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1、第四章 喷灌理论与技术郭向红太原理工大学水利科学与工程学院2015.10第一节概述第一节概述一、喷灌的概念与特点喷灌是利用水泵加压或自然水头将水通过压力管道输送到田间，经喷头喷射到空中，形成细小的水滴，均匀喷洒在农田上，为作物正常生长提供必要水分条件的一种先进灌水技术。喷灌系统是指从水源取水到田间喷洒灌水整个工程设施的总称。(一)喷灌的优点1、节约用水由于喷灌用管道输水，输水损失很小，而且灌溉时能使水比较均匀地洒在地面，基本上不产生深层渗漏和地面径流，所以，一般可比地面灌溉省水30一50，灌溉水利用系数可达80以上。一、喷灌的概念与特点一、喷灌的概念与特点2增加作物产量由于喷灌能适时适量地进行
2、灌溉，便于控制土壤水分，土壤中的水、气、热、营养状况良好，并能调节田间小气候，增加近地表层空气湿度，有利于作物的生长，一般可增产10一203适应性强喷灌适用于各种类型的土壤和作物，不受地形条件的限制，对平整土地要求不高特别适宜于地形复杂、进行地面灌溉有困难的岗地和缓坡地，以及透水性强的砂土。4少占耕地喷灌可减少田间内部沟渠、田埂的占地，可提高耕地利用率7一15。5节省劳力 喷灌机械化程度高，可以大大降低灌水劳动强度和提高劳动生产率，节省大量的劳动力。如各种喷灌机组可以提高工效20一50倍。一、喷灌的概念与特点（二）喷灌的缺点1受风的影响大在有风的情况下，由于受风的影响，水的飘移损失增加，会大大
3、降低水的利用系数和喷灌均匀度。2设备投资高由于喷灌需要一定的设备和管材，因而投资一般较高。如固定管道式喷灌系统每亩需投资900一1200元，半固定管道式喷灌系统每亩需投资300一450元。3耗能地面灌溉只要将水通过渠道或管道输送到田间即可实现自流灌溉，喷灌则要利用水的压力使水流破碎成细小的水滴并喷洒在规定范围内，显然喷灌需要消耗一部分能源。从节省能源的角度考虑，喷灌可向低压化方向发展。二、喷灌系统的组成喷灌系统一般由水源工程、水泵及动力设备、输水管道系统和喷头等部分组河流、渠道、湖泊、塘库、井泉等均可作为喷灌水源。水源提供的水量、水质必须符合喷灌的要求。为了满足加压的需要有时还要修建泵站及附届
4、设备、蓄水池和沉淀池等建筑物，这些统称为水源工程。大多数情况下，水源的水位不足以满足喷灌所要求的水头时必须用水泵加压。常用水泵有离心泵、长轴井泵、潜水电泵等。在有电力供应的地方常用电动机作为水泵的动设备，也可用柴油机、汽油机、手扶拖拉机上的动力机等带动。管道系统的作用是将压力水输送并分配到田间。通常由干、支两级管道组成。干管起输配水作用，支管是工作管道，支管上按一定间距装有用于安装喷头的竖管。在管道系统上还装有各种连接和控制的附件配件，如弯头、三通、接头、闸阀等。为便于在灌水的同时施肥、喷药，在干管或支管上还要配置药、肥储存罐等注入装置。喷头是喷灌系统的专用设备，一般安装在竖管上，或者安装在支
5、管上。喷头的作用是将压力水通过喷嘴喷射到空中，形成细小的水滴，均匀地洒落在土壤表面。三、喷灌系统的分类 喷灌系统可按不同方法分类。按系统获得压力的方式可分为机压喷灌系统和自压喷灌系统；按系统设备组成分为管道式喷灌系统和机组式喷灌系统；按喷灌系统中主要组成部分是否移动的程度可分为固定式、移动式和半固定式三类。1、管道式喷灌系统以管道为主要材料，通过工程措施形成完整的灌溉系统。管道式喷灌系统常分为固定管道式喷灌系统、半固定管道式喷灌系统和移动管道式喷灌系统。三、喷灌系统的分类1 1）固定式喷灌系统喷灌系统各组成部分除喷头外，在整个灌溉季节，甚至常年都是固定不动的。水泵和动力机组成固定的泵站，干管和
6、支管埋入地下，进行轮灌。这种喷灌系统称为固定式喷灌系统。优点：使用操作方便，易于管理和保养，生产效率高，运行费用低，工程占地少。缺点：工程投资大，设备利用率低，同时固定在田间的竖管对机耕有一定的妨碍。因此，一般只在灌水频繁，经济价值高的蔬菜及经济作物区采用。棉花固定式喷灌向日葵固定式喷灌三、喷灌系统的分类2 2）半固定式喷灌系统半固定式喷灌系统的动力、水泵和干管是固定的，在干管上装有许多给水栓，支管和喷头是移动的。支管在一个位置上与给水栓连接进行喷洒，喷洒完毕，即可移至下一个位置与下一个给水栓连接。这样的喷灌系统比固定式喷灌系统设备利用率高,投资也较省,操作起来比移动式喷灌系统劳动强度低些，生
7、产率也高一些。3）移动式喷灌系统在田间仅有固定的水源（塘、井或渠道）,而水泵、动力、管道及喷头都是移动的。优点：在一个灌溉季节里，一套设备可在不同的地块上轮流使用，设备的利用率高，单位面积设备的投资低，使用灵活。缺点：管理、劳动强度大。半固定式喷灌系统移动式喷灌系统三、喷灌系统的分类2 2机组式喷灌系统机组式喷灌系统以喷灌机(机组)为主要设备构成。喷灌机的制造在工厂完成，具有集成度高、配套完整、机动性好、设备利用率和生产效率高等优点，在农业机械化程度高的国家往往采用这种系统。按其运行方式可分为定喷式、行喷式两大类定喷式喷灌机组是指喷灌机工作时，在一个固定的位置进行喷洒，达到灌水定额后按预先设定
8、好的程序移动到另一个位置进行喷洒，在灌水周期内灌完计划灌溉的面积。它包括手推(抬)式喷灌机、拖拉机悬挂式(或牵引式)喷灌机、滚移式喷灌机等。滚移式喷灌机滚移式喷灌机滚移式喷灌机工作(移动)模型图 灌溉全长一般为150米-600米,每隔12米安装一个摇臂喷头,属行走定喷式喷灌机，每次移动距离为18米。适于谷类，某些蔬菜、瓜类、经济作物、多年生牧草、草地及其它中耕、矮株作物。滚移式喷灌机三、喷灌系统的分类行喷机组式喷灌系统。其特点是喷灌机组在自行移动的过程中进行喷洒(边走边喷)，机械化和自动化程度高，灌水效率高，节省人力，受风的影响较小，均匀度高。但能源消耗大，一次性投资高，技术性强。适用于土地开
9、阔、平坦、田间障碍物少的地区。目前我国采用的行喷机组主要有中心支铀式(亦称时针式)，平移式和绞盘式等。平移式喷灌机 主要适用于牧草、谷类、蔬菜、棉花等经济作物中心支轴式喷灌机 喷灌机(时针式、平移式)适用于谷类、蔬菜、棉花、甘蔗等经济作物的灌溉时针式喷灌机时针式喷灌机田间布置鸟瞰图卷管式喷灌机大田棉花用卷管式喷灌机第二节 喷灌设备一、喷头的类型喷头又称为喷洒器，是喷灌系统中的重要设备。它的作用是把有压水流喷射到空中，散成细小的水滴并均匀地散落在控制的灌溉面积上。因此，喷头结构形式及其制造质量的好坏，直接影响到喷灌质量。喷头可以安装在固定的或移动的管路上、行喷机组支架的输水管上、绞盘式喷灌机的牵
10、引架上，并与配套的动力机、水泵、管道等组成一个完整的喷灌系统。一、喷头的类型喷头的种类喷头按工作压力和射程分类类型工作压力(kPa)射程(m)流量(m3/h)特点及应用范围微压喷头50100120.0080.3耗能量省，雾化好，适用于微型喷灌系统，可用于花卉、园林、温室作物的灌溉。低压喷头(近射程喷头)100200215.50.32.5射程近、水滴打击强度低，主要用于苗圃、菜地、温室、草坪园林、自压喷灌的低压区或行喷式喷灌机。中压喷头(中射程喷头)20050015.542 2.532均匀度好，喷灌强度适中，水滴合适，适用范围广，果园、草地、菜地、大田及各类经济作物均可使用。高压喷头(远射程喷头
11、)5004232喷洒范围大，生产率高，耗能高，水滴大。多用于对喷洒质量要求不高的大田作物和牧草等。一、喷头的类型按结构分类旋转式摇臂式叶轮式反作用式固定式折射式缝隙式离心式孔管式一、喷头的类型1 1、旋转式喷头喷头绕自身铅直线旋转，边旋转边喷洒，水从喷嘴喷出时，呈集中射流状，故射程远，是中、远射程喷头的基本形式。一、喷头的类型2 2、固定式喷头喷头在喷洒时，所有部件无相对运动。喷出的水流呈全圆或扇形向四周散开。特点：v喷灌过程中，所有部件固定不动，水流以全圆或扇形同时向四周散开v 水流分散，射程小（510m）喷灌强度大v 水滴细小，工作压力低v 结构简单，工作可靠，寿命长用途：公园、苗圃、温室
12、等按其结构形式可以分为折射式、缝隙式和离心式三种。一、喷头的类型折射式喷头：一般由喷嘴、折射锥和支架组成。水流由喷嘴垂直向上喷出，遇到折射锥即被击散成薄水层沿四周射出，在空气阻力作用下即形成细小水滴散落在四周地面上。一、喷头的类型缝隙式喷头：就是在管端开出一定形状的缝隙，使水流能均匀地散成细小的水滴，缝隙与水平面成30角，使水舌喷得较远，其工作可靠性比折射式要差。因为缝隙易被污物堵塞，所以对水质要求较高，水在进入喷头之前要经过认真的过滤。这种喷头结构简单，制作方便。一般用于扇形喷灌。一、喷头的类型离心式喷头：由喷管和带喷嘴的蜗形外壳构成。工作时水流沿切线方向进入蜗壳，使水流绕垂直轴旋转，这样经
13、过喷嘴射出的水膜。同时具有离心速度和圆周速度，所以水膜离开喷嘴后就向四周散开，在空气阻力作用下，水膜被粉碎成水滴散落在喷头的四周。一、喷头的类型3、孔管式喷头该喷头为一根或几很较小直径的管子组成，在管子的顶部分布有一些喷水孔喷水孔直径一般为1-2mm。喷水孔分布形式有单列式和多列式两种，优点：是构简单。缺点：喷灌强度较高，水舌细小，受风影响大：孔口小，抗堵力能力弱；工作压力低，支管实际压力受地形起伏影响大。一般用于菜地、苗圃、矮秆作物的喷灌。一、喷头的类型类型类型喷头形式喷头形式特点特点旋转式喷旋转式喷头头(射流射流式喷头式喷头)摇臂式摇臂式 叶轮式叶轮式 反作用式反作用式优点是射程远，流量范
14、围大，喷灌强度较低，均匀度优点是射程远，流量范围大，喷灌强度较低，均匀度较高。较高。缺点是当竖管不垂直时，喷头转速不均匀，缺点是当竖管不垂直时，喷头转速不均匀，影响喷灌的均匀性。影响喷灌的均匀性。固定式固定式喷头喷头折射式折射式 缝隙式缝隙式 离心式离心式优点是结构简单，工作可靠，喷洒水滴对作物的打击优点是结构简单，工作可靠，喷洒水滴对作物的打击强度小，要求的工作压力较低，雾化程度较高。强度小，要求的工作压力较低，雾化程度较高。缺缺点是射程小（点是射程小（5 510m10m），喷灌强度大（），喷灌强度大（151520mm20mm以上），水量分布不均，喷孔易被堵塞。以上），水量分布不均，喷孔易被
15、堵塞。喷洒孔管喷洒孔管优点是结构简单，工作压力低，操作方便。优点是结构简单，工作压力低，操作方便。缺点是缺点是喷灌强度较高，受风影响大，对地形适应性差，管孔喷灌强度较高，受风影响大，对地形适应性差，管孔容易被堵塞，支容易被堵塞，支管内实际压力受地形起伏的影响管内实际压力受地形起伏的影响较大，较大，投资也较大。投资也较大。二、管材与管件1、管材压力和流量1）塑料管v塑料管的规格以外径标称v塑料管的承压能力差v塑料管优缺点内壁光滑，水头损失小施工容易能适应一定的不均匀沉陷放置在地表时，易老化v塑料管的连接 丝口连接、法兰连接、粘结、焊接、承插连接Pvc 管Pvc 管PE 管二、管材与管件2）钢筋混
16、凝土管有自应力钢筋混凝土管和预应力钢筋混凝土管两种，可以承受400一700kPa工作压力。其优点是节省钢材和生铁，而且不会因锈蚀使输水性能降低，使用寿命长(一般可使用40一60年以上)。缺点是质脆，自重大，运输不便，价格较高等。二、管材与管件3）薄壁铝合金管铝合金管具有强度高，重量轻，耐腐蚀，搬运方便等特点。铝合金的比重为2.8，约为钢的13，单位长度重量仅为同直径水煤气管的17，比镀锌钢管还轻，在正常情况下使用寿命可达1520年左右。缺点是价格较高，管壁薄，容易碰瘪。二、管材与管件4）薄壁镀锌钢管镀锌薄壁钢管是用厚度为0.71.5mm的带钢卷焊而成。在管端配上快速接头，然后经过镀锌处理后能防
17、止生锈。优点是强度高，韧性好，能经受野外恶劣条件下由水和空气引起的腐蚀，使用寿命长。但由于镀锌质量不易过关，影响使用寿命，而见价格较高，重量也较铝管、塑料管大，移动不如铝管、塑料管方便。二、管材与管件5)涂塑软管维塑软管维塑软管二、管材与管件2、管件三、附属设备控制件:闸阀闸阀是指启闭体(阀板)由阀杆带动阀座密封面作升降运动的阀门，可接通或截断流体的通道。当阀门部分开启时，在闸板背面产生涡流，易引起闸板的侵蚀和震动，也易损坏阀座密封面，修理困难。闸阀通常适用于不需要经常启闭，而且保持闸板全开或全闭的工况。不适用于作为调节或节流使用三、附属设备球阀球阀是由旋塞阀演变而来。它具有相同的启闭动作，不
18、同的是阀芯旋转体不是塞子而是球体。当球旋转90度时，在进、出口处应全部呈现球面，从而截断流动。三、附属设备蝶阀 蝶阀是由阀体、圆盘、阀杆、和手柄组成。它是采用圆盘式启闭件，圆盘式阀瓣固定于阀杆上，阀杆转动90 即可完成启闭作用。同时在阀瓣开启角度为20 75 时，流量与开启角度成线性关系，有节流的特性。三、附属设备给水栓三、附属设备逆止阀：止回阀是指依靠介质本身流动而自动开、闭阀瓣，用来防止介质倒流的阀门。1.阀盖2.摇杆3.螺钉4.阀瓣5.阀体三、附属设备进排气阀用于保护主管道，排出管道内气体，防止气爆，或防止回水时管道吸扁三、附属设备减压阀 减压阀是靠膜片、弹簧、活塞等敏感元件改变阀瓣与阀
19、座间的间隙，把进口压力减至需要的出口压力，并依靠介质本身的能量，使出口压力自动保持恒定。第三节 喷灌质量控制参数一、雾化指标喷灌雾化指标是表示喷洒水在空中裂散程度的特征值。水滴打击强度：单位受水面积内，水滴对土壤或作物的打击动能雾化不充分，喷洒水滴过大，会打伤作物，破坏土壤团粒结构，影响作物生长；雾化过度，细小水滴易被风吹失，飘移蒸发损失过大，耗能多、不经济所以，水滴雾化程度要恰当，以不损坏作物为度。工程规划设计中，通常用喷头进口处的工作压力h，与喷头主喷嘴直径d的比值作为设计依据，即作物种类Wh蔬菜及花卉4000-5000粮食作物、经济作物及果树3000-4000牧草、饲料作物、草坪及绿化林
20、木2000-3000二、喷灌均匀度 喷灌均匀系数是表示喷洒水量在喷灌面积上分布的均匀程度。它是衡量喷洒质量好坏的主要指标之一，多用均匀系数Cu表示，计算公式为在设计风速下，定喷式喷灌系统喷灌均匀系数不小于0.75，行喷式喷灌系统不小于0.85。均匀系数一般通过喷头组合确定。设计风速(m/s)组合间距垂直风向平行风向0.3-1.6(1-1.1)R1.3R1.6-3.4(0.8-1)R(1.1-1.3)R3.1-5.4(0.6-0.8)R(1-1.1)R二、喷灌均匀度喷头布置间距一般有矩形、正方形、等腰三角形和正三角形四种。采用等腰三角形和正三角形，可能导致田块边缘部分漏喷，因此在实际中一般采用矩
21、形或正方形。若有稳定风向且风向与支管垂直或平行，采用矩形布置；若风向多变或风向与支管成45度角，采用正方形布置，在这种情况下，支管上喷头间距和支管间距均采用垂直风向栏数值三、喷灌强度喷灌强度是指单位时间内喷洒在灌溉土地上的水深，单位用mm/h表示。(1)点喷灌强度(Point spraying intensity)。指单位时间内喷洒在某一点的水深。式中：i为点喷灌强度；h为水深；t为喷洒时间。三、喷灌强度(2)平均喷灌强度(average spraying intensity)。指一定喷灌面积上各点在单位时间内的喷灌水深的平均值。单喷头全圆喷洒的平均喷灌强度：式中:为无风情况下单喷头设计喷灌强
22、度(mm/h)；q为喷头流量(m3/h)；A为全圆转动时一个喷头的湿润面积(m2)；为喷洒水有效利用系数，一般为0.800.95。三、喷灌强度（3）系统平均喷灌强度在喷灌系统中，各喷头的湿润面积有一定的重叠，实际喷灌强度比单喷头平均喷灌强度大一些，为准确起见，可将有效湿润面积代替上式中的AKw取值风系数喷头流量田间喷洒水利用系数有效灌溉面积运行情况Kw单喷头全圆喷洒1.5v0.314单支管多喷头全圆喷洒支管垂直于风向1.08v0.194支管平行于风向1.12v0.302多支管多喷头同时喷洒1.0三、喷灌强度有效灌溉面积计算：单喷头全圆：单圆扇形：多支管多喷头：三、喷灌强度单支管多喷头：三、喷灌
23、强度定喷式喷灌系统，设计喷灌强度不大大于土壤允许喷灌强度。当地面坡度大于5%时，允许喷灌强度应按表4-9折减行喷式喷灌系统的设计喷灌强度可略大于土壤允许喷灌强度。三、喷灌强度三、喷灌强度三、喷灌强度第四节 管道式喷灌系统规划设计一、收集规划设计资料1、地形资料：12000110000地形图，地形图上应标明行政区、灌区范围和现有水利设施2、气象资料：包括气温、降雨量、风速风向、空气湿度、地温、无霜期、冻土层深度等与喷灌密切相关的农业气象资料，它主要作为确定作物需水量和制定灌溉制度的依据以及支管间距和喷头间距。3、土壤资料：土壤的持水能力和透水性是确定灌水量和喷灌强度的重要依据，为了设计的需要，应
24、了解土壤的质地、土壤的类别、土壤容重和孔隙率、土壤厚度、土壤田间持水量和土壤渗吸速度。一、收集规划设计资料4、水文资料：主要是了解水源的条件，首先了解当地河流、渠塘、井泉历史水量、水温、水位及水质(含盐景、含沙量、污染情况等)变化的情况。对于井泉还应了解含水层的地质情况和地下水补情况5、作物种植结构及需水特点：必须了解灌区内作物的种类，各种作物的种植比例和轮作情况，以及农作物种植和耕作的现状(机械化水平、种植密度、种植方向等)，并应了解各种作物现行的灌溉制度(灌水次数、灌水定额、灌水时间)及灌水方法，还应了解作物高度。6、动力和机械设备资料：要了解当地现在拥有的功力及机械设备(拖拉机、柴油机、
25、电功机、变压器、汽油机等)的数量、规格与使用情况，以便在设计时考虑尽量利用现有设备，并要了解电力供应情况，可取得电源的最近地点。例如，附近的变电站在哪里，变压器容量有多大，电压为多少，增容的可能性等等。为编制预算与进行方案经济比较还应了解设备，材料的供应情况与价格、电价与柴油价格，以及喷洒工程要用的建筑材料的供应情况等。二、喷灌系统的选型喷灌系统形式应根据喷灌的地形、作物种类、经济条件、设备供应等情况，综合考虑各种形式喷灌系统的优缺点，经技术经济比较后选定。在喷灌次数多、经济价值高的蔬菜、果园等经济作物种植区，可采用固定管道式喷灌系统；大田作物喷灌次数少，宜采用半固定式或机组式喷灌系统；在地形
26、坡度较陡的山丘区，移动喷灌设备困难，可考虑管道固定式；在有自然水头的地方，尽量选用自压式喷灌系统，以降低设备投资和运行费用。在灌水次数少，适度规模经营的大田作物可采用卷盘式喷灌机；在大中型农场可采用时针式喷灌机或平移式喷灌机；在连片集中的牧草和矮杆作物种植区，可采用滚移式喷灌机。三、管道系统总体布置1、布置原则管道系统应根据灌区地形、水源位置、耕作方向及主要风向和风速等条件提出几套布置方案，经技术经济比较后选定。布置时一般应考虑以下一些原则：1）加压泵站尽量位于喷灌区的中心或中间位置地下水水源地表水水源三、喷灌系统总体布置2）在坡地上布置时，一般干管垂直于等高线，支管平行于等高线。采用这种布置
27、方式有利于控制支管的水头损失，从而使支管上各喷头出水流量比较均匀。3）支管布置应尽量与耕作方向一致。这样对于固定式喷灌系统，便于管道施工，并能减少竖管对机耕的影响;对于半固定式喷灌系统便于支管拆装，减少移动支管时践踏作物，也便于田间耕作管理。4）在多风地区，支管应尽可能与主风向(一般指出现频率在75%以上的风向)垂直布置。这样可增大支管间距，减少支管用量。在这种情况下，虽然需要适当减小支管上喷头间距，以补偿因风力造成的喷头横向射程的缩短，但总体上仍较为经济。5）充分考虑地形因素，力求支管与干管垂直，支管长度一致，规格统一，以利施工和运行管理。6）应考虑施工与管理方便。例如，干管沿道路布置，可便
28、于施工，也便于控制支管首部的闸阀，对支管实行轮灌。三、喷灌系统总体布置2、结构要求(1)固定管道一般应埋设在地下，以减少占地和有利于耕作其埋设深度应大于最大冻土层和最大耕作深度，以防管道被损坏。(2)固定管道的坡度依地形、土质和管径而定。一般管径大、土质差时管坡应缓；反之可陡一些。从土壤稳定性和便于施工考虑，管坡不宜大于1：1(3)对于管径D较大且有一定坡度的管道或者位于转弯处的管道，为防止发生位移，应设置镇墩。在管道过长或基础较差时，应布置支墩。(4)管道随地形变化而有起伏时，应在管道的最高处设置进排气阀，在管道的最低处应安装泄水阀，以便入冬前或维修时排空管内存水。三、喷灌系统总体布置(5)
29、在干、支管的首一端应安装闸阀，必要时也可安装压力表，以便调节管道流量和压力，保证各处喷头在额定工作压力下运行。(6)对于固定管道，为避免因温度变形和不均匀沉陷而造成损坏，一般应设置一定的柔性接头。(7)竖管高度视作物高度而定，以植株不阻碍喷头喷洒为最低限度，一般比地面高0.5-2.0m四、喷头选型和组合间距1、喷头的选型喷头的选择包括喷头型号、喷嘴直径和工作压力的选择。选择喷头主要根据作物种类、土壤性质和当地设备供应情况而定。一般大田作物宜选择中压喷头，部分蔬菜及其他幼嫩作物宜选择低压喷头。对粘性土壤要选用喷灌强度较小的喷头，砂性土壤可选用喷灌强度较大的喷头。在喷头选定之后，要根据式(4-1)
30、校核雾化指标，若雾化指标不在作物适宜的雾化指标范围内，则应调整性能参数，或改选其他喷头，直至雾化指标满足要求为止。四、喷头选型和组合间距2、喷头组合形式与组合间距的确定喷头组合的基本要求是保证喷灌均匀度能达到规定的要求。管道式喷灌系统喷头组合形式主要有矩形和正方形。喷头组合间距按表4一4确定。计算得到组合间距值后，还应作必要的调整，适应管道的长度规格。在管道式喷灌系统中，喷头的作业方式主要有单支管多喷头同时工作和多支管多喷头同时工作两种形式。根据不同的作业方式，确定喷头有效控制面积，并利用式(4一3)计算喷灌强度，再根据土质类型及坡度，确定允许喷灌强度。若喷灌强度大于土壤允许喷灌强度，则应调整
31、喷头性能参数或改选喷头，重新确定喷头组合间距，直到喷灌强度满足为止。五、灌溉制度的拟定喷灌灌溉制度主要包括灌水定额、灌水周期和灌溉定额。1、设计灌溉定额设计灌溉定额是指作物生育期内最大净灌水定额。m=1000sh（1-2）h土壤计划湿润层深度，一般大田作物0.4-0.6，蔬菜0.2-0.4，果树0.8-1.01、2土壤适宜含水率的上下限，上限田间持水率的90-95%，下限田间持水率的65-70%2、设计灌水周期设计灌水周期是指两次喷灌之间的最短间隔天数生产实践中，大田作物的喷灌周期常用5-10d,蔬菜2-3d。在喷灌系统规划设计中，也可根据经验或灌水要求，先确定灌水周期，然后再根据灌水周期和日
32、蒸腾蒸发量计算灌水定额。五、灌溉制度的拟定3、灌溉定额例：某喷灌区种植棉花，计划湿润层深为0.4m,土质为砂壤土，土壤密度为1.45t/m3，田间持水率为18%(以占干土重的百分比计)，土壤适宜含水率上限为田间持水率的90%，适宜含水率下限为田间持水率的70%，日耗水量6mm，试计算灌水定额和灌水周期。解：六、喷灌工作制度的拟定在灌水周期内，为保证作物适时适量的获得所需要的水分，必须制定一个合理的工作制度。灌溉工作制度包括喷头在一个喷点上的喷洒时间，每次需要同时工作喷头数以及确定轮灌分组和轮灌顺序等。1、喷头在一个喷点上的喷洒时间喷洒时间与设计灌水定额、喷头的流量和喷头的组合间距有关，可按下式
33、计算六、喷灌工作制度的拟定2、一天轮灌组数3、同时工作的喷头数六、喷灌工作制度的拟定4、同时工作的支管数 如果计算出来的不是整数，则应考虑减少同时工作的喷头数或适当调整支管的长度。5、确定轮灌分组及支管轮灌方案为提高管道的利用率，节省设备投资，多采用有序轮灌的工作制度。确定轮灌方案时应考虑以下几点。(1)轮灌分组应该有一定的规律，方便运行管理。(2)各轮灌组的工作喷头数应尽量一致，以保证系统的流量变化不大。若各轮灌组的喷头数很难均等时，其差别不宜超过1一3个，并且尽可能使地势较高或离泵站较远的喷头数略少。六、喷灌工作制度的拟定(3)轮灌编组时尽量使系统轮灌周期与设计的喷灌周期接近。(4)制定支
34、管轮灌顺序时，应将流量迅速分散到各分配水管道中，避免流量集中于某一条配水管道。如系统需要两根支管同时工作，支管的轮灌方式(对半固定喷灌系统也为支管的移动方式)有4种方案:两根支管在干管的同一侧，从地块的一端同时依次向前移动两根支管在干管的两侧，从地块的一端两根支管由地块中间向两端交叉移动，两根支管从干管首、尾两端反向移动六、喷灌工作制度的拟定六、喷灌工作制度的拟定当三根支管同时工作时，以每根支管1/3灌溉面积的方案最有利这样，只有0-1段干管需要三根支管的流量，1-2段干管需要两根支管的流量，2-3段干管只需一根支管的流量。轮灌方案确定好后，干、支管的设计流量即可确定。支管设计流量为支管上各喷
35、设计流量之和，干管设计流量依支管的轮灌方式而定。七、管道设计 管道系统设计主要包括各级管道的管材选择与管径的确定。竖管一般采用镀锌钢。根据喷头流量大小及竖管高度等因素，选用DN25或DN32管径。1、管材的选择可用于喷灌的干、支管材种类很多，应该根据喷灌区的具体情况，如地质、地气候、运输、供应以及使用环境和工作压力等条件，结合各种管材的特性及适用进行选择。对于地埋固定管道，可选用硬塑管、钢筋混凝土管或钢丝网水泥管等。用于喷灌地埋管道的塑料管一般选用硬聚氯乙烯管(PVC-U管)。对于口径150mm以上的地埋管道，硬聚氯乙烯管在性能价格比上的优势下降，应通过技术经析选择合适的管材。对于地面移动管道
36、，则应优先采用带有快速接头的薄壁铝合金管，塑料管经常暴露在阳光下使用，易老化，缩短使用寿命，因此，地面移动管最好不宜采用塑料管。七、管道设计2、干管直径的确定干管管径通常是在满足下一级管道流量和压力的前提下按综合年费用最小的原则选择。随着管径的增大，管道的投资将随之增高，其折算年值也相应增加，而管道的年运行费随之降低管道的综合年费用为投资的折算年值和年运行费之和，且必定存在一个最小值，该最小值所对应的管径即经济管径。干管管径一般应采用经济管径，即根据最小费用法确定管径。七、管道设计在实际应用当中，经济管径一般根据经济流速或经验公式确定。1、根据经济流速确定干管管径2、根据经验公式确定干管经济管
37、径一般情况下，应根据经济流速来确定干管管径，对于规模不算太大的喷灌工程，常用经验公式估算管道的管径。但喷灌工程，系统年工作小时数少，而投资又比较大，这时在喷灌所需压力能得到满足的情况下，选用较小的管径是经济的。但为了保证管道的安全，钢管流速应控制在2.5以下，塑料管流速应控制在1.8以下。七、管道设计3、支管管径的确定为使喷洒均匀，要求支管上各喷头的流量和压力基本一致。因此，规范规定同一支管上任意两个喷头之间的工作压力差应在喷头设计工作压力的20以内。若喷头工作压力水头为hp，支管上最大和最小喷头工作压力分别为hmax和hmin，考虑地形高差Z的影响，则支管管径选择的控制条件为：证明：为保证同
38、一条支管上首尾两端的出水口流量相差不超过10%，则支管上首尾两端出水口处的压力相差应不超过20%。为同一支管上任意两喷头间支管段水头损失为同一支管上两喷头的进水口高程差(顺坡铺设支管为负值，逆坡为正值)Zhmaxhmin七、管道设计沿程水头损失计算：等距等流量多出口管道沿程水头损失：1、分段计算2、间接计算七、管道设计第一步：先按进口处最大流量且沿程不变计算沿程水头损失第二步：乘以多口系数F校正出流孔口数流量指数多孔管首孔位置系数，即多孔管入口至第一个出流孔管的距离与各出流孔口间距之比七、管道设计局部水头损失：局部水头损失有时也可按沿程水头损失的10-15估算七、管道设计总水头损失：七、管道设
39、计变径支管计算d前d后L前L后八、水泵和动力机选型选择水泵和动力，必须确定喷灌系统的水泵设计流量和扬程。水泵设计流量应为全部同时工作的喷头流量之和，即：管道水利用系数同时工作的喷头数喷头工作压力竖管高度沿程水头损失局部水头损失典型喷头地面高程水源高程hsZd-Z0hp九、水锤压力计算水击：有压管道中，由于阀门的启闭或水泵突然启动或停止，会使管内流速急剧变化而引起管道中动水压强急剧上升或下降，这种现象称之为水击或水锤1、水击压力计算（1）水击波速（2）水击分类 水击在管路中往返一次所需的时间称为相长，用T表示五、管道水击压力计算与防护直接水击：Ts2L/a时，阀门处的压强不受阀门关闭时间长短的影
40、响，称为直接水击间接水击：Ts2L/a时，阀门处的压强与阀门关闭时间长短有关，称为间接水击直接水击压强大于间接水击压强2、减小水击压强的措施（1）延长阀门启闭时间，从而避免产生直接水击（2）设计中控制管内流速不超过允许最大值（3）对于长管可以采取每隔一定距离设调压井或安全阀和进气阀（4）应尽量选用大管径的薄壁管第六节 喷灌系统的施工与管理维护一、喷灌系统的施工不同形式的喷灌系统，其施工的内容也不同:移动式喷灌系统:施工内容主要在田间布置水源(井、渠、塘等)，主要是土石方工程；固定式(含半固定式)喷灌系统则还要进行泵站的施工和管道系统的铺设。喷灌系统的施工一般应作为农田基本建设的一个组成部分，在
41、尚未实现园田化的地区最好结合园田化工程进行，在土地平整后再挖渠道和铺设管道，以减少返工。在土地已经平整的地区，喷灌系统施工可大致分为以下几个步骤:定线与放样、开挖基坑和管槽、浇筑水泵基座与安装水泵、安装管道与管件、冲洗、试压、回填和试喷。一、喷灌系统的施工 1、定线与放样定线和放样就是将设计图纸上的设计方案，直接布置到地面上去。第一：要在施工现场布设测量控制网(应保存到施工完毕)，第二：定出各种建筑物的主轴线、基坑开挖线与建筑物轮廓线等，标明建筑物主要部位和基坑开挖的高程。注意：对于水泵放样应确定水泵的轴线位置和泵房的基脚位置和开挖深度等，对于管道系统则应确定干、支管的轴线位置，弯头、三通及喷
42、点(即竖管)的位置和管槽的深度。对于移动式系统要定出渠道的中心线、坡脚和挖深及喷点(应设吸水池或标志)的准确位置。一、喷灌系统的施工2、挖渠修路、挖基坑和管槽在便于施工的前提下管槽应尽量挖得窄些，但必须保证边坡的稳定，只是在接头处开挖断面较大一些，这样土方量少，管道承受的土压力也较小。管槽的底面就是管道的铺设平面，所以要挖得平整，以减少不均匀沉陷。若局部超挖则应用相同的土壤填补夯实到接近天然的密实度。沟槽经过岩石、卵石等容易损坏管道的地方应将槽底至少再挖深15cm，并用砂土或细土回填至设计槽底标高。如基坑中有地下水渗入，则要建立排水系统将积水及时排除。一、喷灌系统的施工3、浇筑水泵基座与安装水
43、泵水泵基座应浇筑在未经松动的原状土上。在浇级过程中关键在于严格控制基脚螺钉的位置和深度。采用一个木框架，按水泵基脚螺钉位置打孔，按水泵的安装条件把基脚螺钉穿在孔内进行浇筑。或预留较大的孔，在安装水泵对再把螺拴施进预留孔中进行第二次灌浆浇筑。水泵安装时要特别注意，对于直联机组，水泵轴线与动力机轴线一致，安装完毕后应用测隙规检查同心度；对于非直联卧式机组，动力机与水泵轴心线必须平行，皮带轴应在同一平面，且中心距应符合设计要求；吸水管要尽量短而直，接头要严格密封。一、喷灌系统的施工4、管道安装 安装顺序应先干管后支管，从低处向高处进行。干支管均应埋在地面以下一定深度或埋在当地冻土层以下，以防农业机械
44、压坏管道。对于塑料管道，一般埋在地面以下0.6-0.8m即可避免被农业机械压坏。在安装管子时应有一定纵坡，使管内残留的水能向水泵或管道末端汇流，并在末端装上排空阀，以便灌水结束后将管内积水全部排除。对于金属管道，需要预先进行防锈处理。当管坡较大时，管子承口应朝上，由下向上进行安装。对于塑料管应装有伸缩节或成波状形平铺在槽内，以适应温度变形。各种管件的连接应该牢固不漏水。安装过程中要始终防止砂石及其他杂物进人管道。如安装中断就要用堵头将敞口封闭，随时注意不要将杂有遗留在管内。竖管的安装应保证铅直、稳定，其上端接头应与喷头接头配套，而且密封可靠。一、喷灌系统的施工 5、冲洗 管道装好后先不装喷头，
45、开泵冲洗管道，把竖管敞开任其自由溢流把管中砂石都冲出来，以免以后堵塞喷头。为使冲洗时有较大的流速，各条支管、各个竖管可以轮流冲洗，每次只冲一根支管的一个竖管。应按设计流量连续冲洗，目测直到出口处水的颜色与透明度和进口处一致为止。一、喷灌系统的施工6、试压管道安装完毕填土定位后，应进行管道水压试验。对于面积不小于30hm2喷灌工程，应分段进行管道水压试验，试验长度不宜大于1000m。对于较小的工程也可以只做全系统的水压试验。在水压试验前首先要检查整个管网的设备状况，看阀门启闭是否灵活，开度是否符合设计要求，排气与进气装置是否通畅等。其次要检查地埋管填土定位情况，主要应考虑受压后管道是否会发生位移
46、，为此，直管段应覆土。而接头处则暂不覆土，以便于观察。一、喷灌系统的施工试压时，所有开口全部封闭，喷灌的竖管用堵头堵死。利用控制阀逐段进行试压。试验时首先让管道注满水24h(对于金属管和塑料管)到48h(对于钢筋混凝土管和钢丝网水泥管)后才可进行耐水压试验高密度聚乙烯塑料管试验压力不应小于管道设计工作压力的1.7倍，低密度聚乙烯塑料管试验压力不应小于管道设计工作压力的2.5倍，其他管材的管道试验压力不应小于管道设计压力的1.5倍试验时升压应缓慢，达到试验压力后，保压l0min，如果在这10min内压力管道无泄漏、无破损，下降不超过50kPa，即为合格，否则应进行渗水量试验。一、喷灌系统的施工
47、进行渗水量试验时应先充水，排净空气，然后缓慢升压到试验压力后，立即关闭进水阀，记录下降100kPa压力所需要的时间T1(min)；再将水压上升到试验压力;关闭进水阀并立即开启防水阀，向量水器中放水，记录下压力下降100kPa所需要的时间T2(min),测量在T2时段内的放水量W(L)，并下式计算实际渗水量。一、喷灌系统的施工7、回填 在管道安装好后，要立即填土定位，但应将接头部分空出来，待试压证明整个系统施工质量合乎要求后，才可以全部回填。回填前应将沟槽内一切杂物清除干净，排干积水。回填必须在管道两侧同时进行，严禁单侧回填，如管道埋深较大应分层轻轻夯实。采用塑料管时，应掌握回填时间，最好在气温
48、等于土壤温度时回填，以减少温度变形，管道周围所填的土中不能有直径大于2.5cm的石子或直径大于5cm的土块，半软塑料管在回填时应将管道内充满水。回填土也可以用注水的方法，使之密实。建筑物基坑的回填，应等砌体砂浆或混凝土凝固，并达到设计强度后再进行;回填土应干湿适宜，分层夯实，与砌体紧密接触。一、喷灌系统的施工8、试喷待冲洗、试验和回填完毕后，装上喷头进行试喷，必要时还应检查在正常工作条件下各喷点处压力是否达到喷头的工作压力，用量雨筒测量系统均匀度，判断是否达到设计要求，检查水泵和喷头运转是否正常。最后绘制工程竣工图，图上标明埋在地下的管道和管件的实际位置图，以便检修时参考。二、喷灌系统的管理维
49、护第七节 管道式喷灌系统规划设计示例一、基本资料喷灌区东西长532m，南北宽216-293m不等，总面积约14.2hm2。经整治后地势较平坦，土质为砂壤土。灌溉季节风向以东风为主，设计风速为3.Om/s。种植作物为蔬菜，需水临界期日平均蒸腾蒸发量为6mm。喷灌区东侧有一河流，水量和水质均能满足灌溉要求。二、工程总体规划 考虑到蔬菜经济价值较高，灌水较频繁，因此采用固定管道式喷灌系统。喷灌系统以蔬菜园附近河流为水源，泵站布置在菜园东侧中间位置，由泵站自东向西布置干管，垂直于干管布置支管。为管理方便，沿果园园东侧河边以及沿干管均布置道路。第七节 管道式喷灌系统规划设计示例三、喷头选择选用ZY-2型
50、喷头第七节 管道式喷灌系统规划设计示例四、确定喷头组合间距 支管南北向布置，风向与支管垂直，设计风速为3.Qm/s，根据表4一4，得支管上喷头的间距和支管间距分别为：考虑PVC-U管材长度规格（每根长4m或6m)，支管上喷头间距取18m，支管间距取24m。支管喷灌方式采用单支管多喷头同时全圆喷洒，已知风速为3m/s，则风系数为第七节 管道式喷灌系统规划设计示例田间喷洒水利用系数取0.85，则喷灌强度为 由表4一7可知，砂壤土的允许喷灌强度为15mm/h,设计喷灌强度小于最大允许喷灌强度，所以喷灌强度满足要求。上述计算结果表明，喷头的雾化指标和喷灌强度均满足要求，故所选喷头是适宜的。第七节 管道