呂燦翔　石佳　蔣兆英

摘要：作為一種自動(dòng)化程度較高的高效節(jié)水設(shè)備，大型指針式噴灌機(jī)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)里面應(yīng)用很廣。以武漢市恒大現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范基地應(yīng)用大型指針式噴灌機(jī)進(jìn)行高效節(jié)水灌溉為例，對(duì)其設(shè)計(jì)流程進(jìn)行介紹，為指針式噴灌機(jī)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用提供一些參考。

關(guān)鍵詞：指針式噴灌機(jī);中心支軸式噴灌機(jī);節(jié)水灌溉;噴灌設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：S22

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20191115024

噴灌是廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外較為現(xiàn)代化的高效節(jié)水方式。大型指針式噴灌機(jī)又稱為中心支軸式噴灌機(jī)，是所有噴灌設(shè)備中自動(dòng)化程度最高的。蘭才有[1]等對(duì)我國(guó)噴灌機(jī)近年發(fā)展情況及后續(xù)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析，每年在我國(guó)要新增超過(guò)千臺(tái)的噴灌機(jī)應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)。噴灌機(jī)工作時(shí)繞著中心旋轉(zhuǎn)，對(duì)于方形地塊周邊會(huì)產(chǎn)生灌溉死角，需要在末端使用遠(yuǎn)程噴頭保證每個(gè)地角都能進(jìn)行灌溉。李保明[2]等對(duì)噴灌機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，該設(shè)備適用于各種水源（地表水、地下水、咸水等），不限制作物種類，幾乎所有作物均可以用噴灌機(jī)進(jìn)行灌溉，并且可以遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制，噴灑質(zhì)量可靠。缺點(diǎn)是要對(duì)旋轉(zhuǎn)速度、時(shí)間進(jìn)行精確計(jì)算控制，否則易產(chǎn)生地面徑流。下面以武漢市漢南區(qū)恒大現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范基地指針式噴灌機(jī)節(jié)水灌溉為例進(jìn)行典型設(shè)計(jì)，介紹噴灌機(jī)的參數(shù)選取及設(shè)計(jì)流程。

1 基本概況

漢南區(qū)屬北亞熱帶東亞季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，具有四季分明、熱量充足、光照適宜、雨量充沛、雨熱同季、旱澇交替等特點(diǎn)。漢南區(qū)年平均降水量為1276.2mm，降水年際差高達(dá)1197.7mm。全區(qū)年平均氣溫為16.8℃，年平均降水日數(shù)為123d，年平均風(fēng)速為2.1m/s，常年風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)。

項(xiàng)目區(qū)地塊總面積670hm2，項(xiàng)目區(qū)主要種植玉米和大豆等糧食作物。

2 工程設(shè)計(jì)條件

關(guān)于噴灌機(jī)設(shè)計(jì)流程主要包括前期查勘收資、規(guī)劃布置和噴灌機(jī)參數(shù)計(jì)算。收資方面主要收集土壤土質(zhì)、地形、水源以及供電情況。對(duì)于參數(shù)計(jì)算主要有相應(yīng)灌溉作物的灌水定額、作物需水量，及此計(jì)算機(jī)組運(yùn)行速度、額定運(yùn)行時(shí)間。根據(jù)布置進(jìn)行水力計(jì)算，進(jìn)行泵站揚(yáng)程計(jì)算及泵站選型及相應(yīng)配套設(shè)計(jì)。

2.1 調(diào)查土壤土質(zhì)

漢南項(xiàng)目區(qū)土壤類型為沙壤土，土壤干容重為1.4g/cm3。

2.2 調(diào)查地形條件

該項(xiàng)目區(qū)地形已經(jīng)過(guò)土地整治，地形較為平坦，地面坡度約為1/6000，且大田內(nèi)無(wú)阻礙物，適合指針式噴灌機(jī)工作。

2.3 調(diào)查水源條件

該項(xiàng)目區(qū)南部緊靠長(zhǎng)江，且有提水泵站，水量充足。

2.4 調(diào)查電力條件

該項(xiàng)目區(qū)緊靠省道，路邊已有高壓線，可滿足項(xiàng)目區(qū)用電需求。以上只是調(diào)查清楚外部條件，后續(xù)還需要進(jìn)行參數(shù)計(jì)算、水力計(jì)算及泵站選型等。

3 噴灌機(jī)典型設(shè)計(jì)

3.1 規(guī)劃布置

根據(jù)測(cè)量專業(yè)所測(cè)得的地形圖，結(jié)合項(xiàng)目區(qū)地形地勢(shì)條件、灌排基礎(chǔ)設(shè)施條件，將項(xiàng)目區(qū)劃分24個(gè)地塊，每個(gè)地塊設(shè)置1臺(tái)噴灌機(jī)。利用更新改造后的泵站從長(zhǎng)江提水至新建的調(diào)蓄水池，水池內(nèi)設(shè)加壓泵站，加壓后利用管道將水輸送至每臺(tái)噴灌機(jī)的中心支軸處。管道共分為3級(jí)，依次為水源—調(diào)蓄池—總干管—干管—支管—中心支軸處。動(dòng)力部分由地邊界配電站接地埋式電纜到中心點(diǎn)，提供噴灌機(jī)以及水泵電源。

3.2 設(shè)計(jì)灌水定額與灌水周期

項(xiàng)目區(qū)種植的春甜玉米生長(zhǎng)期為1月中下旬—6月上中旬。根據(jù)作物的需水規(guī)律，計(jì)算其灌水定額，以確定噴灌機(jī)的工作制度，詳見(jiàn)表1。

依據(jù)《噴灌工程技術(shù)規(guī)范》GB/T50085-2007T，最大凈灌水定額按公式（1）計(jì)算[5]：

m=0.1rH（β1-β2）p（1）

式（1）中：m為最大凈灌水定額，mm;H為計(jì)劃濕潤(rùn)層深度;r為土壤干容重，沙壤土取1.4g/cm3，β1為土壤適宜含水率上限，%;β2為土壤適宜含水率下限，%;p為田間持水量（占土體）按照質(zhì)量百分率計(jì)，%;

經(jīng)計(jì)算，玉米最大凈灌水定額為35mm。噴灌系統(tǒng)灌溉水利用系數(shù)是根據(jù)管道水利用系數(shù)（取為0.97）及田間水利用系數(shù)（取為0.9）相乘得到的，經(jīng)計(jì)算灌溉水利用系數(shù)為0.88，從而計(jì)算得玉米毛灌水定額為39.8mm。

設(shè)計(jì)灌水周期由式（2）計(jì)算：

T=m/ETd（2）

式（2）中ETd為玉米整個(gè)生育期需水高峰期的平均日耗水量，根據(jù)收集的試驗(yàn)資料玉米為7mm/d，經(jīng)計(jì)算設(shè)計(jì)灌水周期玉米為5d。

3.3 噴灌機(jī)型選擇

以漢南項(xiàng)目區(qū)其中一個(gè)典型地塊13#地塊（面積38hm2）為例進(jìn)行典型設(shè)計(jì)，13#地塊噴灌機(jī)輸水管外徑為250mm，壁厚9.6mm，公稱壓力0.8MPa。噴灌機(jī)所用型號(hào)及該型號(hào)對(duì)應(yīng)的各個(gè)參數(shù)見(jiàn)表2。

3.4 按灌水定額灌溉所需運(yùn)行時(shí)間

運(yùn)行時(shí)間計(jì)算公式按式（3）計(jì)算：

T=0.001×A×mQ（3）

式（3）中：T為噴灌機(jī)按灌水定額灌溉所需運(yùn)行時(shí)間，h;A為噴灌機(jī)所控制的面積，hm2;m為最大毛灌水定額，mm;Q為噴灌機(jī)機(jī)組設(shè)計(jì)流量，13#地塊根據(jù)需水量和供水安全綜合考慮，取為150m3/h。由此計(jì)算得13#地塊噴灌機(jī)按灌水定額灌溉所需運(yùn)行時(shí)間為98.8h（4.1d），計(jì)算結(jié)果小于作物設(shè)計(jì)灌水周期5d，滿足典型地塊13#作物的灌溉要求。

3.5 參數(shù)計(jì)算

噴灌機(jī)運(yùn)行速度是受自身驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大運(yùn)行速度、土壤允許最大噴灌強(qiáng)度以及地塊坡度、土壤狀態(tài)、輪胎氣壓等多種因素影響的。驅(qū)動(dòng)電機(jī)所能達(dá)到的最大轉(zhuǎn)速即為自身額定轉(zhuǎn)速，驅(qū)動(dòng)電機(jī)按照此狀態(tài)運(yùn)行時(shí)噴灌機(jī)達(dá)到最大轉(zhuǎn)速，按照最大轉(zhuǎn)速行走1圈的時(shí)間即為噴灌機(jī)運(yùn)行1圈最短時(shí)間[4-6]。噴灌機(jī)運(yùn)行1圈最短時(shí)間按式（4）計(jì)算：

Tmin=Li30nD（4）

式（4）中：Tmin為噴灌機(jī)運(yùn)行1圈所需最短時(shí)間，h;L為噴灌機(jī)中心支座到尾端的長(zhǎng)度，應(yīng)注意這個(gè)長(zhǎng)度包含懸臂，m ;n為電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速，本次涉及為1450r/min;D為車輪外徑，根據(jù)資料取為1.3m;i為減速器總速比，與車輪減速器和電機(jī)減速器有關(guān)，本次車輪減速器為50：1，電機(jī)減速器為40：1，計(jì)算得i=50×40=2000。按照式（4）計(jì)算，運(yùn)行一圈最短時(shí)間為10.8h。

噴灌機(jī)運(yùn)行一圈最長(zhǎng)時(shí)間與項(xiàng)目區(qū)地區(qū)土壤土質(zhì)有關(guān)，應(yīng)小于對(duì)應(yīng)土質(zhì)的允許最大噴灌強(qiáng)度，否則速度再慢的話會(huì)導(dǎo)致噴灌強(qiáng)度過(guò)大產(chǎn)生地表徑流[4-6]。噴灌機(jī)運(yùn)行一圈最長(zhǎng)時(shí)間按式（5）計(jì)算：

Tmax=10-3πL2ρQ（5）

式（5）中：Tmax為噴灌機(jī)運(yùn)行1圈所需最長(zhǎng)時(shí)間，h;ρ為允許最大噴灌強(qiáng)度，根據(jù)《噴灌工程技術(shù)規(guī)范》，沙壤土所對(duì)應(yīng)的允許最大噴灌強(qiáng)度為15mm/h;L同式（4）。依據(jù)式（5）計(jì)算噴灌機(jī)組運(yùn)行一圈最長(zhǎng)時(shí)間為30.2h。

3.6 確定工作制度

在噴灌機(jī)中心控制器箱內(nèi)有百分率定時(shí)器，是控制噴灌機(jī)工作制度的決定性因素。根據(jù)所需灌溉的不同作物的需水要求來(lái)調(diào)整該定時(shí)器，使其控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)以不同時(shí)間步長(zhǎng)運(yùn)行，從而達(dá)到控制整個(gè)噴灌機(jī)行駛速度的目的[5]。

現(xiàn)在已計(jì)算得噴灌機(jī)工作時(shí)間范圍在10.8～30.2h內(nèi)，且按設(shè)計(jì)灌水定額所需工作時(shí)間為98.8h。綜合考慮場(chǎng)地、人工等因素，將噴灌機(jī)組每圈工作時(shí)間設(shè)定為25h，速度調(diào)節(jié)比例計(jì)算按式（6）計(jì)算：

i=T1T2×100%=10.825.0×100%=43.2%（6）

可得機(jī)組運(yùn)行速度比例為43.2%，此時(shí)需轉(zhuǎn)4圈保證灌水量達(dá)到設(shè)計(jì)灌水毛定額。

4 水力計(jì)算及水泵選型

利用現(xiàn)有泵站從長(zhǎng)江里提水至新建的調(diào)蓄池，13#地塊利用調(diào)蓄水池作為水源，調(diào)蓄水池內(nèi)設(shè)有加壓泵站利用三級(jí)管道為13#地塊輸水。水力計(jì)算內(nèi)容包括噴灌機(jī)所需工作壓力、支管、干管、總干管水頭損失及地形高差。水頭損失包括沿程水頭損失及局部水頭損失。其中沿程水頭損失按式（7）計(jì)算：

式中，hf——沿程水頭損失，m;

L——管段長(zhǎng)度，m;

Q——管段進(jìn)口流量，m3/h;

d——管段直徑（內(nèi)徑），mm;

m、b——分別為流量指數(shù)和管徑指數(shù)，詳見(jiàn)表3;

f——管材系數(shù);

F——多口系數(shù)，適用于沿程均勻出流情況，F(xiàn)按照式（8）計(jì)算：

局部水頭損失可按hj=ξv2/2g計(jì)算。長(zhǎng)期實(shí)踐證明，灌溉系統(tǒng)中局部水頭損失一般為沿程水頭損失的10%～15%。

水泵揚(yáng)程按式（9）計(jì)算：

H=Hf+Hp+z （9）

式（9）中：H為水泵揚(yáng)程，m;Hf 為水頭損失，包含支管、干管及總干管水頭損失，經(jīng)計(jì)算為7.1m;Hp為噴灌機(jī)入口處設(shè)計(jì)工作水頭，33m;z為地形高差，0.8m;依據(jù)式（9）計(jì)算水泵所需揚(yáng)程為41m。

根據(jù)計(jì)算的總揚(yáng)程和流量確定水泵的型號(hào)，并確定相應(yīng)的配套電機(jī)功率。參考上述流程，其余地塊可按照同樣方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

5 結(jié)語(yǔ)

在武漢市漢南區(qū)恒大現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范基地利用大型指針式噴灌機(jī)灌溉種植玉米是噴灌機(jī)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中典型的應(yīng)用案例。本文從初始的收資、根據(jù)需灌溉的作物，計(jì)算灌水定額，制定噴灌機(jī)的工作制度，到最后的泵站選型等流程進(jìn)行了介紹，可以精準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)噴灌機(jī)自動(dòng)化控制，實(shí)施精確按需灌溉，為較大連片地塊試行現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)高效節(jié)水灌溉的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)提供一定的借鑒和參考。為我國(guó)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展提供幫助。

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作者簡(jiǎn)介：

呂燦翔（1990-），男，碩士，工程師。研究方向：水資源規(guī)劃。