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GBJ8585。 2、喷灌工程设计手册水电。思考题：喷灌工程规划设计的主要容和主要设计成果。 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1/50001/10000的地形图，5000亩以下灌区，1/20001/5000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，其围在1.31.6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(00.2m/s)，1级(0.31.5m/s)，2级(1.63.2m/s)，3级(3.35.5m/s)，4级(5.57.9m/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GB508492。 (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4060cm；r为土壤干容量，(g/cm3)；土壤含水量上限(取田间持水率)，为土壤含水量下限(取田间持水率的60%)， 为喷洒水利用系数(一般取0.850.95)。 若用m0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： 10 mm水深相当于6.67m3/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： 式中：为设计灌水周期，(d)；m为设计灌水定额，(mm)；喷洒水利用系数；Ea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 式中：m0为播前灌灌水定额，(mm) ；为播前土壤含水量。 2) 生育期 以农田水学利中水量平衡法来制定生育的灌水定额和灌水次数 式中：Wt 、W0 为时段初和时段t时的土壤计算湿润层的储水量，(mm) ；Wr 为由于计划湿润层增加而增加的水量，(mm) ；P0为保存在土壤计划湿润层的有效雨量，(mm) ；K为时段t的地下水补给量M为时段t的灌溉水量，(mm) ；ET为时段t的作物田间需水量，(mm) 。 3) 全生育期 M=M0+M1 2、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ET0 2) 实际需水量的计算 ET=Kc(ET0)式中：Kc为作物系数。叶面蒸滕量棵间蒸发量腾发量作物田间需水量水田：田间需水量渗漏量田间耗水量由于水田不同土壤渗漏量大小差别很大，为了使不同土质田块水稻需水具有可比性，因此水稻的田间需水量不包括渗漏量，如计入渗漏量，则称为田间耗水量。 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容。 1、喷头在一个位置(工作点)的喷灌时间按下式确定 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式中： Nt为同时工作的喷头数；A为喷灌工程控制面积，(m2); C为一天中喷灌工程有效工作的时间(2024h) 同时工作的支管数 式中： Nt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： 轮灌的编组应有一定的顺序，以便管理。 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。 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。 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 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。 两根支管由地块两端中间交叉前进。 两根支管由中间的两端交叉前进。、 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。喷洒方式组合方式喷头间距支管间距全园正方形长方形1.42R设R设1.42R设1.73R设扇形长方形R设1.73R设 喷头的设计射程为R设=KR式中：R设喷头设计射程，(m)；K为折减系数，一般取0.70.9。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Cu75%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=Ka R b=KbR式中：a为喷头间距，(m)；b为支管间距，(m)；Ka为喷头间距布置系数；Kb为支管间距布置系数。风速m/s长方形布置正方形布置喷头间距支管间距0.31.61.63.43.55.41.01.00.80.80.61.31.31.11.11.01.11.01.00.90.90.7 计算得到的a及b值还应调整到符合支管管道规格长度的倍数。一般应做取小处理。 3) 验算设计喷灌强度 按公式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。 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容是选择管道的最优管径。 (1) 经验公式法 当Q120m3/h时 当Q120m3/h时 (2) 经济流速法 式中：D为经济管径，mm；Q为管道设计流量，m3/s；V为经济流速，经济流速一般由经验确定，取1.61.8m/s (3) 非线性规划法 目标函数 minz= 约束条件 式中：Z为总壁面积；D、 L为管道径及长度；H为喷头工作压力；n为管道壁糙率；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 式中：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、沿程水头损失计算式中：hf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，m3/h；d为管道径，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 hf=Fhf式中：F为多口系数。 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 式中：hj为各管件局部水头损失，m；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 式中：V0为管中正常流速，m/s；V1为管道关闭后的流速，m/s；为水击波速，m/s 。 式中：K为水的体积弹模；E为管道的弹模；D管径；管壁厚。 2) 间接水击 当 Ts40 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 式中：为典型喷头高程与水源水位高差，(m)。 2、设计流量 式中：Nt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 .资料. . .