海安苗圃水肥一体化项目设计浅析

王自强王晓旭周伟刘东旭王宝杰郑雪松

(1.中化化肥有限公司，北京 100031；2.中化(烟台)作物营养有限公司，山东 烟台 265500)

水肥一体化技术是基于节水灌溉和植物营养的综合应用，需要灌溉设备、水溶肥料与灌溉施肥制度紧密结合[1，2]。规模种植基地应用水肥一体化技术一般从严谨的节水灌溉设计开始[3]，选择性价比高的灌溉施肥设备组合和便于自动化的水溶性肥料，辅以科学合理的微灌施肥方案，最终实现水肥耦合[4]。本文以海安苗圃为例，对水肥一体化工程项目设计进行分析。

1 项目区概况

1.1 项目区自然条件

海安苗圃位于周吴村、盐场桥村界内，黄海西路以南，占地9.6hm2，园区内主要种植美国红枫。项目区内地势平坦，海拔7m，土壤以暗棕壤壤土为主。耕层厚度为14.1cm，土壤容重γ=1.46g/cm3，田间持水量平均为θmin=26.38%；pH值为6.9，有机质含量2.27%，铵态氮40.7mg/L，硝态氮32.2mg/L，磷41.2mg/L，钾202mg /L，钙镁比为0.2，镁钾比为4.7，冻土层厚12cm。多年平均降水量1076mm，年内降雨多集中在汛期的6—9月，约占全年总降雨量的60%～70%[5]。

1.2 项目设施条件

项目区地势平坦，南北长320m，东西宽290m。距黄海西路120m处有1条东西走向农业生产道路，距离西边界200m处有1条南北走向水泥道路，水泥道路均宽6m。不同小区之间东西向有4条农业生产道路隔开，宽约4m。园区主要种植美国红枫，株行距为4m×3.5m。

1.3 项目水源条件

项目区位于老通扬河南，属于河南高沙土区。项目区内有一不规则露天蓄水池，面积约为4911m2，蓄水深可达2m。蓄水池水源来自老通扬河支流。老通扬河水补给情况良好，水质情况良好，符合农业灌溉用水要求[6]。

2 设计方法

2.1 节水灌溉设计参数

根据《微灌工程技术规范》(GB/T50485-2009)，推荐本园区项目的设计保证率、灌溉水利用系数(η)、计划湿润层深度(Z)、土壤设计润湿比(P)、耗水强度(Ea)等设计参数[7]。

2.2 灌溉制度设计

最大净灌水定额计算公式：

mmax=0.001γzp(θmax-θmin)

(1)

式中，mmax为最大净灌水定额，m；γ为土壤容重，g/cm3；z为土壤计划湿润层深度，cm；p为设计土壤湿润比；θmax为适宜土壤含水率上限；θmin为适宜土壤含水率下限。

灌水周期计算公式：

(2)

式中：T为设计灌水周期，d；Tmax为最大灌水周期，d；Ea为设计耗水强度，mm/d。

设计灌水定额计算公式：

(3)

式中：md为设计净灌水定额，mm；m′为设计毛灌水定额，mm；η为灌溉水利用系数。

一次灌水延续时间计算公式：

(4)

式中：t为一次灌水延续时间，h；m′ 为毛灌水定额，mm；Sr为作物行距，m；St为作物株距，m；ns为每株果树灌水器个数；qd为灌水器设计流量，L/h。

2.3 灌水器水头偏差计算公式

(5)

式中：qv为灌水器水头偏差率(%)；x为灌水器流态指数。

2.4 滴灌带极限长度计算公式

(6)

式中：k为毛管水头损失扩大系数，k=1.1～1.2[10]。

2.5 管道水力计算公式

h进口=hf+hj+ha+ΔZAB

(7)

式中：hf为管道沿程水头损失(m)；hj为管道局部水头损失，一般为沿程水头损失的5%～10%计算；ΔZAB为管道位差[11]。

(8)

式中：F为多口系数，f为摩阻系数，Qg为管道流量(L/h)，L为管道长度(m)。

(9)

式中：N为滴灌管上灌水器数量。

2.6 管道流量和管径计算

滴灌带流量计算公式：Q毛=nqi

(10)

其他管道流量：Q支=NQ毛

(11)

管径经验公式：d= 13Qg0.5

(12)

2.7 灌溉首部设计方法

水泵选型的原则为额定扬程与流量满足灌溉设计要求。距离地表水源较近(<8m)宜选择离心泵，距离水源较远或采用地下水灌溉宜选用潜水泵。长期运行过程中，水泵平均效率要高，而且经常在最高效率点的右侧。水泵的工作参数有流量、扬程、功率、效率、转速、允许吸上真空高度、口径、比转数等[8]。水泵的参数选择可按滴灌所需流量作为设计流量，确定各级管道管径计算出各级管道水头损失后，按下式计算水泵设计扬程。

H泵=h泵出口+h过滤+ΔZ

(13)

滴灌系统能否正常、稳定、持久地运行与水质净化处理设施的性能、质量，以及各种类型过滤器的正确组合有密切关系，选择过滤设备应考虑水质、过滤精度、水头损失、经济实用等因素[9]。

3 设计结果

3.1 海安苗圃水肥一体化项目设计参数

参考美国红枫4m×3.5m种植株行距、海安苗圃壤土类型[10]，结合滴灌项目设计惯例，本项目参数设计如表1。

表1 海安苗圃水肥一体化项目设计参数

3.2 项目所选灌水器

参考美国红枫需水规律、本地种植特点及灌水器特性，采用内镶贴片式非压力补偿滴灌带。内镶式滴灌带参数如表2，性能曲线如图1。压力与流量的关系为：Q=0.2356Хh0.4356(γ=0.9987)。

表2 海安苗圃非压力补偿滴灌带参数

图1 海安苗圃非压力补偿滴灌带性能曲线

经计算，本项目所选滴灌带极限铺设长度为86.5m。海安苗圃设计毛管最长长度为56m，小于毛管的极限铺设长度87.5m,因此毛管铺设长度满足设计要求。

3.3 灌溉制度计算

最有利于美国红枫幼苗生长的田间持水量为80%[10]。本项目最大净灌水定额为61.5mm，灌水周期为9d；设计净灌水定额58.5mm，毛灌水定额65mm；一次灌水延续时间需56h。

3.4 田间管网压力与流量计算

选取距离水源较远、面积稍大的第1轮灌组为典型，进行管网压力与流量计算。

滴灌带工作压力ha=10m时，灌水小区水头允许偏差为4.7m。微灌小区设计允许水头偏差在支、毛管之间的分配比例为0.45∶0.55，因此灌水小区中允许的支管最大水头差为Δh支=2.12m；Δh毛=2.58m。

滴灌带的进口压力为10.57m，铺设最长滴灌带流量为224L/h。最不利轮灌区支管流量为6m3/h，推荐支管为ф63 PVC管。支管的水力损失为0.28m，支管、毛管水头总损失为2.12m，满足水头偏差要求。

分干管流量为36m3/h，推荐分干管为ф90 PVC管，其壁厚为壁厚2.9mm；干管流量为60m3/h，推荐干管为ф110PVC管，其壁厚为壁厚2.9mm。干管、分干管进口压力计算结果见表3。

表3 海安苗圃轮灌1组管道进口压力计算结果表

表4 海安园林海安苗圃其它轮灌组管道进口压力计算结果表

3.5 灌溉首部设计结果

3.5.1 过滤系统设计

海安苗圃水肥一体化项目水源为露天蓄水池，水体呈浅绿色，存在明显有机物。根据水源情况选用砂石介质过滤器和叠片过滤器组合，过滤精度均为120目。海安苗圃项目设计最大灌溉流量为64m3/h。按照流量要求选择2个进出口为80mm、单体直径120cm的介质过滤器，压差不高于0.05MPa；选择3个进出口为50mm叠片过滤器，压差不高于0.024MPa。

3.5.2 水泵选型设计

H泵=20.4+7.4+3=31.2m。海安苗圃项目所选泵为离心泵，也是农业上广泛使用的1种水泵,其扬程为42m，流量为64m3/h。

3.5.3 施肥机选型

配施肥机是水肥一体化设备设施的大脑，决定施肥工效，并影响农业种植标准化生产；是高效节水灌溉首部的重要组成部分。海安项目选择的全自动施肥机根据中国高含量、高密度、高粘度、可含有机质水溶肥特性，模拟配肥、施肥过程，通过泵和电磁阀控制、软件设定施肥面积，自动完成高氮、高磷钾、高钾、有机水溶肥母液桶混，最后将母液按比例或定量添加到灌溉水中[11-14]。

美国红枫种植过程中需要含氨基酸水溶肥、大量元素水溶肥(高钾型和高磷钾型)及尿素硝酸铵溶液进行桶混[15]，故应选择4通道施肥机；其施肥泵扬程为45m，施肥速率为1m3/h。

4 计算结果分析

节水灌溉规划应包括基本资料搜集、技术参数初定、灌水器选型、管网布置与设计、管网水力计算和首部枢纽设计。我国灌溉规划中常采用灌溉保证率法确定灌溉设计标准[16]。

海安苗圃种植面积9.6hm2，根据实际条件确定灌溉保证率为95%、耗水强度为6.5mm/d、土壤设计润湿比为65%、计划湿润层深度为1.2m，围绕流量、压力、安全3要素，通过管网水力计算确定管网和首部枢纽设计，确定灌溉施肥制度。设计水源供水能力为64m3/h，水源满足要求。项目区分为3个轮灌组6个地块，最大轮灌区2条分干管、12条支管、360 行毛管；最小轮灌区3条分干管、10条支管、300行毛管。管网分为干管、分干管、支管和毛管4级，毛管最大铺设长度为56m；水头偏差小于2.58m；支管铺设长度为95m，水头偏差小于2.12m，水压满足要求，各级管道水流速度在经济流速范围内。

5 结语

水肥一体化工程设计是项目建设、管理的主要依据，也是进行具体技术设计的前提。其设计质量和合理性直接影响工程施工质量和建后的运行管理[16]。成功的水肥一体化工程设计应严格按照国家现行规范，创造性地结合当地气象、土壤、水资源、农业生产和管理水平的实际情况，做到技术先进、经济合理和运行方便可靠[17，18]。

海安苗圃按照以上设计内容完成水肥一化项目实施并验收，通过高效节水灌溉工程基础设施建设，和农化相关的测土配肥技术等，现水、肥管理更加高工效，水、肥利用效率更高，必将实现肥料的减量增效。