果園微噴灌系統(tǒng)規(guī)劃與設(shè)計

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簡介： 微噴灌技術(shù)是主要的節(jié)水灌溉技術(shù)之一，果園應用微噴灌越來越多，微噴灌系統(tǒng)應如何進行規(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

組

支管

流量

合計

組

支管

流量

合計

1

支1
支2
支14
支22

12.36
7.2
8.58
11.4

39.54

4

支7
支8
支18

9.24
6.0
16.38

31.62

　
2

支3
支4
支16
支20

9.1
10.62
6.54
12.24

38.58

　
5

支10
支11
支19

14.52
13.14
9.6

　37.26

　
3

支5
支6
支15
支17

6.24
9.66
9.96
11.16

37.02

　
6

支9
支12
支13
支21

7.86
11.40
4.74
14.46

38.46

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

輪灌組

1

2

3

4

5

6

流量(m³/h)

39.54

38.58

37.02

31.62

37.26

38.46

揚程(m)

36.66

37.08

32.85

32.64

26.60

30.55

　　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)

管段

AK

KL

AP

PW

AI

IJ

AR

RU

AG

GH

AQ

工作水頭(H_支)

24.58

25.08

41.82

24.46

25.72

27.77

32.03

23.34

37.04

36.84

45.37

管段

QS

AE

EP

AT

AB

BC

AU

AD

AM

HN

NV

工作水頭(H_支)

39.87

38.66

47.60

31.37

47.60

35.37

36.95

38.43

47.14

40.77

22.25

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)

管段

KK′

K′K″

K′K?

KL

LL′

LL″

JJ′

II′

HH′

GG′

FF′

計算管徑

26.02

28.29

26.16

19.39

13.32

29.83

25.99

27.76

21.72

23.85

23.99

選用管徑

32

32

32

25

25

32

32

32

25

25

25

管段

EE′

DD′

CC′

C′C″

C′C?

BB′

MM′

M′M″

M′M?

NN′

PP′

計算管徑

21.98

22.46

36.33

18.31

30.40

28

20.1

14.1

22.1

16.7

23.3

選用管徑

25

25

40

25

32

32

25

25

25

25

管段

QQ′

RR′

SS′

TT′

UU″

UU′

VV′

VV₁

V₁V′₁

V₁V″₁

VW′

計算管徑

25.8

21.6

27.4

31.64

16.03

32.15

16.15

26.4

9.9

19.89

29.4

選用管徑

32

25

32

32

25

40

25

32

25

25

32

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。