豫东平原半固定式喷灌设计分析研究

□朱鑫峰（商丘市水利建筑勘测设计院）

1.前言

目前我国水资源十分紧缺，而农业用水浪费极为严重传统的大水漫灌方式使农业成了用水大户，其用水量占全国总用水量的70%以上，而水的有效利用率只有30%～40%，仅为发达国家的一半左右，水的粮食生产能力只有0.85kg/m3，远远低于发达国家2kg/m3以上的水平。改变农民传统的灌溉习惯，用较少的水获得较高的产出效益，推广高效节水灌溉技术是一项重任，也是缓解我国水资源紧缺的途径之一，更是现代农业发展的必然选择。

2.灌溉方式选择

喷灌的主要优点如下：节水效果显著，水的利用率可达80%以上；灌水均匀，土壤不板结，有利于抢季节、保全苗；改善了田间小气候和农业生态环境；大大减少了田间渠系建设及管理维护和平整土地等的工作量；减少了农民用于灌水的费用和投劳，增加了农民收入；有利于加快实现农业机械化、产业化、现代化；避免由于过量灌溉造成的土壤次生盐碱化。常用的灌溉方式有固定式、移动式、半固定式。

一是固定式喷灌是将管道、喷头安装在田间固定不动。其优点操作方便，易于管理，生产效率高，工程占地少，且便于实行自动化控制。主要缺点是设备利用率低，耗材多，投资大。二是移动式喷灌：整个系统除水源工程外，从水泵、各级管道直到喷头全部可移动进行轮灌。其优点是设备利用率高，设备用量与投资较低，缺点是设备拆装搬移劳动强度大，生产效率较低，有时会损伤农作物；设备维修、保养工作量大。三是半固定式喷灌是将输水干管固定埋设在地下，支管和喷头可拆装搬移。与固定式喷灌相比，由于支管可以移动并重复使用，减少了用量，降低了投资；与移动式相比，干管不动，方便了运行操作，提高了生产效率。

通过以上方式比选，半固定式喷灌设备用量、投资造价和运行管理均介于固定式和移动式之间，优点显著。

3.工程设计

3.1 灌溉水利用系数

喷灌的灌溉水利用系数按下式计算：

式中：η—灌溉水利用系数；ηG—管道系统水利用系数，取0.95；ηP—田间喷洒水利用系数，取0.85。代入数据，计算结果η=0.81。

3.2 灌溉制度确定

3.2.1 最大灌水定额

最大灌水定额按下式计算

式中：m—最大灌水定额，m m；γ—土壤容重，取1.6 g/cm3；H—计划湿润层深度，取40 cm;β1—适宜土壤含水量上限，取20；β2—适宜土壤含水量下限，取14。代入数据，m s=38.4 m m即m s=1.71 m3/hm2。

3.2.2 设计灌水定额

设计灌溉定额m≤m s，根据作物种植结构，确定设计灌水定额 m=1.67 m3/hm2，即 m=37.5 m m 。

3.2.3 灌水周期

灌水周期按下式计算：

式中：T—设计灌水周期，d；Ed—作物日蒸发蒸腾量，取6.5 m m/d；m意义同前。代入数据，T=5.8 d，取6 d。

3.2.4 灌水时间

参考《喷灌工程技术规程》，设计灌水时间取t d=15d。

3.3 单井控制灌溉面积

单井控制灌溉面积按下式计算：

式中：F—单井控制灌溉面积，亩；Q—单井出水量，取35m3/h；T—灌水周期，取6 d；t—每天灌水时数，取15h；η—灌溉水利用系数，为0.81；η1—水量消减系数，取0.20；m—作物灌水定额，1.67 m3/hm2。代入数据，计算结果F=5.4 hm2，根据实际况，取F=5.33 hm2。

3.4 工作参数确定

3.4.1 选择喷头及其参数

初选喷头选用ZY-2型，其参数如下：喷嘴直径d=6.5 m m；工作压力hp=250 kpa；喷头流量q=3.39 m3/h；喷头射程R=18.9 m；喷溉强度ρ=3.02 m m/h

3.4.2 雾化指标

雾化指标按下式计算

代入数据，W h=3846。示范区以种植经济作物为主，其雾化指标为3000～4000，计算结果满足作物要求。

3.4.3 组合间距

设计风速2.4 m/s，其组合间距计算：垂直风向a=0.95 R=17.95 m，取18 m；平行风向b=1.2 R=22.7，取20 m。

3.4.4 校核组合喷灌强度

组合喷灌强度用下式计算：

式中：ρ—组合喷灌强度；Cρ—布置系数；ρs—风系数。

多支管多喷头同时喷洒的情况下：Kw=1.0

多支管多喷头同时喷洒的情况下：

Cρ=πR2/ab=3.14×18.92/（18×20）=3.11

则：ρ=KwCρρs=1.0×3.11×3.02=9.4

(m m/h)＜[ρ]=12 m m/h

示范区土壤以壤土为主，允许喷灌强度为12 m m/h。所选喷头型号满足要求。

3.4.5 一个工作位置的灌水时间

喷头在一个喷点上的喷洒时间t与设计灌水定额、喷头流量和喷头组合间距有关，可按下式计算：

式中：t—一个工作位置的灌水时间，h；a—支管间距，取20m；b—喷头间距，取18 m；m—设计灌水定额，37.5 m m；qs—喷头设计流量，取3.39 m3/h；ηp—田间喷洒水利用系数，取0.85；经计算，t=4.7 h，取 5 h。

3.4.6 一个工作位置数

代入数据，nd=3。

3.4.7 同时工作喷头个数

同时工作的喷头个数按下式计算：

式中：np—同时灌溉的喷头个数；Np—灌区喷头总数；A—单井控制喷灌面积，5.33 hm2；T－设计灌溉天数，6 d；代入数据，np=8.2个，取8个。

3.5 灌溉管道水力设计

3.5.1 灌溉管道系统

灌溉管道主要包括：干管（包括立管）、支管、竖管（包括喷头）。干管埋设于地下，设计埋深0.8 m，干管从机井引水，每隔一定距离布置一个出水口；支管采用移动式与出水口连接，竖管连接支管，并将喷头安置在适当高度，以便进行田间喷洒。出水口采用轮灌方式，以轮灌组为单元轮流灌溉。干管选用PVC管材；支管选用涂塑软管，立管（喷头）为镀锌管。

干管上同时工作2条支管，间距20 m，每条支管布置4个喷头，喷头间距18 m，支管长度72 m；干管8个喷头进行灌溉。

3.5.2 喷灌系统设计流量

3.5.2.1 干支管流量计算

每条支管上同时工作4个喷头，每条干管上同时工作8个喷头，喷头流量为3.39 m3/h。

支管流量：

Q支＝nd×qs/ηP=4×3.39/0.85=15.95 m3/h

干管流量：

Q干＝np×qs/ηP=8×3.39/0.85=31.90 m3/h

3.5.2.2 管径的确定

管径计算采用经济流速法确定管径，其公式如下：

式中：ν-经济流速，取1.2m/s。经计算，干管管径Ф110m m，公称压力0.63 M pa；支管选用Ф75 m m的涂塑软管。

3.5.3 水头损失计算

3.5.3.1 管道沿程水头损失

管道沿程水头损失按下式计算：

式中：hf－干管沿程水头损失；f－沿程水头损失摩阻系数，取0.948×105；m－流量指数，取1.77；b－管径指数，取4.77；Q－设计流量，m3/h；d－管道内径，m m ；L－管道长度，m。

3.5.3.2 管道局部水头损失

局部水头损失按沿程水头损失的15%估算。管道水头损失计算结果详表1。

表1 管道管径及水力计算表

4.效果分析

4.1 用水分析

喷灌的灌溉方式类似降雨，灌水均匀，在人工控制下可不产生地面径流或深层渗漏，因此在灌水周期一样的情况下，可减少每次灌水时间，节水25%左右。

4.2 土地利用效率分析

喷灌适应性强，不受地形限制，另外喷灌进行灌溉时，田间可不分畦田和开挖垄沟，可节省土地10%左右，提高了土地利用率，同时可节省一半劳动力。

4.3 作物增产分析

喷灌可有效地调节田间土壤水分和农田小气候，促进水、肥、气、热各因素之间的相互转化，有利于作物的生长发育，一般可增产15%左右。

4.4 影响因素分析

喷灌受风影响较大，当风速≥5.4 m/s时，能吹散水滴，使灌溉均匀性大大降低，飘移损失也会增大，最大损失可达30%，但是喷灌如果结合大棚灌溉，效果将大大改善。地面灌溉一般不受风力影响。

4.5 耗能分析

喷灌水泵电机功率较大，经分析计算喷灌将增加耗能25%左右。