果园微喷灌系统规划与设计

申请免费试用、咨询电话：400-8352-114

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

组

支管

流量

合计

组

支管

流量

合计

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

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

　　　　　　　　　　　　　　　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)

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=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)

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。