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大型指针式喷灌机在现代农业中的应用

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吕灿翔　石佳　蒋兆英

摘要：作为一种自动化程度较高的高效节水设备，大型指针式喷灌机在现代农业里面应用很广。以武汉市恒大现代农业示范基地应用大型指针式喷灌机进行高效节水灌溉为例，对其设计流程进行介绍，为指针式喷灌机在现代农业中的应用提供一些参考。

关键词：指针式喷灌机;中心支轴式喷灌机;节水灌溉;喷灌设计

中图分类号：S22

文献标识码：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20191115024

喷灌是广泛应用于国内外较为现代化的高效节水方式。大型指针式喷灌机又称为中心支轴式喷灌机，是所有喷灌设备中自动化程度最高的。兰才有[1]等对我国喷灌机近年发展情况及后续发展趋势进行分析，每年在我国要新增超过千台的喷灌机应用于现代农业。喷灌机工作时绕着中心旋转，对于方形地块周边会产生灌溉死角，需要在末端使用远程喷头保证每个地角都能进行灌溉。李保明[2]等对喷灌机的优缺点进行总结，该设备适用于各种水源（地表水、地下水、咸水等），不限制作物种类，几乎所有作物均可以用喷灌机进行灌溉，并且可以远程自动化控制，喷洒质量可靠。缺点是要对旋转速度、时间进行精确计算控制，否则易产生地面径流。下面以武汉市汉南区恒大现代农业示范基地指针式喷灌机节水灌溉为例进行典型设计，介绍喷灌机的参数选取及设计流程。

1 基本概况

汉南区属北亚热带东亚季风湿润气候，具有四季分明、热量充足、光照适宜、雨量充沛、雨热同季、旱涝交替等特点。汉南区年平均降水量为1276.2mm，降水年际差高达1197.7mm。全区年平均气温为16.8℃，年平均降水日数为123d，年平均风速为2.1m/s，常年风向为东北风。

项目区地块总面积670hm2，项目区主要种植玉米和大豆等粮食作物。

2 工程设计条件

关于喷灌机设计流程主要包括前期查勘收资、规划布置和喷灌机参数计算。收资方面主要收集土壤土质、地形、水源以及供电情况。对于参数计算主要有相应灌溉作物的灌水定额、作物需水量，及此计算机组运行速度、额定运行时间。根据布置进行水力计算，进行泵站扬程计算及泵站选型及相应配套设计。

2.1 调查土壤土质

汉南项目区土壤类型为沙壤土，土壤干容重为1.4g/cm3。

2.2 调查地形条件

该项目区地形已经过土地整治，地形较为平坦，地面坡度约为1/6000，且大田内无阻碍物，适合指针式喷灌机工作。

2.3 调查水源条件

该项目区南部紧靠长江，且有提水泵站，水量充足。

2.4 调查电力条件

该项目区紧靠省道，路边已有高压线，可满足项目区用电需求。以上只是调查清楚外部条件，后续还需要进行参数计算、水力计算及泵站选型等。

3 喷灌机典型设计

3.1 规划布置

根據测量专业所测得的地形图，结合项目区地形地势条件、灌排基础设施条件，将项目区划分24个地块，每个地块设置1台喷灌机。利用更新改造后的泵站从长江提水至新建的调蓄水池，水池内设加压泵站，加压后利用管道将水输送至每台喷灌机的中心支轴处。管道共分为3级，依次为水源—调蓄池—总干管—干管—支管—中心支轴处。动力部分由地边界配电站接地埋式电缆到中心点，提供喷灌机以及水泵电源。

3.2 设计灌水定额与灌水周期

项目区种植的春甜玉米生长期为1月中下旬—6月上中旬。根据作物的需水规律，计算其灌水定额，以确定喷灌机的工作制度，详见表1。

依据《喷灌工程技术规范》GB/T50085-2007T，最大净灌水定额按公式（1）计算[5]：

m=0.1rH（β1-β2）p（1）

式（1）中：m为最大净灌水定额，mm;H为计划湿润层深度;r为土壤干容重，沙壤土取1.4g/cm3，β1为土壤适宜含水率上限，%;β2为土壤适宜含水率下限，%;p为田间持水量（占土体）按照质量百分率计，%;

经计算，玉米最大净灌水定额为35mm。喷灌系统灌溉水利用系数是根据管道水利用系数（取为0.97）及田间水利用系数（取为0.9）相乘得到的，经计算灌溉水利用系数为0.88，从而计算得玉米毛灌水定额为39.8mm。

设计灌水周期由式（2）计算：

T=m/ETd（2）

式（2）中ETd为玉米整个生育期需水高峰期的平均日耗水量，根据收集的试验资料玉米为7mm/d，经计算设计灌水周期玉米为5d。

3.3 喷灌机型选择

以汉南项目区其中一个典型地块13#地块（面积38hm2）为例进行典型设计，13#地块喷灌机输水管外径为250mm，壁厚9.6mm，公称压力0.8MPa。喷灌机所用型号及该型号对应的各个参数见表2。

3.4 按灌水定额灌溉所需运行时间

运行时间计算公式按式（3）计算：

T=0.001×A×mQ（3）

式（3）中：T为喷灌机按灌水定额灌溉所需运行时间，h;A为喷灌机所控制的面积，hm2;m为最大毛灌水定额，mm;Q为喷灌机机组设计流量，13#地块根据需水量和供水安全综合考虑，取为150m3/h。由此计算得13#地块喷灌机按灌水定额灌溉所需运行时间为98.8h（4.1d），计算结果小于作物设计灌水周期5d，满足典型地块13#作物的灌溉要求。

3.5 参数计算

喷灌机运行速度是受自身驱动电机最大运行速度、土壤允许最大喷灌强度以及地块坡度、土壤状态、轮胎气压等多种因素影响的。驱动电机所能达到的最大转速即为自身额定转速，驱动电机按照此状态运行时喷灌机达到最大转速，按照最大转速行走1圈的时间即为喷灌机运行1圈最短时间[4-6]。喷灌机运行1圈最短时间按式（4）计算：

Tmin=Li30nD（4）

式（4）中：Tmin为喷灌机运行1圈所需最短时间，h;L为喷灌机中心支座到尾端的长度，应注意这个长度包含悬臂，m ;n为电动机额定转速，本次涉及为1450r/min;D为车轮外径，根据资料取为1.3m;i为减速器总速比，与车轮减速器和电机减速器有关，本次车轮减速器为50：1，电机减速器为40：1，计算得i=50×40=2000。按照式（4）计算，运行一圈最短时间为10.8h。

喷灌机运行一圈最长时间与项目区地区土壤土质有关，应小于对应土质的允许最大喷灌强度，否则速度再慢的话会导致喷灌强度过大产生地表径流[4-6]。喷灌机运行一圈最长时间按式（5）计算：

Tmax=10-3πL2ρQ（5）

式（5）中：Tmax为喷灌机运行1圈所需最长时间，h;ρ为允许最大喷灌强度，根据《喷灌工程技术规范》，沙壤土所对应的允许最大喷灌强度为15mm/h;L同式（4）。依据式（5）计算喷灌机组运行一圈最长时间为30.2h。

3.6 确定工作制度

在喷灌机中心控制器箱内有百分率定时器，是控制喷灌机工作制度的决定性因素。根据所需灌溉的不同作物的需水要求来调整该定时器，使其控制驱动电机以不同时间步长运行，从而达到控制整个喷灌机行驶速度的目的[5]。

现在已计算得喷灌机工作时间范围在10.8～30.2h内，且按设计灌水定额所需工作时间为98.8h。综合考虑场地、人工等因素，将喷灌机组每圈工作时间设定为25h，速度调节比例计算按式（6）计算：

i=T1T2×100%=10.825.0×100%=43.2%（6）

可得机组运行速度比例为43.2%，此时需转4圈保证灌水量达到设计灌水毛定额。

4 水力计算及水泵选型

利用现有泵站从长江里提水至新建的调蓄池，13#地块利用调蓄水池作为水源，调蓄水池内设有加压泵站利用三级管道为13#地块输水。水力计算内容包括喷灌机所需工作压力、支管、干管、总干管水头损失及地形高差。水头损失包括沿程水头损失及局部水头损失。其中沿程水头损失按式（7）计算：

式中，hf——沿程水头损失，m;

L——管段长度，m;

Q——管段进口流量，m3/h;

d——管段直径（内径），mm;

m、b——分别为流量指數和管径指数，详见表3;

f——管材系数;

F——多口系数，适用于沿程均匀出流情况，F按照式（8）计算：

局部水头损失可按hj=ξv2/2g计算。长期实践证明，灌溉系统中局部水头损失一般为沿程水头损失的10%～15%。

水泵扬程按式（9）计算：

H=Hf+Hp+z （9）

式（9）中：H为水泵扬程，m;Hf 为水头损失，包含支管、干管及总干管水头损失，经计算为7.1m;Hp为喷灌机入口处设计工作水头，33m;z为地形高差，0.8m;依据式（9）计算水泵所需扬程为41m。

根据计算的总扬程和流量确定水泵的型号，并确定相应的配套电机功率。参考上述流程，其余地块可按照同样方法进行设计。

5 结语

在武汉市汉南区恒大现代农业示范基地利用大型指针式喷灌机灌溉种植玉米是喷灌机在现代农业中典型的应用案例。本文从初始的收资、根据需灌溉的作物，计算灌水定额，制定喷灌机的工作制度，到最后的泵站选型等流程进行了介绍，可以精准的实现喷灌机自动化控制，实施精确按需灌溉，为较大连片地块试行现代化农业高效节水灌溉的标准化设计提供一定的借鉴和参考。为我国现代化农业发展提供帮助。

参考文献

[1] 兰才有，仪修堂，薛桂宁，等.我国喷灌设备的研发现状及发展方向[J].排灌机械，2005（1）：1-6.

[2]李保明，李宏伟，顾成建，邵安东. 中心支轴式喷灌机的实际应用探讨[J]. 农业开发与装备，2019（3）：99-100.

[3]刘雨林.圆形喷灌机典型规划设计[J]. 农业工程，2016（03）：68-71.

[4]罗春青，李桂玲，张鑫，等.中心支轴式喷灌机在通辽地区应用参数确定及田间工程设计[J].内蒙古民族大学学报（自然汉文版），2013，28（6）：651-654.

[5]中华人民共和国建设部. 喷灌工程技术规范：GB/T50085-2007[S].北京：中国标准出版社，2007.

[6]李保明，薛桂宁，王虎，等. 中心支轴式喷灌机典型标准工程设[J].中国马铃薯，2012，26（6）：374-378.

作者简介：

吕灿翔（1990-），男，硕士，工程师。研究方向：水资源规划。

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