喷灌系统的规划设计

第八节喷灌系统的规划设计

喷灌系统是由水源取水，经过水泵加压(自压系统除外)，再通过各级压力管道，送至竖管及喷头而形成一个完整的管道系统。其中固定管道式多是将干、支管均埋入地下。半固定管道式多是将干管铺设在地上，支管位于地面，灌完一片后移动到另一片，它们的管道设计方法基本一致。机组式喷灌系统则有所不同，这里重点讲述固定管道式喷灌工程的规划设计。

一、喷灌工程规划设计的原则和内容

(一) 原则

1、管道工程分级喷灌系统较小时，管道分成两级，干管和支管；有三级管道时分为干管，分干管和支管；有四级管道时，分总干管、干管、分干管和支管。最末一级，带有喷头的工作管道，称为支管。连接喷头与支管的管道称竖管。

2、管道布置原则

(1) 管道布置应使管道总长度尽量短，管径小，造价省，有利于防止水击。

(2) 山丘区布置喷灌系统时，一般应使干管沿主坡向布置，支管则平行等高线布置。

(3) 管道布置应考虑各用水单位的需求，便于用水管理，有利于进行轮灌分组。

(4) 平原地区，支管尽量与作物耕作方向一致。

(5) 充分考虑地块的地形变化，力求使支管长度一致，规格统一。管线纵剖面应力求平顺，减少折点，尽量避免管线出现驼峰。

(6) 管线的布置应结合排水系统，道路林带，供电系统及行政村的规划统一规划，山、水、田、林、路。

(二) 喷灌工程规划设计的主要内容

1、勘测和收集基本资料：(1) 地形图，(2) 土壤，(3) 气候，(4) 水源，(5)农作物，(6) 动力供应，(7) 交通，(8) 农业生产现状。

2、确定喷灌区域根据水源、地形、土壤、农作物及经济条件，确定喷灌区域的范围和面积。

3、计算喷灌用水量，进行水源工程的规划设计。

4、确定喷灌系统类型，对选定的方案进行设计，也可以选两种以上方案进行比较，确定最优方案。

5、计算工程、设备统计表、编制概预算。

6、编制工程施工进度计划表。

(三) 主要设计成果

1、喷灌工程规划设计说明书一份。

2、喷灌工程平面布置图，管道、沟渠纵剖面图，管道结构示意图，建筑物设计图(泵站、泄水井、支墩、镇墩、农桥等)。

(四) 喷灌工程规划设计类型

1、管道式喷灌工程规划设计，包括固定式和半固定式。

2、机组式喷灌工程规划设计，包括定喷机和行喷机。

3、自压喷灌工程规划设计。

(五) 喷灌工程规划设计依据(标准)

1、国家标准《喷灌工程技术规范》GBJ85－85。

2、《喷灌工程设计手册》水电出版社。

思考题：喷灌工程规划设计的主要内容和主要设计成果。

二、喷灌工程规划设计的基本资料(喷灌工程的勘察设计)

(一) 地形资料

喷灌系统的规划布置应有实测的地形图，其比例视灌区大小，地形的复杂程度以及设计阶段要求的不同而定。在规划阶段，5000亩以上灌区要求1/5000－1/10000的地形图，5000亩以下灌区，1/2000－1/5000地形图。对于小地块要求1/500 —1/1000的地形图，对于地势平坦的小块灌区，至少应用平面位置图，包括田块高程，水源位置(水位、高程)等资料。

(二) 土壤资料

土壤资料包括：(1) 土壤质地，(2) 田间持水能力，(3) 土壤入渗速度，(4)土壤化学性质。

1、土壤质地土壤质地是指土壤颗粒的机械组成，即按不同粒径的矿物质颗粒在土壤中所占比例对土壤进行分类。土壤一般分为：砂土、砂壤土、轻壤土、中壤土、重壤土、粘土、分类方法有颗粒分析法和野外手测法。

2、土壤容量单位体积自然状态下的干土的重量。单位g/cm3，其范围在1.3－1.6之间。主要测试方法有环刀法，参考《农田水利学》教材。

3、田间持水量土壤田间持水量是指在有良好排水条件下的土壤中，排水后不受重力影响而保持在土壤中的水分含量，常用占干土重的百分数表示。

在有条件的地方，可对灌区土壤田间持水量进行野外测定。

4、土壤入渗能力土壤入渗能立一般用土壤入渗速度来表示，主要是选定允许喷灌强度。

5、土壤化学性包括PH值，含盐量，有机质含量以及氮、磷、钾等含量。

6、土壤最大冻土层深度。

(三) 气象资料

喷灌工程规划设计应收集的气象资料有：降雨量(年降雨量、典型年日降雨量)，蒸发量(水面、陆面)，气温(最高、最低、极端)，湿度，日照，无霜期(被霜期、冬霜期)。

喷灌的缺点之一就是受风影响大，所以做喷灌工程设计应特别注意此问题。风速风向是确定喷头布布置形式和管道布置方式的重要依据。

风向：一般可分为8个方位，即东、南、西、北、东北、西北、东南、西北八个方向。设计风向是指灌区主要农作物灌水时期内灌水日的主风向。如此季节没有时显的主风向，应按多风向设计。

风速：指喷灌工作日的平均风速。气象站给出的风速为10米高处风速，手持风速仪可测量2米处的风速，它们之间换算关系

U10=1.39V2

式中：U10为10米高处风速，V2 为2米高处风速。

风力等及与风速关系为：0级(0－0.2m/s)，1级(0.3－1.5m/s)，2级(1.6－3.2m/s)，3级(3.3—5.5m/s)，4级(5.5－7.9m/s)。

当风力等级大于3级风时应停止喷灌。

(四) 水源条件

喷灌所用水源有：河流、水库、池塘、山泉、湖泊、井水等。对水源的调查内容包括：1) 来水量，2) 水位，3) 水质，4) 含砂量等。其资料应有一定的代表性(长系列水文资料，典型年日来水量资料)，特别要注意灌溉季节的水位流量变化。

应用地下水作喷灌工程水源时，应查明灌区地下的情况，包括可供开采的单井出水量，水质等，要了斛地下水多年平均降深的变化，做到在多年的运行中保证地下水采补平衡，保护地下水资源。

在多泥沙河流上取水时，要特别注意河流的含沙量，重要工程要做沉沙工程，以保证喷灌工程的正常运行。

应用城市污水灌溉时，应对污水进行水质处理。喷灌水源的水质应满足《农田灌溉水质标准》GB5084－92。

(五) 农作物包括：灌区作物种类、种植面积、种植方式、作物布局和结构、复种指数。其中作物耗水资料，作物根系活动层有条件时应作实验，无条件可查阅相关农田试验站的实验资料或有关书籍《农田水利学》、《作物耗水量》等资料。

(六)农业经济概论

(1) 灌区农业发展规划，水利工程现状，农业机械化程度。

(2) 灌区农业收入情况，粮食单产，价格、生产费用等。

(3) 交通条件。

(4) 行政区划。

(5) 动力设备情况。

三、喷灌工程类型选择

喷灌工程的类型应根据作物种类、经济条件、动力设备条件、地形条件等因素确定。经济价值高的作物可采用固定管道式喷灌工程，大田作物宜采用半固定式或机组式喷灌系统，有自然水头的地方尽量采用自压喷灌工程。

四、喷灌制度的制定

喷灌制度包括：(1) 灌溉定额，(2) 灌水定额，(3) 灌水次数，(4) 灌水周期等。灌溉定额指各次灌水定额之和，灌水定额指一次灌水时，单位面积上的灌水量。

(一) 设计灌水定额

设计灌水定额按下式计算

()ηθθ/1.0min max -=rH m

式中：m 设计灌水定额，(mm)；H 为喷灌土壤计划湿润层深度，(cm)，对于大田作物可取40～60cm ；r 为土壤干容量，(g/cm 3)；m ax θ土壤含水量上限(取田间

持水率)，min θ为土壤含水量下限(取田间持水率的60%)，η 为喷洒水利用系数(一般取0.85～0.95)。

若用m 0表示米3/亩的灌水定额，m 表示mm 灌水定额，它们之间关系为：

()mm m m 3

20= 10 mm 水深相当于6.67m 3/亩的灌水量

(二) 设计灌水周期

设计灌水周期指两次灌水的时间的间隔，以天数表示。设计灌水周期可用下式确定：

ηa

E m T =

式中：Ｔ为设计灌水周期，(d)；m 为设计灌水定额，(mm)；η喷洒水利用系数；E a 为作物临界耗水期日平均耗水量，(mm/d)。

(三) 喷灌制度确定方法

1、水量平衡法

1) 播前灌水定额

()ηθθ/1.00max 0-=rH M

式中：m 0为播前灌灌水定额，(mm) ；0θ为播前土壤含水量。

2) 生育期内 以农田水学利中水量平衡法来制定生育内的灌水定额和灌水次数

ET M K P W W W r t -+++=-00

式中：W t 、W 0 为时段初和时段t 时的土壤计算湿润层的储水量，(mm) ；W r 为由于计划湿润层增加而增加的水量，(mm) ；P 0为保存在土壤计划湿润层内的有效雨量，(mm) ；K 为时段t 内的地下水补给量M 为时段t 内的灌溉水量，(mm) ；ET 为时段t 内的作物田间需水量，(mm) 。

3) 全生育期 M=M 0+M 1 ∑==n

i m M 11

2、彭曼公式法

1) 参作物需水量计算 参照作物是指土壤水分充分、地面完全覆盖、生长正常、高矮整齐的开阔(地块长宽大于200m)的矮草地(草高8-15cm)，以苜蓿草为代表作物，计算ET 0

2) 实际需水量的计算

ET=K c (ET 0)

式中：K c 为作物系数。

五、喷灌工作制度

喷灌工作制度是指喷灌工程运行中，喷头在固定位置的喷灌时间，同时工作的喷头数以及喷头轮灌组的划分等内容。

1、喷头在一个位置(工作点)的喷灌时间按下式确定

q

abm t 1000= 2、同时工作的喷头数和支管数

同时工作的喷头数可按下式计算

TCq

Am N t = 式中： N t 为同时工作的喷头数；A 为喷灌工程控制面积，(m 2); C 为一天中喷灌工程有效工作的时间(20～24h)

同时工作的支管数

N

N N t z 式中： N t 为同时工作的支管数；N 为一根支管安装的喷头数，以上计算结果均应取整数。

3、轮灌方案

1) 轮灌组划分要点：① 轮灌的编组应有一定的顺序，以便管理。② 相同类类型的轮灌组的工作喷头总数应尽量接近，从而使喷灌工程的流量变幅较小。③ 轮灌编组时，应使地形较高或路程较远的组别的喷头式支管数略少，以利于保持喷灌泵均在高效区工作。④ 编制轮灌组轮灌顺序，应将流量分散到各配水管中，避免集中在某一条干管配水。

2) 支管轮灌方式 ① 两根支管从地块一头齐头并进，干管从头到尾的流量等于两根支管流量之和。② 两根支管由地块两端中间交叉前进。③ 两根支管由中间的两端交叉前进。②、③ 两种方案只有前半段干管通过流量等于两根支管流量之和，而后段干管通过的流量只等于一根支管的流量。这样，水头损失小或可以减少后半段干管的管径。

六、喷灌系统组合距的确定

1、喷灌方式 喷头的喷灌方式有园形喷灌(也叫全园喷灌)和扇形喷灌两种。一般在管道喷灌工程中，除了位于地块边缘的喷头作扇形喷灌外，其余喷头均采用全园喷灌。在机组式喷灌系统中，为避免喷湿机道，一般采用扇形喷灌方式。

2、喷头参数的选择 1) 工作压力，2) 喷头型号，3) 喷咀直径，4) 射程，

5) 喷头量。

3、计算和校核雾化指标 H/D 值是否满足要求。

(二) 喷头的组合形式

喷头的组合形式包括支管布置方向、喷头组合方式及喷头沿支管的间距，支管和支管的间距等。

1、支管布置方向 支管布置的方向，除考虑地形因素及作物种植方向外，还应考虑风向和地形坡度的方向。

(1) 受风影响 无风条件下，喷头喷灌为一个园形面积。有风时，顺风向一侧，喷头射程增加，逆风向一侧，喷头射程减小，而平行风向的两侧，射程也相应变小。所以，在一般情况下，支管布置在垂直主风的位置，干管则布置在平行主风向的位置。

(2) 地面坡度影响 地面有坡度时，下坡方向，喷头射程加大，上坡方向，喷头射程变小。一般情况，支管平行等高线布置，干管垂直等高线布置。

2、喷头的组合形式 喷头组合形式也称布置形式，指喷灌工程中每个喷头所处的相对位置的排列方式。一般用相邻4个喷头平面位置组成的图形表示。喷头组合形式有长方形、正方形、三角(正三角和等腰三角形)三种形式。

在灌水季节主风向明显时，采用支垂直主风的长方形布置，加大支管间距，可以减少管道的投资。当灌水季节主风向多变时，要采用正方形布置，以减小风的影响。三角形布置复杂且不实用，一般较少采用。

(三) 确定喷头的组合间距

喷头的组合间距是指喷头沿支管的间距和两条相邻支管间的间距，称喷头间距（a ）和支管间距（b ）。

1、定系数法 根据喷头不同的喷洒方式及不同的组合形式，基本上以对角

线方向上的两个喷头的湿润圆相切，按几何作图法并以喷头射程乘以一个系数，求出喷头间距和支管间距。为了不发生漏喷现象，常将喷头射程打一个折扣，用设计射程(或有效射程)为几何作圆的依据，故又称几何组合法。

R 设=KR

式中：R 设喷头设计射程，(m)；K 为折减系数，一般取0.7～0.9。固定管道式喷

灌工程取0.8，多风地区取0.7，无风地区取0.9。R 为喷头射程，(m)，见产品说明书。

2、变系数法 这一成果是我院施均亮教授提出的，这一方法是基于对喷头试验研究，归纳出在满足均匀系数C u ≥75%条件下，各风速等级条件下的最大组合间距比。

喷头间距和支管间距按下式计算

a=K a R b=K b R

式中：a 为喷头间距，(m)；为支管间距，(m)；K a 为喷头间距布置系数；K b 为支

小处理。

3) 验算设计喷灌强度 按公式s w C K ρρρ??=计算喷灌工程的组合喷灌强度是否满足允许喷灌强度的要求。如满足，则验算通过，a ，b 值可以确定下来，所选喷头及参数确事实上下来；如不满足，则需要重新选择喷头及参数，上述过程，直到满足要求为止。

七、喷灌管道水力计算

1、分级 固定式、半固定式喷灌工程，视系统控制的面积大小对管道进行分布，面积大时，可布置成总干，干、分干、支四级；干管、分干管、支管三级，面积较小时一般布置成干管和支管两级。支管是田间末级管道，支管上安装喷头。

2、管网布置形式 管网布置形式有：树状网、环状网、混合网

树状管网是喷灌工程管道布置应用最多的一种形式。这种管道布置简单，适应于各种地形，水力计算也较简单。

环状管网是一种闭合网，由很多闭路环组成，又称闭路网。这种管网在供水工程中应用较多，在喷灌工程中应用较少。优点是某一水流方向的管道出事故，可由另一方向的管道继续供水。环状管网的布置和水力计算可参阅供水工程有关书籍。

(二) 喷灌支管设计

支管是喷灌工程中最末一级管道，支管上装有竖管，竖管上安装喷头。竖管高度可依据喷灌作物高度确定。

H 竖=H 作+△h

喷灌支管设计时，支管的工作压力差的选取应符合设计要求，即同一支管上任意两个喷头之间的水头差应在喷头设计工作压力的20%以内。

hw+△z ≤0.2hp

(三) 输水管道优化设计

喷灌工程中管道优化设计主要内容是选择管道的最优管径。

(1) 经验公式法

当Q ＜120m 3/h 时 Q D 13=

当Q ≥120m 3/h 时 Q D 5.11=

(2) 经济流速法

2121

13.14??

? ??=??? ??=V Q V Q D π 式中：D 为经济管径，mm ；Q 为管道设计流量，m 3/s ；V 为经济流速，经济流速一般由经验确定，取1.6～1.8m/s

(3) 非线性规划法

目标函数 minz=DL π

约束条件

22238.538

.529.10A

q n D I D H L -= 式中：Z 为总内壁面积；D 、 L 为管道内径及长度；H 为喷头工作压力；n 为管道内壁糙率；I 为地形坡度；q 为供水区用水率；A 为喷灌面积。

经过运算求解，得

38.51222189.2???

? ??=*I A q n D

J H L /188.1=*

I J 158.0=*

式中：*J 为最优水力坡降。 (4) 微分法(年费用最小法)

当管道流量已知时，管径越大，则投资大，管径与投资成正比。另一方面，管径大，流量一定时流速小，水头损失小，运行费用低，管径与运行费用成反比。其中必有一种管径，使上述两种费用之和为最小，这时管径常称为经济管径，根据这一原理可用年费用最小求解最优管径，故又称年费用最小法。以上求解的管径尺寸应和管径规格相符。

(四) 管道水力计算

1、沿程水头损失计算

b

m

f d LQ f h = 式中：h f 为沿程水头损失，m ；f 为沿程阻力系数；L 为管道长度，m ；Q 为管道设计流量，m 3/h ；d 为管道内径，mm ；m 为流量指数；b 为管径指数。各种管材的f 、m 、b 值可查表。

有沿程出水时，管道的水头损失为

h ’f =F ·h f

式中：F 为多口系数。

x

N x N m N m N F +-+--++??? ??+=116121112 式中：N 为喷头数目或出流孔口数；m 流量指数；x 为支管入口至第一个喷头(或孔口)的距离与喷头(或孔口)间距之比值。F 值可查表。

2、局部水头损失

g

V h j 22

ζ= 式中：h j 为各管件局部水头损失，m ；ζ为各管件局部阻力系数；V 为管道中流速，m/s 。

1、水击验算

1) 直接水击

()

g V V h 10-=?α

式中：V 0为管中正常流速，m/s ；V 1为管道关闭后的流速，m/s ；α为水击波速，m/s 。

δαD E K ?+=11425

式中：K 为水的体积弹模；E 为管道的弹模；D 管内径；δ管壁厚。

2) 间接水击

当 Ts ≥40δ

l 时为间接水击 式中：l 为管道长度；Ts 为关闭时间。

(五) 管道系统结构设计

详细确定各级管道的连接方式，选定各种管件的规格，绘制各种附件的结构图。

八、水泵与动力选型

1、设计扬程

∑∑==?+++=n i n

i i j i f h h H Hp 11 式中：△为典型喷头高程与水源水位高差，(m)。

2、设计流量

q N Q t p ?=

式中：N t 为同时工作喷头数。

根据Hp 和Qp ，可直接由水泵样本中选定水泵，一般样本中同时给出了配套电机的参数。

思考题 1、喷灌工程设计的步骤

2、喷灌工程收集哪些基本资料。

3、喷灌工程主要的设计内容。

专业术语 喷灌制度 灌水定额 灌溉定额 参照作物 喷灌工作制度 喷头

组合形式 多口系数