管向一、二干管輸水,沿干管兩側(cè)平行布置分干管,分干管上垂直布置支管,支管上布置噴頭。共布置10 條分干管,28 條支管。在總干管始端和分干管起始端分別設(shè)閘閥。噴頭的布置形式采用等腰三角形組合。

      2.4 選擇噴頭和確定組合間距

      2.4.1 選擇噴頭

      噴頭采用全圓噴灑,組合形式采用等腰三角形組合。項(xiàng)目區(qū)土壤的允許噴灌強(qiáng)度為12 mm/h,小麥適宜霧化指標(biāo)為3000~4000。選用PY115 系列金屬搖臂式噴頭。其性能參數(shù)見(jiàn)表1。

      表1 PY115 系列噴頭性能參數(shù)

      支管和噴頭組合間距確定:a=0.98R=0.98×15.5=15.19 m;b=1.1R=1.1×15.5=17.05 m。

      式中:a為噴頭間距,取15 m;b為支管間距,取15.5 m;R為噴頭射程,m。即噴頭間距均取15 m,支管間距根據(jù)地形取15.5 m。

      2.4.2 系統(tǒng)組合噴灌強(qiáng)度校核

      式中:ρ為組合噴灌強(qiáng)度;Kw為風(fēng)系數(shù),多支管多噴頭同時(shí)全圓噴灑,取1;Cp為布置系數(shù),多支管多噴頭全圓噴灑,為3.24;ρs為單噴頭噴灌強(qiáng)度,mm/h。

      ρ=1×3.24×2.35=7.614 mm/h<[ρ]=12 mm/h,系統(tǒng)組合噴灌強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

      2.4.3 霧化指標(biāo)

      式中:hp為噴頭工作壓力,kPa;d為噴嘴直徑,mm。滿足小麥霧化指標(biāo)3000~4000 的要求。

      2.5 擬定噴灌工作制度

      2.5.1 確定噴頭工作點(diǎn)及支管位置

      從地塊中間道路兩側(cè)開(kāi)始沿分干管向東西兩邊布置支管,第一個(gè)分干管距路邊7.5 m,以后間隔15 m 布置一條支管。再由第一條支管入口7.5 m 處布置第一個(gè)噴頭,以后每隔15 m布置一個(gè)噴頭,支管之間噴頭布置為梅花行分布。整個(gè)項(xiàng)目區(qū)有28 條支管,219 個(gè)噴頭。

      2.5.2 計(jì)算噴頭在工作點(diǎn)上的噴灑時(shí)間

      式中:t為噴頭噴灑時(shí)間,h;a為噴頭間距,15 m;b為支管間距,15.5 m;qp為噴頭流量,1.77 m3/h;ηp為噴灑水利用系數(shù),取0.87。

      t=15×15.5×35.29/(1000×1.77×0.87)=5.33 h,即噴頭在工作點(diǎn)上的噴灑時(shí)間為5.33 h。

      2.5.3 計(jì)算每天可工作的輪灌組數(shù)

      規(guī)劃噴灌不在夜間作業(yè),每天工作12 h,則:

      式中:nd為天工作輪灌的組數(shù);td為設(shè)計(jì)日灌水時(shí)間,h。

      nd=12/5.33=2.25≈2 組,即每天工作輪灌2 組,每天實(shí)際工作時(shí)間為5.33×2=10.66 h。

      2.5.4 計(jì)算每次同時(shí)噴灑的噴頭數(shù)

      式中:np為同時(shí)工作的噴頭數(shù);Np為噴頭布置總數(shù),219 個(gè);T設(shè)為設(shè)計(jì)灌水周期,5 d。np=219/(2×5)=22(個(gè)),根據(jù)支管?chē)婎^布置情況取為24 個(gè)。即每次同時(shí)噴灑的噴頭數(shù)為24 個(gè),每條分干管上有3 條支管,每條支管上有8 個(gè)噴頭,則每組輪灌同時(shí)工作的分管為1 條,支管數(shù)為3 條。

      系統(tǒng)流量為:Q=np×qn=24×1.77=42.4 m3/h 機(jī)井出水量為45 m3/h,42.48 m3/h<45 m3/h,水量可滿足灌溉要求。

      2.6 輪灌制度

      將整個(gè)地塊按10 條分干管劃分為10 個(gè)小區(qū)。每次輪灌一條分干管,3 條支管,每次開(kāi)24 個(gè)噴頭。

      2.7 確定各管段的設(shè)計(jì)流量

      在輪灌方案確定之后,根據(jù)輪灌順序表確定各管段的設(shè)計(jì)流量。

      2.7.1 支管設(shè)計(jì)流量

      本次設(shè)計(jì)每條支管長(zhǎng)度112.5 m,每條支管?chē)婎^數(shù)為8 個(gè),則支管設(shè)計(jì)流量=1 個(gè)噴頭出水流量×噴頭個(gè)數(shù)=1.77 m3/h×8=14.16 m3/h。

      2.7.2 干管設(shè)計(jì)流量

      每次輪灌一個(gè)分干管,共24 個(gè)噴頭,總干管、干管、分干管流量均等于管道配水流量42.48 m3/h。

      2.8 管道設(shè)計(jì)

      2.8.1 管材的選取

      通過(guò)經(jīng)濟(jì)比選后,管道選用UPVC 管,壓力等級(jí)為0.6 MPa。噴頭豎桿采用DN20 鍍鋅鋼管。

      2.8.2 管徑的確定

      初選管徑按公式:

      式中:D為管道直徑,mm;Q為設(shè)計(jì)流量,m3/s,取0.0118;V為管內(nèi)流速,m/s,取1.5 m/s~2.5 m/s。經(jīng)計(jì)算:總干管、干管、分干管直徑選dn90、支管流量為分干管的一半,前段選取直徑為dn63,后段選取直徑為dn50。

      2.8.3 管道水力計(jì)算

      管道沿程水頭損失按下式進(jìn)行計(jì)算:

      式中:hf為管道沿程水頭損失,m;f為摩阻系數(shù),硬塑料管取0.948×105,鋼管取6.25×105;Q為管道設(shè)計(jì)流量,m3/h;L為管道長(zhǎng)度,m;D為管道內(nèi)徑,mm;m為流量指數(shù),硬塑料管取1.77,鋼管取1.90;b為管徑指數(shù),硬塑料管取4.77,鋼管取5.10。

      局部水頭損失取為沿程水頭損失的0.1 倍。

      噴頭豎桿采用DN20 鍍鋅鋼管,長(zhǎng)度2.5 m,露出地面1.8 m,通過(guò)計(jì)算噴頭豎桿需要壓力為1.07+1.8=2.87 m,噴頭工作壓力為20 m,則噴頭進(jìn)口需要壓力為22.87 m。整個(gè)系統(tǒng)所需水頭以最不利點(diǎn)所需水頭來(lái)控制。

      2.9 首部樞紐設(shè)計(jì)

      2.9.1 過(guò)濾器

      在系統(tǒng)首部設(shè)置過(guò)濾器。因?yàn)樗礊榫?,含雜質(zhì)主要為泥沙,過(guò)濾器選用“離心式+網(wǎng)式”,即可滿足噴灌要求,根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量42.48 m3/h,離心式過(guò)濾器型號(hào)選用LX-100,網(wǎng)式過(guò)濾器型號(hào)選用WSZ-100。離心式過(guò)濾器水頭損失取5 m,網(wǎng)式過(guò)濾器水頭損失取3 m,合計(jì)取8 m。

      2.9.2 施肥系統(tǒng)

      施肥罐容積根據(jù)以下公式計(jì)算:

      式中:V為施肥罐容積,L;F為每次施肥單位面積施肥量,kg/hm2,取值為225;A為每天施肥面積,hm2,1.1;C初始為肥罐中肥液的初始濃度,kg/L,取值0.5。V=225×1.1/0.5=495 L,取500 L。

      施肥系統(tǒng)包括:500 L 施肥桶、200 L 攪拌桶、控制箱、不銹鋼注肥泵兩臺(tái)。

      2.9.3 其它設(shè)備

      為方便檢修,在首部水泵前后設(shè)置手動(dòng)閘閥,同時(shí)裝有壓力表、排氣閥、止回閥等設(shè)備,水頭損失合計(jì)取1 m。為方便自動(dòng)化控制,在每個(gè)輪灌組首部均設(shè)置DN80 電磁閥。

      2.9.4 水泵選型

      水泵設(shè)計(jì)流量為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流量42.48 m3/h。

      水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程:

      式中:H泵為水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程,m;h過(guò)濾為設(shè)備及閥門(mén)管件水頭損失,8+4.1=12.1 m;h損失為最不利點(diǎn)干、支管水頭損失,11.59 m;h噴頭為噴頭處需要水頭壓力,為22.87 m。故水泵出口所需最大壓力水頭為46.56 m。

      水泵及動(dòng)力機(jī)選配:水泵的選型根據(jù)設(shè)計(jì)工況需要的揚(yáng)程和流量確定,選用1 臺(tái)ISG65-200(I)A 型管道加壓泵。水泵額定流量為42.48 m3/h,揚(yáng)程44 m,配套功率11 kW。

      2.10 自動(dòng)化控制系統(tǒng)

      噴灌系統(tǒng)自動(dòng)化控制的主要設(shè)備有首部自動(dòng)化控制器、田間灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)等組成。首部自動(dòng)化控制器:首部自動(dòng)控制器可以對(duì)水泵啟動(dòng)柜、田間電磁閥進(jìn)行控制,保證向灌溉系統(tǒng)提供符合要求(壓力、流量)的水源。

      田間灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng):建設(shè)82 畝的田間灌溉自動(dòng)化系統(tǒng)1 套,共計(jì)10 個(gè)控制點(diǎn),田間灌溉自動(dòng)化系統(tǒng)由灌溉控制器、閥門(mén)控制器、電動(dòng)閥等組成。田間灌溉主要根據(jù)已制定的輪灌制度,自動(dòng)通過(guò)無(wú)線終端給無(wú)線閥控器下達(dá)啟閉指令,對(duì)閥門(mén)進(jìn)行遠(yuǎn)程啟閉操作,實(shí)施田間自動(dòng)灌溉,在出現(xiàn)連續(xù)干旱等極端天氣也可以人工干預(yù)進(jìn)行點(diǎn)片灌溉。

      供電系統(tǒng):電力供應(yīng)有電網(wǎng)供電、太陽(yáng)能供電等方式。首部測(cè)控設(shè)備和視頻設(shè)備采用電網(wǎng)直接供電。田間工程選用太陽(yáng)能電板+鋰電池供電。

      3 工程效益

      項(xiàng)目實(shí)施后,增產(chǎn)效益為2.58 萬(wàn)元/年,水利分?jǐn)傁禂?shù)取0.4,則可增產(chǎn)效益為1.03 萬(wàn)元/年。灌區(qū)內(nèi)灌溉方式由原來(lái)的明渠灌溉改造為噴灌,灌溉保證率可由原來(lái)的50%提高85%,灌溉水利用系數(shù)由0.47 提高到0.85,每畝地灌溉定額由40 m3/畝,減少至23.5 m3/畝,節(jié)省灌溉用水量40%以上。肥料隨噴灌水直接送達(dá)作物根系部位,易被作物吸收,減少對(duì)環(huán)境和土壤的污染,可做到適時(shí)適量對(duì)作物生長(zhǎng)極為有利,追肥期可提高肥效利用率20%以上,并可防止土壤板結(jié)。

      4 結(jié)語(yǔ)

      通過(guò)水肥一體化技術(shù)的實(shí)施,使農(nóng)民的用水方式實(shí)現(xiàn)了三個(gè)轉(zhuǎn)變:一是實(shí)現(xiàn)了大水漫灌向局部灌溉轉(zhuǎn)變;二是由傳統(tǒng)的“澆地”向現(xiàn)代的“澆作物”轉(zhuǎn)變;三是實(shí)現(xiàn)水肥同步,由過(guò)去的單一澆水向水肥營(yíng)養(yǎng)液轉(zhuǎn)變。同時(shí)可以減輕灌溉和施肥的勞動(dòng)強(qiáng)度,有利于農(nóng)村集約化生產(chǎn)和適度規(guī)模經(jīng)營(yíng)的發(fā)展,提高農(nóng)民對(duì)科學(xué)施肥和科學(xué)灌溉的認(rèn)識(shí),提升農(nóng)民的科學(xué)種田水平,促進(jìn)農(nóng)民增收、能源節(jié)約、環(huán)境優(yōu)化。該項(xiàng)技術(shù)在提高水肥利用率,增加農(nóng)作物產(chǎn)量,降低生產(chǎn)成本的同時(shí),提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì),增強(qiáng)農(nóng)產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,對(duì)發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)具有重要的促進(jìn)作用。

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