红庙子红汉刺五加半固定式喷灌工程典型设计

郭 鹏

(辽宁省抚顺市新宾满族自治县水务局，辽宁 新宾 113200)

红庙子红汉刺五加半固定式喷灌工程典型设计

郭 鹏

(辽宁省抚顺市新宾满族自治县水务局，辽宁 新宾 113200)

文章介绍了红庙子红汉刺五加半固定式喷灌工程设计，根据作物的灌溉方式确定了灌溉制度及水源工程。红庙子红汉刺五加半固定式喷灌工程，大大提高了灌溉用水有效利用系数，节约了水量。建成至今，运行良好。该设计方案可为类似工程设计提供参考。

水源工程；半固定式喷灌；工程设计；投资概算

1 项目区概况

该典型片区位于抚顺市新宾县红庙子乡红汉村，总面积10hm2，距离新宾镇内60km，交通极为便利。

该区域属大陆性季风气候，多年平均降水量为760mm，平均蒸发量为1050.1mm，多年平均气温为5.1℃，最大冻土层深度为1.49m。

本区域土壤以砂壤土为主，地下含水层厚度为30～50m，地下水矿化度为0.6g/L，符合灌溉水质标准。

该区域位于辽宁东部山区丘陵，地面平均比降为1/10000。土壤以砂壤土为主，土壤容重为1.54g/cm3，田间持水率为22%。红汉村现有人口1000人，年人均收入6200元，乡内农业以粮食和经济作物生产为主，主要粮食作物有玉米、水稻、大豆、高梁等；经济作物主要有刺五加、五味子等。

目前项目区内无灌溉设施，也无有效灌溉面积，本次拟在本项目区内种植10hm2刺五加。本次项目区内全部种植刺五加，种植面积为10hm2，垄距为0.4m，株距为0.4m。

2 工程设计

主要包括8个方面：

2.1 灌溉方式选择

根据项目区水源、地形、当地实际运行方式，灌溉方式采用半固定式喷灌系统。

根据水源地质条件，在项目区内修建一座大口井，大口井出水量为60m3/h。大口井设计泵房一座，其内布置压力表、逆止阀等首部工程。

2.2 项目区水源条件分析

单井出水量60m3/h，井深5m，水质较好，适宜发展喷灌。

单井控制灌溉面积计算中水源井计算公式为：

F=QTtη/m
F=60×3.5×16×0.83/13.56=13.67hm2

(1)

式中：F为单井控制面积，hm2；Q为单井出水量，60m3/h；T为灌水周期，3.5d；t为每天开机时间，h，t取16h；η为灌溉水利用系数，η=ηG×ηP=0.98×0.85=0.83；m为灌水定额，13.56m3/hm2。

经计算，该井可控制灌溉面积 13.93hm2。

2.3 管网总体布置

项目区面积10hm2，地势较平缓，大口井位于项目区西侧，河道附近。

从大口井向地块内布置主管道长度为585.5m，可布置28条支管，支管间距为18m，每条支管长度为135m，喷头间距为18m。

其中：干管均为地埋固定管，采用PE管，干管埋深为冻层以下(1.6m)；支管为地面移动管，采用铝合金管。

项目区共分为14个轮灌小区。具体见典型地块布置图1。

图1 地块布置图

2.4 灌水定额

计算公式为：

m=0.1γh(β1-β2)

(2)

式中：m为设计灌水定额，mm；h为计划湿润层深度，30cm；β1、β2为适宜土壤含水率的上下限，β1=0.9，β2=0.7。

由此可得，m=0.1×1.54×30×(0.9×22-0.7×22)=20.33mm=203.4m3/hm2。

2.5 灌水周期

项目区在5月上旬为需水高峰期，需水强度ETd=5.5mm/d，灌水周期可按下式计算：

T=m/ETd

(2)

式中：T为灌水周期，d；m为设计灌水定额，20.33mm；ETd为作物耗水量，6mm/d。

由此可得，T=3.7d，取灌水周期为3.5d。

2.6 喷头选型

根据项目区内情况综合分析，项目区内风速低于3.4m/s，拟采用广泛使用的ZY—2系列喷头，该喷头的参数为：喷嘴直径d=7mm，工作压力为230kPa，喷头流量为3.5m3/h，喷头射程为18m，其喷灌强度为5.8mm/h。喷头水力性能参数见表1。

表1 喷头水力性能参数表

2.7 组合喷灌强度校核

2.7.1 雾化指标

计算公式为：

Wh=hp/d

(3)

式中：Wh为喷灌的雾化指标；hp为设计工作压力，m；d为喷嘴直径，m。

由此可得，hp/d=23/0.007=3286

3000

故刺五加的雾化指标满足要求。

2.7.2 喷灌强度

本项目区内土壤以砂壤土为主，根据相关规范查得，砂壤土允许喷灌强度为15mm/h，据此计算喷灌系统的设计喷灌强度。计算公式为：

ρ=KWCDρs

(4)

式中：ρ为喷灌系统的设计喷灌强度，mm/h；KW为风的影响系数，多支管多喷头同时全圆喷洒时，KW=1；CD为布置系数，CD=πR2/(ab)=3.14×182/(20×20)=2.54；ρs为喷灌强度，mm/h；V为风速，m/s。

由此可得，ρ=KWCDρs=1×2.54×5.8=14.73mm/h≤15mm/h

2.7.3 组合间距的确定

由于示范区内风向多变，没有明显主风向，故采用正方形组合形式。

喷头间距：a=R；
支管间距：b=R；

(5)

式中：R为喷头设计射程，18m。由上式计算可得，a=18m，b=18m。

根据支管每根的长度135m，故取喷头间距为18m，取支管间距为18m。

2.8 喷灌工作制度

2.8.1 喷头在一个位置上的工作时间

计算公式为：

t=abm/(1000qηp)

(6)

式中：t为喷头在一个位置上的工作时间，h；a为喷头间距，18m；b为支管间距，18m；m为设计灌水定额，20.33mm；q为喷头流量，3.5m3/h；ηP为田间喷洒水利用系数，ηP=0.85。

由此可得，t=18×18×20.33/(1000×3.5×0.85)=2.21h取t=4h

2.8.2 喷头每天工作点数

计算公式为：

nd=td/t

(7)

式中：nd为喷头每天工作点数，次；td为喷灌日工作时间，16h；t为喷头在一个位置上的工作时间，4h。

由此可得，nd=16/4=4次

2.8.3 同时工作喷头数

计算公式为：

np=Np/(nd×T)

(8)

式中：np为每次同时工作的喷头数，个；Np为灌区内喷头工作点总数，224个；nd为每日喷洒工作点数，4次；T为设计灌水周期，3.5d。

由此可得，np=224/(4×3.5)=16个

2.8.4 轮灌方案的确定

该项目区总共14个轮灌区，项目区内干管均为固定，有2根移动支管，每个轮灌区工作时即为一条干管和2根移动支管同时工作，灌溉时，每个喷头在一个位置上的工作时间为4h，每个喷头每天工作4次，即每次轮灌同时工作16个喷头，每天可灌溉4个轮灌区，每天喷洒点数为64点，项目区全部灌完需时间为3.5d[1]。

喷灌轮灌顺序见表2。

表2 喷灌轮灌顺序表

2.8.5 管道系统设计

2.8.5.1 各级管道流量的确定

1)支管流量计算公式为：

(9)

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0.95～0.98；支管的铺设长度L支=135m，共8个喷头同时工作，则Q支=28/0.95=30m3/h

2)干管流量计算包括：每个轮灌区干管流量为Q干= 2Q支=60m3/h。各级管道流量统计见表3。

表3 各级管道流量统计表 m3/h

2.8.5.2 管径选择

1)支管管径：按支管能量损失应满足Hw≤0.2Hp=hf+hj的条件，若暂时按支管局部水头损失hj支=10%hf估算，则hf=0.182Hp[2]。通过沿程水头损失计算公式hf=FfLQm/db经变换后，可得到支管管径计算表达式为：

d支=(fQmLF/0.182Hp)1/b

(10)

式中：hw为同一支管上任意两喷头间支管段水头损失，m；d支为支管管径，mm；△Z为两喷头进水口高程差，0m；hp为喷头设计工作压力，23m；b为管径指数，铝合金管b=4.74；f为摩阻系数，f=0.861×105；m为流量系数，m=1.74；Q为支管流量，Q支=30m3/h；F为多口系数，查表得F=0.392；L为支管长度，L=135m。

由式(10)计算，得出d支≥65mm，则选取76mm外直径的铝合金管作为支管。

2)干管管径的计算公式为：

(11)

式中：D为管道直径，mm；Q为管道流量，Q=60m3/h；ν为经济流速，m/s，取1.7m/s。

由此可得，D=98mm，故干管的外直径取110mm，采用PE管。

2.8.5.3 管道水力计算

支管沿程水头损失计算公式为：

(12)

式中：hfz为沿程水头损失，m；N为喷头和孔口数；X为多孔支管首孔位置系数，即支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；F为多口系数。

局部水头损失计算按照沿程水头损失的10%计算。

干管沿程水头损失计算公式为：

(13)

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

局部水头损失计算按照沿程水头损失的10%计算。

1)支管水头损失计算时：

铝合金管m取1.74，b取4.74，F=0.392，f=0.861×105。

沿程水头损失计算，hf支=FfL支Q支m/d支b=2.26m。

局部水头损失计算，hw支= 0.1hf支=0.23m，

支管总水头损失，h支=hf支+hw支=2.49m。

2)干管水头损失计算时：

硬塑料管m取1.77，b取4.77，f=0.948×105。

沿程水头损失计算，hf=fLQm/d干b=15.76m，

局部水头损失计算，hw= 0.1hf干=1.58m，

干管总水头损失，h干=hf干+hw干=17.34m。

3)首部工程水头损失计算时：

铸铁管m=1.9，b=5.1， f=6.25×105。

沿程水头损失计算，hf首=fL首Q首m/d首b=1.41m。

局部水头损失计算，hw首= 0.1hf首=0.14m。

首部工程总水头损失，h首=hf首+hw首=1.55m。

2.8.6 水泵选型

H=Zd-Zs+hs+hp+∑hf+∑h

(14)

式中：H为喷灌系统设计水头，m；Zd为典型喷点的地面高程，m；Zs为水源水面高程，m；hs为典型喷点的竖直高度，m；hp为典型喷点喷头的工作压力水头，m；∑hf为由水泵进水管至典型喷点喷头进口处之间管道的沿程水头损失，m；∑hw为由水泵进水管至典型喷点喷头进口处之间管道的局部水头损失，m。

由此可得，H=50.38m

查水泵性能手册，结合该项目区实际情况，配1台200QJ63—60/5井用潜水泵。该泵的性能参数详见表3。

表3 泵的性能参数表

2.8.7 水源工程设计

主要包括2个方面：

2.8.7.1 大口井设计

项目区内水源工程为大口井，大口井出水量为60m3/h。大口井拟建完成后，与水泵和输水管道等联合运行，对项目区内10hm2刺五加进行灌溉。

大口井工程位于新宾县红庙子红汉，附近有乡村级道路通过，交通较为便利。

2.8.7.2 井房设计

工程首部工程配置了水泵、逆止阀、压力表等设施，为保障这些设施安全可靠、良性运行，需修建一座泵房，泵房尺寸：5m(长)×3m(宽)×2.62m(高)，面积15m2。

首部工程示意见图2，泵房示意见图3。

图2 首部工程示意图

图3 泵房示意图

3 工程投资概算

项目区灌溉工程总投资13.95万元，平均投资930元，其中：建筑工程投资5.97万元(水源工程投资4.67万元，灌溉工程投资1.29万元)，设备及安装工程投资7.12万元(首部工程投资1.66万元，管网工程投资5.46万元)，独立费用投资598.04元，基本预备费投资4063.17元。

[1]要永在.牧场草种生产基地喷灌工程设计要点[J].内蒙古水利,2014(01):51-52.

[2]王红江.农业节水喷灌工程建设和管理探讨——以山西省平陆县横尖村节水喷灌工程为例[J].科技情报开发与经济，2008，18(34):215-216.

1007-7596(2014)10-0056-04

2014-05-26

郭鹏(1980-)，男，辽宁抚顺人，工程师，从事水利工程管理工作。

S277

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