大棚蔬菜微喷灌系统典型工程设计实例

李永刚 秦海霞

（1.黄河勘测规划设计有限公司 河南郑州 450003；2.河南省水利科学研究院 河南郑州 450003)

1 前言

微喷灌是以小流量进行局部高频灌溉的一种灌水型式，其灌水均匀，灌溉水利用率高，一般仅湿润作物和植物根区附近的土壤，能显著减少地表水分蒸发，节水效果显著，并可适时适量供水供肥，使作物根系活动层土壤一直处于良好的水、热、气和养分供给状态，能改善田间小气候和作物生长环境，易于调节土壤湿润体内盐分浓度，为作物增产和改善品质提供有力条件，特别适合于蔬菜大棚、苗圃、花卉等灌溉。

典型区位于中牟县北部狼城岗镇瓦坡村，为黄河中下游冲积扇南翼之首，区内地势比较平缓，以蔬菜种植为主，灌溉水源为地下水，单井出水量约32m3/h，水质符合农业灌溉用水要求。现以单眼井所控制的大棚蔬菜微喷为例阐述微喷灌设计具体步骤。

2 工程设计方案

2.1 系统总体布局

微喷灌系统由水源工程、首部枢纽、输配水管网和灌水器四部分组成。典型区灌溉水源为地下水，单井控制面积 8hm2；系统首部主要包括200QJ32-65/5型水泵、变频调速控制柜、3"离心+网式过滤器，施肥灌、控制阀、进排气阀等，其作用是从水源取水增压并将灌溉水处理成符合灌溉要求的水流送给输配水管网；系统输配水管网由干管、分干管、支管、毛管及安全、控制和调节装置组成，其作用是将首部枢纽处理过的水安全合理的输送分配到灌水器；采用的是241T吊旋微喷头。

2.2 技术参数选取

灌溉设计保证率：85%；土壤湿润比：P=70%；设计耗水强度：Ic=5.5mm/d；灌溉水利用系数：η =0.85；计划湿润层深度：Z= 0.35m；灌水小区流量偏差： qv=20%；微喷灌的允许灌水强度取：p允=15mm/h。

3 灌溉制度的确定

3.1 设计净灌水定额

式中：

m—设计净灌水深度，mm；

β—土壤中允许的缺水量占土壤有效持水量的比例，取27%；

Fd、ω0—田间持水量和凋萎系数，项目区为轻壤土，田间持水量取32%，凋萎系数取9%。

计算得设计净灌水定额 m=15.21mm。

3.2 设计灌水周期

式中：

Ia—设计补水强度，等值于设计耗水强度，5.5mm/d；

计算得设计灌水周期为2.7天。

3.3 一次灌水延续时间

式中：

t一次灌水延续时间，h；

Se—灌水器间距；

Sl—毛管间距；

Qp—微喷头流量。

设计喷头选用241T旋转微喷头，工作压力Hp为 220Kpa，微喷头流量Qp为 48L/h，射程R为 3.1m。毛管间距和灌水器间距均确定为3m，经计算，一次灌水延续时间t=3.4h。

3.4 单井控制面积

式中：

A—灌溉面积，hm2；

Q—单井出水量，m3/h，为32m3/h；

Ia—设计补水强度，等值于设计耗水强度，5.5mm/d；

t—单井日工作时数，h/d，取16h/d；

η—灌溉水利用系数，取0.85。

经计算，单井控制面积A=7.9hm2。典型区大棚规格100m×10m，间距0.5m，则设计综合确定单井控制面积为8.0 hm2，单眼井控制76个大棚。

4 管路设计

4.1 布置原则

工程管网布置遵循下列原则：根据项目区土壤、作物、气候等条件，尽量立足当前，兼顾长远，选择固定式系统；干管采取双向分水布置形式，要做到管线平顺，尽量减少拐弯、起伏现象，力求使管道总长度最短，在平面和立面上尽量减少转折；应避免穿越障碍物，并避开地下电力、通信等设施。水源分配均匀一致，避免管道之间出现流量过于集中和过于分散的状况，满足各用水单位需要，能迅速分散水流，管理维护方便。输配水管道沿地势较高位置布置，支管宜垂直于作物种植行布置，毛管宜顺作物种植行布置。

4.2 支、毛管水头差分配与毛管极限长度确定

4.2.1 支、毛管水头差分配

当qv=20%时，灌水小区允许水头差为：

式中：

hmax—灌水小区中灌水器最大水头(m)；

hmin—灌水小区中灌水器最小水头(m)；

ha—灌水器设计水头，为22m；

qv—灌水小区流量偏差，为20%；

x—流态指数，为0.5；

［△h］—灌水小区允许的最大水头差(m)。

计算可得hmax=28.09m，hmin=19.03 m，［△h］=9.06m。

根据支、毛管水头差分配比

式中：

［△h］毛—灌水小区中毛管允许的最大水头差(m)；

［△h］支—灌水小区中支管允许的最大水头差(m)。

计算可得［△h］毛=4.98 m、［△h］支=4.07 m。

4.2.2 毛管极限长度

毛管极限长度为：

式中：

L毛—毛管的极限长度(m)；

S—微喷头间距(m)；

INT—取整符号；

［△h］毛—灌水小区中毛管允许的最大水头差(m)；

d—毛管内径，为15.4mm；

R—水头损失扩大系数，R取1.1；

qa—微喷头流量(L/h)。

计算可得：L毛=60m。

4.3 管网布置与轮灌组划分

4.3.1 毛管布置

每座大棚从中部沿长边分别布置3根毛管，毛管允许单向铺设长度60m，实际单向铺设长度46.5m，毛管间距3m，毛管上微喷头间距3m，一根毛管上布置16个微喷头。

4.3.2 干、支管布置

干管采用Φ110的PVC管；分干管采用Φ50的PVC管，垂直于干管方向布置在两座大棚中间，分干管由球阀控制向支管双向供水；支管采用Φ32的PE管垂直于毛管方向布置，每座大棚中间布置一条支管，向两侧毛管配水，支管长度为8.25m。

4.3.3 轮灌组划分

系统允许的最大轮灌组数为：

式中：

Nmax—系统允许的最大轮灌组数(个)；

C—系统日最大运行时数(h)，取16h；

T—灌水周期(d)；

t—一次灌水延续时间(t)。

计算可得：Nmax=13个。

每座大棚从中部沿长边分别布置3根毛管，一根毛管上布置 16个微喷头，一座大棚布置 6根毛管，则单个大棚设计流量：

Q棚=6×16×48=4608L/h=4.6 m3/h

根据机井出水量Q井=32m3/h，同时可以进行微喷灌的大棚数量N=Q井/ Q棚=6.96（个)，约以7个大棚为一个轮灌组。由前文计算单井同时可控制约76个大棚，故可划分为11个轮灌组，小于系统允许的最大轮灌组数为 13个。单井可同时控制42根毛管672个微喷头同时工作，按轮灌组顺序轮灌即可。

5 管网水力计算

5.1 毛管实际水头损失

微灌管道内的水流属于光滑紊流，常采用下式进行计算：

式中：

Δ h毛—毛管水头损失(m)；

Q—流量(m3/h)；

D—管道内径(mm)；

L—管道长度(m)；

F—多口系数；

R—水头损失扩大系数，R取1.1。

每条毛管流量为：

q毛=16×48/1000=0.768m3/h；多口系数，经查取0.376，毛管内径15.4mm。经计算毛管实际水头损失为2.32m。

因此，毛管进口水头为：

5.2 实际分配给支管的水头差

式中：

△h支实际—支管实际水头差(m)；

［△h］—灌水小区允许的最大水头差(m)；

h毛实际—毛管实际水头差(m)。

由上式计算可得：

5.3 支管管径与支管进口水头计算

5.3.1 支管流量

式中：

Q —某级管道的设计流量，L/h；

qi—第i号微喷头平均流量，48L/h ；

n —同时工作的滴头个数

一根支管控制6根毛管，一根毛管上布置16个微喷头，则支管流量为Q支=6Q毛=6×16×48×0.001=4.6m3/h。

5.3.2 支管管径

其中：

D—管道内径(mm)；

Q—设计流量(m3/h)

经计算，管道内径为27.9mm。根据计算结果，支管管径选定为φ32mm，支管长8.25m。

5.3.3 支管进口水头：

支管是沿程多口出流管道，其水头损失需采用多口系数修正。管道水头损失包括沿程水头损失与局部水头损失两部分。为简化计算，在计算沿程水头损失时采用加大系数法把局部水头损失估算在内。简化后的管道水头损失计算式为：

计算公式为：

式中：

F—多口系数，经查取0.401；

R—水头损失扩大系数，R取1.1；

其他符号意义同上。

经计算支管水头损失h支=0.49m＜△h支实际，满足要求。

则支管进口水头为：

5.4 干管管径及干管进口水头计算

5.4.1 管径选择

分干管：由系统工作制度可知，一根分干管控制两座大棚，则分干管流量为2×4.6=9.2m3/h。按照经济流速法计算公式，经计算管道内径为39.4mm。根据计算结果，分干管管径选定为50mm，工作压力0.6Mpa，管道内径为45.4mm。

干管：干管流量原则上为水泵出水量即：Q干=32m3/h，按照经济流速法计算公式，经计算管道内径为73.54mm。根据计算结果，并考虑项目区以后扩大生产的需要，干管管径选定为110mm，工作压力0.8Mpa，管道内径为102.2mm的PVC管。

5.4.2 进口水头

干管、分干管分别选取距水源点最远端的距离计算沿程水头损失，其长度分别为干管202m、分干管55m。

管道水头损失包括沿程水头损失与局部水头损失两部分，同上采用加大系数法计算水头损失。简化后的管道水头损失计算式为：

式中：

f—系数，由管材决定，为0.948×105；

Q—流量，Q干=32m3/h，Q分干=9.2 m3/h；

m、b—指数，m=1.77，b=4.77；

L—管道长度；

R—水头损失扩大系数，R取1.1

经计算，分干管水头损失为3.63m，干管水头损失为2.40m。

则干管进口水头为：

5.5 系统扬程确定

首部枢纽水头损失（包括过滤器、控制阀、施肥装置、泵管等)按△h首部=10m估算，项目区机井动水位与井口地面参考点高差按20m计，微喷头离地高度为2.5m，由上式计算可得系统总扬程：H=27.82+10+20+2.5=60.32m。

5.6 水泵选型及动力配套

根据以上计算，系统扬程60.32m，典型区机井出水流量32m3/h，查水泵性能表，拟选用水泵型号200QJ32-65/5，配套功率为9.2kw。

6 结论

当前我国水资源十分紧缺，怎样用好宝贵的水资源，使其产生更大的经济效益显得尤为重要。微喷灌作为一种高效节水灌溉工程型式，不仅能省水、省肥、省时，而且具有节能、增产等优点，还能控制棚内温度、湿度、减少病虫害发生，提高作物产量与质量，在设施农业和特色农业种植中值得推广应用。在进行微喷灌工程设计时，首先弄清水源情况，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。

1.钟志强.微喷灌技术在马迹岭灌区中的应用（J).黑龙江水利科技，2012（10).

2.洪艳，李家振等.简述微喷灌技术在大棚灌溉系统中的应用（J).科学技术，2010（2).

3.王凤民，张丽媛.微喷灌技术在设施农业中的应用（J).地下水，2009（11).

4.朱春阳.滴灌在高效节水农业工程中的应用设计（J).湖南水利水电，2010（4).

5.水利部农村水利司，中国灌溉排水发展中心.微灌工程技术[M] .郑州：黄河水利出版社，2012.

6.水利部农村水利司，中国灌溉排水发展中心.节水灌溉工程实用手册[M] .北京：中国水利水电出版社，2005.

7.中华人民共和国住房和城乡建设部.GB/T 50485-2009 微灌工程技术规范[S].北京：中国计划出版社，2009.