陳桂梅，曲志軍，王春雨

(1.黑龍江省水利學(xué)校，黑龍江 大慶 163300；2.大慶市水利規(guī)劃設(shè)計研究院，黑龍江 大慶163311)

1 概 述

項目區(qū)位于大慶市大同區(qū)祝三鄉(xiāng)平橋村三門呂家屯南及八井子鄉(xiāng)吳守業(yè)屯西。大同區(qū)位于松嫩平原中部，黑龍江省西部，屬松花江流域。

項目區(qū)總的氣候特征是：春季干旱多風(fēng)，夏季雨熱同期，秋季晴朗氣爽，冬季寒冷漫長。多年平均氣溫4.7 ℃，年日照時數(shù)2846.9 h，無霜期平均140 d，最大凍土深2.3 m，年平均風(fēng)速3.4 m/s。多年平均降水量420 mm，年際變化大，年內(nèi)分配不均，多年平均水面蒸發(fā)量966 mm(E601)，蒸發(fā)量年內(nèi)分配不均，秋、冬季蒸發(fā)量小; 春、夏季蒸發(fā)量大，素有“十年九春旱”之說，是黑龍江省西部重點干旱區(qū)。2017年初，大慶市水務(wù)局?jǐn)M建設(shè)大慶市大同區(qū)地埋式自動伸縮一體化噴滴灌設(shè)備推廣試驗工程。

2 方案選擇

本工程為農(nóng)田新技術(shù)試驗工程，對于噴灌設(shè)備選取具有較高要求。綜合國內(nèi)目前使用的噴灌設(shè)備種類，現(xiàn)廣泛應(yīng)用的是固定式和半固定式噴灌設(shè)備。半固定式噴灌設(shè)備投資相對較少，但在運用中需頻繁更換噴頭，操作強度大，效率低；固定式噴灌設(shè)備投資較多，可省去更換噴頭的操作，提高了效率。上述半固定與固定式噴灌設(shè)備，除管道埋設(shè)在地下外，噴頭栓管均在地表以上，這給農(nóng)業(yè)機械規(guī)模化作業(yè)帶來了很大不便，在機種、機收時需避讓、保護或拆除栓管，以避免栓管及噴頭遭到破壞，使灌水作業(yè)人工強度增大[1]。

目前水利部灌排中心研發(fā)的地埋式半自動伸縮噴滴灌設(shè)備的系列產(chǎn)品可避免上述問題出現(xiàn)，綜合經(jīng)濟和實用性的比較，對固定式噴灌比較適合的設(shè)備有兩種：噴灌專用自動伸縮取水設(shè)備和地埋式自動伸縮一體化噴灌設(shè)備。

與傳統(tǒng)給水栓相比，噴灌專用自動伸縮取水設(shè)備埋設(shè)于耕作層以下，在水壓作用下自動伸出地面，避免人為破壞，有利于田間耕作，該設(shè)備雖無需尋找田間出水口位置，但其需要在出地后另外安裝立桿、支架和噴頭進行灌溉，噴灌作業(yè)完成需要拆卸下立桿、支架和噴頭，然后通過人力使用專用工具將出水栓管壓回到耕作層以下(地表以下40 cm)，該設(shè)備在噴灌期間無需對栓管實施套管或?qū)Ｓ迷O(shè)施保護，可減輕勞動強度，提高工作效率。

地埋式自動伸縮一體化噴灌設(shè)備埋于耕作層以下[2]，不影響耕作，集出地管、豎管、升降式噴頭于一體，同時具有噴水和頂出功能，無需尋找田間出水口位置，噴灌作業(yè)前、后均不需要再安裝或拆卸任何設(shè)施，噴灌結(jié)束后可通過人力用專用工具將出水栓管及噴頭壓回到耕作層以下(地表以下40 cm)，大大減輕了勞動強度，提高了工作效率。已有示范工程的應(yīng)用結(jié)果表明：該設(shè)備能夠滿足噴灌工程建設(shè)和使用要求，運行穩(wěn)定，使用方便，經(jīng)濟合理，經(jīng)久耐用。

綜合上述噴灌新技術(shù)優(yōu)缺點，本工程選用地埋伸縮式一體化噴灌設(shè)備，采用設(shè)備型號分別為：SD-03、SD-04、SD-02A及SD-1-φ75。

3 工程設(shè)計

3.1 基本資料

本次管網(wǎng)典型設(shè)計選擇3號溫室大棚作為典型設(shè)計[3]，該棚室由18拱組成，每拱寬為8 m。棚長為144 m，寬為95 m，有效灌溉面積為1.333 hm2。

大棚內(nèi)種植作物為花卉[4]，土壤容重為1.39 g/cm3，田間持水量26%，灌溉水源為地下水，利用現(xiàn)有機井提水灌溉。

3.2 基本參數(shù)選取

(1)灌溉保證率[5]。根據(jù)《噴灌工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50085—2007)確定地下水噴灌灌溉設(shè)計保證率為90%。

(2)灌溉水利用系數(shù)。根據(jù)《噴灌工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50085—2007)，管道系統(tǒng)水利用系數(shù)取0.98，田間噴灑水利用系數(shù)取0.90，計算灌溉水利用系數(shù)取0.88。

(3)設(shè)計耗水強度。根據(jù)當(dāng)?shù)匮芯抠Y料選取設(shè)計耗水強度為4 mm/d。

3.3 灌水定額和灌水周期

3.3.1 設(shè)計灌水定額

噴灌區(qū)內(nèi)土壤田間持水率為26%(重量百分比)，容重γ=1.39 g/cm3，計劃濕潤層深取40 cm，適宜土壤含水量上、下限分別為田間持水率的85%與65%，經(jīng)計算灌水定額m=28.91 mm。

3.3.2 灌水周期

設(shè)計取需水強度為4 mm/d。經(jīng)計算灌水周期T=7.2 d，為管理方便，實際灌水周期應(yīng)取整數(shù)，所以灌水周期取為7 d。

3.3.3 噴頭選擇和確定組合間距

(1)噴頭選擇。噴頭選用全自動及半自動地埋式自升降噴頭兩種形式。其中靠近水源井的兩拱作物噴灌設(shè)備選用全自動噴頭，其余選擇半自動噴頭。這兩種噴頭形狀均為圓型，其性能參數(shù)如表1所示。

表1 噴頭性能參數(shù)表

(2)確定噴頭組合間距。噴頭的布置形式采用正方形組合，取Ka=Kb=0.9，則a=b=0.9R=0.9×15=13.5 m。

結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H情況，綜合考慮灌溉均勻度，取支管間距和噴頭間距均為a=b=12 m。

(3)系統(tǒng)組合噴灌強度校核。由于大棚內(nèi)全部為管道系統(tǒng)，故可以認(rèn)為灌溉水利用系數(shù)近似為噴灑水利用系數(shù)，計算得ρ=11.25 mm/h，小于ρ允=15 mm/h，系統(tǒng)組合噴灌強度滿足規(guī)范要求。

(4)霧化指標(biāo)。噴頭設(shè)計工作壓力為250 kPa，噴嘴直徑為7.0 mm，經(jīng)計算霧化指標(biāo)Fa=3571，大田糧食作物適宜霧化指標(biāo)為3000～4000，所以噴灌霧化指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

3.3.4 確定噴灌工作制度

(1)噴頭在每個位置上的工作時間。經(jīng)計算得t=3.5 h，取噴頭在工作點上噴灑的時間為3.5 h。

(2)噴頭每日可噴灑的工作點數(shù)。根據(jù)《噴灌工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50085—2007)計算一天工作位置，經(jīng)計算nd=5.7，取實際工作時噴頭每天輪灌次數(shù)6次。

3.3.5 管網(wǎng)布置及工作制度

(1)管網(wǎng)布置。管網(wǎng)布置按照種植方向進行，該地塊形狀為長方形，管網(wǎng)可按照梳字形布置。水源井位于棚室西南角，噴灌系統(tǒng)干管布置在北邊，垂直于干管方向布置支管。由于每拱的寬度為8 m，為方便施工和運行管理，支管間距調(diào)整為8 m。干、支管均采用PE管。布置圖見圖1。

(2)輪灌制度。將灌溉區(qū)的18條支管分為9個小區(qū)，每組輪灌同時工作2條支管，每次灌溉時間為3.5 h。

3.3.6 確定各級管道管徑

(1)確定各級管道設(shè)計流量。按照已確定的輪灌方案，各支管的設(shè)計流量相同，為7×1.8=12.6 m3/h，同時工作支管數(shù)為2條，所以干管設(shè)計流量為25.2 m3/h。

(2)支管管徑。由于地形平坦，支管首、末兩個噴頭的地形高差為0。根據(jù)規(guī)范要求，只需考慮支管上首、末噴頭之間的工作壓力差不超過噴頭設(shè)計工作壓力的20%即可。支管采用PE管材，每條支管長95 m。以支管首、末噴頭之間的管段為分析對象，計算公式見式(1)：

(1)

式中：F為多孔系數(shù)；f為摩阻系數(shù)；L為管道長度，m；Q為流量，m3/h；d為管內(nèi)經(jīng)，mm；m為流量指數(shù)；b為管徑指數(shù)；ΔZ為管道首、末噴頭高程差，m；hp為噴頭設(shè)計工作壓力，kPa。

圖1 噴灌典型布置圖(單位：m)

根據(jù)規(guī)范取F=0.392，f=0.948×105，m=1.77，b=4.77，由于地面平坦，ΔZ=0。

經(jīng)試算，d≥43.1 mm，考慮到管道最不利的運行狀態(tài)，選擇外徑63.0 mm、內(nèi)徑55.8 mm、公稱壓力0.6 MPa的PE管。

(3)干管管徑。干管采用PE管，管徑由經(jīng)驗公式計算確定。根據(jù)輪灌方案可知干管最大設(shè)計流量為Q=25.2 m3/h，相應(yīng)經(jīng)濟管徑計算見式(2)：

(2)

經(jīng)計算經(jīng)濟管徑d=65.3 mm。本工程干管包括主干管及分干管，由于主干管長度較長，主干管選用外徑90.0 mm、內(nèi)徑79.8 mm、公稱壓力0.6 MPa的PE管，分干管選用外徑75.0 mm、內(nèi)徑69.2 mm、公稱壓力0.6 MPa的PE管。

3.3.7 管網(wǎng)水力計算

(1)支管入口壓力水頭。噴頭的工作設(shè)計壓力為250 kPa(約25.0 m水頭)，噴點距離支管進水口高度(豎管高度)1.6 m。支管為PE 管，噴頭距支管入口最遠(yuǎn)距離為95.0 m，支管局部水頭損失估取沿程損失的10%，支管水頭損失計算公式見式(3)：

(3)

經(jīng)計算支管水頭損失hsf=1.6 m，則支管入口壓力水頭為25.0+1.6+1.6=28.2 m。

(2)分干管入口壓力水頭。分干管與主干管入口處的高差為0，水頭損失為0。以距離分干管入口最遠(yuǎn)的支管工作時進行計算，根據(jù)干支管布置方案，支管工作時距分干管入口最遠(yuǎn)的支管長度為144 m，分干管局部損失取沿程損失的10%，分干管水頭損失計算見式(4)：

(4)

經(jīng)計算分干管水頭損失hzf=2.97 m，所以干管入口壓力水頭為28.2+2.97=31.17 m。

(3)干管入口壓力水頭。分干管與主干管于水源井處直接相連，水頭損失為0。以距離分干管入口最遠(yuǎn)的支管工作時進行計算，根據(jù)干支管布置方案，支管工作時距干管入口最遠(yuǎn)的支管長度為93 m，干管局部損失取沿程損失的10%，干管水頭損失計算見式(4)。

經(jīng)計算干管水頭損失hzf=0.97 m，干管入口與支管入口處的高差為0，則干管入口壓力水頭為31.17+0.97=32.14 m。

3.3.8 水泵選型

水泵的選型根據(jù)設(shè)計工況需要的揚程和流量確定。本系統(tǒng)選用潛水泵，則不考慮地形影響時水泵的總揚程，計算公式見式(5)：

H=H0+h首部+Δz

(5)

式中：H為系統(tǒng)不考慮地形影響時水泵的總揚程，m；H0為干管進水口所要求的工作水頭，m；h首部為干管進水口至水源的總水頭損失，包括揚水鋼管、閘閥、連接件、施肥裝置、過濾器、量測設(shè)備等的水頭損失，取h首部=10 m；Δz為機井動水位，取30 m。

經(jīng)計算得H=72.14 m。根據(jù)噴灌系統(tǒng)流量與揚程選擇水泵，水泵型號及其技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 水泵性能參數(shù)

4 結(jié) 語

實施 “大慶市大同區(qū)地埋式自動伸縮一體化噴滴灌設(shè)備推廣試驗工程”后，18.667 hm2大田年可節(jié)水1.4×104m3，玉米年可增產(chǎn)3.2萬kg，年可增收6.86萬元。8棟連拱溫室大棚每畝可產(chǎn)花卉11萬株，年可增收72萬元，水利增收效益為78.86萬元，取得了節(jié)水、增產(chǎn)、增效等顯著的效益，達(dá)到了高效節(jié)水灌溉效果。做到了地下水資源合理利用、采蓄平衡，在沒有破壞生態(tài)環(huán)境的基礎(chǔ)上增加了耕地的效益，符合國家人與自然和諧建設(shè)總體思路，該典型設(shè)計為干旱缺水地區(qū)提供了重要的技術(shù)依據(jù)和實踐經(jīng)驗。