果园微喷灌系统研究

　　摘要：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。

　　关键词：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

　　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

　　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

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