苏月姣

陕西省土地工程建设集团西北分公司 陕西榆林 719000

水资源是国民经济发展的命脉，是农业发展的重要支撑，更是自然生态安全的重要保障。陕北地区干旱少雨、沙地连片、生态环境恶劣，面对我国水资源短缺的难题，如何合理高效的进行水资源利用是缓解改善当前水资源短缺问题的关键所在，而农业用水占到了社会总用水量的70%左右，发展高效节水灌溉技术势在必行。中心支轴式喷灌机具有节约用水、高效、节约劳动力等特点在发展规模化、集约化农业过程中发挥着重要作用，同时对于缓解地下水超采局面有着重要意义。2012年以来我国关于中心支轴式喷灌机的研究取得了一系列成果，王永辉等对中心支轴式喷灌机末端增压泵开发进行了研究,开发出增加泵高效水力模型，为解决方形地块的地角灌溉缺陷问题提供了解决方案[1]。

1 研究区概况

1.1 土壤条件

项目区属于风沙滩区，地表土层主要为风沙土，沙丘呈波状起伏较大，局部呈斜坡坡度较大。由于自然修复功能，地表有较薄结皮，但有机质含量有限为2.5g/kg，pH值6.8，碱解氮26mg/kg，有效磷2.17mg/kg，速效钾22.53mg/kg。项目区土壤质量无法保障作物生长，需运用土体重构技术进行土壤改良，客土土质为红土，结构较密，粘性较强，该土与沙土参合后，可耕性比较强，对改良土壤有良好的效果。

1.2 水文条件

项目区周边无常年流水河流，主要依靠地下水开采，井深150m，静水位为30m，水位降深一般为35m，最低动水位65m，出水量一般在30-35m3/h左右。根据灌溉实际需要布置机井、管网、喷灌机、调节水池和其它建筑物。根据测验地下水pH值为7.5，微碱性，适合用于灌溉用水。

1.3 电力条件

项目区有10kv高压线路通过，村内目前在地块内安装一台30kva变压器，作为供电电源。本项目电源将从区外东北角10kv高压线“T”型接入，规划沿田间路边，根据需要采用地埋电缆形式向中心管理房供电，以满足区内供电布局要求。

2 水源工程设计

2.1 井型选择与设计

项目区地处风沙滩区，主要含水层位于第四系松散层孔隙潜水。根据水文地质条件，项目区规划以新打机井为灌溉水源井，根据相邻项目钻孔资料显示，项目区设计井深150m，静水位为30m，水位降深一般为35m，最低动水位65m，出水量一般在30-35m3/h左右。井管设计为钢管，管内径273mm，壁厚5mm。井壁管外围填充滤水层。水源井通过潜水电泵提水至喷灌机中央蓄水池。

2.2 单井控制面积

单井控制灌溉面积按公式计算：

式中：AO—单井控制灌溉面积（亩）；

Q—单井出水量（m3/h）；Q=32m3/h；

t—灌溉期机井每天开机时数，t=18（h/d）；

T—每次轮灌期天数（d），6d；

η—灌溉水利用系数，根据《陕西省行业用水定额》陕西省灌区渠系水和田间水利用系数表，项目区采用管道输水，因此η渠=0.97，η田间=0.92，则η=η渠×η田间=0.8924；

η1—干扰抽水的水量消减系数，经抽水试验确定，η1=0.1；

m—综合平均灌水定额（m3/亩），均以喷灌计算，按照前述计算结果，取m=21.3m3/亩。

经计算，单井控制面积AO=130亩。

2.3 井距确定

井距可按公式计算初定：

式中：L—井距(m)；

A0—单井控制灌溉面积（hm2），8.66hm2（130亩）；

K—系数，依据《陕西省土地开发整理建设标准》，按方形布井时，K=99.92，按梅花型布井时，K=107.67；本项目中井按照方形布置。

经过计算，L=294m。

2.4 机井数量

项目区共布置喷灌圈3个，喷灌半径分别为265m，300m，150m，喷灌面积为55.65hm2，新打机井数量计算如下：

N=A/A0

式中：N—新打机井数量；

A—灌溉面积；以亩计算834.75亩；

A0—单井控制面积，A0=130亩；

则，N=6.42 眼。

3 喷灌系统设计

3.1 喷灌工程设计

（1）设计参数。

a、作物灌水临界期需水量EP，取EP=7.15mm/d；

b、设计风速小于等于3.4m/s。

（2）初选喷灌机所需水流量的确定

喷灌机所需水流量按公式：

式中：QO—喷灌机总流量，m3/h；

EP—作物灌水临界期需水量，mm/d；

A—喷灌机灌溉面积，亩；

η—灌溉水利用系数，取0.82。

经计算，R=265m的喷灌圈控制的灌溉面积为21.24hm2，系统设计需水量86.50m3/h，R=300m的喷灌圈控制的灌溉面积为27.34hm2，系统设计需水量110.80m3/h，R=150m的喷灌圈控制的灌溉面积为7.07hm2，系统设计需水量27.70m3/h。根据以上计算的喷灌系统流量，按照喷灌圈半径和灌溉面积，选取中心支轴电动喷灌机型号。

（3）喷头等间距布置情况下，喷头流量的确定（PQ1，R=265m）

桁架中部喷头的流量，也就是所有喷头的平均流量为：

式中：α——为桁架等分数。

a=R/L=265/2=135

式中：L——喷头间距，取2m。

式中：qn为从支轴中心开始，第n个喷头的流量；

n——从支轴中心开始，第n个喷头。

计算得：q1=0.005m3/h。其他喷灌圈参数计算结果见表1。

（4）喷灌机加压泵的选定

①喷灌机加压泵的流量

根据选取的喷灌机DYP-260，其额定流量为86.50m3/h。

②喷灌机加压泵扬程计算。

a）输水管管径确定

管径计算依据公式：

式中：D——管道内径，mm；

Q——灌溉系统设计流量，取86.50m3/h；

V——管内经济流速，钢管取2.0m/s。

通过计算，管道内径为123mm。根据无缝钢管规格表，选取钢管尺寸为125mm×5mm的管道即可满足要求。

b）管道损失计算

水头损失包括沿程水头损失和局部水头损失。根据《灌溉与排水工程设计规范》（GB50288-1999），管道沿程水头损失采用下列公式计算：

式中：hf—管道沿程水头损失，m；

f—摩阻系数，项目区管道为钢管，取6.25×105；

L—管长，取260m；

Q—流量，86.50m3/h；

m—流量指数，取1.9；

d—管道内径，125mm；

b—管径指数，5.1。

为简化局部水头损失计算，本规划采用沿程水头损失的20%计算。

经过计算，可得输水管沿程水头损失为7.86m，局部水头损失为 1.57m，总损失为 9.43m。

c）加压泵总扬程计算

H总=H池动水位+H输水管+ΔH+H入

式中：H总—加压泵总扬程，m；

H池动水位—蓄水池最低水位，2m；

H输水管—输水管水头损失，9.43m；

ΔH—喷灌机转动最高点与清水池地面高差，取2m；

H入—喷灌机入口工作压力。

4 结语

本文以陕北地区长胜采当土地开发项目为典型，清晰系统地对中心支轴式喷灌机标准化设计进行了探讨，主要包括以下流程：资料收集、水源设计，喷灌机系统设计。近年来陕北地区土地开发项目配套安装的中心支轴喷灌机使用对粮食作物增产效果明显，土豆年均产量可达3000kg以上。

随着我国土地流转日趋活跃，农业规模化，集约化发展以及水资源短缺，农业劳动力短缺、成本增加等状况，作为实现农业机械化的重要设备中心支轴式喷灌机作用不言而喻，发展潜力巨大。中心支轴式喷灌机不仅对我国农业发展其中举足轻重的作用，而且在节水灌溉，保生态方面也扮演着不可忽视的角色，通过本文工程实例典型设计可为陕北地区中心支轴式喷灌机的设计和推广工作提供理论支撑，为全国其他地区的节水灌溉发展提供借鉴。