半固定式喷灌系统在农田灌溉系统中的应用

  李家振 吴  枫

（徐州市山区节水灌溉示范基地管理处  江苏徐州  221000）

摘 要：半固定喷灌灌溉技术是主要的节水灌溉技术之一，大面积种植经济作物的农田灌溉系统应用半固定式喷灌灌溉非常普遍，半固定式喷灌灌溉系统应如何进行工程优化设计，才能发挥较好投资效益，笔者通过在新沂市草桥镇半固定式喷灌灌溉工程的设计实践就此问题进行了研究探讨。

关键词：农田灌溉　半固定式喷灌　 应用  节水灌溉

0 引言

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。

1 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，由四个小灌区组成，本期工程实施其中三个小区，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。考虑到本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。

2 设计依据

  《喷灌工程技术规范》GBJ85-85 《节水灌溉技术规范》SL207-98

3 系统的规划设计

3.1喷灌系统规划设计参数的确定: ⑴ 灌溉水利用系数 η =0.85; ⑵ 灌水均匀度 Cu=85%; ⑶ 设计耗水强度为6mm。

3.2 拟定灌水定额与灌水周期

1)灌水定额：m=100Υh(β₁-β₂)1/η

式中：m―设计灌水定额，mm；Υ―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：m=100×0.00132×30(1.0-0.8)×28/0.85=26(mm)取m=26mm

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

3.3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H_p=300Kpa，喷头流量q=2.96m³/h，最大射程R=18m，单喷头喷灌强度ρ_s=2.92mm/h；该喷头雾化指标为：P_d=100H_p / d =100×300/7=4286，根据《规范》适宜的雾化指为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：本区风向多变，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18米设一阀门井，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，。

3.4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2.96 m³/h；将以上数据代入上式，计算得：t=18×18×26/1000×2.96=2.85(h)，取=3h。

2)喷头每日可工作的喷点数：n= t_r/ (t+t_y)，式中：n―喷头每日可工作的喷点数；t_r--喷头每日喷灌作业时间，取12h；t_y―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：n_p=N/(n・T)，式中：n_p―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：n_p=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。

3.5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，本设计考虑最佳轮灌组合，以最不利因素考虑。

3.6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。

3.7管道选择

1)支管选择：每区配四套移动支管（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：

   D_min =[1.1fLQ^mF/（20%H_P－ΔZ）] ^1/b

F= {[N(1/(m+1)+1/2N+(m-1)^1/2/6N²) －1+X｝/( N－1＋X),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：D_min=70.13(mm)，选择φ76 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=0.102 (m)=102(mm)。即选择φ110PVC管材，其内径为103mm。

3.8水力计算

1)支管入口压力水头：本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：H_支=h_f′+△Z+0.9h_P,式中：H_支--支管入口压力水头，m；h_f′--支管及站杆水头损失，m；h_p―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 = 0.9×30+(1.0-0.2)+ 1.1×0.384×0.948×10⁵×192×32.67^1.74/ 72.6^4.74  + 1.1×0.861×10⁵×0.8×2.97^1.74/ 25^4.74  = 32.93(m)。

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，由公式：H_干 =kf L Q^m / D^b，计算得h_干=10.33m。即干管入口压力h_干=32.93+10.33=43.26(m)。

3)系统总扬程：H=H_干+△H+h_动水位，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)。

3.9水泵选型

根据系统总扬程H=60.26(m)，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。

3.10首部枢纽设计和管网设计

1)喷灌系统的首部枢纽设备包括：水泵、变频调速器、过滤器、闸阀、逆止阀等，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，压力表用弹簧压力表；④逆止阀。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。

4 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面积规模较大，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。

作者简介：李家振,1980年，男，汉族，江苏徐州人，工学学士，高级工程师。地址：徐州市山区节水灌溉示范基地管理处