三原县安乐镇双双农场小麦、玉米连作水肥一体化技术推广项目设计方案浅析

杨永花

（陕西省泾惠水利水电设计院，陕西 三原 713800）

1 概述

三原县安乐镇双双农场位于陕西省三原县安乐镇蔡王村。项目区地形平坦，以小麦、玉米轮作制，根据种植作物的特性选用大田喷灌，水由机井出来后进入蓄水池，再通过施肥、过滤，加压后进入管网。工程选用智能化控制，配备水肥一体化系统，灌溉面积82 亩。

2 工程设计

2.1 基本资料

地块地形：地块长247 m，宽220 m，地势平坦。

土壤：土质为壤土，土壤干密度1.42 g/cm3；田间持水量取21%。

土壤允许喷灌强度［ρ]=12 mm/h；设计根区深度为40 cm，设计最大日耗水强度6 mm/d，灌溉水利用系数0.85。

作物：种植小麦和玉米，一年两熟，南北方向种植。小麦生长期为10月上旬～次年6月上旬，约240 d。

水源：采用项目区地块中间位置的机井水源，机井出水量为45 m3/h，灌溉设计保证率确定为P=90%。

2.2 灌溉制度拟定

2.2.1 设计灌水定额

式中：m净为设计净灌水定额，mm；γ为土壤容重，g/cm3，该处土壤为砂壤土，取1.42；z 为计划湿润土层深度，cm，按大田作物的湿润层厚度取h=40 cm；β1为灌溉后土层含水量上限（以百分数计）β1=21%×90%=18.9%；β2为灌溉前土层含水量下限，β2=21%×65%=13.65%。

2.2.2 设计灌水周期

式中：T设为设计灌水周期，天；Ep为日需水量，mm/d，取临界期日平均需水量，取Ep=6 mm/d。则灌水周期T设=29.82/6=4.97（d），取T设=5 d。

式中：m毛为设计毛灌水定额，mm；η灌为灌溉水利用系数，η灌=0.85。

2.3 管道系统布置

项目区面积共82 亩，将喷灌区分为10 个小区，各个小区之间实行轮灌。整个系统选择固定式系统。水由机井出来后，通过管道加压泵加压，再过滤后进入输水总干管。由输水总干管向一、二干管输水，沿干管两侧平行布置分干管，分干管上垂直布置支管，支管上布置喷头。共布置10 条分干管，28 条支管。在总干管始端和分干管起始端分别设闸阀。喷头的布置形式采用等腰三角形组合。

2.4 选择喷头和确定组合间距

2.4.1 选择喷头

喷头采用全圆喷洒，组合形式采用等腰三角形组合。项目区土壤的允许喷灌强度为12 mm/h，小麦适宜雾化指标为3000～4000。选用PY115 系列金属摇臂式喷头。其性能参数见表1。

表1 PY115 系列喷头性能参数

支管和喷头组合间距确定：a=0.98R=0.98×15.5=15.19 m；b=1.1R=1.1×15.5=17.05 m。

式中：a为喷头间距，取15 m；b为支管间距，取15.5 m；R为喷头射程，m。即喷头间距均取15 m，支管间距根据地形取15.5 m。

2.4.2 系统组合喷灌强度校核

式中：ρ为组合喷灌强度；Kw为风系数，多支管多喷头同时全圆喷洒，取1；Cp为布置系数，多支管多喷头全圆喷洒，为3.24；ρs为单喷头喷灌强度，mm/h。

ρ=1×3.24×2.35=7.614 mm/h＜［ρ]=12 mm/h，系统组合喷灌强度满足设计要求。

2.4.3 雾化指标

式中：hp为喷头工作压力，kPa；d为喷嘴直径，mm。满足小麦雾化指标3000～4000 的要求。

2.5 拟定喷灌工作制度

2.5.1 确定喷头工作点及支管位置

从地块中间道路两侧开始沿分干管向东西两边布置支管，第一个分干管距路边7.5 m，以后间隔15 m 布置一条支管。再由第一条支管入口7.5 m 处布置第一个喷头，以后每隔15 m布置一个喷头，支管之间喷头布置为梅花行分布。整个项目区有28 条支管，219 个喷头。

2.5.2 计算喷头在工作点上的喷洒时间

式中：t为喷头喷洒时间，h；a为喷头间距，15 m；b为支管间距，15.5 m；qp为喷头流量，1.77 m3/h；ηp为喷洒水利用系数，取0.87。

t=15×15.5×35.29/（1000×1.77×0.87）=5.33 h，即喷头在工作点上的喷洒时间为5.33 h。

2.5.3 计算每天可工作的轮灌组数

规划喷灌不在夜间作业，每天工作12 h，则：

式中：nd为天工作轮灌的组数；td为设计日灌水时间，h。

nd=12/5.33=2.25≈2 组，即每天工作轮灌2 组，每天实际工作时间为5.33×2=10.66 h。

2.5.4 计算每次同时喷洒的喷头数

式中：np为同时工作的喷头数；Np为喷头布置总数，219 个；T设为设计灌水周期，5 d。np=219/（2×5）=22（个），根据支管喷头布置情况取为24 个。即每次同时喷洒的喷头数为24 个，每条分干管上有3 条支管，每条支管上有8 个喷头，则每组轮灌同时工作的分管为1 条，支管数为3 条。

系统流量为：Q=np×qn=24×1.77=42.4 m3/h 机井出水量为45 m3/h，42.48 m3/h＜45 m3/h，水量可满足灌溉要求。

2.6 轮灌制度

将整个地块按10 条分干管划分为10 个小区。每次轮灌一条分干管，3 条支管，每次开24 个喷头。

2.7 确定各管段的设计流量

在轮灌方案确定之后，根据轮灌顺序表确定各管段的设计流量。

2.7.1 支管设计流量

本次设计每条支管长度112.5 m，每条支管喷头数为8 个，则支管设计流量＝1 个喷头出水流量×喷头个数=1.77 m3/h×8=14.16 m3/h。

2.7.2 干管设计流量

每次轮灌一个分干管，共24 个喷头，总干管、干管、分干管流量均等于管道配水流量42.48 m3/h。

2.8 管道设计

2.8.1 管材的选取

通过经济比选后，管道选用UPVC 管，压力等级为0.6 MPa。喷头竖杆采用DN20 镀锌钢管。

2.8.2 管径的确定

初选管径按公式：

式中：D为管道直径，mm；Q为设计流量，m3/s，取0.0118；V为管内流速，m/s，取1.5 m/s～2.5 m/s。经计算：总干管、干管、分干管直径选dn90、支管流量为分干管的一半，前段选取直径为dn63，后段选取直径为dn50。

2.8.3 管道水力计算

管道沿程水头损失按下式进行计算：

式中：hf为管道沿程水头损失，m；f为摩阻系数，硬塑料管取0.948×105，钢管取6.25×105；Q为管道设计流量，m3/h；L为管道长度，m；D为管道内径，mm；m为流量指数，硬塑料管取1.77，钢管取1.90；b为管径指数，硬塑料管取4.77，钢管取5.10。

局部水头损失取为沿程水头损失的0.1 倍。

喷头竖杆采用DN20 镀锌钢管，长度2.5 m，露出地面1.8 m，通过计算喷头竖杆需要压力为1.07+1.8=2.87 m，喷头工作压力为20 m，则喷头进口需要压力为22.87 m。整个系统所需水头以最不利点所需水头来控制。

2.9 首部枢纽设计

2.9.1 过滤器

在系统首部设置过滤器。因为水源为井水，含杂质主要为泥沙，过滤器选用“离心式+网式”，即可满足喷灌要求，根据系统设计流量42.48 m3/h，离心式过滤器型号选用LX-100，网式过滤器型号选用WSZ-100。离心式过滤器水头损失取5 m，网式过滤器水头损失取3 m，合计取8 m。

2.9.2 施肥系统

施肥罐容积根据以下公式计算：

式中：V为施肥罐容积,L；F为每次施肥单位面积施肥量，kg/hm2，取值为225；A为每天施肥面积，hm2，1.1；C初始为肥罐中肥液的初始浓度，kg/L，取值0.5。V=225×1.1/0.5=495 L，取500 L。

施肥系统包括：500 L 施肥桶、200 L 搅拌桶、控制箱、不锈钢注肥泵两台。

2.9.3 其它设备

为方便检修，在首部水泵前后设置手动闸阀，同时装有压力表、排气阀、止回阀等设备，水头损失合计取1 m。为方便自动化控制，在每个轮灌组首部均设置DN80 电磁阀。

2.9.4 水泵选型

水泵设计流量为系统的设计流量42.48 m3/h。

水泵设计扬程：

式中：H泵为水泵设计扬程，m；h过滤为设备及阀门管件水头损失，8+4.1=12.1 m；h损失为最不利点干、支管水头损失，11.59 m；h喷头为喷头处需要水头压力，为22.87 m。故水泵出口所需最大压力水头为46.56 m。

水泵及动力机选配：水泵的选型根据设计工况需要的扬程和流量确定，选用1 台ISG65-200（I）A 型管道加压泵。水泵额定流量为42.48 m3/h，扬程44 m，配套功率11 kW。

2.10 自动化控制系统

喷灌系统自动化控制的主要设备有首部自动化控制器、田间灌溉自动化控制系统等组成。首部自动化控制器：首部自动控制器可以对水泵启动柜、田间电磁阀进行控制，保证向灌溉系统提供符合要求（压力、流量）的水源。

田间灌溉自动化控制系统：建设82 亩的田间灌溉自动化系统1 套，共计10 个控制点，田间灌溉自动化系统由灌溉控制器、阀门控制器、电动阀等组成。田间灌溉主要根据已制定的轮灌制度，自动通过无线终端给无线阀控器下达启闭指令，对阀门进行远程启闭操作，实施田间自动灌溉，在出现连续干旱等极端天气也可以人工干预进行点片灌溉。

供电系统：电力供应有电网供电、太阳能供电等方式。首部测控设备和视频设备采用电网直接供电。田间工程选用太阳能电板+锂电池供电。

3 工程效益

项目实施后，增产效益为2.58 万元/年，水利分摊系数取0.4，则可增产效益为1.03 万元/年。灌区内灌溉方式由原来的明渠灌溉改造为喷灌，灌溉保证率可由原来的50%提高85%，灌溉水利用系数由0.47 提高到0.85，每亩地灌溉定额由40 m3/亩，减少至23.5 m3/亩，节省灌溉用水量40%以上。肥料随喷灌水直接送达作物根系部位，易被作物吸收，减少对环境和土壤的污染，可做到适时适量对作物生长极为有利，追肥期可提高肥效利用率20%以上，并可防止土壤板结。

4 结语

通过水肥一体化技术的实施，使农民的用水方式实现了三个转变：一是实现了大水漫灌向局部灌溉转变；二是由传统的“浇地”向现代的“浇作物”转变；三是实现水肥同步，由过去的单一浇水向水肥营养液转变。同时可以减轻灌溉和施肥的劳动强度，有利于农村集约化生产和适度规模经营的发展，提高农民对科学施肥和科学灌溉的认识，提升农民的科学种田水平，促进农民增收、能源节约、环境优化。该项技术在提高水肥利用率，增加农作物产量，降低生产成本的同时，提高农产品品质，增强农产品市场竞争力，对发展现代农业具有重要的促进作用。