□王艳平 □秦海霞 □孟 玥 □李永刚
(1河南省水利科学研究院 2河南省节水灌溉工程技术研究中心3河南科源水利建设工程检测有限公司 4黄河勘测规划设计有限公司)
渑池县位于河南省西部,果元乡赵庄节水增效项目区66.67 hm2范围是当地蔬菜生产基地,经济效益较好,项目区选择半固定喷灌进行高效节水灌溉,不仅可以节约灌溉用水,而且可以改善作物品质,提高经济效益。项目区灌溉水源为位于项目区南1.50km处的胡家洼水库水,水量有保障。
式中:m—设计灌水定额(mm);r—土壤容重(g/cm3);H—计划湿润层深度(cm);β1—适宜土壤含水量上限(重量比%);β2—适宜土壤含水量下限(重量比%);η—喷洒水利用系数。
根据项目区土壤情况和作物种植情况,土壤容重取1.40 g/cm3,主要根系活动层深取50 cm,田间持水量取28%,适宜土壤含水量上限取田间持水量的90%,下限取70%,喷洒水利用系数按规范要求取0.90,由式(1)计算得设计灌水定额为43.60mm,合 436.50m3/hm2。
式中:T—设计灌水周期(d);m—设计灌水定额(mm);η—喷洒水利用系数;Ep—需水临界期日均需水强度(mm/d)。
半固定喷灌项目区主要种植蔬菜,其需水临界期日均需水强度取4mm/d,其它参数取值同式(1),经计算得设计灌水周期T=7.80 d,设计取 8 d。
参考以往类似工程经验及实际应用情况,喷头选用性价比较好的ZY-2型喷头,该喷头生产工艺先进、材质好、经久耐用。所选喷头性能指标参数:喷嘴直径d为7.00mm×3.10mm;工作压力HP为0.30MPa;喷嘴流量QP为3.83m3/h;射程R为19.10m;雾化指标Wh为4286。
按喷灌均匀系数不低于75%的要求,设计风速取3.40m/s,喷头组合间距取(1.00~0.80)R,在无固定风向的情况下,按正方形布置,喷头间距和支管间距均取18m。
单支管多喷头同时喷洒时,组合喷灌强度由式(3)计算:
式中:ρ—组合喷灌强度(mm/h);Kw—风系数;Cp—布置系数;ρs—单喷头喷灌强度(mm/h);V—设计风速(m/s);Qp—喷头设计流量(m3/h)。
根据喷头工作参数计算单喷头喷灌强度ρs为3.34,由a/R(0.94)查Cp-a曲线得布置系数Cp为1.72,按设计风速3.40m/s计算风系数Kw=1.37。组合喷灌强度ρ计算结果为7.90,项目区土壤允许喷灌强度为10mm/h,即组合喷灌强度满足设计要求。
按设计灌溉面积66.67 hm2,管网水利用系数0.95,每日工作时数18 h,设计灌水周期8 d,设计灌水定额436.50m3/hm2,计算设计流量:
Q=436.50×66.67/(0.95×18×8)=212.70(m3/h)
式中:a、b—分别为喷头、支管间距,其它符号意义同前。
由式(4)计算得d7.00×3.10喷头在工作点上的喷洒时间t为4.50 h。
d7.00×3.10喷头每日工作时数td为18 h,则喷头每日可喷洒的工作点数为4个。
按设计流量212.70m3/h计算,d7.00×3.10同时工作的喷头数为53个,根据规划同时工作的喷头数为56个。
为使喷灌系统安全运行、管理方便,管网系统布置应体现的原则:结合地块特征,合理布置管线,使管道总长度最短;管道布置应满足各用水户的需求,管理方便,有利于组织轮灌和迅速分散流量,支管应尽可能与作物种植方向一致,便于耕作;固定地埋管道的末端、边坡、转弯和分叉处应设镇墩。管网埋设深度应满足机耕、防冻要求。
根据管网布置和设计流量,可满足8条支管上的喷头同时运行,共分成4个轮灌组,每个轮灌组1次2条支管运行,顺序轮灌即可。
6.1.1 干管管径
首先用经济管径计算公式(5)初选,最后经水力计算确定。
式中:D—计算经济管径(mm);Q—通过的流量(m3/h)。
6.1.2 支管管径
支管管径应满足喷灌《规范》规定的同一条支管上任意2个喷头之间的工作压力差不大于喷头设计工作压力的20%,经水力计算后确定。
6.2.1 沿程水头损失计算
管道沿程水头损失按公式(6)计算,公式中的有关参数选取见表1。
式中:hf—管道沿程水头损失(m);L、d—计算管道长度(m)、管道内径(mm);Q—计算管道通过流量(m3/h);f—管道摩阻系数;m、b—流量指数、管径指数。
6.2.2 支管多喷头喷洒沿程水头损失
按多口系数法计算,见式(7)
式中:H′f—多喷头支管沿程水头损失(m);F—多口系数,查《喷灌工程设计手册》;Hf—设计流量均匀通过支管计算的沿程水头损失。
表1 各种管材参数值表
6.2.3 局部水头损失
为简化计算,局部水头损失按沿程水头损失乘加大系数进行估算,本设计加大系数取1.05。
根据管网布置、管网轮灌工作制度选择最不利工作点进行水力计算。计算结果见表2。
表2 水源工程输水干管水力计算表
6.3.1 水源工程
由水源至田间蓄水池水位高差10.00m,输水干管计算长度2500.00m。
喷灌工程田间拟建日调节蓄水池,泵站水泵机组每日24 h连续工作,设计灌水周期8 d,管网水利用系数0.95,泵站设计流量为:
水源工程输水干管选用Φ200×9.70PVC管,由公式(6)并考虑局部水头损失加大系数计算得水头损失为33.90m,设计扬程为43.90m,见表2。根据设计流量和设计扬程选用1台6Sh-9型水泵,额定流量170m3/h、扬程47.60m,配套电机200L2-2/37、功率37 kW。
6.3.2 田间蓄水池容积
喷灌工程田间管网每日运行18 h,因此田间蓄水池容积应能容纳泵站其余6 h内所提供的水量,田间蓄水池调蓄水量为:
半固定式喷灌工程田间蓄水池容积取1050m3。
6.3.3 田间管网
根据管网布置和轮灌组划分,田间管网分为2个独立运行的系统。水泵与管网连接段设计流量为106.30m3/h、计算长度24.00m、选用Φ160×4.70PVC管;干管设计流量为53.10m3/h、计算长度426.00m、选用Φ160×4.70 PVC管。干管变径后设计流量为26.60m3/h,计算长度290.00m,选用Φ110×3.40PVC管;移动支管设计流量为26.60m3/h,计算长度126.00m,选用Φ75铝合金管;由公式(6),并考虑局部水头损失加大系数、多口系数,分别计算连接段、干管、移动支管水头损失,计算结果见表3。
表3 半固定式喷灌水力计算成果表
由管网水头损失考虑喷头工作压力0.30MPa、竖管高度1.50m、地形高差2.00m,计算系统扬程为41.80m。
根据设计流量和设计扬程,查水泵性能表,拟选用2台IS125-80-160Z型水泵,额定流量105m3/h、扬程42.80m,配套电机200L1-2/30、功率30 kW。
当前我国水资源十分紧缺,用好宝贵的水资源,使其产生更大的经济效益显得尤为重要。半固定式喷灌作为一种高效节水灌溉工程形式,与传统地面灌溉相比,可以有效减少输水渗漏,提高输水效率,一般不会产生径流和深层渗漏,田间水利用系数高,容易实现自动化,节省劳力,适应性强,且半固定式喷灌系统支管可重复使用,能降低投资,操作方便,占地少,值得大范围推广应用。在进行半固定式喷灌工程设计时,首先要弄清水源情况,做好系统总体规划布局,再根据种植作物进行灌溉制度设计,由管网水力计算得出系统所需扬程从而进行水泵选型。