果園微噴灌系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計

簡介： 微噴灌技術(shù)是主要的節(jié)水灌溉技術(shù)之一，果園應(yīng)用微噴灌越來越多，微噴灌系統(tǒng)應(yīng)如何進行規(guī)劃設(shè)計，才能達到要求，本文就此問題進行研究探討。
關(guān)鍵字：果園　微噴灌　規(guī)劃　設(shè)計

1　基本情況
　　微噴灌是通過低壓管道系統(tǒng)，以小的流量將水噴灑到土壤表面進行局部灌溉，微噴灌的特點是灌水流量小，一次灌水延續(xù)時間較長，灌溉周期短，需要的工作壓力較低，能夠較精確地控制灌水量，能把水和養(yǎng)分直接輸送到作物根部附近的土壤中去。
　　果園位于廣東省電白縣大衙鎮(zhèn)，種植荔枝，樹齡在3～7年左右。規(guī)劃13.3 hm²的微灌工程，于1996年10月建成。果園最高處高程為94.91 m，坡面比較均勻，高差在8～21 m之間，土壤為砂壤土，含有機質(zhì)少，透水性較大，保水保肥能力較差。水源利用1996年初打的一口深25 m的水井，流量為25 m³/h，可連續(xù)抽水4～6 h，果場已有380V動力線，變壓器容量為10 kVA。

2　規(guī)劃設(shè)計方案
　　荔枝基本沿等高線種植，每行樹布置一條毛管，毛管沿等高線布置，毛管間距等于果樹行距，即6.0 m。沿毛管在每兩棵樹中間布置一個微噴頭，微噴頭間距與荔枝樹株距相等，即4.5 m，微噴頭用Φ4 mm微管與毛管連接，微管長1.0 m，用插桿固定在地面上。
　　根據(jù)地形條件，干管沿山丘的脊線布置，由首部樞紐A點起沿山脊向北布置APS干管和向南布置AFL干管，支管沿山坡垂直于等高線布置，并盡量向兩側(cè)毛管供水，毛管平行等高線布置，見圖1。

圖1　微灌工程規(guī)劃圖

　　規(guī)劃設(shè)計參數(shù)為：南方果樹的濕潤比P≥0.35，設(shè)計灌水均勻度C_u=95%，灌水有效利用系數(shù)η=0.9，設(shè)計日耗水強度E_a=2.71 mm/d。

3　微噴灌溉制度設(shè)計計算
3.1　一次灌水量計算
　　微噴灌設(shè)計一次灌水量用(1)式計算

M=0.1 rh(W_d-W_o)P　　　　　　　　　　　　　　　(1)

式中　M──灌水定額,mm；
　　　r──土壤容量，砂質(zhì)壤土r=1.37 g/cm³；
　　　h──灌水濕潤深度，取h=0.5 m；
　　　W_d──土壤田間最大持水量，W_d=22%；
　　　W_o──設(shè)計含水量下限，W_o=0.6 W_d=13.2%；
　　　P──土壤溫潤比，P=2×5/(4.5×6)=0.37。

M=0.1×1.37×50×(22-13.2)×0.37
=22.3 (mm)

3.2　設(shè)計灌水周期

T=M/E_a
　　22.3/2.71=8.23 (d)

　　取T=8d
3.3　一次灌水延續(xù)時間

t=MS_tS_r/(η_水nq_d)

(2)

式中　t──一次灌水延續(xù)時間,h；

　　　S_t──果樹株距,m；
　　　η_水──灌水有效利用率，取η_水=0.9；
　　　q_d──微噴頭流量，q_d=60 L/h；
　　　n──灌水器數(shù)量，n=1個/株。

t=22.3×4.5×6/0.9×1×60)=11.15 (h)

　　取t=11(h)
3.4　輪灌組數(shù)目
　　每天工作時間取C=8 h，則輪灌組數(shù)目

N=CT/t=8×8/11=5.8 (組)

　　取N=6 (組)
　　為了使每個輪灌組灌水時水泵出水量基本相等，壓力比較均勻，縮小管徑，降低工程投資，根據(jù)實際支管情況，將各輪灌組的分組情況劃分見表1。

表1　輪灌分組表　　　　　　　　　　單位：m³/h

4　微灌系統(tǒng)管網(wǎng)水力計算
4.1　毛管水力計算
4.1.1　毛管水力計算參數(shù)
　　本工程采用全圓折射式微噴頭，已知灌水器流態(tài)指數(shù)X=0.5，微灌系統(tǒng)設(shè)計流量偏差q_v=0.2，灌水器設(shè)計工作水頭h_d=0.1 MPa，設(shè)計流量q=60 L/h。
4.1.2　灌水器設(shè)計允許工作水頭偏差率

4.1.3　毛管最大出水孔數(shù)

取N_m=10(孔)
4.1.4　毛管設(shè)計最大長度

L_max=N_mS+S₀
=10×4.5+4.5/2
=47.25(m)

　　根據(jù)實際地形和管道布置情況，實際最大毛管長度L=42.5 m＜L_max=47.25 m，滿足設(shè)計要求。
4.1.5　毛管進口壓力h₀計算
　　毛管沿樹行平行于等高線布置，灌水器最大工作壓力水頭在毛管進口處第一個出水口處。

　　　　　　　　　　　　　　h₀=h₁+ka(Nq_d)^mS_o-JS_o
　　　　　　　　　　　　　　h₁=(1+0.62×0.2)^1/5×10+8.4×10^-4
　　　　　　　　　　　　　　　　×601.696×2+1.34×10^-5×60²
　　　　　　　　　　　　　　　=14.43 (m)
　　　　　　　　　　　　　　α=1.006×10^-5×1.2^-(0.123Lg1.2+4.88)
　　　　　　　　　　　　　　　=4.1×10^-6
　　　　　　　　　　　　　　m=1.753(D/2.5)^0.018
　　　　　　　　　　　　　　　=1.753(1.2/2.5)^0.018
　　　　　　　　　　　　　　　=1.73
　　　　　　　　　　　　　　K=1.1
　　　　　　　　　　　　　　h₀=14.43+1.1×4.1×10^-6×(10×60)^1.73
　　　　　　　　　　　　　　　×2-0×4.5/2
　　　　　　　　　　　　　　　=15.01(m)

4.2　干管、支管水力計算
4.2.1　干管ASW水力計算
　　根據(jù)地形條件和管網(wǎng)布置情況，第一輪灌組離首部樞紐二級加壓泵最遠，流量Q₁₂=11.4 m³/h，W點地面高程為94 m，如果支管進口水頭等于毛管進口設(shè)計水頭，那么只要在W點管道內(nèi)有滿足毛管進口水頭h_o的工作水頭，其他毛管的進口水頭均能滿足要求。干管ASW沿程水頭損失按勃拉休斯公式計算。
　　　　　　　　　　　　　　h_fAW=8.4×10⁴×Q^1.74L/D^4.75
　　　　　　　　　　　　　　　　=8.4×10⁴×［(19.98^1.75×84+11.4^1.75×
　　　　　　　　　　　　　　　　64)/50^4.75+11.4^1.75×192/65^4.75
　　　　　　　　　　　　　　　　=17.36 (m)
4.2.2　干管AFL水力計算
　　在第一輪灌組中，向支1、支2兩條支管同時供水，其流量為Q=19.56 m³/h，干管AFL全長L_a1=205 m，A點與L點地面高程差為97.7-83.1=14.6 m。
　　干管AFL管徑為

　　　　　　　　　　　　　　　D_AL=(KQ^1.75L/ΔH_地)^-4.75
　　　　　　　　　　　　　　　　=(8.4×10⁴×19.56^1.75
　　　　　　　　　　　　　　　　×205/14.6)^-4.75
　　　　　　　　　　　　　　　　=56.7(mm)

由于干管ASW和干管AFL所需要的工作水頭有差別，而且兩條干管在A處平衡，所以A點處提供的工作水頭遠遠超過干管AFL的沿程水頭損失，所以選用干管AFL的管徑D=50 mm，滿足要求。

　　　　　　　　　　　　　　　h_fAL=8.4×10⁴D^1.75L/Q^4.75
　　　　　　　　　　　　　　　　　=8.4×10⁴×19.56^1.75×205/50^4.75
　　　　　　　　　　　　　　　　　=26.7(m)

4.2.3　首部二級加壓泵揚程計算
　　首部地面高程Z_A=97.7 m，W點地面高程Z_w=94.0 m，干管ASW沿程水頭損失h_fAW=17.36 m，毛管進口水頭h_o=15.0 m，考慮首部樞紐中各種管道、管件和過濾器水頭損失Σh_j=8.0 m，首部樞紐水泵揚程為

　　　　　　　　　　　　　　　H_AW=h_o+Σh_j+h_fAW-ΔZ
　　　　　　　　　　　　　　　　=15+8+17.36(97.7-94)
　　　　　　　　　　　　　　　　=36.66 (m)

　　干管AL沿程水頭損失h_fAL=26.7 m，L點地面高程為Z=83.1 m，首部樞紐水泵揚程為

　　　　　　　　　　　　　　　H_AL=h_o+Σh_j+h_fAL-ΔZ
　　　　　　　　　　　　　　　　=15+8+26.7-(97.7-83.1)
　　　　　　　　　　　　　　　　=35.1(m)

　　可見，第一組最大揚程為36.66 m，就能滿足要求，其他各輪灌組所需的揚程和流量經(jīng)過計算，結(jié)果見表2。

表2　各輪灌組設(shè)計揚程計算結(jié)果表

　　從表2計算結(jié)果中可知，最大流量為第1輪灌組，最大揚程為第2輪灌組，因此滿足第1輪灌組的流量和第2輪灌組的壓力，即可滿足其他輪灌組的要求。
4.2.4　首部樞紐水泵電機選擇
　　根據(jù)輪灌組最大流量Q=39.54 m³/h，揚程H=37.08 m，選擇型號為IS80-65-160型節(jié)能單級單吸清水離心泵，H=32～45 m，Q=50～25 m³/h，由安微寧國工業(yè)泵廠生產(chǎn)。
　　電機為三相異步電動機，型號為Y132-2″,功率N=7.5 kW，由西安電機廠生產(chǎn)。
4.2.5　支管進口工作水頭計算
　　由于輪灌時各組的流量大小不相同，水泵揚程也不同，各支管的進口工作水頭需按水泵揚程進行復核計算，確定是否需要在支管進口設(shè)置調(diào)壓裝置。
　　首部樞紐出水口A點工作水頭確定：
　　蓄水池平均設(shè)計水位為97 m，水泵軸線安裝高程為98 m，首部樞紐地面高程為97.7 m，輪灌組的流量在31.62～39.54 m³/h之間，由水泵性能曲線可知，水泵的揚程在39～42.5 m之間變化，現(xiàn)以39 m為各次輪灌時水泵的計算揚程。
　　A點處的水頭為

　　　　　　　　　　　　　　　H_A=H_揚-Δh_首-ΔZ
　　　　　　　　　　　　　　　　=39-8-(98-97)
　　　　　　　　　　　　　　　　=30 (m)

　　灌水時各支管進口工作水頭計算：
　　輪灌時各支管進口的工作水頭與輪灌組的輸水流量、管道沿程水頭損失及地面高程有差別，關(guān)系較大，現(xiàn)均以A點為計算起點，各支管進口的工作水頭為

H_支=H_A-ΣΔH±ΔH_地

ΔH=h_f+h_f

　　取h_j=0.1 h_f
　　現(xiàn)計算第1輪灌組，干管AL同時向支1、支2供水。
　　管段水頭損失

　　　　　　　　　　　　　　　H_fkL=8.4×10⁴×7.2^1.75×5/50^4.75
　　　　　　　　　　　　　　　　　=0.1(m)

　　　　　　　　　　　　　　　ΔH_kL=1.1 h_fkL
　　　　　　　　　　　　　　　　　=1.1×0.1
　　　　　　　　　　　　　　　　　=0.1(m)

　　支管2進口處的工作水頭為

　　　　　　　　　　　　　　　H_支2=H_A-ΣΔH+ΔH_地
　　　　　　　　　　　　　　　　=39-(29.32+0.1)+(98-82.5)
　　　　　　　　　　　　　　　　=25.08(m)

　　其他支管進口工作水頭計算方法相同，計算結(jié)果見表3。

表3　支管進口工作水頭計算結(jié)果　　　　　　　　　(單位：m)

4.2.6　支管管徑計算
　　根據(jù)地形條件及實際情況，干管沿山脊布置，支管垂直于等高線布置，此時支管水力計算應(yīng)滿足支管上各毛管進口的工作水頭要求，因此，支管的水頭損失應(yīng)根據(jù)地面高差和支管進口工作水頭大小確定，并根據(jù)確定支管管徑。

Δh=H_支±ΔH_地=h_o(順坡為+，逆坡為-)

D_支=KQ^1.75_支LF/Δh^-4.75

　　現(xiàn)計算支管3，查表5可知H_支3=32.85 m，毛管進口工作水頭h_o=15.0 m，Q_支3=9.18 m³/h，ΔH_支=85.5-72=3.5 m，分水孔數(shù)N=15,多孔系數(shù)F=0.377，支管長L_支3=90 m。

Δh=23.77+13.5-15
=22.27 (m)

　　支管3管徑：

　　　　　　　　　　　　　　　D_支3=(8.4×10⁴×9.18^1.75×90×0.377/26.27)^-4.75
　　　　　　　　　　　　　　　　　=25.99(mm)

取D_支3=32.00 mm
　　其他各支管管徑計算結(jié)果見表4。

表4　支管水力管徑計算結(jié)果　　　　　　　　　(單位：mm)

5　小　結(jié)
　　采用上述規(guī)劃設(shè)計方法直觀，比傳統(tǒng)設(shè)計方法簡單，計算準確，果園采用該設(shè)計方法進行施工安裝，達到了原來設(shè)計要求，噴灑效果比較理想。目前，廣東省大力發(fā)展果園種植，需要推廣應(yīng)用微噴灌等節(jié)水灌溉技術(shù)，抓好規(guī)劃設(shè)計工作是關(guān)鍵，才能保證節(jié)水灌溉工程達到設(shè)計要求。