简介： 微喷灌技术是主要的节水灌溉技术之一，果园应用微喷灌越来越多，微喷灌系统应如何进行规划设计，才能达到要求，本文就此问题进行研究探讨。
关键字：果园 微喷灌 规划 设计
1 基本情况
微喷灌是通过低压管道系统，以小的流量将水喷洒到土壤表面进行局部灌溉，微喷灌的特点是灌水流量小，一次灌水延续时间较长，灌溉周期短，需要的工作压力较低，能够较精确地控制灌水量，能把水和养分直接输送到作物根部附近的土壤中去。
果园位于广东省电白县大衙镇，种植荔枝，树龄在3～7年左右。规划13.3 hm2的微灌工程，于1996年10月建成。果园最高处高程为94.91 m，坡面比较均匀，高差在8～21 m之间，土壤为砂壤土，含有机质少，透水性较大，保水保肥能力较差。水源利用1996年初打的一口深25 m的水井，流量为25 m3/h，可连续抽水4～6 h，果场已有380V动力线，变压器容量为10 kVA。
2 规划设计方案
荔枝基本沿等高线种植，每行树布置一条毛管，毛管沿等高线布置，毛管间距等于果树行距，即6.0 m。沿毛管在每两棵树中间布置一个微喷头，微喷头间距与荔枝树株距相等，即4.5 m，微喷头用Φ4 mm微管与毛管连接，微管长1.0 m，用插杆固定在地面上。
根据地形条件，干管沿山丘的脊线布置，由首部枢纽A点起沿山脊向北布置APS干管和向南布置AFL干管，支管沿山坡垂直于等高线布置，并尽量向两侧毛管供水，毛管平行等高线布置，见图1。
图1 微灌工程规划图
规划设计参数为：南方果树的湿润比P≥0.35，设计灌水均匀度Cu=95%，灌水有效利用系数η=0.9，设计日耗水强度Ea=2.71 mm/d。
3 微喷灌溉制度设计计算
3.1 一次灌水量计算
微喷灌设计一次灌水量用(1)式计算
M=0.1 rh(Wd-Wo)P (1)
式中 M──灌水定额,mm；
r──土壤容量，砂质壤土r=1.37 g/cm3；
h──灌水湿润深度，取h=0.5 m；
Wd──土壤田间最大持水量，Wd=22%；
Wo──设计含水量下限，Wo=0.6 Wd=13.2%；
P──土壤温润比，P=2×5/(4.5×6)=0.37。
M=0.1×1.37×50×(22-13.2)×0.37
=22.3 (mm)
3.2 设计灌水周期
T=M/Ea
22.3/2.71=8.23 (d)
取T=8d
3.3 一次灌水延续时间
t=MStSr/(η水nqd)
(2)
式中 t──一次灌水延续时间,h；
St──果树株距,m；
η水──灌水有效利用率，取η水=0.9；
qd──微喷头流量，qd=60 L/h；
n──灌水器数量，n=1个/株。
t=22.3×4.5×6/0.9×1×60)=11.15 (h)
取t=11(h)
3.4 轮灌组数目
每天工作时间取C=8 h，则轮灌组数目
N=CT/t=8×8/11=5.8 (组)
取N=6 (组)
为了使每个轮灌组灌水时水泵出水量基本相等，压力比较均匀，缩小管径，降低工程投资，根据实际支管情况，将各轮灌组的分组情况划分见表1。
表1 轮灌分组表 单位：m3/h
|
组 |
支管 |
流量 |
合计 |
组 |
支管 |
流量 |
合计 |
|
1 |
支1 |
12.36 |
39.54 |
4 |
支7 |
9.24 |
31.62 |
|
|
支3 |
9.1 |
38.58 |
|
支10 |
14.52 |
37.26 |
|
|
支5 |
6.24 |
37.02 |
|
支9 |
7.86 |
38.46 |
4 微灌系统管网水力计算
4.1 毛管水力计算
4.1.1 毛管水力计算参数
本工程采用全圆折射式微喷头，已知灌水器流态指数X=0.5，微灌系统设计流量偏差qv=0.2，灌水器设计工作水头hd=0.1 MPa，设计流量q=60 L/h。
4.1.2 灌水器设计允许工作水头偏差率
4.1.3 毛管最大出水孔数
取Nm=10(孔)
4.1.4 毛管设计最大长度
Lmax=NmS+S0
=10×4.5+4.5/2
=47.25(m)
根据实际地形和管道布置情况，实际最大毛管长度L=42.5 m＜Lmax=47.25 m，满足设计要求。
4.1.5 毛管进口压力h0计算
毛管沿树行平行于等高线布置，灌水器最大工作压力水头在毛管进口处第一个出水口处。
h0=h1+ka(Nqd)mSo-JSo
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、支管水力计算
4.2.1 干管ASW水力计算
根据地形条件和管网布置情况，第一轮灌组离首部枢纽二级加压泵最远，流量Q12=11.4 m3/h，W点地面高程为94 m，如果支管进口水头等于毛管进口设计水头，那么只要在W点管道内有满足毛管进口水头ho的工作水头，其他毛管的进口水头均能满足要求。干管ASW沿程水头损失按勃拉休斯公式计算。
hfAW=8.4×104×Q1.74L/D4.75
=8.4×104×［(19.981.75×84+11.41.75×
64)/504.75+11.41.75×192/654.75
=17.36 (m)
4.2.2 干管AFL水力计算
在第一轮灌组中，向支1、支2两条支管同时供水，其流量为Q=19.56 m3/h，干管AFL全长La1=205 m，A点与L点地面高程差为97.7-83.1=14.6 m。
干管AFL管径为
DAL=(KQ1.75L/ΔH地)-4.75
=(8.4×104×19.561.75
×205/14.6)-4.75
=56.7(mm)
由于干管ASW和干管AFL所需要的工作水头有差别，而且两条干管在A处平衡，所以A点处提供的工作水头远远超过干管AFL的沿程水头损失，所以选用干管AFL的管径D=50 mm，满足要求。
hfAL=8.4×104D1.75L/Q4.75
=8.4×104×19.561.75×205/504.75
=26.7(m)
4.2.3 首部二级加压泵扬程计算
首部地面高程ZA=97.7 m，W点地面高程Zw=94.0 m，干管ASW沿程水头损失hfAW=17.36 m，毛管进口水头ho=15.0 m，考虑首部枢纽中各种管道、管件和过滤器水头损失Σhj=8.0 m，首部枢纽水泵扬程为
HAW=ho+Σhj+hfAW-ΔZ
=15+8+17.36(97.7-94)
=36.66 (m)
干管AL沿程水头损失hfAL=26.7 m，L点地面高程为Z=83.1 m，首部枢纽水泵扬程为
HAL=ho+Σhj+hfAL-ΔZ
=15+8+26.7-(97.7-83.1)
=35.1(m)
可见，第一组最大扬程为36.66 m，就能满足要求，其他各轮灌组所需的扬程和流量经过计算，结果见表2。
表2 各轮灌组设计扬程计算结果表
|
轮灌组 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
流量(m3/h) |
39.54 |
38.58 |
37.02 |
31.62 |
37.26 |
38.46 |
|
扬程(m) |
36.66 |
37.08 |
32.85 |
32.64 |
26.60 |
30.55 |
从表2计算结果中可知，最大流量为第1轮灌组，最大扬程为第2轮灌组，因此满足第1轮灌组的流量和第2轮灌组的压力，即可满足其他轮灌组的要求。
4.2.4 首部枢纽水泵电机选择
根据轮灌组最大流量Q=39.54 m3/h，扬程H=37.08 m，选择型号为IS80-65-160型节能单级单吸清水离心泵，H=32～45 m，Q=50～25 m3/h，由安微宁国工业泵厂生产。
电机为三相异步电动机，型号为Y132-2″,功率N=7.5 kW，由西安电机厂生产。
4.2.5 支管进口工作水头计算
由于轮灌时各组的流量大小不相同，水泵扬程也不同，各支管的进口工作水头需按水泵扬程进行复核计算，确定是否需要在支管进口设置调压装置。
首部枢纽出水口A点工作水头确定：
蓄水池平均设计水位为97 m，水泵轴线安装高程为98 m，首部枢纽地面高程为97.7 m，轮灌组的流量在31.62～39.54 m3/h之间，由水泵性能曲线可知，水泵的扬程在39～42.5 m之间变化，现以39 m为各次轮灌时水泵的计算扬程。
A点处的水头为
HA=H扬-Δh首-ΔZ
=39-8-(98-97)
=30 (m)
灌水时各支管进口工作水头计算：
轮灌时各支管进口的工作水头与轮灌组的输水流量、管道沿程水头损失及地面高程有差别，关系较大，现均以A点为计算起点，各支管进口的工作水头为
H支=HA-ΣΔH±ΔH地
ΔH=hf+hf
取hj=0.1 hf
现计算第1轮灌组，干管AL同时向支1、支2供水。
管段水头损失
HfkL=8.4×104×7.21.75×5/504.75
=0.1(m)
ΔHkL=1.1 hfkL
=1.1×0.1
=0.1(m)
支管2进口处的工作水头为
H支2=HA-ΣΔH+ΔH地
=39-(29.32+0.1)+(98-82.5)
=25.08(m)
其他支管进口工作水头计算方法相同，计算结果见表3。
表3 支管进口工作水头计算结果 (单位：m)
|
管段 |
AK |
KL |
AP |
PW |
AI |
IJ |
AR |
RU |
AG |
GH |
AQ |
|
工作水头(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 |
|
工作水头(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 支管管径计算
根据地形条件及实际情况，干管沿山脊布置，支管垂直于等高线布置，此时支管水力计算应满足支管上各毛管进口的工作水头要求，因此，支管的水头损失应根据地面高差和支管进口工作水头大小确定，并根据确定支管管径。
Δh=H支±ΔH地=ho(顺坡为+，逆坡为-)
D支=KQ1.75支LF/Δh-4.75
现计算支管3，查表5可知H支3=32.85 m，毛管进口工作水头ho=15.0 m，Q支3=9.18 m3/h，ΔH支=85.5-72=3.5 m，分水孔数N=15,多孔系数F=0.377，支管长L支3=90 m。
Δh=23.77+13.5-15
=22.27 (m)
支管3管径：
D支3=(8.4×104×9.181.75×90×0.377/26.27)-4.75
=25.99(mm)
取D支3=32.00 mm
其他各支管管径计算结果见表4。
表4 支管水力管径计算结果 (单位：mm)
|
管段 |
KK′ |
K′K″ |
K′K |
KL |
LL′ |
LL″ |
JJ′ |
II′ |
HH′ |
GG′ |
FF′ |
|
计算管径 |
26.02 |
28.29 |
26.16 |
19.39 |
13.32 |
29.83 |
25.99 |
27.76 |
21.72 |
23.85 |
23.99 |
|
选用管径 |
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′ |
|
计算管径 |
21.98 |
22.46 |
36.33 |
18.31 |
30.40 |
28 |
20.1 |
14.1 |
22.1 |
16.7 |
23.3 |
|
选用管径 |
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′ |
|
计算管径 |
25.8 |
21.6 |
27.4 |
31.64 |
16.03 |
32.15 |
16.15 |
26.4 |
9.9 |
19.89 |
29.4 |
|
选用管径 |
32 |
25 |
32 |
32 |
25 |
40 |
25 |
32 |
25 |
25 |
32 |
5 小 结
采用上述规划设计方法直观，比传统设计方法简单，计算准确，果园采用该设计方法进行施工安装，达到了原来设计要求，喷洒效果比较理想。目前，广东省大力发展果园种植，需要推广应用微喷灌等节水灌溉技术，抓好规划设计工作是关键，才能保证节水灌溉工程达到设计要求。