果园微喷灌系统规划与设计.pdf

1999 年 12 月 节 水 灌 溉 1999 年第 6 期果园微喷灌系统规划与设计邹战强(广东省水利水电科学研究所 广州 510610)摘 要 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 54 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。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 G=0.9,设计日耗水强度 Ea=2.71 mm/d。图 1 微灌工程规划图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19M=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/Ea22.3/2.71=8.23(d)取T=8d3.3 一次灌水延续时间t=MStSr/(G水nqd)(2)式中 t一次灌水延续时间,h;St果树株距,m;G水灌水有效利用率,取 G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支 112.36支 79.241支 2支 14支 227.28.5811.439.544支 8支 186.016.3831.62 2支 3支 4支 16支 209.110.626.5412.24 38.58 5支 10支 11支 1914.5213.149.6 37.26 3支 5支 6支 15支 176.249.669.9611.16 37.02 6支 9支 12支 13支 217.8611.404.7414.46 38.464 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Hv=1Xqv(1+0.121-XXqv)=10.5 0.2 (1+0.12 1-0.50.5 0.2)=0.44.1.3 毛管最大出水孔数Nm=(5.533D4.75hdHvKSq1.75d)0.3636+0.52 =(5.533 124.75 10 0.41.1 4.5 601.75)0.3636+0.52=9.83(孔)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-JSoh1=(1+0.62 0.2)1/5 10+8.4 10-4 601.696 2+1.34 10-5 602=14.43(m)A=1.006 10-5 1.2-(0.123Lg1.2+4.88)=4.1 10-6m=1.753(D/2.5)0.018=1.753(1.2/2.5)0.018=1.73K=1.1h0=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20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=205m,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/$H地)-4.75=(8.4 104 19.561.75 205/14.6)-4.75=56.7(mm)由于干管ASW 和干管 AFL 所需要的工作水头有差别,而且两条干管在 A 处平衡,所以 A 点处提供的工作水头远远超过干管 AFL 的沿程水头损失,所以选用干管AFL 的管径 D=50 mm,满足要求。hfAL=8.4 104D1.75L/Q4.75=8.4 104 19.561.75 205/504.75=26.7(m)4.2.3 首部二级加压泵扬程计算首部地面高程 ZA=97.7 m,W 点地面高程 Zw=94.0 m,干管ASW 沿程水头损失 hfAW=17.36 m,毛管进口水头 ho=15.0 m,考虑首部枢纽中各种管道、管件和过滤器水头损失 2hj=8.0 m,首部枢纽水泵扬程为 HAW=ho+2hj+hfAW-$Z=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+2hj+hfAL-$Z=15+8+26.7-(97.7-83.1)=35.1(m)可见,第一组最大扬程为 36.66 m,就能满足要求,其他各轮灌组所需的扬程和流量经过计算,结果见表2。表 2 各轮灌组设计扬程计算结果表轮灌组123456流量(m3/h)39.5438.5837.0231.6237.2638.46扬程(m)36.6637.0832.8532.6426.6030.55 从表 2 计算结果中可知,最大流量为第 1 轮灌组,最大扬程为第 2 轮灌组,因此满足第 1 轮灌组的流量和第 2 轮灌组的压力,即可满足其他轮灌组的要求。4.2.4 首部枢纽水泵电机选择根据轮灌组最大流量 Q=39.54 m3/h,扬程 H=37.08 m,选择型号为 IS80-65-160 型节能单级单吸清水离心泵,H=32 45 m,Q=50 25 m3/h,由安微宁国工业泵厂生产。电机为三相异步电动机,型号为 Y132-2d,功率N=7.5 kW,由西安电机厂生产。4.2.5 支管进口工作水头计算由于轮灌时各组的流量大小不相同,水泵扬程也不同,各支管的进口工作水头需按水泵扬程进行复核计算,确定是否需要在支管进口设置调压装置。首部枢纽出水口 A 点工作水头确定:蓄水池平均设计水位为 97 m,水泵轴线安装高程为98 m,首部枢纽地面高程为 97.7 m,轮灌组的流量在31.62 39.54 m3/h 之间,由水泵性能曲线可知,水泵的扬程在39 42.5 m 之间变化,现以 39 m 为各次轮灌时水泵的计算扬程。A 点处的水头为 HA=H扬-$h首-$Z=39-8-(98-97)=30(m)灌水时各支管进口工作水头计算:轮灌时各支管进口的工作水头与轮灌组的输水流量、管道沿程水头损失及地面高程有差别,关系较大,现均以 A 点为计算起点,各支管进口的工作水头为 H支=HA-2$H?$H地$H=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)$HkL=1.1 hfkL=1.1 0.1=0.1(m)支管 2 进口处的工作水头为21 H支2=HA-2$H+$H地=39-(29.32+0.1)+(98-82.5)=25.08(m)其他支管进口工作水头计算方法相同,计算结果见表 3。4.2.6 支管管径计算根据地形条件及实际情况,干管沿山脊布置,支管垂直于等高线布置,此时支管水力计算应满足支管上各毛管进口的工作水头要求,因此,支管的水头损失应根据地面高差和支管进口工作水头大小确定,并根据确定支管管径。$h=H支?$H地=ho(顺坡为+,逆坡为-)D支=KQ1.75支LF/$h-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,$H支=85.5-72=3.5 m,分水孔数 N=15,多孔系数 F=0.377,支管长 L支3=90 m。$h=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 3 支管进口工作水头计算结果(单位:m)管段AKKLAPPWAIIJARRUAGGHAQ工作水头(H支)24.5825.0841.8224.4625.7227.7732.0323.3437.0436.8445.37管段QSAEEPATABBCAUADAMHNNV工作水头(H支)39.8738.6647.6031.3747.6035.3736.9538.4347.1440.7722.25表 4 支管水力管径计算结果(单位:mm)管段KK cK cK dK cKKLLL cLLdJJ cII cHHcGG cFF c计算管径26.0228.2926.1619.3913.3229.8325.9927.7621.7223.8523.99选用管径3232322525323232252525管段EEcDD cCCcC cCdCcCBB cMMcMcM dM cMNN cPP c计算管径21.9822.4636.3318.3130.402820.114.122.116.723.3选用管径2525254025323225252525管段QQ cRR cSScTT cUU dUUcVV cVV1V1V c1V1V d1VWc计算管径25.821.627.431.6416.0332.1516.1526.49.919.8929.4选用管径32253232254025322525325 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。参考文献1 陈大雕等.微喷灌.北京:水利电力出版社,19882 微灌工程技术规划(SL103-95),北京:中国水利水电出版社,19953 傅琳等.微灌工程技术指南.北京:水利电力出版社,1988(收稿日期:1999-04-13)22