中心支轴式喷灌机在高效节水灌溉工程中的典型设计

王 钊

(唐山市水利规划设计研究院，河北 唐山 063000)

中心支轴式喷灌机在高效节水灌溉工程中的典型设计

王 钊

(唐山市水利规划设计研究院，河北 唐山 063000)

中心支轴式喷灌机是一种现代化程度很高的高效节水灌溉设备。本文以唐山市古冶区一座中心支轴式喷灌机作为典型，介绍了从基本资料收集、计算灌水定额、制定灌溉工作制度到水泵选型的设计过程，希望能为今后中心支轴式喷灌机的标准化设计提供一些经验。

中心支轴式；节水灌溉；喷灌机；典型设计；灌溉工作制度

中心支轴式喷灌机又称指针式喷灌机或圆形喷灌机，是一种现代化程度很高的高效节水灌溉设备。具有自动化程度高、喷洒质量好、土地利用效率高、综合利用好、适应性强和地面工程设施少等优点。中心支轴式喷灌机在现代农业建设中发展很快，应用数量在全国每年以超过千台的速度在增加[1]。

中心支轴式喷灌机由中心支座、塔架车、桁架、末端悬臂和电控同步系统等部分组成，支管由薄壁镀锌钢管连接而成，其上按一定要求布置许多低压喷头，装有喷头的桁架支撑在若干塔架车上组成喷灌机的主体[2]。喷灌机工作时，水通过水泵加压，由地下固定式输水管从中心支座进入喷灌机，经支管输送到各个喷头，驱动机构带动喷灌机主体围绕着自身的中心支座以圆形旋转实现行走喷洒。对于正方形耕地，四个角上无法受水，为了补救，可在末端加远射程喷头，当机组转至地角时，用自动启闭阀门启动远射程喷头对地角做扇形喷洒[3]。

1 项目区概况

以唐山市古冶区一处中心支轴式喷灌机作为典型工程。唐山市古冶区属暖温带半湿润大陆性季风气候区，夏季受海洋性气团的影响，多东风、东南风。冬季受西伯利亚冷气团的影响，多西北风。冬干夏湿，季风显著，四季分明。年平均气温11.2 ℃,最热月为7月，平均气温25.5 ℃；最冷月为1月，平均气温-5.3 ℃，最大冻土深度0.73 m。由于太平洋季风受北部燕山余脉阻挡，古冶区降水比较充沛，年平均降水量648.1 mm，80%的降雨集中在6—9月份，降水年际间相差也较大。全年主导风向为西北，最大风速22.7 m/s。

本文选取的中心支轴式喷灌机典型工程位于古冶区某合作社，地块总面积39.7 hm2，地块形状基本为正方形，地势较为平坦，地面坡度在1/2000～1/2500之间，并且地块内没有障碍物，适合采用喷灌机械进行灌溉。地块种植作物为油牡丹，是一种经济效益较高的油料作物。项目区土壤类型为沙壤土，土壤干容重为1.5 g/cm3。喷灌机水源采用项目区内3眼机井供水，每眼机井出水量为40 m3/h，共出水120 m3/h。地块附近有变压器，可输出380 V/50 Hz的三相交流电，可满足喷灌机组及水泵的要求。

2 设计灌水定额与灌水周期

典型地块种植的油牡丹是一种多年生小灌木，生长期从3月15日—6月15日。喷灌的灌溉设计保证率为90%。根据油牡丹的需水规律，计算其各生长期的灌水定额，以确定喷灌机在各生长期内的不同工作制度，油牡丹灌溉制度见表1。本文仅以其需水量最大的生长期作为范例设计喷灌机工作制度，其他生长期的工作制度可采用相同方法设计，本文不再赘述。

表1 油牡丹灌溉制度

油牡丹的最大灌水定额按公式(1)计算：

m=1000γh(β1-β2)

(1)

式中：m为最大净灌水定额，mm；h为计划湿润层深度，m，油牡丹取40 cm；γ为土壤干容重，g/cm3，沙壤土取1.5 g/cm3；β1为土壤适宜含水率上限，%，土壤适宜含水率上限为田间持水量的95%，田间土壤持水量以质量百分率计，取23%，则β1=23%×95%=21.9%；β2为土壤适宜含水率下限，%，土壤适宜含水率的下限为田间持水量的65%，则β2=23%×65%=15.0%。

经计算，油牡丹的最大净灌水定额为41.4 mm，喷灌系统灌溉水利用系数为0.85，则油牡丹喷灌的毛灌水定额为49.87 mm。

设计灌水周期由式(2)确定：

T=m/ETd

(2)

式中：T为设计灌水周期，d；m为设计净灌水定额，mm；ETd为作物需水高峰期平均日耗水量，mm/d，取设计保证率90%年份下灌水临界期的平均日需水量，根据试验资料取4.3 mm/d。

经计算油牡丹的设计灌水周期T=9.62 d，取9 d。

3 喷灌机典型设计

3.1 总体布置

典型地块接近正方形，喷灌机机组实体长度取304 m，机组末端加装尾枪，用来喷射方形地块的四角部分，转到角处自动开始喷射，尾枪的最大射程为20 m，则喷灌机的有效长度为324 m。喷灌机的中心支座位于地块中心点附近，通过管道由地块内的3眼水源井同时供水。动力部分由地块边界的输电线路接地埋式电缆到中心点，机组工作电压为380 V/50 Hz，现有项目区用电线路即可满足机组要求，不需另外配设变压器。项目区地形可以满足中心支轴式喷灌机对地面坡度不大于15°的要求，可以正常运行，局部有沟坎的地方可以将机组轮胎工作轨迹垫平处理。

根据所需的机组长度，典型设计机组采用56×3+62×2+12+EG的配置，即从内向外分别为：跨体有5跨，分别为56 m、56 m、56 m、62 m和62 m，外侧为12 m的悬臂，悬臂末端装尾枪(EG)，共配置5个塔架车。设备最低点离地高度为2.5 m。喷头使用S3000型散射型喷头，喷洒直径12.8～16.5 m，喷洒均匀度较高。

3.2 喷灌机按灌水定额灌溉所需运行时间

(3)

式中：T为喷灌机按灌水定额灌溉所需运行时间，h；A为喷灌机控制面积，m2；m为最大毛灌水定额，mm；Q为喷灌机机组设计流量，按水源井总出水量120 m3/h计。

根据以上参数，该典型地块喷灌机按灌水定额灌溉所需运行时间为153.6 h(6.4 d)，小于作物设计灌水周期9 d，可满足典型地块作物的灌溉要求。

3.3 喷灌机运行速度及运行一圈最小、最大时间

喷灌机运行速度受驱动电机最大运行速度和土壤允许最大喷灌强度的制约。其运行速度上限为驱动电机在额定转速时的运行速度，此时喷灌机运行一圈的时间即为运行一圈最小时间；喷灌机运行速度下限应满足喷灌强度不高于典型地块沙壤土的允许最大喷灌强度，速度过慢将导致喷灌强度过大产生地表径流，此时喷灌机运行一圈的时间即为运行一圈最大时间。

运行一圈最小时间按(4)式计算：

(4)

式中：Tmin为喷灌机运行一圈所需最小时间，h；L为中心支座到最远塔架车之间的距离，m；n为电动机额定转速，r/min；D为配套车轮有效外径，m；i为行走驱动装置减速器的总速比，无量纲。

电动机的转速额定为1450 r/min，车轮外径为1.26 m，总减速比为200∶1，典型地块L为304 m。经计算机组运行一圈最小时间为11.09 h。

运行一圈最大时间按(5)计算：

(5)

式中：Tmax为喷灌机运行一圈所需最大时间，h；ρ为沙壤土允许最大喷灌强度，mm/h。

根据《喷灌工程技术规范》(GB 50085-2007T)[4]，沙壤土允许最大喷灌强度为15 mm/h，经计算机组运行一圈最大时间为36.27 h。

3.4 喷灌机工作制度

喷灌机的工作制度是由机组主控制箱内的百分率定时器决定的，可根据作物的需水要求，调整百分率计时器的旋钮，使电动机按百分比计时器调整的时间间隔运行，以达到控制整个机组的运行速度[5]。

根据以上分析，喷灌机设计每圈工作时间应在11.09～36.27 h之间，而按设计灌水定额所需工作时间为153.6 h，本次典型设计将该喷灌机组设计每圈工作时间确定为25.6 h，机组运行速度比例为43.3%，此时转6圈即可保证灌水量达到设计灌水定额。

4 水力计算与水泵选型

利用3眼机井作为水源，3台水泵并联运行为典型设计的喷灌机供水。输水管水力计算的内容分别是计算各水泵至中心支座的输水管的总水头损失，即泵管、干管的沿程水头损失和局部水头损失之和。

水泵扬程按式(6)计算：

H=H井+Hf+Hp

(6)

式中：H为水泵扬程，m；H井为机井动水位埋深，m；Hf为输水管总水头损失，m；Hp为喷灌机入口处设计工作水头，为25 m。

根据项目情况，水力计算与水泵扬程计算结果见表2。

表2 项目水力计算与水泵扬程计算表 m

根据计算的总扬程和流量确定水泵的型号，该中心支轴式喷灌机水源选用3台200QJ40-65型潜水泵，水泵流量为40 m3/s，扬程为65 m，电机额定功率为11 kW。

5 结 论

(1)在古冶区高效节水灌溉工程中，选择比较典型的一处中心支轴式喷灌机进行设计，步骤为：首先是项目区基本资料的收集，包括气象、地形、种植作物、土壤、水源、电力等情况；然后根据种植作物，计算其灌水定额；再根据灌水定额，制定喷灌机在的工作制度，做到按需灌溉；最后进行供水管道水力计算和水泵选型。

(2)确定喷灌机工作制度方面，目前尚没有设计标准和规范，本文在按作物设计灌水定额进行设计的同时考虑了土壤允许最大喷灌强度等因素对喷灌机运行速度的限制，使喷灌机工作制度的设计更加科学合理。

[1] 兰才有，仪修堂，薛桂宁，等．中国喷灌设备的研发现状及发展趋势[J]．排灌机械，2005(1)：1-6．

[2] 赵竟成，任晓力．喷灌工程技术[M]．北京：中国水利水电出版社,1999．

[3] 罗春青，李桂玲,张鑫，等．中心支轴式喷灌机在通辽地区应用参数确定及田间工程设计[J]．内蒙古民族大学学报(自然汉文版)，2013，28(6)：651-654．

[4] 中华人民共和国建设部. 喷灌工程技术规范：GB/T 50085-2007[S]．北京：中国标准出版社，2007.

[5] 《喷灌工程设计手册》编写组．喷灌工程设计手册[M]．北京：水利电力出版社,1989．

Typical design of center-pivot irrigation system in high effect water-saving irrigation engineering

WANG Zhao

(Water Resource Planning and Design Institute of Tangshan，Tangshan 063000，China)

The center-pivot irrigation system is a kind of high modernized equipment for high effect water-saving irrigation. This paper takes a center-pivot irrigation system in Tangshan Guye District as a typical example. It introduces the design process including data collection, irrigation amount calculating, irrigation scheduling making and pump choosing. It will provide some experiences for the standardization design of center-pivot irrigation system.

center-pivot；water-saving irrigation；irrigation system；typical design；irrigation scheduling

王 钊(1985-)，男，河北唐山人，工程师，主要从事水利规划设计方面的工作。E-mail:zhao.678@163.com。

S277.9+4

A

2096-0506(2017)07-0052-04