面向农户分散经营的规模化喷微灌模式应用研究

虞奎　王霞　谈泓洋

摘 要：发展喷微灌技术是引领传统农业向现代农业深刻变革的重要举措，是现代农业发展的必然趋势。但喷微灌系统规模化与小农户分散经营存在矛盾，基于此，该研究提出了适应农户分散经营的规模化喷微灌系统用水户随机用水模式，通过对其应用效果的分析，为农户分散经营的规模化喷微灌模式应用提供参考。

关键词：规模化喷微灌;现代农业;农户分散经营

中图分类号 F323 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2022）07-0127-04

1 引言

喷灌作为一种先进的现代高效节水灌溉技术，能够较好地与机械化作业程度很高的现代农业相配合，便于实现水利机械化和自动化，代表了集约化现代农业的发展趋势。喷微灌更适于规模化农业生产，因此喷微灌系统设计时往往考虑轮灌组的划分，其设计思想和方法与规模化喷微灌系统相适应。

喷微灌系统如何适应当前大量存在农户分散经营的农业生产模式，多年来一直困扰着种植户和工程技术人员和管理人员。一些技术人员进行了部分尝试，如“经济型喷微灌”轮灌单元小规模化的一些思想可应用于河网平原区，结合低压管道输水系统喷微灌的改造等。然而这些都是区域或者局部的经验，由于地形条件、自然状况和农业种植情况复杂，如何根据各地具体情况，解决喷微灌系统适应农户分散经营的农业生产模式的问题，需要进行系统地、深入地研究分析。本研究主要采用规模化微喷灌系统模式，分析其适用性和应用效果等，以为农户分散經营的规模化喷微灌模式应用提供参考。

2 项目区概况及管网布置参数

某项目区所在地块地势平坦，地块长约360m，宽约185m，面积约6.67hm2，项目区种植大棚蔬菜（毛豆、西兰花、大白菜等）。该项目区由12户农户组成，每户约0.55hm2，实际管理为农户独立经营管理。土壤质地类型为壤土，系统水源为池塘水，水量充足，能满足灌溉要求。

项目区种植大棚蔬菜，每个大棚东西长45m，南北宽8m，占地约360.18m2。分4排布置，每排36个，共144个大棚，每个大棚设2条微喷带，蔬菜沿东西向种植。本次设计采用微喷灌方式，针对随机用水的灌溉制度，为保证管网流量的稳定性和供水的可靠性，采用环状管网的布置方式。每个节点设置2个取水栓，双向供水，共控制24个大棚，即每12个大棚设置1个取水栓，共设置6×2=12个取水栓。每户12个大棚，每次可同时灌溉3个大棚。

根据作物间距，选择国内某公司生产的Φ403～5孔增强型微喷水带，流量40L/（h·m），额定工作压力60kPa，喷洒宽度为4.0m，其工作参数见表1。

单个大棚尺寸为8m×45m，在每个大棚中布置2条喷水带，则1个大棚的灌水流量为：q=45×2×40=3600L/h=3.6m3/h。管网参数见表2。

3 规模化喷微灌系统用水户随机用水模式

3.1 设计思想 随着农业现代化的推进，规模化喷微灌区也逐渐发展起来。规模化喷微灌是农业生产结合喷微灌系统的一种综合灌水方式，具有水利用率高、灌水均匀性好等特点，便于实现规模化管理，能够统一整地，统一种地，统一收获等。规模化便于管理，经济效益好，也是传统农业向现代农业过渡的必然选择。由于我国农村土地承包责任制和农业种植结构多样化的特点，决定了我国农业灌溉的随机性和分散性很大，而传统的利用水泵加压条件下的喷微灌技术应用中存在支管及轮灌组要严格按照水泵流量的要求进行划分，不能适应农村土地承包责任制和农业种植结构多样化条件下的农民灌溉用水的要求。同时，也很难满足系统设计允许压力变幅和灌水均匀度的要求。目前，随着农村联产承包责任制的进一步落实，灌溉用水的随机取水性显得更为突出。

水泵变频调节适合经济条件好、规模化的种植基地或者示范区，农户多而分散经营，系统采用环状管网或者树状管网，每一农户设置独立给水栓，可满足随机用水需要。该模式具有较高的供水保障能力，系统便于实现自动化控制灌溉和精准化灌溉，但投资相对较高，可优先在现代农业园区推行。管网的优化设计需要根据地形条件、水源条件、灌溉面积等综合考虑选定。平原河网区、盆地区和具备水源的缓坡地均可采用，平原河网区和盆地区，为增加管网压力的稳定性，推荐采用环状管网，缓坡地推荐采用树状管网。

3.2 设计要点 对规模化的喷微灌系统，当系统按设计工况工作时，需要水泵以额定转速运行来为灌水设施提供所需的压力和流量。但由于作物种植情况不同，造成农户灌水时间不统一，灌水时也只有部分灌水设施工作，此时虽然可以通过阀门控制来满足灌水设施工作压力的要求，但这种运行管理模式要以能量损失为代价，造成电能的浪费。采用电机变频调节技术，可以通过调节喷头所需的压力与流量，满足规模化喷微灌系统用水户随机用水的需求，同时还可以保证喷灌均匀度的要求，降低电机功耗，节约电能。

环状管网的最大优点是供水可靠，当某一支路发生故障或需检修时，不影响整个管网的供水，或者受影响的范围和程度缩小到最小。管网内压力相对趋于均匀，环状网使整个管网充满压力水，水量调度灵活，利于随机用水，不论那个节点需水，各管道同时向该节点供水，每条管道均处于工作状态，管道利用率高。而基于水泵变频调节的环状管网不仅能够满足规模化喷微灌用水户随机用水需求，还便于实现自动化控制灌溉和精准化灌溉。

3.2.1 管网计算的2个基本原则 一是流入节点的流量应等于流出节点的流量。通常取流入节点的流量为正，流出节点的流量为负，则任意节点处流量代数和为零，即[Q=0];二是在任意环路中，由一节点沿2个方向到另一个节点的能量损失相等。同样，如果取逆时针方向流动的损失为正，顺时针方向流动的损失为负，则环路能量损失代数和为零，即[hf=0]。

3.2.2 管段、节点和基环数之间的关系 环状管网的管段（P）、节点（J）和基环数（L）之间满足关系：P=J+L-1。

3.2.3 管网流量计算 对于整个系统管网中的众多取水口而言，管网中所有取水口存在同时开启率的问题，取水口同时开启的数目服从2项分布的随机变量，累积概率为管网设计保证率，因此可通过概率论的基本原理，对各个取水口的开启率进行分析计算，进而以此推求系统设计流量。任意一个取水口的用水概率可按下式计算：

式中：[p]为用水概率;[S]为取水口控制面积（hm2）;[q]为设计灌水率（m3/h·hm2）;[t]为24h;[d]为取水口的额定流量（m3/h）;[t′]为取水口1d的中供水时间（h）。

当系统中最多有m个取水口同时开启时的概率为：

通过概率论的基本原理可以推出，系统内同时开启的取水口的个数为：

式中：U为随机变量，可查正态分布表。

此时，系统的设计流量为：

3.2.4 管网水头损失 水头损失是管网水力计算中的重要元素，对于管网的沿程水头损失，可按下式计算：

式中：[hf]为沿程水头损失（m）;[f]为管材摩阻系数，取0.948×105（管材为硬塑料管）;[Q]为管道设计流量（m3/h）;[L]为管长（m）;[D]为管内径（mm）;[m]为流量指数，取1.77;[b]为管径指数，取4.77。

管道的局部水头损失可按沿程水头损失的一定比例估算，支管宜为0.05～0.1，毛管宜为0.1～0.2。

3.3 设计实例

3.3.1 灌溉制度的拟定

（1）最大净灌水定额用下式计算：

式中：[mmax]为最大净灌水定额（mm）;[γ]为土壤容重（g/m3），取1.37g/cm3;[z]为土壤计划湿润土层深度（cm），取25cm;[p]为设计土壤湿润比（%），取90%;[θ'max]为适宜土壤含水率上限（重量百分比）（%），取22.5%;[θ'min]为适宜土壤含水率下限（重量百分比）（%），取17.5%。

则最大净灌水定额为：[mmax]=15.41mm。

（2）设计灌水周期由下式计算：

式中：T为设计灌水周期，d;Tmax为最大灌水周期，d。

取T=3d。

（3）设计毛灌水定额由下式计算：

式中：[md]为设计净灌水定额，mm;[m']为设计毛灌水定额，mm。

则m′=3×5.0/0.95=15.79（mm），[md]=15（mm）。

（4）一次灌水延续时间：

式中：t为一次灌水延续时间，h;Sl为微喷水带间距，m;qd为灌水器设计流量，L/h。

（5）任意一个取水口的用水概率为：

系统内同时开启的取水口的个数为：

即取4，即取水栓同时开启的个数为4个（式中累计概率P=0.95时，从正态分布表中查的U=1.645）。则此时系统的设计流量为：

3.3.2 管道设计及水力计算

（1）干管管径的计算公式为：

式中：[Q]为管道设计流量，m3/s;V为管道流速，1.0～1.5m/s，取1.0m/s。

管道采用PE管，先用经验公式法初选管径，待进行水力计算后调整管径。各管段的经济管径及实选管径见表3。

（2）分干管（即环状管网）的管径根据节点方程和能量方程进行试算，取其最不利工况。计算结果见表4。由表4可知，干管实选DN125PE管，分干管实选DN110PE管，公称压力1.0MPa。若采用树状管网设计时，所选择的干管和分干管管径分别为125mm、110mm。

3.3.3 水泵及变频设备的选型

（1）设计扬程和设计流量：

在微灌工作制度确定之后，水泵的设计流量Q=43.2m3/h。

水泵设计扬程为：

式中：[H]为微灌系统设计水头，m;[Zp]为典型灌水小区管网进口的高程，m;[Zb]为水源的设计水位，m;[h0]为典型灌水小区进水口设计水头，m;[hf]為系统进水口至典型灌水小区进口的管道沿程水头损失（含首部枢纽沿程水头损失），m;[hj]为系统进水口至典型灌水小区进口的管道局部水头损失（含首部枢纽沿程水头损失），m。

经计算得：水泵的设计扬程为21.31m。

（2）水泵及动力机选配：根据水泵选型的原则及计算参数，为便于管理及运行，水泵类型选用变流恒压泵。水泵及变频设备的工作性能见表5。

3.3.4 投资估算 经估算，项目总投资26.3万元，每hm2投资39450元。相对于树状管网，基于水泵变频调节的环状管网投资有所增加，平均增加投资约11250元/hm2，增加的部分主要体现在管径的增大和变频恒压设备的投资上。但对于经济条件好、农户多而分散经营的规模化种植基地或示范区，可以采用环状管网，其可以实现喷微灌系统内农户或各地块随机用水。

4 结论

通过采用面向农户分散经营的微喷灌模式为规模化喷微灌系统，对平地单环的环状管网进行了研究，结果表明，规模化喷微灌系统用水户随机用水模式以环状管网和用水户随机用水为核心，适于成规模但农户分散独立管理的农业生产基地，但投资较高。

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（责编：张宏民）

作者简介：虞奎（1988—）男，江苏无锡人，本科，工程师，研究方向：水利工程设计、水运工程设计。  收稿日期：2021-11-25