绥化市宝山镇移动式喷灌典型区设计

张可巍

(绥化市水务局，黑龙江 绥化 152000)

1 项目区概况

绥化市位于黑龙江省中南部，松嫩平原的呼兰河流域。全市总面积34 063 km2，占黑龙江省总面积的8.9%。其中耕地144万hm2。境内平原占72%，丘陵山区占19%，江河泡沼占9%，大体上是“二山一水七分田”。

“节水增粮”项目区位于绥化市城区西南12 km处的宝山镇，属呼兰河中游岗阜状台地区，地势较平坦，海拔高程为165～170 m，西南略高，东北偏低，地面坡降1/1 000左右。项目区地下水资源较丰富，含水层厚度30 m左右，成井深度60 m左右，单井涌水量一般为80 m3/h左右，矿化度0.13～0.78 g/L，符合灌溉水质要求，且灌溉保证率较高。

项目区土壤主要以碳酸盐黑钙土和草甸黑钙土为主，土壤容重为1.2 g/cm3，田间持水率30%。pH值6～8，腐殖质含量为2.14% ～2.17%，土壤类型比较单一，土质较好，养分含量较高，适宜农耕。现状耕地面积占70%，以种植玉米、大豆等为主。

2 典型区选择

根据黑龙江省《关于编制2012年度市县级“节水增粮行动”实施方案有关工作的通知》精神，结合绥化市本级实际情况，2012年绥化市“节水增粮”项目区选择在地下水储量丰富、成井条件好、出水量高、水质满足灌溉水质要求、光热条件及土壤条件适宜、交通及电力等基础设施健全、当地群众对先进的技术和先进生产方式接受能力强的宝山镇作为本规划的主要实施区域。规划新建管道移动式喷灌工程6处，总面积190.8 hm2。

根据宝山镇地形、土壤及工程状况，选择具有代表性的地块作为典型区。移动式喷灌典型区选在宝山村1号地块内。该地块地形平坦，土壤以壤土为主。典型区地形和土壤条件与整个项目区基本一致，具有一定的代表性。典型区水源采用地下水，利用井灌方式进行田间灌溉，内种植作物为玉米。

3 主要设计参数[1]

3.1 节水灌溉制度设计

1)喷灌工程设计主要技术指标的确定。以地下水为水源的喷灌工程，灌溉设计保证率取90%;灌溉水利用系数取0.9;喷灌均匀系数取0.8。

2)灌溉制度的确定。根据绥化市现有灌区有关资料确定喷灌灌水定额和灌水周期。项目区种植作物为玉米，故以玉米进行灌溉制度的设计。

式中:m为设计灌水定额，mm;γ为土壤容重，g/cm;取γ=1.2g/cm3;h为计划土壤湿润层深度，cm，取h=50cm;β1为适宜土壤含水率上限(重量百分比);β2为适宜土壤含水率下限(重量百分比);取β1-β2=5.94;T为设计灌水周期，d;η为灌溉水的利用系数，取η=0.9;W为作物日需水量，mm/d，取W=4mm/d;经计算得:m=35.64mm，T=8d。

由于项目区属半干旱地区，喷灌属补充灌溉，参照项目区附近灌区资料，在玉米作物生育期内灌溉4次，灌溉定额为1 080 m3/hm2。

3.2 水源工程设计

根据当地水文地质情况，综合考虑影响半径及节灌的作业情况等因素，新建水源井位置尽量位于喷灌设备的中央。宜井间距400～500 m。设计典型井深60 m，开口直径500 mm。下壁厚5 mm、直径300 mm铁管。根据附近现有井开采经验，单井出水量为80 m3/h，动、静水位为33 m、29 m，下泵深度为45 m左右。水泵采用15 kW和18.5 kW的深井潜水泵。[2]

单井控制面积的确定:

式中:F0为单井控制灌溉面积，hm2;Q为单井出水量，m3/h，取Q=80m3/h;t3为灌溉期间每天开机时间，h，取t3=16h;T2为每次轮灌期的天数，d，取T2=8d;η为灌溉水利用系数，取η=0.9;η1为干扰抽水的水量削减系数，取η1=0;m2为每hm2每次综合平均灌溉定额，m3/hm2，取 m2=365.4 m3/hm2。经计算，单井控制面积为25.87 hm2。

3.3 移动式喷灌工作制度确定

1)喷头选型及支管布置形式。移动式喷灌系统的喷头采用ZY-2型金属喷头，其性能见表1。

该喷头雾化指标3 333 h/d能够满足规范要求，在作物允许雾化指数范围之内。典型区风力、风向状况，按照设计风速＞3.4 m/s的情况制定设计方案，采用全圆喷灌、正方形组合，组合间距采用垂直主风向间距。

表1 移动式喷灌系统参数性能表

ZY—2型喷头，垂直主风向间距a=b=1.1×R=1.1×16.3=17.93m，取18m。

本喷灌系统支管喷头间距a采用18 m，支管间距b也采用18 m。在设计风速时喷灌均匀系数＞75%(见《规范》4.2.2条)。取 a=b=18 m，则 ρ设计=7.5 mm/h＜15 mm/h，满足土壤允许入渗条件。从干管最远端分水口开始顺序向近端移动支管。

2)喷灌工作制度。喷头在一个工作位置的灌水时间与设计灌水定额、喷头参数和组合间距有关，用下式计算:

式中:q为喷头流量，m3/h;hp为喷洒水的有效利用系数，一般取0.9。计算t=5.28h。

为了确保在灌水周期内完成喷灌系统控制面积，支管到喷头全部配置备用设备以方便支管的移动。灌溉季节，每日除正常的机泵检修和保养停机外，均可视为工作时间，按系统承担灌溉面积的大小确定工作时间，一般为21 h。一个灌水周期支管工作位置数:

式中:T设为设计灌水周期，d;e为作物耗水最旺时期的日平均耗水量，4mm/d;nd为每日支管工作位置数，nd=4;td为喷灌系统工作时间，21 h/d。

每次同时喷洒的喷头数，按水源可供的设计流量来计算:

3.4 系统设计

3.4.1 管材与管径的选择

根据目前市场现有规格，竖管选用φ33镀锌钢管;干支管均选用涂塑软管。

3.4.2 管道的布设

管道移动式喷灌系统选择带有快速接头的涂塑软管，支管的适宜管径应通过计算确定，使同一支管任意两喷头间的工作压力差应在设计喷头工作压力的20%以内，用公式表示为:

式中:hw为同一支管上任意两喷头间支管段水头损失加上两竖管水头损失之差，m，一般用支管段的沿程水头损失计算;Δz为两喷头的进水的高程差，m。

3.4.3 管道系统的结构

确定竖管高度:根据作物情况选择竖管高度，考虑操作方便及种植作物不同生育期生长高度选用竖管高度为1.5 m，设置竖管支架，以保证喷头工作的稳定性。支管每18 m布设一个喷头，喷头与支管通过竖管和方便体连接，支管入口干管处设置截阀体开关，干管每18 m为一个支管工作位置。

4 管道水力计算

4.1 喷灌系统流量计算

喷灌系统流量用下式计算:

式中:Q为喷灌系统设计流量，m3/h;qp为设计工作压力下的喷头流量，m3/h;np为同时工作的喷头数目;ηG为管道系统水利用系数，取0.95。

4.2 管道沿程水头损失计算

各种管材f、m、b参数表见表2。

4.2.1 干管水头损失计算

式中:hf’为沿程水头损失，m;f为摩阻系数;L为管长，m;Q为流量，m3/h;d为管内径，mm;m为流量指数;b为管径指数。

对于多分水口干管的沿程水头损失。涂塑管为多出口管道，考虑多口系数:

式中:N为喷头或孔口数目;m为流量指数，与摩阻损失有关，m=1.77;x为涂塑管入口至第一个喷头(或孔口)的距离与喷头(或孔口)间距之比。

式中:hf为多分水口干管的沿程水头损失，m;F为多口系数。

表2 各种管材f、m、b参数表

4.2.2 管道的局部水头损失计算

管道的局部水头损失用下式计算:

式中:hj为局部水头损失，m;ξ为局部阻力系数;V为管道水流速，m/s。

逆止阀损失系数1.70，闸阀损失系数0.20。

支管水头损失计算同干管计算。

4.2.3 喷灌系统设计水头的计算

式中:H为喷灌系统设计水头，m;hd为井内动水位变深，m;hs为典型喷灌竖管高度，m;hp为典型喷灌喷头的工作压力水头，m;hg为过滤器损失量;Σhf为由水泵吸水管至典型喷灌的喷头进水口处之间管道的沿程水头损失，m;Σhj为由水泵吸水管至典型喷灌的喷头进水口处之间管道的局部水头损失，m。移动式喷灌工程布置图见图1。管道移动式喷灌系统典型设计计算数值见表3。

5 结语

项目建成后，新增节水灌溉面积190.8 hm2。可节水17.11万m3/a;节能2.22万kW·h/a;增产粮食作物72万 kg/a，增加效益128.79万元/a，项目区受益人口873人，人均增收1 475元。从国民经济计算指标看，该项目社会效益较好，经济效益显著。当社会折现率取8%时，经济内部收益率49.33%，高于社会折现率8%，经济净现值为292.25万元，效益费用比为2.25，＞1.0。项目在投资、效益单项浮动时，内部收益率均＞8%;经济净现值＞0，效益费用比＞1.0，该项目抗风险能力较强，总体指标较好。

图1 移动式喷灌工程布置图

该项目区地处黑龙江省中南部地区，其节水高效灌溉农业模式的轰动效应，将推动绥化市节水灌溉和农村经济的发展，同时示范作用将波及周边乡镇和地区，为该地区发展特色农业提供不同的节水灌溉技术模式。[4]

通过项目区的实施，能够摸索出适宜我省中南部地区节灌技术和节灌模式，培养出一批节水灌溉工作的技术人员，为全面推广节水灌溉技术打下良好的基础。由于当地农业生产技术老旧，未能合理开发利用农业水资源，及旱、风、雹、冷害等自然灾害经常发生，致使农业生产不能正常发展，生产效益不高，土地利用尚未充分发挥效益。先进的节水灌溉技术，保证作物全生育期的需水量，促进作物正常生长、发育，增加作物产量，促进系统物质循环和能量转化。发展节水灌溉技术能够调节田间小气候，减小蒸发量，增加地表水份，稳定表土，减少流失，降低风害程度。合理布设取水井点，遵循水土平衡规律，合理开采提水，保证灌溉高效。

表3 管道移动式喷灌系统典型设计计算数值表

[1] 中华人民共和国水利部.GB/T 50085—2007，喷灌工程技术规范[S].北京:中国计划出版社，2007.

[2] 绥化市水利勘测设计研究院.黑龙江省绥化市本级“节水增粮行动”2012年实施方案[R].绥化:绥化市水利勘测设计研究院，2012.

[3] 董兴华.富南旱田典型区设计[J].黑龙江水利科技，2012，40(3):150-151.

[4] 白丹，王新.区域农业节水最优规划数学模型及应用[J].黑龙江大学工程学报，2010，01(01):40-44.