4-(3)灌水方法-喷灌-2

灌水方法第四章（三）喷灌一、喷灌概述喷灌是当今世界上最主要的节水灌溉技术之一，美国、前苏联的喷灌面积均占其总灌溉面积的40％以上；随着科学技术的进步，上百万亩的大型喷灌工程的建设已成为现实；喷灌技术和农业技术的结合显著提高了水的利用率和利用效率，提高了土地生产率和劳动生产率。由于喷灌面积迅速扩大，世界上已形成了相当规模的支撑产业，出现了一批名牌产品和著名企业，成为发展喷灌必不可少的产业基础和技术进步的主力军。喷灌技术我国虽早在50年代就已建设了一些喷灌试验工程，但形成一定规模地进行研究、开发和生产应用则是进入70年代以后的事情。茶园喷灌喷灌技术1976年喷灌列入国家科研计划，1977～1978年国家计委将喷灌列为重点推广项目，原水利电力部正式将喷灌列入水利建设计划。喷灌技术当前,我国研制出了轻小型喷灌机、中心支轴式喷灌机、平移式喷灌机、软管牵引卷盘式喷灌机、滚移式喷灌机等设备，已形成较大的生产能力。喷灌技术自行开发了塑料管等多种地埋管材和配套管件，开发了薄壁铝管、镀锌薄壁钢管等移动管材，并已形成批量生产能力。喷头以水平摇臂式喷头为主体，先后开发了PYl、PY2及ZY1、ZY2四个系列的金属摇臂式喷头以及PYS系列塑料摇臂式喷头，此外，还有我国独创的步进式全射流喷头。喷灌技术1985年我国颁布了国家标准GBJ85—85《喷灌工程技术规范》和部标准SDl48—85《喷灌工程技术管理规程》，2007年进行了修订完善，这些规范对规划设计的标准化和规范化发挥了重要作用。此外，还针对喷灌使用专用设备多的特点，我国颁布了国家标准或行业标准，如喷头、管材、自吸泵等等，这些标准是喷灌设备生产制造必须遵守的准则和依据。

喷灌技术经过40多年的努力，全国绝大部分县开展了喷灌的试点、示范和推广工作。1996年国务院决定在全国建设300个节水增产重点县，以点代面，推动全国节水灌溉的普及。这种形势有力地促进了喷灌事业的发展，全国喷灌面积从1992年的1250万亩发展到1997年的1900万亩，年平均增长率超过10％。喷灌技术得到广泛的应用。喷灌喷灌系统示意图（一）、组成水源：井、渠、河等动力：电力、机械水泵：提水设备管道系统：干、支管等喷头：灌水设备附件：阀门、压力表、肥料灌等二、喷灌组成和类型喷灌就是通过压力管道将水体喷射到空中，并利用专门的装置将水流打碎，然后像降雨一样降落到地面进行灌溉的一种灌溉方式。（二）、喷灌类型

根据整个系统的移动情况，喷灌系统可分为：1、固定式：除喷头可移动外，其它都固定；2、移动式：除水源外其它部分都可移动；3、半固定式：首部和干管固定，支管及喷头可移动。

也可按系统特点分为：管道式机组式喷灌技术固定式系统喷灌技术移动喷灌系统喷灌技术移动喷灌系统喷灌技术类型优点缺点应用固定式操作方便生产效率高占地少设备利用率低投资大灌水频率高经济效益大地形复杂坡度大移动式设备利用率高单位面积投资低操作灵活田间所需渠道多、路多、占地多、劳动强度大灌水频率不高的作物水源方便半固定式设备利用率较高投资较省劳动强度一般工作条件较差劳动强度较大多种条件下均可应用，是目前主要发展类型各类喷灌系统的优缺点比较喷灌技术三、喷头种类及工作原理（一）、按工作方式分类1、旋转式喷头喷灌技术喷灌技术单嘴摇臂喷头喷灌技术2、固定式喷头折射式喷头喷灌技术缝隙式喷头喷灌技术离心式喷头喷灌技术3、孔管式喷头喷灌技术类型优点缺点应用旋转式射程远结构简单易于推广安装不平或有风时旋转不匀中远程喷洒、田边地角、大田作物固定式工作可靠造价便宜射程小（5-10m）喷灌强度大（15-20mm/h）水量分布不均易堵塞果园、菜地、苗圃、温室孔管式要求压力低喷灌强度大水舌受风影响大果园、菜地、苗圃、温室不同喷头的优缺点比较喷灌技术（二）、按工作压力分类1、低压近射程：200kpa以下的压力，15m以内的射程；2、中压中射程：200-500kpa的压力，15-40m的射程；3、高压远射程：大于500kpa的压力，40m以上的射程。喷灌技术项目高压远射程中压中射程低压近射程工作压力（kPa)>500200-500100-200射程（m）>4015-405-15流量（m3/h）>310.8-310.3-1.2喷头按工作压力和射程分类喷灌技术（三）喷头的技术参数1、工作压力：进水口前20cm的内压力为工作压力；出水口的压力为喷嘴压力。两者的差值反映喷头的设计制造水平，其值应小于49kpa；2、流量：单位时间喷出的水量，与工作压力和喷嘴直径成正比。3、射程：喷洒有效水所达到的距离，即喷洒半径。与喷嘴压力、流量、仰角、喷嘴形状、喷灌结构等有关。实际测量时，以喷灌强度等于平均强度5%的点至圆心的距离为准。

为流量系数；A为喷嘴过水面积，hp为喷头工作压力。喷灌技术在一定范围内，压力增加射程增加，超出之后压力增加只能增加雾化程度。喷头的技术参数是选择喷头的主要依据。一般生产厂家在产品出厂前都已将参数标定。喷灌技术四、喷灌技术要素喷灌的主要技术指标有喷灌强度、喷灌均匀度、水滴打击强度等几项，他们是衡量喷灌质量的重要标准和设计喷灌系统的重要依据。喷灌技术（一）、喷灌强度喷灌强度就是单位时间内喷洒在单位面积上的水量，或单位时间喷洒在地上的水深。单位：mm/min或mm/h喷灌时水量并不十分均匀，因此有点强度和平均强度之分。喷灌技术1、点喷灌强度：地面某一点处单位时间内喷洒的水深

ρi=△h/△t2、平均喷灌强度：地表上平均单位面积单位时间内喷洒的水深

ρ=h/t喷灌技术3、单喷头喷灌强度：单个喷头工作时的喷洒强度。

ρ=1000qη/s=1000qη/

(

R2)喷灌技术4、多喷头组合喷灌强度：多个喷头组合时的喷灌强度。由多个喷头共同喷洒合成，可以用图中阴影面积除喷头流量计算。

ρ组合=1000qη/s=1000qη/(

l*b)S为喷头平均控制面积，它小于喷洒面积。喷灌技术喷灌强度应小于土壤的入渗强度，以避免产生地表积水或径流，造成土壤冲刷，因此设计时必须掌握土壤、地形、坡度等资料。喷灌技术土壤类别允许喷灌强度（mm/h）

砂土20

砂壤土15

壤土12

壤粘土10

粘土8（二）、喷灌均匀度喷灌均匀度指喷灌面积上水量分布的均匀程度，是衡量喷灌质量的重要指标。表征指标有均匀度系数和雨量图。喷灌技术1、均匀度系数国际上多采用美国克里斯琴森均匀系数。计算式为：

式中：为平均水深，△h为平均离差。GBJ85-85《喷灌工程技术规范》规定：在设计风速下，喷灌均匀系数不应低于75%，对行喷式喷灌系统，不应低于85%。喷灌技术2、水量分布图喷洒范围内的等水量图。喷灌技术单个喷头的均匀系数是没有什么意义的，因为喷灌都是多喷头的组合；实际生产中可用四个或三个喷头组合进行测定，即喷头围着的范围内的均匀系数可代表喷灌的实际均匀度，如图中黄色部分。喷灌技术（三）、水滴打击强度是指受水面积内，水滴对作物或土壤的打击动能。与水滴大小、降落速度和密度有关。用雾化指标或水滴直径表示。喷灌技术1、雾化指标

Pd=Hp/dHp--为喷头工作压力；d--为喷嘴直径。Pd越大，雾化程度越高；水滴直径越小，打击强度越小。喷灌技术作物种类Hp/d蔬菜及花卉4000-5000果树、粮食作物、经济作物3000-4000牧草、饲料作物、草坪及绿化林木2000-3000各种作物要求的喷头雾化指标喷灌技术喷灌技术2、水滴直径指落在地面或作物叶面上的水滴直径。直径过大打伤幼苗、板结土壤；直径过小，在空中损失大、易受风的影响。一般要求平均在1-3mm以内。喷灌技术五、喷灌系统的规划、布置与设计喷灌系统的规划设计是一个反复的过程，不可能一次就完全确定下来，但可以遵循一定的步骤。通常分为规划和设计两个阶段进行。喷灌技术（一）、收集资料1、自然条件地形、土壤、气象、水源、作物等2、生产条件水利现状、生产现状、动力现状、材料及供应情况、生产组织和用水管理状况3、经济社会条件行政区划、经济条件、交通条件、发展规划喷灌技术（二）、系统选型根据地形、土壤、气象、水源、作物、经济及设备条件，考虑各种系统形式的优缺点，选定系统形式。1、喷灌次数多、经济价值高的作物可选固定式；在地形太陡，移动困难时也可选固定式；2、大田作物可选移动或半固定式，提高设备利用率；3、自然水头好时可选自压式系统，降低运行费。喷灌技术（三）、选择适宜的喷灌强度喷头的喷灌强度在出厂时已标定。根据土壤和坡度等选定喷灌强度。喷灌技术土壤类别允许喷灌强度（mm/h）砂土20砂壤土15壤土12壤粘土10粘土8各类土壤允许的喷灌强度喷灌技术地面坡度(%)允许强度的降低数(%)<5105-8209-124013-2060>2075坡地喷灌强度降低值（四）、确定喷洒方式和喷头组合1、喷洒方式有全园喷洒和扇型喷洒两种。生产中全园喷洒是主要的，扇形喷洒在特殊的场合适用：（1）田边地角（2）坡度较大（3）风力较大（4）单喷头机组喷灌技术喷灌时是多喷头同时工作。喷头组合的原则是不留空白，并有较高的均匀度。常用的喷头组合有四种形式：如下图示喷灌技术2、喷头组合形式确定喷头组合形式喷灌技术3、一般情况下喷头组合间距的确定喷头间距受射程、喷灌均匀度和喷灌强度等的影响，一般把喷头间距和选型一起考虑，即确定作业方式和质量，然后选定喷头和确定间距。常用经验系数法确定。喷灌技术喷头组合形式支管间距b喷头间距L有效控制面积正方形1.42R1.42R2.0R2正三角形1.5R1.73R2.6R2矩形1.73R1.0R1.73R2三角形1.87R1.0R1.87R2喷头组合的支管间距、喷头间距和控制面积的关系喷灌技术4、有风情况下喷头与支管间距确定在多风的地区和季节进行喷管，要考虑风的影响。一般用经验系数法进行支管和喷头间距调整。

b=Cm*RL=Cp*RCm为支管调整系数；Cp为喷头调整系数，干管支管风向喷头风力等级风速（km/h）Cm（支管）Cp（喷头）11.11-5.41.31.025.8-11.91.3-1.21.0-0.8312.2-19.41.1-1.00.8-0.6风速对喷头和支管间距的影响系数干管支管风向喷头式中：ρ——组合喷灌强度(mm/h)Kw——风系数

CP——布置系数V——设计风速(m/s)

ρS——无风情况下单喷头

设计喷灌强度(mm/h)式中：Qp——喷头设计流量(m3/h)R——单喷头喷洒半径（m）a（L）——喷头间距（m）b——支管间距（m）5、组合喷灌强度计算风系数计算式组合系数计算式从前面学习知道，单支管多喷头布置系数CP计算公式复杂繁琐，可通过查曲线图得到喷头间距a（即L）。设计中如何确定的支管及喷头间距：通常是先确定系统控制参数，然后选择喷头及喷头参数，最后计算并校核组合间距并调整——即参数控制法。6、组合喷灌支管及喷头间距的确定步骤（1）系统参数确定：土壤入渗强度、作物要求的雾化指数、设计风速、系统均匀度（2）选择喷头并确定参数。用公式进行计算确定组合喷灌强度，然后校核喷灌强度是否满足要求，同时计算雾化指数并校核。（3）在校核各种参数之后，可以按照组合系数计算喷头间距和支管间距。为了降低工程成本，喷头间距越大越好，但间距扩大均匀度下降。因此《喷管工程技术规范》要求，在设计风速下，均匀系数不低于75%，据此设计的喷头间距即最大可行喷头间距。（五）、管道系统的布置及布置原则1、干管沿主坡方向布置，支管与干管垂直，支管沿等高线布置；2、平坦地区，支管尽量与作物耕作方向一致，与田间工程配合，减少竖管对耕作的影响；3、在经常刮风地区，支管与主风向垂直，便于有风时加密喷头，补偿风对横向射程的影响；喷灌技术4、支管上各喷头的压力要求接近一致，否则影响各喷头得出水量；5、水源尽量布置在系统中心，减少管径，减少水头损失；6、每根支管均应安装闸阀。7、一般支管间距大于喷头间距，减少只管用量，节省投资，减轻劳动强度。喷灌技术（六）、结构计算——以半固定系统、正方形组合为例1、灌溉制度设计（1）设计灌水定额

m=0.1rh(B1-B2)/η=0.1

h

(B’1-B’2)/ηm设计毛灌水定额,mm；r土壤容重,kg/cm3B1、B2适宜土壤含水量(重量)；η水利用系数,0.7-0.9B’1、B’2适宜土壤含水量(体积)；h计划湿润深度,cm,20-60cmhr（2）设计灌水周期两次灌水间隔时间:

T=m

η/em设计毛灌水定额,mmT设计灌水周期，de日耗水强度,mm/dη水利用系数，0.7-0.9喷灌技术Tm土壤含水量B1B2时间（3）喷头在工作点一次灌水所需时间

t=m/ρ系统

ρ系统=1000q/blq——单喷头流量,m3/hb——支管间距，ml——喷头间距，m

ρ系统——系统平均喷灌强度,mm/h喷灌技术干管支管喷头b2、确定支管的轮灌方式及计算轮灌组数支管轮灌方式也就是支管的移动方式。不同的轮管方式影响干管的直径，影响投资。在工作中，有两种灌溉工作方式：

一是续灌：上级管道向下级管道连续不断地供水。

二是轮灌：上级管道向下级管道分组轮流供水。喷灌技术两根支管的轮灌方式示意。后两种方式可使后半截干管流量减少一半。（1）轮灌方式确定

n=(T*C)÷tT——为作物灌水周期,dC——为喷灌系统每天有效工作的时间,h/dt——一次灌水所需时间,h轮灌的基础是作物灌水周期长,系统灌水时间短,可以把作物分组进行灌溉，从而减少工作规模，节省投资。（2）轮灌组数计算（1）喷头数：

N喷头=（A/bl）÷nA——灌区面积n——轮管组数其他符号同前A/bl为需要灌水的点数,如图中为15点;n为轮灌组数,设以支管为轮灌组,则n=3;同时工作的喷头数为:N喷头=15/3=53、同时工作的喷头数和支管数（2）支管数

N支=N喷头/U喷头A/bl为需要灌水的点数,如图中为15点；n为轮灌组数,设以支管为轮灌组,则n=3；同时工作的喷头数为:N喷头=15/3=5同时工作的支管数为:N支=5/5=1

U喷头

——一根支管上的喷头数1、流量计算（七）流量及管径计算（1）支管流量支管流量等于支管上喷头流量之和：

Q支=q喷xU喷头（2）干管流量干管流量等于同时工作支管流量之和：

Q干=Q支xN支2、管径计算d——干管管径，mmQ——干管流量，m3/hV——管道经济流速，m/s，一般为1.5m/s计算出干管管径后，应向统一的管径调整，并且要向市场规格调整。（八）、水力计算在解决实际水力学问题中，广泛应用伯诺里方程式。水流运动现象多种多样，但其实质都是在一定条件下的能量互相转化，因此，它遵守能量守恒及其转化规律。现以闸孔出流为例，图1为闸孔出流的水流状态。从图中流线的疏密程度看出各个断面(断面1—1、2—2)的平均流速不一样，而且在同一过水断面上，每一点的流速v和压强p也不一样。因此在分析水流运动的能量转化关系时，就不能用固体运动分析的方法，而必须首先取一微小流束进行分析得出能量方程，然后推广到实际总体水流中，得出总流的能量方程。（A）伯诺里方程式取微小流束过水断面1—1的面积为dw1，其形心点到某一基准面的高度为Z1，形心点的压强为p1，流速为v1。由于流束的过水断面积是微小的，可忽略过水断面上压强分布与流速分布的不均匀性而近似地认为是均匀分布。因此其形心点的压强和流速就可看作是该微小面积上的平均值。同理，相应于断面2—2的各值为dw2、Z2、p2和v2。作用于微小流束1—2水体上的力，有周界上的压力、重力以及水体在流动过程中所受到的阻力。上述各力所作的功如下：1、压力作功dAPdAP=P1dl1-P2dl2=p1dw1dl1-p2dw2dl2=p1dw1v1dt-p2dw2v2dt=(p1-p2)dQdt2、重力作功dAGdAG=ρdQdtg(Z1-Z2)=rdQdt(Z1-Z2)3、阻力作功dAr假定单位重量水体在流束1—2段上流动时所受的阻力作功为-h’w，则dt时间内，通过整个流束的水重为dG=rdQdt，所以阻力所作功为：dAr=-rdQdth’w4、动能的增量dEu==从图看出，1-2之间的动能的增量仅为1-1’和2-2’两段水体动能的变化量，并且两段水体的质量相等：dm=rdQdt因此，动能的变化表现为速度的变化。5、微小流束的能量方程---伯诺里方程dAP+dAG+dAr=dEu即(p1-p2)dQdt+rdQdt(Z1-Z2)-rdQdth’w=6、能量方程的应用条件（1）水流必须是恒定流。（2）作用于水体上的质量力只有重力。（3）在所选取的两个过水断面上，水流应符合渐变流条件，但在所取的两个过水断面之间，水流可以不是渐变流。（4）在所取的两个过水断面之间，要求流量保持不变，其间没有流量加入或分出。（5）液体是连续的和不可压缩的，即密度ρ=常数。（B）水头损失计算水从水源到喷头，沿程要有能量损失，要使水从喷头喷射出去，必须在水源处提供足够的能量（即压力）才行，究竟需要多大的压力，需要计算能量损失量。喷灌系统示意图1、水头损失的种类一类是在均匀的或渐变的水流中(图a等直径管流)为克服沿全部流程水流的摩擦阻力而损失的水头，叫做沿程水头损失，用hf表示一类是在