果园微喷灌系统规划与设计

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C_u=95%，灌水有效利用系数η=0.9，设计日耗水强度E_a=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(W_d-W_o)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；
　　　W_d──土壤田间最大持水量，W_d=22%；
　　　W_o──设计含水量下限，W_o=0.6 W_d=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/E_a
　　22.3/2.71=8.23 (d)

　　取T=8d
3.3　一次灌水延续时间

t=MS_tS_r/(η_水nq_d)

(2)

式中　t──一次灌水延续时间,h；

　　　S_t──果树株距,m；
　　　η_水──灌水有效利用率，取η_水=0.9；
　　　q_d──微喷头流量，q_d=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

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q_v=0.2，灌水器设计工作水头h_d=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N_m=10(孔)
4.1.4　毛管设计最大长度

L_max=N_mS+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＜L_max=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(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h_o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。
　　　　　　　　　　　　　　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L_a1=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

　　　　　　　　　　　　　　　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。

　　　　　　　　　　　　　　　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　首部二级加压泵扬程计算
　　首部地面高程Z_A=97.7 m，W点地面高程Z_w=94.0 m，干管ASW沿程水头损失h_fAW=17.36 m，毛管进口水头h_o=15.0 m，考虑首部枢纽中各种管道、管件和过滤器水头损失Σh_j=8.0 m，首部枢纽水泵扬程为

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

　　干管AL沿程水头损失h_fAL=26.7 m，L点地面高程为Z=83.1 m，首部枢纽水泵扬程为

　　　　　　　　　　　　　　　H_AL=h_o+Σh_j+h_fAL-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

　　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

　　　　　　　　　　　　　　　H_A=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=H_A-ΣΔH±ΔH_地

ΔH=h_f+h_f

　　取h_j=0.1 h_f
　　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

　　　　　　　　　　　　　　　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进口处的工作水头为

　　　　　　　　　　　　　　　H_支2=H_A-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)

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=h_o(顺坡为+，逆坡为-)

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

取D_支3=32.00 mm
　　其他各支管管径计算结果见表4。

表4　支管水力管径计算结果　　　　　　　　　(单位：mm)

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。