组合式双支管多喷喷灌系统及最佳灌溉参数设计

谢成海

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021）

1 工程概况

完善的灌溉系统是保证农田产量的重要因素，而节水灌溉作为高标准农田的标准配置，始终是建设重点。本项目选取了某块面积约3.33 hm2的田地作为试验对象，目标是设计一款适合在当地推广的节水灌溉系统，共涉及耕地面积超过0.097万hm2。经过对比，在兼顾经济性和实用性的基础上，采用组合式双支管多喷喷灌系统灌溉，具体参数根据现场试验进行优化。

2 组合式双支管多喷喷灌系统设计

2.1 灌溉系统总体布置形式

传统的轻小型移动式喷灌机组存在喷头间距难以调节，且不适合丘陵地区灌溉要求等缺点，因此，本项目设计开发了一款组合式双支管喷灌系统，其本质是将传统的“一字形”布置改进为“一主+双支（多对）”的灌溉模式（见图1）。该模式的优点主要表现在以下3个方面［1］。第一，用户可根据地形、地块、风向和风力等情况，通过调整双支管和喷头实现矩形、三角形等不同地形的喷洒。第二，在经济欠发达地区，或者应急抗旱时，可直接利用支管漫灌。第三，每个喷头均与支管单独连接，可更好地适应地形变化，而且管道水力损失小，喷头工作压力稳定，总体能耗低。

2.2 关键部件设计

管道和喷头连接件是影响移动式喷灌系统使用便捷性的关键因素之一，本项目针对原有部件进行改进，具体如下。

2.2.1 快速连接管件。传统连接件通过三通将喷头、管道、支杆等装置连接，在安装和拆卸时过程烦琐，而且稍不注意，连接件内会侵入泥土，影响连接效率，甚至出现部件损坏的情况。针对这种实际问题，本项目将其改进为快速连接管件，喷头和管道连接处使用浮球式结构，立杆插入即可通水，拔出则自动密封，实现了快速安装和拆卸［2］。

2.2.2 固定底座。灌溉水进入土壤后会使土地变松软，如果固定底座强度不够，会在风力和旋转力的作用下倾倒，直接影响喷灌系统的正常工作。为解决这一问题，重新设计了支座，具体结构由底盘、可移动固定板、定位螺栓和立管定位器组成。在实际应用时，支座可依靠自重和插地尖头保证整个装置的稳定性；底盘上的2片可移动板可对供水管起到固定作用，而移动立管定位螺栓可避免供水管因喷头旋转而倾斜［3］。

2.3 管道配置方式拓展设计

轻型移动式喷灌系统的主要特征是适应性强，能够根据不同水源位置、不同形状地块进行灵活调整。根据实际应用可知，当喷头数量超过10个后，若仅仅是采用组合式双支管形式，会大大增加管道沿程水头损失，造成末端喷头压力不足。因此，需在组合式双支管的基础上进行拓展［4］。

2.3.1 “一字形”与组合式双支管结合。当灌溉地块为长方形且面积较小时，则直接沿着地块中线安设1根干管，双支管依次排开，但要求总喷头数不能超过10个（即5对）。

2.3.2 “梳齿形/丰字形”与组合式双支管结合。当灌溉地块面积较大时，管网一般采用梳齿形或丰字形与组合式双支管结合布置。前者适用于水源位于地块边缘处；后者适用于水源位于地块中心位置，且地块长度较长时（见图2）［5］。

3 最佳灌溉均匀性目标参数设计

灌溉均匀性是评价灌溉质量的重要参数之一，其影响因素包括喷头、管道分布、工作压力和转速等。本项目主要通过现场对比试验来设计最佳灌溉参数。

3.1 喷头工作压力设计

喷头工作压力一旦变化，会直接影响喷头的喷水距离、水量分布等参数，对灌溉均匀性有着直接影响。因此，对比市场上最常见的15PY和20PY 2种喷头在不同工作压力下的水量分布情况，设计最佳灌溉参数，具体结果如图3所示。

由图3可知：①对于同一型号喷头，在不同压力下，喷洒水量基本一样，均呈现先升高后降低的趋势，水量最大位置均位于距离喷头60%射程处，其中15PY喷头水量最大位置在距离圆心9.5 m处，20PY喷头水量最大位置在距离圆心11.0 m处；②对于同一型号喷头，当工作压力增大时，主要对50%射程内的水量有影响，尤其是15PY，在0.20 MPa（喷灌水深3.0 mm/h）和0.35 MPa（喷灌水深4.5 mm/h），距离喷头5.0 m处水量差距可达50%；③随着工作压力增加，喷水量增大，但使用20PY后增大量并不明显［6］。

图3 不同工作压力下喷头水量喷洒曲线

综上，笔者建议15PY和20PY喷灌工作压力均控制在0.30 MPa，基本可兼顾灌溉均匀性和运行能耗。

3.2 喷头间距设计（矩形布置）

喷灌系统喷头间距是一项重要的设计内容。而这一参数也需要和喷头工作压力进行结合试验。本项目以15PY和20PY喷头为研究对象，分析其在不同压力下最优喷头间距，具体结果如图4所示。

由图4可知：①对于同一型号的喷头，在同一压力下，当逐渐加大喷头间距时，不均匀性基本能维持在70%左右；②当15PY型喷头工作压力为0.20 MPa时，喷头间距最大不超过16 m，其他压力下最大间距可扩大至18 m；③20PY型喷头间距一旦超过某一数值，灌溉均匀性会大幅度下降，其中0.30 MPa下的最大间距为23.5 m，0.35 MPa下的最大间距为22.0 m，0.40 MPa下的最大间距为24.4 m［7］。

图4 不同喷头间距下均匀性曲线

综合分析，笔者建议15PY和20PY喷灌系统最佳喷头间距分别为16 m和22 m。无论何种压力下均能保证灌溉均匀性处于一个较大数值。

3.3 水滴直径沿射程分布规律

水滴直径越大，对农作物和土壤打击力度越大，会影响农作物正常生长发育，造成土壤水土流失、结块等问题，因此，水滴直径越小越好。但该值与工作压力有着根本联系，因此，以水滴直径作为标准，验算上文得到的0.30 MPa喷头压力是否合适［8］。

以0.25、0.30、0.35 MPa 3个相接近参数为分析对象，验证在该喷灌压力下水滴直径的分布情况，测试装置示意图如图5所示。由于不同喷灌压力直接影响水滴速度，在此以水滴速度为分析对象［9］。

图5 水滴直径测试装置图

3.3.1 0.25 MPa时水滴直径分布。由图6可知，随着水滴速度增大，水滴直径增大，喷射的距离越远。在0.25 MPa压力下，水滴直径在1.0～2.5 mm占比80%左右。最大水滴直径为3.4 mm，最大速度值为8.5 m/s，但其水滴量很少，其影响可忽略不计。经过试验可得，在0.25 MPa下，最外圈农作物不会在水滴打击下发生倾倒、折断问题，压力值满足使用要求。

图6 0.25 MPa时水滴直径分布

3.3.2 0.30 MPa时水滴直径分布。由图7可知，在0.30 MPa压力下，最大水滴直径增大到3.6 mm，水滴速度最大值为8.7 m/s，水滴直径在1.0～2.5 mm的比重占60%左右，2.5 mm以上的水滴占比显著增加，但大于3.0 mm直径的水滴量不多，其影响程度有限。经过试验可得，在0.30 MPa下，最外圈农作物未在水滴打击下发生倾倒、折断问题，压力值满足使用要求。

图7 0.30 MPa时水滴直径分布

3.3.3 0.35 MPa时水滴直径分布。由图8可知，在0.35 MPa压力下，最大水滴直径增长大到3.9 mm，水滴速度最大值为8.8 m/s，水滴直径在1.0～2.5 mm的比重占55%左右，2.5 mm以上的水滴占比显著增加，而且大于3.0 mm直径的水滴量较多，集中于最外圈，其影响程度较大。经试验可得，在0.35 MPa下，最外圈农作物在水滴打击下存在倾倒、折断问题，压力值较大，不适合作为作物生长初期的灌溉参数。

图8 0.35 MPa时水滴直径分布

综合分析，在满足灌溉面积的情况下，建议喷头压力值在0.25 MPa；为了提高灌溉效率，最大压力值不得超过0.30 MPa。当植物过了抽穗期后，则不必再考虑水滴直径对植物的影响，而且此时水滴对土壤的伤害也会被农作物抵消很大一部分，因此，压力可以再适当增大。

4 最佳灌溉制度设计

经过调查试验区域水文资料，该地区多年平均降雨量约为448.6 mm，其中夏季（7—9月）降水量占70%以上，种植作物以小麦、玉米为主，要求湿润土层深度不小于50 mm（本项目按照60 mm计算）［10］。

4.1 灌水定额设计

灌溉标准以农作物最大需水量计算，其中小麦日最大需水量（抽穗期和灌浆期）为3.5 mm/d，玉米日最大需水量（抽穗期）为4.5 mm/d，因此，本项目作物的最大需水量按照4.5 mm/d计算，玉米各生育期需水量见表1。

表1 玉米各生育期需水量

由于项目区田间主要土质为沙壤土，土壤容质量约为1.35 g/cm3，要求田间持水率保持在25%以上（本项目按照27%计算），凋萎系数值为0.45，设计土壤含水率以田间持水率为标准，上、下限分别为标准值的0.9倍和0.7倍。以此为根据，参照公式（1）［11］计算出灌水定额为Mmax=33 mm，灌溉周期为6 d。

式（1）中：γ为土壤容质量，g/cm3；z为土壤计划湿润层深度，mm；p为设计土壤湿润比，%；θmax为土壤含水率上限，%；θmin为土壤含水率下限，%。

4.2 喷灌灌溉制度的确定

为了计算简单，本项目按照“时历法”结合实践经验，确定玉米历年的灌溉制度，以最不利年份为典型年。通过大量试验并分析，得出结论：试验区域玉米灌溉次数为4次，每667 m2每次灌水定额设计值10.0～20.0 m3，每667 m2净灌水定额为62.7 m3，毛灌水定额为72.41 m3，详细的灌溉制度见表2［12］。

表2 试验区域玉米（喷灌）灌溉制度设计

5 结论

进入21世纪以来，我国大力发展节水灌溉工程，目前覆盖率已在60%以上，剩下的一些耕地因经济性和施工因素影响，不适合建设固定或半固定节水灌溉设施。因此，大力发展轻型、可移动组合式双支管多喷喷灌系统成为必然。该系统兼具组合灵活、拆卸方便、投资少及效果好等优点，可适用于偏远地区或面积不规则地块等。