半固定式喷灌系统在农田灌溉系统中的设计应用

魏志峰　马衣峰　马清坡

半固定式喷灌系统在农田灌溉系统中的设计应用

魏志峰马衣峰马清坡

半固定式喷灌系统常用于大田作物。该系统主要特点是：水泵和输水干管固定，而支管和喷头则可移动。移动的方式有人力搬移、滚移式，由拖拉机或绞车牵引的端拖式，由小发动机驱动作间歇移动的动力滚移式、绞盘式以及自走的圆形及平移式等。目前，徐州地区大多采用人力搬移移动方式。其投资比固定式喷灌系统少，喷灌效率较移动式喷灌系统高。

一、基本情况

新沂市草桥镇半固定式喷灌工程，灌区田块南北长246m，东西长417m，由4个小灌区组成，本期工程实施其中3个小区，面积为110亩。灌区内地形平坦，土质为砂壤土，种植作物以蔬菜为主。考虑到该区所植作物需水量大，且经济价值较高，规划采用半固定喷灌灌溉形式。

二、设计依据

设计根据《喷灌工程技术规范》（GBJ85-85）、《节水灌溉技术规范》（SL207-98）要求。

三、系统的规划设计

1.喷灌系统规划设计参数的确定灌溉水利用系数：η=0.85；

灌水均匀度：Cu=85%；

设计耗水强度为6mm。

2.拟定灌水定额与灌水周期

（1）灌水定额

式中：m—设计灌水定额，mm； Y—土壤容重，kg/cm3，取0.00132 kg/cm3；h—计划湿润层深度，cm，取30cm；β1—适宜土壤含水量上限（重量百分比），取田间持水率的100%；β2—适宜土壤含水量下限（重量百分比），取田间持水率的80%；η—喷洒水利用系数，取0.85。

将以上数据代入上式，计算得：

（2）灌水周期：T=mη/Ea

式中：T—设计灌水周期，d；Ea—日需耗水量，取6mm；η—喷洒水利用系数，取0.85。

计算得：T=26/6×0.85=3.68（d），取T=3d。

3.系统总体布置及喷头选型

（1）选择喷头

喷头选用PY1系统摇臂式喷头，型号为PY115sh，喷嘴直径为7mm，选取设计参数如下：工作压力Hp=300kPa，喷头流量q=2.96m3/h，最大射程R=18m，单喷头喷灌强度ρs=2.92mm/h；该喷头雾化指标为：Pd=100Hp/d=100× 300/7=4286，根据《规范》，适宜的雾化指标为4000～5000，可见所选喷头雾化指标符合《规范》要求。

（2）确定喷头组合间距

该区风向多变，平均风速1.8m/s，因此喷头布置采用正方形组合形式，按喷灌均匀度不低于0.80的要求，间距系数《规范》1.0，则a=b=18×1=18（m）。

（3）校核喷灌强度

组合喷灌强度为 ρ=1000q/ ab=1000×2.96/18×18=9（mm），根据《规范》，砂壤土最大允许喷灌强度为15mm/h，故设计喷灌强度符合《规范》要求。

（4）系统布置

总体采用二级管道布置，支管采用单“非”字形布置，灌区采用区内清水井作为灌溉水源，干管从水源井向北铺设，沿线每隔18m设一阀门井，移动支管垂直干管沿东西向布置。整个灌区共有喷灌点208个，设计每条移动支管可布置5～11个喷头，整个灌区移动支管喷灌位设为18个。

4.拟定工作制度

（1）在一个喷点上的喷洒时间

t=abm/1000q

式中：t—喷头在一个喷点上的喷洒时间，h；a—喷头间距，取18m；b—支管间距，取18m；m—设计灌水定额，取26mm；q—喷头流量，取2.96m3/h。

将以上数据代入上式，计算得：t=18×18×26/1000×2.96=2.85（h），取t=3h。

（2）喷头每日可工作的喷点数

n=tr/（t+ty）

式中：n—喷头每日可工作的喷点数；tr—喷头每日喷灌作业时间，取12h；ty—移动支管时间，取1。

将以上数据代入上式，计算得：n=12/4=3个。

（3）计算每次同时工作的喷点数

np=N/（n·T）

式中：np—每次需要同时工作的喷点数，个；N—喷灌区内移动支管喷灌位总数，18个；T—设计灌水周期，取3d。

代入数据计算得：np=18/（3×3）=2个，即每次轮灌需要2条移动支管（带11个喷头）工作即可。

5.拟定轮灌顺序

轮灌时，考虑到承包农户较多，供水具有随机性，该设计考虑最佳轮灌组合，以最不利因素考虑。

6.干、支管流量推算

每条支管有11个喷头工作，每个喷头的流量为2.97m3/h，即每条支管的流量为32.67m3/h，每一轮灌组有2条支管工作，故干管流量为67.94m3/h。

7.管道选择

（1）支管选择

每区配4套移动支管（含立管、喷头、支架等）。为使支管首末两个喷头工作压力之差应在喷头设计工作压力的20%以内，满足这一要求的各区每套支管的最小管径计算公式为：

式中：f—摩阻系数，取0.948× 105；L—管长，取192m；Q—流量，取32.67m3/h；m—流量指数，取1.74；b—管径指数，取4.74；F—多口系数；X—多孔支管首孔位置系数，取0.5；N—喷头数，取11只。

经计算，F=0.384，将以上数据代入上式，计算得：Dmin=70.13（mm），选择Ф76 mm×0.6MPax铝管。其内径为72.6mm，大于70.13mm，符合技术设计要求。

（2）干管选择

D经=1.13（Q/3600V经）1/2

式中：Q—流量，取 67.94m3/h；V经—经济流速，2.3m/s。

计算得D经=0.102m=102mm。即选择Ф110PVC管材，其内径为103mm。

8.水力计算

（1）支管入口压力水头

该设计中因最大水头损失产生在支管末端喷头，所以应该用末端喷头入口压力作为计算基础。立管选用内径为Ф33mm、长度为1m的铝管。根据国家标准GBJ85-85，末端喷头工作压力水头以设计压力的90%计，喷头的工作水头以竖管上距喷头进口0.2m处的压力水头计。用下式计算支管入口压力：

式中：H支—支管入口压力水头，m；hf′—支管及站杆水头损失，m；hp—喷头设计工作压力水头，m；△Z—支管入口地面高程到工作压力最低的喷头进水高程差，取0。

因此，支管入口压力水头为：H支=

（2）干管入口压力

干管流量67.94m3/h，最不利工况为移动支管离水源最远端，计算管长226m，公式如下：

计算得h干=10.33m。即干管入口压力h干=32.93+10.33=43.26m。

（3）系统总扬程

式中：H—系统总扬程，m；△H—水泵、吸水管及首部设备的水头损失，假定为2m；h动水位—水源动水位，取15m。

经计算：H=43.26+2+15=60.26（m）。

9.水泵选型

根据系统总扬程H=60.26m，流量67.94m3/h，查水泵性能表，选用200QJ63-60/5电泵，配套电机功率18.5kW。

10.首部枢纽设计和管网设计

（1）喷灌系统的首部枢纽设备

各种设备的选用如下：①水泵：选用200QJ32—65/5电泵，电机功率11kW；②过滤器：选用4″筛网式全塑过滤器；③压力表：用弹簧压力表；④逆止阀：采用规格为Ф100。

（2）喷灌管网

由干管、移动支管两级管道组成，在水源井的两端设置控制阀，在干管的末端设置冲洗阀。在干支管的拐弯处，末端应设置固定墩。干管埋深0.80m。

四、结束语

工程采用该设计方案进行施工安装，竣工后灌溉效果比较理想。鉴于徐州市目前大田蔬菜种植规模较大，推广应用半固定式喷灌系统节水灌溉技术前景广泛。科学合理的工程设计，不仅有利于工程实施阶段的效益优化，而且为工程建成后的日常管理应用提供了方便，从而为地区大面积推广节水灌溉技术奠定了基础■

（作者单位：江苏华禹水利工程处221018丰县水利局221700徐州市水利局221002）

（专栏编辑：顾梅）