中心支軸式噴灌機在高效節水灌溉工程中的典型設計

王 釗

(唐山市水利規劃設計研究院，河北 唐山 063000)

中心支軸式噴灌機在高效節水灌溉工程中的典型設計

王 釗

(唐山市水利規劃設計研究院，河北 唐山 063000)

中心支軸式噴灌機是一種現代化程度很高的高效節水灌溉設備。本文以唐山市古冶區一座中心支軸式噴灌機作為典型，介紹了從基本資料收集、計算灌水定額、制定灌溉工作制度到水泵選型的設計過程，希望能為今后中心支軸式噴灌機的標準化設計提供一些經驗。

中心支軸式；節水灌溉；噴灌機；典型設計；灌溉工作制度

中心支軸式噴灌機又稱指針式噴灌機或圓形噴灌機，是一種現代化程度很高的高效節水灌溉設備。具有自動化程度高、噴灑質量好、土地利用效率高、綜合利用好、適應性強和地面工程設施少等優點。中心支軸式噴灌機在現代農業建設中發展很快，應用數量在全國每年以超過千臺的速度在增加[1]。

中心支軸式噴灌機由中心支座、塔架車、桁架、末端懸臂和電控同步系統等部分組成，支管由薄壁鍍鋅鋼管連接而成，其上按一定要求布置許多低壓噴頭，裝有噴頭的桁架支撐在若干塔架車上組成噴灌機的主體[2]。噴灌機工作時，水通過水泵加壓，由地下固定式輸水管從中心支座進入噴灌機，經支管輸送到各個噴頭，驅動機構帶動噴灌機主體圍繞著自身的中心支座以圓形旋轉實現行走噴灑。對于正方形耕地，四個角上無法受水，為了補救，可在末端加遠射程噴頭，當機組轉至地角時，用自動啟閉閥門啟動遠射程噴頭對地角做扇形噴灑[3]。

1 項目區概況

以唐山市古冶區一處中心支軸式噴灌機作為典型工程。唐山市古冶區屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區，夏季受海洋性氣團的影響，多東風、東南風。冬季受西伯利亞冷氣團的影響，多西北風。冬干夏濕，季風顯著，四季分明。年平均氣溫11.2 ℃,最熱月為7月，平均氣溫25.5 ℃；最冷月為1月，平均氣溫-5.3 ℃，最大凍土深度0.73 m。由于太平洋季風受北部燕山余脈阻擋，古冶區降水比較充沛，年平均降水量648.1 mm，80%的降雨集中在6—9月份，降水年際間相差也較大。全年主導風向為西北，最大風速22.7 m/s。

本文選取的中心支軸式噴灌機典型工程位于古冶區某合作社，地塊總面積39.7 hm2，地塊形狀基本為正方形，地勢較為平坦，地面坡度在1/2000～1/2500之間，并且地塊內沒有障礙物，適合采用噴灌機械進行灌溉。地塊種植作物為油牡丹，是一種經濟效益較高的油料作物。項目區土壤類型為沙壤土，土壤干容重為1.5 g/cm3。噴灌機水源采用項目區內3眼機井供水，每眼機井出水量為40 m3/h，共出水120 m3/h。地塊附近有變壓器，可輸出380 V/50 Hz的三相交流電，可滿足噴灌機組及水泵的要求。

2 設計灌水定額與灌水周期

典型地塊種植的油牡丹是一種多年生小灌木，生長期從3月15日—6月15日。噴灌的灌溉設計保證率為90%。根據油牡丹的需水規律，計算其各生長期的灌水定額，以確定噴灌機在各生長期內的不同工作制度，油牡丹灌溉制度見表1。本文僅以其需水量最大的生長期作為范例設計噴灌機工作制度，其他生長期的工作制度可采用相同方法設計，本文不再贅述。

表1 油牡丹灌溉制度

油牡丹的最大灌水定額按公式(1)計算：

m=1000γh(β1-β2)

(1)

式中：m為最大凈灌水定額，mm；h為計劃濕潤層深度，m，油牡丹取40 cm；γ為土壤干容重，g/cm3，沙壤土取1.5 g/cm3；β1為土壤適宜含水率上限，%，土壤適宜含水率上限為田間持水量的95%，田間土壤持水量以質量百分率計，取23%，則β1=23%×95%=21.9%；β2為土壤適宜含水率下限，%，土壤適宜含水率的下限為田間持水量的65%，則β2=23%×65%=15.0%。

經計算，油牡丹的最大凈灌水定額為41.4 mm，噴灌系統灌溉水利用系數為0.85，則油牡丹噴灌的毛灌水定額為49.87 mm。

設計灌水周期由式(2)確定：

T=m/ETd

(2)

式中：T為設計灌水周期，d；m為設計凈灌水定額，mm；ETd為作物需水高峰期平均日耗水量，mm/d，取設計保證率90%年份下灌水臨界期的平均日需水量，根據試驗資料取4.3 mm/d。

經計算油牡丹的設計灌水周期T=9.62 d，取9 d。

3 噴灌機典型設計

3.1 總體布置

典型地塊接近正方形，噴灌機機組實體長度取304 m，機組末端加裝尾槍，用來噴射方形地塊的四角部分，轉到角處自動開始噴射，尾槍的最大射程為20 m，則噴灌機的有效長度為324 m。噴灌機的中心支座位于地塊中心點附近，通過管道由地塊內的3眼水源井同時供水。動力部分由地塊邊界的輸電線路接地埋式電纜到中心點，機組工作電壓為380 V/50 Hz，現有項目區用電線路即可滿足機組要求，不需另外配設變壓器。項目區地形可以滿足中心支軸式噴灌機對地面坡度不大于15°的要求，可以正常運行，局部有溝坎的地方可以將機組輪胎工作軌跡墊平處理。

根據所需的機組長度，典型設計機組采用56×3+62×2+12+EG的配置，即從內向外分別為：跨體有5跨，分別為56 m、56 m、56 m、62 m和62 m，外側為12 m的懸臂，懸臂末端裝尾槍(EG)，共配置5個塔架車。設備最低點離地高度為2.5 m。噴頭使用S3000型散射型噴頭，噴灑直徑12.8～16.5 m，噴灑均勻度較高。

3.2 噴灌機按灌水定額灌溉所需運行時間

(3)

式中：T為噴灌機按灌水定額灌溉所需運行時間，h；A為噴灌機控制面積，m2；m為最大毛灌水定額，mm；Q為噴灌機機組設計流量，按水源井總出水量120 m3/h計。

根據以上參數，該典型地塊噴灌機按灌水定額灌溉所需運行時間為153.6 h(6.4 d)，小于作物設計灌水周期9 d，可滿足典型地塊作物的灌溉要求。

3.3 噴灌機運行速度及運行一圈最小、最大時間

噴灌機運行速度受驅動電機最大運行速度和土壤允許最大噴灌強度的制約。其運行速度上限為驅動電機在額定轉速時的運行速度，此時噴灌機運行一圈的時間即為運行一圈最小時間；噴灌機運行速度下限應滿足噴灌強度不高于典型地塊沙壤土的允許最大噴灌強度，速度過慢將導致噴灌強度過大產生地表徑流，此時噴灌機運行一圈的時間即為運行一圈最大時間。

運行一圈最小時間按(4)式計算：

(4)

式中：Tmin為噴灌機運行一圈所需最小時間，h；L為中心支座到最遠塔架車之間的距離，m；n為電動機額定轉速，r/min；D為配套車輪有效外徑，m；i為行走驅動裝置減速器的總速比，無量綱。

電動機的轉速額定為1450 r/min，車輪外徑為1.26 m，總減速比為200∶1，典型地塊L為304 m。經計算機組運行一圈最小時間為11.09 h。

運行一圈最大時間按(5)計算：

(5)

式中：Tmax為噴灌機運行一圈所需最大時間，h；ρ為沙壤土允許最大噴灌強度，mm/h。

根據《噴灌工程技術規范》(GB 50085-2007T)[4]，沙壤土允許最大噴灌強度為15 mm/h，經計算機組運行一圈最大時間為36.27 h。

3.4 噴灌機工作制度

噴灌機的工作制度是由機組主控制箱內的百分率定時器決定的，可根據作物的需水要求，調整百分率計時器的旋鈕，使電動機按百分比計時器調整的時間間隔運行，以達到控制整個機組的運行速度[5]。

根據以上分析，噴灌機設計每圈工作時間應在11.09～36.27 h之間，而按設計灌水定額所需工作時間為153.6 h，本次典型設計將該噴灌機組設計每圈工作時間確定為25.6 h，機組運行速度比例為43.3%，此時轉6圈即可保證灌水量達到設計灌水定額。

4 水力計算與水泵選型

利用3眼機井作為水源，3臺水泵并聯運行為典型設計的噴灌機供水。輸水管水力計算的內容分別是計算各水泵至中心支座的輸水管的總水頭損失，即泵管、干管的沿程水頭損失和局部水頭損失之和。

水泵揚程按式(6)計算：

H=H井+Hf+Hp

(6)

式中：H為水泵揚程，m；H井為機井動水位埋深，m；Hf為輸水管總水頭損失，m；Hp為噴灌機入口處設計工作水頭，為25 m。

根據項目情況，水力計算與水泵揚程計算結果見表2。

表2 項目水力計算與水泵揚程計算表 m

根據計算的總揚程和流量確定水泵的型號，該中心支軸式噴灌機水源選用3臺200QJ40-65型潛水泵，水泵流量為40 m3/s，揚程為65 m，電機額定功率為11 kW。

5 結 論

(1)在古冶區高效節水灌溉工程中，選擇比較典型的一處中心支軸式噴灌機進行設計，步驟為：首先是項目區基本資料的收集，包括氣象、地形、種植作物、土壤、水源、電力等情況；然后根據種植作物，計算其灌水定額；再根據灌水定額，制定噴灌機在的工作制度，做到按需灌溉；最后進行供水管道水力計算和水泵選型。

(2)確定噴灌機工作制度方面，目前尚沒有設計標準和規范，本文在按作物設計灌水定額進行設計的同時考慮了土壤允許最大噴灌強度等因素對噴灌機運行速度的限制，使噴灌機工作制度的設計更加科學合理。

[1] 蘭才有，儀修堂，薛桂寧，等．中國噴灌設備的研發現狀及發展趨勢[J]．排灌機械，2005(1)：1-6．

[2] 趙竟成，任曉力．噴灌工程技術[M]．北京：中國水利水電出版社,1999．

[3] 羅春青，李桂玲,張鑫，等．中心支軸式噴灌機在通遼地區應用參數確定及田間工程設計[J]．內蒙古民族大學學報(自然漢文版)，2013，28(6)：651-654．

[4] 中華人民共和國建設部. 噴灌工程技術規范：GB/T 50085-2007[S]．北京：中國標準出版社，2007.

[5] 《噴灌工程設計手冊》編寫組．噴灌工程設計手冊[M]．北京：水利電力出版社,1989．

Typical design of center-pivot irrigation system in high effect water-saving irrigation engineering

WANG Zhao

(Water Resource Planning and Design Institute of Tangshan，Tangshan 063000，China)

The center-pivot irrigation system is a kind of high modernized equipment for high effect water-saving irrigation. This paper takes a center-pivot irrigation system in Tangshan Guye District as a typical example. It introduces the design process including data collection, irrigation amount calculating, irrigation scheduling making and pump choosing. It will provide some experiences for the standardization design of center-pivot irrigation system.

center-pivot；water-saving irrigation；irrigation system；typical design；irrigation scheduling

王 釗(1985-)，男，河北唐山人，工程師，主要從事水利規劃設計方面的工作。E-mail:zhao.678@163.com。

S277.9+4

A

2096-0506(2017)07-0052-04