□朱鑫峰（商丘市水利建筑勘測設(shè)計(jì)院）

1.前言

目前我國水資源十分緊缺，而農(nóng)業(yè)用水浪費(fèi)極為嚴(yán)重傳統(tǒng)的大水漫灌方式使農(nóng)業(yè)成了用水大戶，其用水量占全國總用水量的70%以上，而水的有效利用率只有30%～40%，僅為發(fā)達(dá)國家的一半左右，水的糧食生產(chǎn)能力只有0.85kg/m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家2kg/m3以上的水平。改變農(nóng)民傳統(tǒng)的灌溉習(xí)慣，用較少的水獲得較高的產(chǎn)出效益，推廣高效節(jié)水灌溉技術(shù)是一項(xiàng)重任，也是緩解我國水資源緊缺的途徑之一，更是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然選擇。

2.灌溉方式選擇

噴灌的主要優(yōu)點(diǎn)如下：節(jié)水效果顯著，水的利用率可達(dá)80%以上；灌水均勻，土壤不板結(jié)，有利于搶季節(jié)、保全苗；改善了田間小氣候和農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境；大大減少了田間渠系建設(shè)及管理維護(hù)和平整土地等的工作量；減少了農(nóng)民用于灌水的費(fèi)用和投勞，增加了農(nóng)民收入；有利于加快實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化、產(chǎn)業(yè)化、現(xiàn)代化；避免由于過量灌溉造成的土壤次生鹽堿化。常用的灌溉方式有固定式、移動(dòng)式、半固定式。

一是固定式噴灌是將管道、噴頭安裝在田間固定不動(dòng)。其優(yōu)點(diǎn)操作方便，易于管理，生產(chǎn)效率高，工程占地少，且便于實(shí)行自動(dòng)化控制。主要缺點(diǎn)是設(shè)備利用率低，耗材多，投資大。二是移動(dòng)式噴灌：整個(gè)系統(tǒng)除水源工程外，從水泵、各級管道直到噴頭全部可移動(dòng)進(jìn)行輪灌。其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備利用率高，設(shè)備用量與投資較低，缺點(diǎn)是設(shè)備拆裝搬移勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率較低，有時(shí)會(huì)損傷農(nóng)作物；設(shè)備維修、保養(yǎng)工作量大。三是半固定式噴灌是將輸水干管固定埋設(shè)在地下，支管和噴頭可拆裝搬移。與固定式噴灌相比，由于支管可以移動(dòng)并重復(fù)使用，減少了用量，降低了投資；與移動(dòng)式相比，干管不動(dòng)，方便了運(yùn)行操作，提高了生產(chǎn)效率。

通過以上方式比選，半固定式噴灌設(shè)備用量、投資造價(jià)和運(yùn)行管理均介于固定式和移動(dòng)式之間，優(yōu)點(diǎn)顯著。

3.工程設(shè)計(jì)

3.1 灌溉水利用系數(shù)

噴灌的灌溉水利用系數(shù)按下式計(jì)算：

式中：η—灌溉水利用系數(shù)；ηG—管道系統(tǒng)水利用系數(shù)，取0.95；ηP—田間噴灑水利用系數(shù)，取0.85。代入數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果η=0.81。

3.2 灌溉制度確定

3.2.1 最大灌水定額

最大灌水定額按下式計(jì)算

式中：m—最大灌水定額，m m；γ—土壤容重，取1.6 g/cm3；H—計(jì)劃濕潤層深度，取40 cm;β1—適宜土壤含水量上限，取20；β2—適宜土壤含水量下限，取14。代入數(shù)據(jù)，m s=38.4 m m即m s=1.71 m3/hm2。

3.2.2 設(shè)計(jì)灌水定額

設(shè)計(jì)灌溉定額m≤m s，根據(jù)作物種植結(jié)構(gòu)，確定設(shè)計(jì)灌水定額 m=1.67 m3/hm2，即 m=37.5 m m 。

3.2.3 灌水周期

灌水周期按下式計(jì)算：

式中：T—設(shè)計(jì)灌水周期，d；Ed—作物日蒸發(fā)蒸騰量，取6.5 m m/d；m意義同前。代入數(shù)據(jù)，T=5.8 d，取6 d。

3.2.4 灌水時(shí)間

參考《噴灌工程技術(shù)規(guī)程》，設(shè)計(jì)灌水時(shí)間取t d=15d。

3.3 單井控制灌溉面積

單井控制灌溉面積按下式計(jì)算：

式中：F—單井控制灌溉面積，畝；Q—單井出水量，取35m3/h；T—灌水周期，取6 d；t—每天灌水時(shí)數(shù)，取15h；η—灌溉水利用系數(shù)，為0.81；η1—水量消減系數(shù)，取0.20；m—作物灌水定額，1.67 m3/hm2。代入數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果F=5.4 hm2，根據(jù)實(shí)際況，取F=5.33 hm2。

3.4 工作參數(shù)確定

3.4.1 選擇噴頭及其參數(shù)

初選噴頭選用ZY-2型，其參數(shù)如下：噴嘴直徑d=6.5 m m；工作壓力hp=250 kpa；噴頭流量q=3.39 m3/h；噴頭射程R=18.9 m；噴溉強(qiáng)度ρ=3.02 m m/h

3.4.2 霧化指標(biāo)

霧化指標(biāo)按下式計(jì)算

代入數(shù)據(jù)，W h=3846。示范區(qū)以種植經(jīng)濟(jì)作物為主，其霧化指標(biāo)為3000～4000，計(jì)算結(jié)果滿足作物要求。

3.4.3 組合間距

設(shè)計(jì)風(fēng)速2.4 m/s，其組合間距計(jì)算：垂直風(fēng)向a=0.95 R=17.95 m，取18 m；平行風(fēng)向b=1.2 R=22.7，取20 m。

3.4.4 校核組合噴灌強(qiáng)度

組合噴灌強(qiáng)度用下式計(jì)算：

式中：ρ—組合噴灌強(qiáng)度；Cρ—布置系數(shù)；ρs—風(fēng)系數(shù)。

多支管多噴頭同時(shí)噴灑的情況下：Kw=1.0

多支管多噴頭同時(shí)噴灑的情況下：

Cρ=πR2/ab=3.14×18.92/（18×20）=3.11

則：ρ=KwCρρs=1.0×3.11×3.02=9.4

(m m/h)＜[ρ]=12 m m/h

示范區(qū)土壤以壤土為主，允許噴灌強(qiáng)度為12 m m/h。所選噴頭型號滿足要求。

3.4.5 一個(gè)工作位置的灌水時(shí)間

噴頭在一個(gè)噴點(diǎn)上的噴灑時(shí)間t與設(shè)計(jì)灌水定額、噴頭流量和噴頭組合間距有關(guān)，可按下式計(jì)算：

式中：t—一個(gè)工作位置的灌水時(shí)間，h；a—支管間距，取20m；b—噴頭間距，取18 m；m—設(shè)計(jì)灌水定額，37.5 m m；qs—噴頭設(shè)計(jì)流量，取3.39 m3/h；ηp—田間噴灑水利用系數(shù)，取0.85；經(jīng)計(jì)算，t=4.7 h，取 5 h。

3.4.6 一個(gè)工作位置數(shù)

代入數(shù)據(jù)，nd=3。

3.4.7 同時(shí)工作噴頭個(gè)數(shù)

同時(shí)工作的噴頭個(gè)數(shù)按下式計(jì)算：

式中：np—同時(shí)灌溉的噴頭個(gè)數(shù)；Np—灌區(qū)噴頭總數(shù)；A—單井控制噴灌面積，5.33 hm2；T－設(shè)計(jì)灌溉天數(shù)，6 d；代入數(shù)據(jù)，np=8.2個(gè)，取8個(gè)。

3.5 灌溉管道水力設(shè)計(jì)

3.5.1 灌溉管道系統(tǒng)

灌溉管道主要包括：干管（包括立管）、支管、豎管（包括噴頭）。干管埋設(shè)于地下，設(shè)計(jì)埋深0.8 m，干管從機(jī)井引水，每隔一定距離布置一個(gè)出水口；支管采用移動(dòng)式與出水口連接，豎管連接支管，并將噴頭安置在適當(dāng)高度，以便進(jìn)行田間噴灑。出水口采用輪灌方式，以輪灌組為單元輪流灌溉。干管選用PVC管材；支管選用涂塑軟管，立管（噴頭）為鍍鋅管。

干管上同時(shí)工作2條支管，間距20 m，每條支管布置4個(gè)噴頭，噴頭間距18 m，支管長度72 m；干管8個(gè)噴頭進(jìn)行灌溉。

3.5.2 噴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量

3.5.2.1 干支管流量計(jì)算

每條支管上同時(shí)工作4個(gè)噴頭，每條干管上同時(shí)工作8個(gè)噴頭，噴頭流量為3.39 m3/h。

支管流量：

Q支＝nd×qs/ηP=4×3.39/0.85=15.95 m3/h

干管流量：

Q干＝np×qs/ηP=8×3.39/0.85=31.90 m3/h

3.5.2.2 管徑的確定

管徑計(jì)算采用經(jīng)濟(jì)流速法確定管徑，其公式如下：

式中：ν-經(jīng)濟(jì)流速，取1.2m/s。經(jīng)計(jì)算，干管管徑Ф110m m，公稱壓力0.63 M pa；支管選用Ф75 m m的涂塑軟管。

3.5.3 水頭損失計(jì)算

3.5.3.1 管道沿程水頭損失

管道沿程水頭損失按下式計(jì)算：

式中：hf－干管沿程水頭損失；f－沿程水頭損失摩阻系數(shù)，取0.948×105；m－流量指數(shù)，取1.77；b－管徑指數(shù)，取4.77；Q－設(shè)計(jì)流量，m3/h；d－管道內(nèi)徑，m m ；L－管道長度，m。

3.5.3.2 管道局部水頭損失

局部水頭損失按沿程水頭損失的15%估算。管道水頭損失計(jì)算結(jié)果詳表1。

表1 管道管徑及水力計(jì)算表

4.效果分析

4.1 用水分析

噴灌的灌溉方式類似降雨，灌水均勻，在人工控制下可不產(chǎn)生地面徑流或深層滲漏，因此在灌水周期一樣的情況下，可減少每次灌水時(shí)間，節(jié)水25%左右。

4.2 土地利用效率分析

噴灌適應(yīng)性強(qiáng)，不受地形限制，另外噴灌進(jìn)行灌溉時(shí)，田間可不分畦田和開挖壟溝，可節(jié)省土地10%左右，提高了土地利用率，同時(shí)可節(jié)省一半勞動(dòng)力。

4.3 作物增產(chǎn)分析

噴灌可有效地調(diào)節(jié)田間土壤水分和農(nóng)田小氣候，促進(jìn)水、肥、氣、熱各因素之間的相互轉(zhuǎn)化，有利于作物的生長發(fā)育，一般可增產(chǎn)15%左右。

4.4 影響因素分析

噴灌受風(fēng)影響較大，當(dāng)風(fēng)速≥5.4 m/s時(shí)，能吹散水滴，使灌溉均勻性大大降低，飄移損失也會(huì)增大，最大損失可達(dá)30%，但是噴灌如果結(jié)合大棚灌溉，效果將大大改善。地面灌溉一般不受風(fēng)力影響。

4.5 耗能分析

噴灌水泵電機(jī)功率較大，經(jīng)分析計(jì)算噴灌將增加耗能25%左右。