棉花种植中半固定式小型喷灌系统参数设计分析

辛娅文

（塔里木河流域喀什管理局，新疆 喀什 847000）

0 引言

据权威部门统计：2018 年我国棉花产量约为609.6 万t，其中仅新疆自治区产量就达到511.1 万t，占全国总量的84%左右，是我国最重要的棉花生产基地。新疆地广人稀，第一产业在经济总量中所占比重较大，发展现代化、集约化农业对自治区可持续发展意义重大。节水灌溉是现代农田水利建设的重要内容，半固定式喷灌系统作为中小型地块的灌溉形式目前得到广泛应用。

1 设计地块概况

由于受地形条件影响，目前中小型灌区（面积小于100 亩）是自治区最普遍的种植单元，因此中小型灌区节水灌溉形式和参数设计对提高用水效率有着重要作用。通过对乌鲁木齐市周边区域现场调研，以100 亩左右的灌溉地块最为常见，所以本文以100 亩地块作为设计对象，通过测定，地块有关概况见表1。

表1 设计地块概况（面积：100 亩）

2 棉花灌溉定额和周期计算

（1）棉花灌水定额计算

设计灌水定额m计算公式见式（1）[1]，根据新疆自治区发布的各地区各种灌溉形式的用水定额，总结出乌鲁木齐市周边棉花灌溉定额见表2，本项目设计采用喷灌，因此确定m=28 m3/亩。

式中：γ 为土壤容重，g/cm3；h 为土壤计划湿润层深度，50 cm；β1、β2为土壤含水量上、下限；η 为灌溉水利用系数，取值 0.9。

表2 乌鲁木齐地区灌溉定额参考数值

（2）灌溉需水量计算

净灌溉需水量Wj计算公式见式（2）[2]，得出本项目设计地块每次灌溉用水量约3.08 万m3。按照棉花在整个生育期内需灌溉4 次（出苗期、现蕾期、花玲期、吐絮期）进行计算，整个周期需水量约12.32 万m3。

式中：A 为种植总面积，100 亩。

（3）灌水周期计算

在此根据农作物日需水量E（取值4.5 mm/d）作为计算灌水周期T 的标准，计算公式见式（3），求得T≈6 d。

3 半固定式小型喷灌系统参数设计

目前，喷灌主要分为固定式、半固定式、移动式三类，其中固定式喷灌虽然后期管理方便，但是初期各种设施投资成本太高，因此排除；移动式喷灌虽然大大提高了设施利用效率，且灌溉质量好，不过拆装作业繁重，管理不便，因此排除。所以最终本项目选取半固定式喷灌作为灌溉方式。

3.1 灌溉流量设计计算

灌溉流量Qm直接决定了喷灌系统的所有设计参数，该参数与灌水定额、灌溉周期、喷灌系统可工作时间均相关，在此采用直接计算法，公式见式（4）[3]，得出 Qm=33.3 m3/h。

式中：t 为半固定式喷灌系统每天工作时间，取值14 h。

3.2 输水管道参数设计计算

（1）管网布置方式设计

本项目设计地块平坦，且形状基本为矩形结构，在此设计管网布置为最简单的“丰”字形结构。管网分四级：主干管、干管、分干管、支管（布置方式见图1）。将100 亩地块规划为Ⅰ、Ⅱ两个区，每个区都有一样的喷灌系统[4]。

图1 本项目管网布置示意图

（2）管道系统设计

1）支管设计

由于支管每次灌溉作业时需要人工拆装，耐用性必须好，在此选用带有快速接头的薄壁铝合金管，具体规格：每段长8 m，6 段组成一条。每条支管上设置3 个喷头接口，为保护接口，支管与分干管连接处设置3 m 长软管连接（具体见图2）。

图2 支管设计示意图

支管管径由流量、水压确定，越靠近顶端，支管压力和流量越小，因此只要保证最后喷头的流量和压力满足灌溉要求，其他喷头自然满足[5]。由于计算复杂，在此通过试验室试验并结合其他地区工程经验确定，本项目支管参数具体见表3。

表3 支管参数

②干管和分干管设计

本项目分管和分干管全部采用UPVC 管，每节长度为3 m，埋设于地下，管径D 保持一致，采用“理论计算结合实际经验”确定，其中计算公式见式（5），该公式仅适用于设计流量小于120 m3/h。求得D=46.87 mm，因此选取外径63mm、内经58mmUPVC管。

3.3 喷头参数设计

（1）喷头选型设计

喷头选型与地形、土壤、作物、气候、水源等条件息息相关，选择合理的喷头既能发挥节水效果，又能降低工程造价。目前一般根据喷头射程的不同，将其分为三类：近射程（5 m～14 m）、中射程（14 m～40 m）、远射程喷头（大于40 m）。其中近射程喷头水形和雾化效果好，但不适合大面积灌溉；中、远射程喷头适合大面积、平地灌溉，且综合造价比近射程喷头低。

本项目是大田粮食作物，因此选用中射程喷头，通过市场调研，PY120 型金属摇臂式喷头，其具体技术参数见表4。

表4 PY120 型金属摇臂式喷头技术参数

（2）喷头间距设计

目前，喷头基本布置形式有以下两种：矩形和平行四边形（见图3），为了方便拆装，本项目设计采用矩形布置形式。考虑到乌鲁木齐地区风向多变，因此设计喷头行距和列距相等。

图3 喷头矩形布置（左）和平形四边形布置（右）

乌鲁木齐地区灌溉月份平均风速为2.2 m/s，根据经验选取纵向、横向最大射程比k 均为0.9，且喷头射程根据水压确定在20 m，所以可求得间距a=b=18 m。

（3）喷灌强度计算

喷灌强度是评价喷灌效果的重要指标之一，若强度太大，会侵蚀土壤，破坏地表结构；若强度太小，会造成灌溉时间延长，水分蒸发量增加，提高了灌溉综合成本。本项目设计喷灌强度ρ 计算公式见式（6），求得ρ=7.29 mm/h。通过查找相关规范可知：砂壤土最大允许喷灌强度为15 mm/h，所以设计值满足规范要求。

式中：kw为下风系数，1.5；Cρ为全圆喷洒方式下布置系数，1.8；ρs为喷灌强度，当风速小于1 m/s 时，喷灌强度为2.7 mm/h。

4 结语

半固定式喷灌系统特别适用于中小地块农田水利建设，相对于固定式喷灌成本降低很多，而且灌溉时人力作业较少，三四个人就可完成100 亩左右农田的灌溉任务，这对节约农村劳动力成本意义重大，也对目前农民种田积极性影响重大。本项目通过试验设计了乌鲁木齐地区100 亩地块半固定式喷灌的详细参数，通过在实际应用中不断改进后，取得的成功经验必然能够应用于相似地区中小地块建设，对促进自治区现代化农业发展有着积极作用。