第二章-喷灌基本理论课件

第二章第二章 喷灌基本理论喷灌基本理论n第一节第一节 压力管道输水灌溉压力管道输水灌溉n第二节第二节 灌溉系统动力装置选型设计灌溉系统动力装置选型设计n第三节第三节 水泵运行工况调节水泵运行工况调节n第四节第四节 喷头水力性能参数喷头水力性能参数n第五节第五节 喷灌灌水技术参数喷灌灌水技术参数n第六节第六节 喷灌强度与其他参数的关系喷灌强度与其他参数的关系第二章 喷灌基本理论第一节 压力管道输水灌溉2.1 2.1 压力管道输水灌溉压力管道输水灌溉2.1 压力管道输水灌溉一、压力管道水流条件和基本方程一、压力管道水流条件和基本方程 压力管道任意两过水断面间总能量方程为:1.伯努利方程一、压力管道水流条件和基本方程 压力管道任意两过水断面喷灌机（系统）能量水头变化曲线喷灌机（系统）能量水头变化曲线总能量（位能、动能和压能之和）沿着管道水流方向逐渐减少。喷灌机（系统）能量水头变化曲线总能量（位能、动能和压能之和）水力损失计算水力损失计算-沿程水力损失沿程水力损失采用Darcy-Weisbach公式沿程阻力系数与管内流态和管壁粗糙度相关，可以表示为雷诺数的表示公式：n层流n紊流光滑区n紊流过渡区n紊流粗糙区流态分类缺点：计算相当繁琐，容易计算错误；工程实践中较少采用水力损失计算-沿程水力损失采用Darcy-Weisbach水力损失的计算水力损失的计算-局部水力损失局部水力损失局部阻力系数与流速方向和大小的变化有关。可查表获得。水力损失的计算-局部水力损失局部阻力系数与流速方向和大小二、工程设计中沿程水头损失计算公式二、工程设计中沿程水头损失计算公式1.硬管其中为管道的比阻率或比阻抗与沿程阻力系数相关流量指数管径指数二、工程设计中沿程水头损失计算公式1.硬管其中为管道的比阻率1.硬管硬管A 常用公式硬塑U-PVC管铝合金管石棉水泥管旧钢管或铸铸管钢筋混凝土管其中以m3/s计；以m计；糙率0.013、0.014、0.015、0.017。1.硬管A 常用公式硬塑U-PVC管铝合金管石棉水泥管旧钢1.硬管硬管B 哈森-威廉斯公式（Hazen-Williams)其中沿程摩擦系数（与管道材料相关）；管道计算内径，mm；通过流量，m3/h；管长，m1.硬管B 哈森-威廉斯公式（Hazen-Williams1.硬管硬管C值塑料管塑料管(PVC/PE)(PVC/PE)140150铸铁管铸铁管新管新管130使用使用1010年后年后107113使用使用2020年后年后89100使用使用3030年后年后7590使用使用4040年后年后6483新钢管新钢管130铝合金管、镀锌钢管铝合金管、镀锌钢管120石棉水泥管石棉水泥管140普通混凝土管普通混凝土管7090玻璃管玻璃管1401.硬管C值塑料管(PVC/PE)140150铸铁管新管应用实例圆形喷灌机输水主管阻力损失试验 应用实例圆形喷灌机输水主管阻力损失试验 国产圆形喷灌机输水主管的C值选取 应用实例圆形喷灌机输水主管阻力损失试验 国产圆形喷灌机输水主管的C值选取 应用实例圆形喷灌机输水主2.聚乙烯管（聚乙烯管（PE）低密度低密度LDPE管材管材fmb硬塑管硬塑管0.4641.774.77聚乙烯管聚乙烯管d8mm0.5051.754.75d23200.5951.694.69Re=23201.7514f为系数；Q为流量L/h，d为内径mm；L为管长m。2.聚乙烯管（PE）低密度LDPE管材fmb硬塑管0.43.软管软管n加筋螺旋波纹管Dw25323850650.0510.0570.0530.0660.0720.090.0830.0940.0850.1n加筋光滑胶管通过公称直径Dn、Re、管内压力P查表获得n无筋光滑胶管A为0.380.52;Re=5000120000n各种软管（塑料）根据软管布置顺直程度、弯曲段数目、转弯半径大小及铺设地面的平整程度，K=1.11.5.3.软管加筋螺旋波纹管Dw25323850650.051三、局部水头损失计算三、局部水头损失计算1.产生原因 当水流边界变化较剧烈，对水流平顺通过产生影响，在边界剧变处水流运动紊乱，此处不仅存在沿程水头损失，而且还存在局部水头损失。2.产生位置 水流的流向、流速发生改变的地方。灌溉工程中特指闸阀、电磁阀、水表、过滤设备、施肥设备、底阀、逆止阀等控制量测安全设备；弯头、三通、变径接头等管件。3.计算公式（1）（2）适用于管道式喷灌系统时初算或简化计算按局部阻力系数逐个计算累加求得三、局部水头损失计算1.产生原因（1）（2）适用于管道式喷灌四、多口系数计算方法四、多口系数计算方法1.有压管道系统管网布置、尤其是喷头、微喷头和滴头布置的毛管或支管中，具有以上特点：（1）孔口数目多；（2）孔口等间距布置；（3）孔口上的灌水器规格型号完全相同；（4）管道规格型号完全相同。2.这种现象在固定式、半固定式和移动式管道喷灌系统非常普遍，是一种等距、等流量的多口出流方式。此种方式的沿程水头损失Hf与同一管道但全部流量只在管末出流时的沿程水头损失hf之比为多口系数，以F表示。又称Christiansen系数。3.计算步骤：先求hf；次查表F；最后求Hf。四、多口系数计算方法1.有压管道系统管网布置、尤其是喷头、微第二章-喷灌基本理论课件适用于：铝合金管 冷拔铝管适用于：适用于：硬塑料管适用于：n（1）喷头数目多喷头数目多；（；（2）喷头等间距布置喷头等间距布置；（；（3）管道直径与类管道直径与类型相同型相同；（；（4）喷头直径自中心支座由近到远逐渐增大喷头直径自中心支座由近到远逐渐增大；（；（5）末末端有可能安装喷枪端有可能安装喷枪。公式推导公式推导n计算实例计算实例n自习自习P115121特殊应用实例：圆形喷灌机喷头配置（1）喷头数目多；（2）喷头等间距布置；（3）管道直径与类型五、环状管网水力计算n环状管网又称闭合管网，是由多条管段互相连接环状管网又称闭合管网，是由多条管段互相连接成闭合形状的管网。成闭合形状的管网。n其特点是管网的任一点均可由不同方向供水，可其特点是管网的任一点均可由不同方向供水，可显著提高节点压力稳定和供水可靠性、并减轻因显著提高节点压力稳定和供水可靠性、并减轻因水击现象而产生的危害。但环状管网增加了管线水击现象而产生的危害。但环状管网增加了管线总长度，使管网投资成本增加。总长度，使管网投资成本增加。n当环形管网布置方式已定，节点流量也已知时，当环形管网布置方式已定，节点流量也已知时，管网中各管段流量有许多分配方案，因此流量、管网中各管段流量有许多分配方案，因此流量、管径和水流方向无法直接确定。管径和水流方向无法直接确定。五、环状管网水力计算环状管网又称闭合管网，是由多条管段互相连五、环状管网水力计算n节点流量平衡方程。节点流量平衡方程。n任一闭合环内管路水力任一闭合环内管路水力损失代数和等于零。损失代数和等于零。n以上建立联立方程，环以上建立联立方程，环形数目越多，联立方程形数目越多，联立方程组数目增大。组数目增大。n以以b点为例点为例abcdQtefQab+Qdb=Qbe+Qbf hwcab=hwcdb（顺时针向hw=逆时针向hf）五、环状管网水力计算节点流量平衡方程。abcdQtefQab五、环状管网水力计算n采用采用哈代哈代克罗斯（克罗斯（Hardy-Cross)法法，进行，进行逐次逐次逼近计算逼近计算。n详细设计可参考给排水设计相关书籍，目前市场详细设计可参考给排水设计相关书籍，目前市场有专用设计软件。有专用设计软件。n灌溉工程应用场合：灌溉工程应用场合：n毛管末端带有冲洗管的滴灌或渗灌系统毛管末端带有冲洗管的滴灌或渗灌系统n高尔夫球场灌溉系统高尔夫球场灌溉系统n子母管系统设计子母管系统设计n其它其它五、环状管网水力计算六、有压管的水击计算n定义：有压管道中因水流流速急剧变化而引起定义：有压管道中因水流流速急剧变化而引起 管道中水流管道中水流压力急剧升高压力急剧升高或或降低降低现象。现象。n场合：起动水锤、充水水锤、关闭阀门、突然停泵场合：起动水锤、充水水锤、关闭阀门、突然停泵n形式：形式：直接水击直接水击、间接水击间接水击n危害：爆管、破坏水力设备、损坏水泵动力机组、危害：爆管、破坏水力设备、损坏水泵动力机组、严重时毁坏水工建筑物严重时毁坏水工建筑物六、有压管的水击计算定义：有压管道中因水流流速急剧变化而引起K为流体介质的体积模量；为流体介质的密度由于水击过程中管壁弹性变形影响水击波速的传播，因此需要修正体积模量K，修正后用 K表示则基本参数与计算公式其中为水中声波的传播速度管道内水击压强均与水击波速c成正比。K为流体介质的体积模量；为流体介质的密度由于水击过程中管基本参数与计算公式n水击波速水击波速 对于匀质圆管对于匀质圆管d:管道内径，管道内径，me：管壁厚度，：管壁厚度，mK：水温：水温10时的体积弹性模数，的体积弹性模数，K=2.025GPaE：管道材料的纵向弹性模数，见右表：管道材料的纵向弹性模数，见右表钢管206GPa铸铁管108GPa铝管69.58GPaPE1.42.0GPaPVC2.83.0GPaPP7.84104Pa各种管道的E 值基本参数与计算公式水击波速d:管道内径，m钢管206GPa基本参数与计算公式n水击波速水击波速 对于钢筋混凝土管对于钢筋混凝土管d:管道内径，管道内径，me：管壁厚度，：管壁厚度，mK：水：水10时体积弹性模数，体积弹性模数，K=2.025GPaEc：钢筋混凝土弹性模数：钢筋混凝土弹性模数Ec=20.58GPaa0：管壁内纵向含钢系数，取：管壁内纵向含钢系数，取0.0150.05钢管206GPa铸铁管108GPa铝管69.58GPaPE管1.42.0GPaPVC管2.83.0GPaPP管7.84104Pa各种管道的E值基本参数与计算公式水击波速d:管道内径，m钢管206GPa基本参数与计算公式n水击相时水击相时 指水击波在管道中往返一次所需时间指水击波在管道中往返一次所需时间n水柱惰性时间常数水柱惰性时间常数T Tb b 指关阀前管道内的流速指关阀前管道内的流速指关阀前管道内的压力指关阀前管道内的压力基本参数与计算公式水击相时水柱惰性时间常数Tb指关阀前管道内基本参数与计算公式n水击压力类型水击压力类型n直接水击直接水击：瞬时关阀，闭阀时间小于水击相时：瞬时关阀，闭阀时间小于水击相时n间接水击间接水击：缓慢关阀，闭阀时间大于水击相时：缓慢关阀，闭阀时间大于水击相时 直接水击计算直接水击计算瞬时完全关闭瞬时完全关闭瞬时部分关闭瞬时部分关闭间接水击计算间接水击计算关阀前管内流速关阀前管内流速关阀后管内流速关阀后管内流速基本参数与计算公式水击压力类型直接水击计算瞬时完全关闭瞬时部水击防护措施n水击压力超过管道试验压力，一般当超过工作压水击压力超过管道试验压力，一般当超过工作压力的力的1.5倍应采取防护措施。倍应采取防护措施。n影响水击主要因素：影响水击主要因素：阀门启闭时间、管道长度和阀门启闭时间、管道长度和管内流速管内流速 n防护措施防护措施n适当延长阀门的关闭时间适当延长阀门的关闭时间 n减小管道中的水流速度减小管道中的水流速度 n缩短管长，使用弹性好的管道缩短管长，使用弹性好的管道 n设置安全设备（安全阀、空气阀、减压阀、调压塔、调设置安全设备（安全阀、空气阀、减压阀、调压塔、调压室等）压室等）计算实例 P123水击防护措施水击压力超过管道试验压力，一般当超过工作压力的12.2 灌溉系统动力灌溉系统动力 装置选型设计装置选型设计2.2 灌溉系统动力 装置选型设计一、动力装置类型与技术要求类型：类型：电动机电动机、柴油机（拖拉机）柴油机（拖拉机）、汽油机汽油机等。等。n柴油机柴油机技术要求技术要求n在与水泵配套时使计算的正常工作负在与水泵配套时使计算的正常工作负荷（不计备用系数）与持续功率符合，荷（不计备用系数）与持续功率符合，而不是与铭牌功率符合，以使柴油机而不是与铭牌功率符合，以使柴油机保持在最佳工况点（或其附近）运行。保持在最佳工况点（或其附近）运行。n动力机功率动力机功率能充分发挥、而且在有效能充分发挥、而且在有效功率下运行、油耗率较低，并留有一功率下运行、油耗率较低，并留有一定备用系数，当满载运行时，动力机定备用系数，当满载运行时，动力机效率最高。效率最高。一、动力装置类型与技术要求类型：电动机、柴油机（拖拉机）、汽一、动力装置类型与技术要求n电动机电动机技术要求技术要求n电动机启动水泵多属于轻载启动电动机启动水泵多属于轻载启动。对于中小型水泵配套的电动机，。对于中小型水泵配套的电动机，水泵机组的启动不会发生问题。对于大型水泵来说，配套电动机水泵机组的启动不会发生问题。对于大型水泵来说，配套电动机的启动电流很大，会对电网产生冲击，引起较大的瞬时电压降，的启动电流很大，会对电网产生冲击，引起较大的瞬时电压降，影响周围电网的正常运行。另外，大型水泵机组转子惯性矩大，影响周围电网的正常运行。另外，大型水泵机组转子惯性矩大，阻力矩大，起动困难；若电动机低速超载时间过长，电动机将会阻力矩大，起动困难；若电动机低速超载时间过长，电动机将会发热甚至烧坏。对于大型电动机需要进行启动转矩、启动电流、发热甚至烧坏。对于大型电动机需要进行启动转矩、启动电流、启动历时校核。启动历时校核。n分类：分类：异步电动机、同步电动机、直流电动机、交流电动机异步电动机、同步电动机、直流电动机、交流电动机n确定电动机的类型、容量、电压和转速时，应充分考虑电源容量确定电动机的类型、容量、电压和转速时，应充分考虑电源容量大小和电压等级、水泵轴功率和转速，所采用的传动方式及运行大小和电压等级、水泵轴功率和转速，所采用的传动方式及运行环境等条件。环境等条件。一、动力装置类型与技术要求电动机技术要求一、动力装置类型与技术要求n电动机电动机技术要求技术要求n对于较大功率异步电动机（对于较大功率异步电动机（15kW以上），常采用降压启动。以上），常采用降压启动。n功率小于功率小于100kW，一般采用，一般采用Y系列防护式普通鼠笼型异步电动机，系列防护式普通鼠笼型异步电动机，额定电压是额定电压是220/380Vn功率介于功率介于100300kW之间，可采用对应于旧型号之间，可采用对应于旧型号JS、JC的新型的新型Y系系列异步电动机或列异步电动机或YR系列异步电动机。型号中的系列异步电动机。型号中的“S”、“C”和和“R”分别表示双鼠笼型转子、深槽鼠笼型转子和绕线型转子。分别表示双鼠笼型转子、深槽鼠笼型转子和绕线型转子。电电压为压为220/380V、3000V或或6000Vn功率大于功率大于300kW，可采用对应于旧型号，可采用对应于旧型号YSQ、YRQ的新型异步电的新型异步电动机或动机或TZ系列同步电动机。型号中的系列同步电动机。型号中的“Q”表示特别加强绝缘，表示特别加强绝缘，“T”表示同步，表示同步，“Z”表示座式滑动轴承。这些系列电动机的额定表示座式滑动轴承。这些系列电动机的额定电压电压3000V或或6000V 一、动力装置类型与技术要求电动机技术要求一、动力装置类型与技术要求n选型技术要求选型技术要求n水泵运行水泵运行工作点位于高效区工作点位于高效区，流量流量扬程曲线能满足灌扬程曲线能满足灌溉系统的设计流量和扬程的要求溉系统的设计流量和扬程的要求，而且，而且轴功率不超过设轴功率不超过设计值计值。离心泵混流泵轴流泵一、动力装置类型与技术要求选型技术要求离心泵混流泵轴流泵离心泵离心泵最优工况最优工况小流量工况小流量工况大流量工况大流量工况离心泵最优工况轴流泵轴流泵最优工况最优工况小流量工况小流量工况大流量工况大流量工况轴流泵最优工况二、动力机配套计算水的重度，水的重度，N/m3水泵的最不利工作扬程，对于离心泵应采用设计最低扬程，水泵的最不利工作扬程，对于离心泵应采用设计最低扬程，对于轴流泵应采用设计最高扬程，对于轴流泵应采用设计最高扬程，m水泵在最不利工作扬程下的流量，水泵在最不利工作扬程下的流量，m3/s水泵在最不利工作扬程下的效率，水泵在最不利工作扬程下的效率，%机组传动效率，机组传动效率，%，由电动机与水泵的传动方式而定，由电动机与水泵的传动方式而定电动机的功率备用系数，又称配套系数、安全系数，电动机的功率备用系数，又称配套系数、安全系数，二、动力机配套计算水的重度，N/m3水泵的最不利工作传动效率传动效率 传动方式传动方式联轴器直联联轴器直联平皮带平皮带三角皮带三角皮带齿轮（齿轮（1级）级）传动效率传动效率10.90.980.90.960.960.98电动机的功率备用系数电动机的功率备用系数泵轴功率（泵轴功率（kW）100K 备用系数备用系数2.521.51.51.31.31.151.151.11.11.051.05传动效率 传动方式联轴器直联平皮带三角皮带齿轮（1级）传动效2.3 水泵运行工况调节水泵运行工况调节2.3 水泵运行工况调节灌溉系统的管路特性灌溉系统的管路特性一、单泵运行工作点确定一、单泵运行工作点确定灌溉系统的管路特性一、单泵运行工作点确定灌溉系统管路（装置）特性曲线灌溉系统管路（装置）特性曲线n灌溉系统的需要扬程：净扬程Hz：上下游水位的高差 管路特性曲线HCQ (需要扬程曲线，或H需Q)灌溉系统管路（装置）特性曲线灌溉系统的需要扬程：A.单泵工作点的确定单泵工作点的确定n水泵的工作点：水泵性能曲线HQ和管路特性曲线HCQ的交点，为水泵工作点，实际上是抽水系统供需能量的平衡点。n在在M点稳定运行的理由：点稳定运行的理由：假定在假定在A，因，因HCH，故，故V，Q，重回，重回M点点A.单泵工作点的确定水泵的工作点：在M点稳定运行的理由：B.井泵工作点的确定井泵工作点的确定n静水位：水井在未抽水前的稳定水位。n静扬程：静水位至上水面间的垂直高度。n动水位：当井的出水量一定时，井中保持不变的水位。n降深曲线：井水位的降深S和井的涌水量Q之间的关系，随流量增大呈下降曲线SQ。由抽水试验得到。n管路特性曲线B.井泵工作点的确定静水位：水井在未抽水前的稳定水位。B.井泵工作点的确定井泵工作点的确定B.井泵工作点的确定C.单泵向多水池供水时工作点的确定单泵向多水池供水时工作点的确定n假定水泵性能曲线假定水泵性能曲线HQn纵坐标减去纵坐标减去BC段损失，得水泵折引段损失，得水泵折引扬程曲线扬程曲线(HQ)n绘制绘制CD、CE段的管路特性曲线。段的管路特性曲线。n当当HCHD，开始向，开始向D池供水池供水;nHC=HE时，开始向时，开始向E池供水，此时池供水，此时向向D池供水量为池供水量为QF；nHCHE时，水泵同时向两池供水；时，水泵同时向两池供水；叠加管路特性曲线与折引扬程曲线叠加管路特性曲线与折引扬程曲线交点交点M，即为水泵工作点。，即为水泵工作点。n向向D池供水池供水QD，向，向E池供水池供水QE，水泵水泵工作流量工作流量QA。C.单泵向多水池供水时工作点的确定假定水泵性能曲线HQ二、水泵串联运行二、水泵串联运行n指前一级泵的出水管接在后一级泵的进水管，使水泵首尾相接。n串联运行多用于管网中扬程较高而单台泵供水压力不足；或长距离输送流体时加压用。n前台泵流量不小于后台泵流量，尽量相等，扬程叠加。n应注意泵的强度校核。二、水泵串联运行指前一级泵的出水管接在后一级泵的进水管，使水n串联时，合成的性能曲线串联时，合成的性能曲线是由同一流量下两泵扬程是由同一流量下两泵扬程相加得到。相加得到。n串联工作点串联工作点B，单机运行，单机运行时工况点为时工况点为A，但，但B点流点流量和扬程均小于量和扬程均小于A点值的点值的两倍。两倍。A、相同泵的串联相同泵的串联串联时，合成的性能曲线是由同一流量下两泵扬程相加得到。A、相n两两台台不不同同性性能能的的泵泵串串联联时时，合合成成性性能能曲曲线线仍仍是是在在同同一一流流量量下下两两泵泵的的扬扬程程相相加加得得到。到。n但但管管路路特特性性曲曲线线不不能能是是R2，在在B点点以以下下的的区区域域是是不不合理运行区，应避免。合理运行区，应避免。B、不同泵的串联、不同泵的串联两台不同性能的泵串联时，合成性能曲线仍是在同一流量下两泵的扬三、水泵并联运行三、水泵并联运行n指多台水泵向同一条出水管供水的运行方式。n并联运行多用于灌排泵站，以适应对需求流量变化的要求。n并联水泵的扬程尽量相等，流量叠加。n进水池水位相同时水泵的并联运行n不同型号水泵并联n相同型号水泵并联n进水池水位不同时水泵的并联运行n不同型号水泵并联n相同型号水泵并联三、水泵并联运行指多台水泵向同一条出水管供水的运行方式。A.相同泵的并联相同泵的并联n合成性能曲线是在同一扬程下两泵的流量相加得到。合成性能曲线是在同一扬程下两泵的流量相加得到。A.相同泵的并联合成性能曲线是在同一扬程下两泵的流量相加得B.不同泵的并联不同泵的并联n两两台台不不同同时时，合合成成性性能能曲曲线线仍仍是是同同一一扬扬程程下流量相加。下流量相加。当当管管路路特特性性曲曲线线为为R2时时，为为不不合合理理运运行行区区，可可导导致致一一台台泵泵流流量为量为0，可能造成事故。，可能造成事故。B.不同泵的并联两台不同时，合成性能曲线仍是同一扬程下流量C.进水池水位相同、不同水泵的并联运行进水池水位相同、不同水泵的并联运行C.进水池水位相同、不同水泵的并联运行D.进水池水位相同、相同水泵的并联运行进水池水位相同、相同水泵的并联运行D.进水池水位相同、相同水泵的并联运行E.进水池水位不同时水泵的并联运行进水池水位不同时水泵的并联运行E.进水池水位不同时水泵的并联运行四、水泵运行工况点的调节四、水泵运行工况点的调节n改变装置特性n节流法、节门调节法节流法、节门调节法n吸入池水位自动调节法吸入池水位自动调节法n分流法分流法n改变水泵特性n改变泵转数改变泵转数n切割叶轮切割叶轮n调节桨叶、叶片安装角度调节桨叶、叶片安装角度n改变水泵运行台数四、水泵运行工况点的调节改变装置特性2.4 2.4 喷头水力性能参数喷头水力性能参数2.4 喷头水力性能参数摇臂式喷头工作瞬间喷灌系统工作画面摇臂式喷头工作瞬间喷灌系统工作画面一、喷头压力n工作压力n定义定义：指喷头进水口下：指喷头进水口下20cm的竖管上的竖管上测得的静压。测得的静压。n单位单位：kPa、m、kgf/cm2、bar、MPa、psi等，用等，用Hp表示表示n喷嘴压力n定义定义：指喷嘴出口处的水流总压力。：指喷嘴出口处的水流总压力。n用用Hz表示，喷嘴压力与工作压力较接表示，喷嘴压力与工作压力较接近，其压差值与喷头结构、材质及加工近，其压差值与喷头结构、材质及加工工艺有关，一般喷头小于工艺有关，一般喷头小于5m。一、喷头压力工作压力二、喷头流量n定义定义：单位时间内喷头喷出水的体积。：单位时间内喷头喷出水的体积。n单位：单位：m3/h、l/minn用用Qp或或q表示表示n影响喷头流量的主要因素是喷头工作压力和喷嘴直径大小；相同影响喷头流量的主要因素是喷头工作压力和喷嘴直径大小；相同嘴径的喷头当工作压力越大，其喷头流量也越大。嘴径的喷头当工作压力越大，其喷头流量也越大。n计算公式：计算公式：n测量方法：体积法、重量法、堰流法、流量计法等测量方法：体积法、重量法、堰流法、流量计法等喷嘴流量系数，可取喷嘴流量系数，可取0 0.850.95，其值与喷嘴形状、加工精度有关，其值与喷嘴形状、加工精度有关二、喷头流量定义：单位时间内喷头喷出水的体积。喷嘴流量系数，三、喷头射程n喷头外部射流在空气中喷头外部射流在空气中自由射流自由射流，由，由密实段密实段、碎裂段碎裂段和和分散雾化段分散雾化段组成。组成。n密实段：喷射水流保持着连续性，呈圆柱形或近似圆柱形水流，掺气少呈透明状，密实段：喷射水流保持着连续性，呈圆柱形或近似圆柱形水流，掺气少呈透明状，水柱截面轴心速度近似等于喷嘴出口处速度，其长度约为水柱截面轴心速度近似等于喷嘴出口处速度，其长度约为145倍喷嘴直径。倍喷嘴直径。n碎裂段：因大量掺气，破坏水流连续性，水柱截面扩大，并逐步分成许多小水流，碎裂段：因大量掺气，破坏水流连续性，水柱截面扩大，并逐步分成许多小水流，在空气阻气作用下，速度也减慢。在空气阻气作用下，速度也减慢。n分散雾化段：喷射水流在重力作用下，空气阻力和射流紊动性引起的内力共同作分散雾化段：喷射水流在重力作用下，空气阻力和射流紊动性引起的内力共同作用下逐层剥落，分散成水滴降落到地面。用下逐层剥落，分散成水滴降落到地面。三、喷头射程喷头外部射流在空气中自由射流，由密实段、碎裂段和n定义定义：指量雨筒收集到的水量为：指量雨筒收集到的水量为0.3mm/h的那点到喷头距离或平均喷灌的那点到喷头距离或平均喷灌强度为强度为5%的那点到喷头的距离，用的那点到喷头的距离，用m表示。表示。n当喷头结构参数已定时，其射程受工作压力、风速、仰角等因素影响。当喷头结构参数已定时，其射程受工作压力、风速、仰角等因素影响。n在一定范围内，工作压力增大，有利于提高喷头射程，但超过某值后，在一定范围内，工作压力增大，有利于提高喷头射程，但超过某值后，雾化程度加剧，射程不再增大，甚至反而降低。雾化程度加剧，射程不再增大，甚至反而降低。定义：指量雨筒收集到的水量为0.3mm/h的那点到喷头距离或风速对射程的影响风速对射程的影响射程确定方法n解析法（弹道运动理论）解析法（弹道运动理论）n统计经验法统计经验法 卡瓦扎公式 列别捷夫公式n试验法试验法射程确定方法解析法（弹道运动理论）四、水滴直径n水滴直径水滴直径：指洒落在地面中作物叶面上的水滴的直径，：指洒落在地面中作物叶面上的水滴的直径，mm。n水射流离开喷嘴后，在空气阻力、自身重力、表面张力及内部涡流作用下，水射流离开喷嘴后，在空气阻力、自身重力、表面张力及内部涡流作用下，水滴形成过程是逐渐变化和不均匀的。一般喷头近处小水滴多些，远处大水滴形成过程是逐渐变化和不均匀的。一般喷头近处小水滴多些，远处大水滴多些。水滴多些。n水滴的大小主要取决于喷头工作压力和喷嘴直径，也受粉碎机构和喷头转速水滴的大小主要取决于喷头工作压力和喷嘴直径，也受粉碎机构和喷头转速的影响。的影响。n一般水滴直径在一般水滴直径在13mm。测试方法通常有。测试方法通常有滤纸法滤纸法、面粉法面粉法、光电法光电法、摄影摄影法法等。等。n常用水滴常用水滴平均直径平均直径和和中数直径中数直径来评价随机分布的水滴群。来评价随机分布的水滴群。n平均直径平均直径是指在喷洒范围内某一点观测到的所有水滴直径的平均值；是指在喷洒范围内某一点观测到的所有水滴直径的平均值；n中数直径中数直径是指大于和小于某直径的水滴数目相等的直径值。是指大于和小于某直径的水滴数目相等的直径值。四、水滴直径水滴直径：指洒落在地面中作物叶面上的水滴的直径，n水滴直径越大，水滴运动水滴直径越大，水滴运动末端速度越大，水滴打接末端速度越大，水滴打接触地表或作物的打击动能触地表或作物的打击动能越大，就越容易破坏土壤越大，就越容易破坏土壤表面的团粒结构或打伤作表面的团粒结构或打伤作物；但水滴直径过小，需物；但水滴直径过小，需要更多的工作压力，会造要更多的工作压力，会造成过度的能耗，同时易受成过度的能耗，同时易受蒸发飘移，降低喷洒水利蒸发飘移，降低喷洒水利用系数。用系数。第二章-喷灌基本理论课件水滴直径径测量实验照片微升注射器和针头微升注射器和针头面粉盘面粉盘水滴直径径测量实验照片微升注射器和针头面粉盘水滴直径测量实验照片喷灌实验台管路安装喷灌实验台管路安装水滴直径测量实验照片喷灌实验台管路安装水滴直径测量实验照片喷洒水滴取样喷洒水滴取样水滴直径测量实验照片喷洒水滴取样水滴直径测量实验照片率定实验中接受水滴后的面粉盘率定实验中接受水滴后的面粉盘水滴直径测量实验照片率定实验中接受水滴后的面粉盘水滴直径测量实验照片烘箱烘干烘箱烘干水滴直径测量实验照片烘箱烘干水滴直径径测量实验照片标准筛筛选出不同大小的面粉块标准筛筛选出不同大小的面粉块水滴直径径测量实验照片标准筛筛选出不同大小的面粉块水滴直径测量实验照片称重称重水滴直径测量实验照片称重传统率定公式改进率定公式传统率定公式改进率定公式试验材料lD3000、R3000喷头喷头l黄色、蓝色、棕色喷盘黄色、蓝色、棕色喷盘l#23、#30号喷嘴号喷嘴压力调节器压力调节器10psi15psi20psi试验材料D3000、R3000喷头压力调节器水滴直径测量结果水滴中数直径的径向分布水滴中数直径的径向分布a:R3000-30#喷嘴；喷嘴；b:R3000-23#喷嘴；喷嘴；c-D3000黄色喷盘；黄色喷盘；d-D3000蓝色喷盘三角形沟槽蓝色喷盘三角形沟槽a bc d水滴直径测量结果水滴中数直径的径向分布a bc d水滴直径测量结果a bc d水滴直径总体分布水滴直径总体分布a:R3000-30#喷嘴；喷嘴；b:R3000-23#喷嘴；喷嘴；c-D3000黄色喷盘；黄色喷盘；d-D3000蓝色喷盘三角形沟槽蓝色喷盘三角形沟槽水滴直径测量结果a bc d水滴直径总体分布R3000喷头，喷头，25号喷嘴号喷嘴25号喷嘴，号喷嘴，工作压力工作压力100kPaR3000 A3000 S3000 50%R3000喷头，25号喷嘴，R3000 A300R3000喷头在不同工作压力下的平均直径分布规律分布特点:相同喷嘴直径的喷头工作压力越大,水滴平均直径越小R3000喷头在不同工作压力下的平均直径分布规律分布特点:相五、水量分布图n表示无风或有风时喷头喷洒水量分布状况。表示无风或有风时喷头喷洒水量分布状况。n影响因素影响因素n风速风向风速风向n工作压力工作压力n喷头类型和结构喷头类型和结构n表示形式表示形式n径向水量分布曲线径向水量分布曲线n水量分布等值线图水量分布等值线图五、水量分布图表示无风或有风时喷头喷洒水量分布状况。微风条件微风条件微风条件微风条件喷灌系统田间试验地点：学校上庄试验站水喷灌系统田间试验水 2468101224681012SoutheastWind喷头间距(m)支管间距(m)1.622.343.063.784.505.225.946.667.387.84mm/h管道式喷灌系统组合水量分布2468101224681012SoutheastWind喷六、喷灌强度n定义定义：单位时间内喷灌在田间的水层深度（或在喷灌范围：单位时间内喷灌在田间的水层深度（或在喷灌范围内，单位时间内喷洒在单位面积上的水量。内，单位时间内喷洒在单位面积上的水量。（Water application rate)n单位单位：mm/h或或mm/minn术语术语n点喷灌强度点喷灌强度n平均喷灌强度平均喷灌强度n计算喷灌强度计算喷灌强度n组合平均喷灌强度组合平均喷灌强度 （下节介绍）（下节介绍）六、喷灌强度定义：单位时间内喷灌在田间的水层深度（或在喷灌范点喷灌强度n定义：在一块足够小的面积内所接受到的水深增量定义：在一块足够小的面积内所接受到的水深增量h与相应的极短时与相应的极短时间增量间增量t之比，也可称为土壤表面上某点的实际喷灌强度。之比，也可称为土壤表面上某点的实际喷灌强度。n公式公式n当计算旋转式喷头的点喷灌强度时，由于瞬时点喷灌强度存在较大差异，当计算旋转式喷头的点喷灌强度时，由于瞬时点喷灌强度存在较大差异，时间增量时间增量t适当增大为旋转几圈或几次正反方向喷洒相时的一段适当增大为旋转几圈或几次正反方向喷洒相时的一段时间时间t，此时水深增量变为，此时水深增量变为h，点喷灌强度可表示为：，点喷灌强度可表示为：点喷灌强度定义：在一块足够小的面积内所接受到的水深增量h与平均喷灌强度n定义：指控制面积内各点喷灌强度的平均值定义：指控制面积内各点喷灌强度的平均值。如果各点代表的面积很相近，。如果各点代表的面积很相近，如雨量筒布置成方格网状时，各雨量筒所代表的面积相等，则如雨量筒布置成方格网状时，各雨量筒所代表的面积相等，则 n公式公式n如果各点代表的面积不相等，如放射线状时各雨量筒代表的面积不同，则计算时如果各点代表的面积不相等，如放射线状时各雨量筒代表的面积不同，则计算时以面积为权，求加权平均值以面积为权，求加权平均值：平均喷灌强度定义：指控制面积内各点喷灌强度的平均值。如果各点计算喷灌强度n定义：指单个喷头在其有效喷洒面积上的喷灌流量。定义：指单个喷头在其有效喷洒面积上的喷灌流量。n不考虑蒸发漂移损失，全圆喷洒喷头的计算公式不考虑蒸发漂移损失，全圆喷洒喷头的计算公式n不考虑蒸发漂移损失，扇形喷洒喷头的计算公式不考虑蒸发漂移损失，扇形喷洒喷头的计算公式计算喷灌强度定义：指单个喷头在其有效喷洒面积上的喷灌流量。用于喷灌机（系统）n定义定义：指：指喷灌机（系统）喷灌机（系统）所控制的单位面积上的喷灌流量所控制的单位面积上的喷灌流量 n不考虑蒸发漂移损失，计算公式不考虑蒸发漂移损失，计算公式nS为喷灌机（或系统）所控制的面积为喷灌机（或系统）所控制的面积(m2)；Q为喷灌机（系统）的为喷灌机（系统）的流量（流量（m3/h)用于喷灌机（系统）定义：指喷灌机（系统）所控制的单位面积上的2.5 2.5 喷灌灌水技术要素喷灌灌水技术要素2.5 喷灌灌水技术要素一、组合平均喷灌强度n尽可能使支管间距尽可能使支管间距b大于喷头间距大于喷头间距a；有稳定风向时，应使支管垂直风向；有稳定风向时，应使支管垂直风向；风向多变时，应采用风向多变时，应采用a=b的正方形布置。的正方形布置。一、组合平均喷灌强度二、喷灌均匀度n定义定义：喷灌均匀度指喷灌面积上水量分布的均匀程度，是衡量喷：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标志。灌质量的重要标志。n通常通常喷灌均匀度系数喷灌均匀度系数（Coefficient of distribution uniformity)或水量分布图表示。或水量分布图表示。n注意事项注意事项n适用于大面积上的均匀度，在许多喷头组合一起使用时，喷洒水量适用于大面积上的均匀度，在许多喷头组合一起使用时，喷洒水量叠加后的综合各部分的土壤湿润效果。叠加后的综合各部分的土壤湿润效果。n多喷头组合的喷灌均匀度可以单喷头的喷洒均匀度为基础进行组合多喷头组合的喷灌均匀度可以单喷头的喷洒均匀度为基础进行组合计算得到。计算得到。n影响因素影响因素n喷头结构喷头结构 单喷头水量分布单喷头水量分布n喷头组合喷洒形式喷头组合喷洒形式 工作压力工作压力n喷头间距喷头间距 喷头转速均匀性喷头转速均匀性n地面坡度地面坡度 风速风向风速风向二、喷灌均匀度定义：喷灌均匀度指喷灌面积上水量分布的均匀程度Christiansen均匀度系数n 测点面积相同时测点面积相同时n测点面积不同时测点面积不同时Christiansen均匀度系数Heermann-Hein公式公式:圆形喷灌机喷灌均匀系数计算圆形喷灌机喷灌均匀系数计算为雨量筒至中心支轴的距离，雨量筒受水面积相同。为雨量筒至中心支轴的距离，雨量筒受水面积相同。Heermann-Hein公式:圆形喷灌机喷灌均匀系数计算为讨论讨论n我国我国喷灌工程技术规范喷灌工程技术规范规定：在规定：在设计风速设计风速下，固定式喷灌系下，固定式喷灌系统均匀系数统均匀系数不低于不低于75%，行喷式喷灌系统，行喷式喷灌系统不低于不低于85%。n美国农业部提出：美国农业部提出：n浅根作物浅根作物,土豆土豆/蔬菜等蔬菜等:Cu85%n深根作物深根作物,牧草牧草/玉米玉米/棉花等棉花等:75%Cu70%n喷洒化学剂喷洒化学剂:Cu80%n水量分布愈均匀，水量分布愈均匀，Cu值愈大，只有当喷灌范围内的土壤都能湿润到同一值愈大，只有当喷灌范围内的土壤都能湿润到同一个深度，则喷灌均匀系数为个深度，则喷灌均匀系数为100%，但这是不可能实现的。，但这是不可能实现的。n其它表示形式其它表示形式n前苏联前苏联B.B.别辽耶夫公式，用别辽耶夫公式，用K表示表示n美国农业部提出的分布均匀系数，用美国农业部提出的分布均匀系数，用Du表示。表示。为最小的为最小的25%测点值测点值的平均值的平均值讨论我国喷灌工程技术规范规定：在设计风速下，固定式喷灌系多支管多喷头多支管多喷头管道式喷灌系统管道式喷灌系统均匀系数计算实例均匀系数计算实例多支管多喷头均匀系数计算实例15个测点平均值个测点平均值0.265in/h15个测点值总和个测点值总和3.97in/h15个测点值偏离平均值总和个测点值偏离平均值总和0.51in/hCu=100(1-0.51/3.97)=87%最小最小1/4个测点平均值个测点平均值(0.20+0.22+0.22+0.23)/4=0.218in/hDu=0.218/0.265=82%15个测点平均值0.265in/h15个测点值总和3.97i三、水滴打击强度（雾化指标）n水滴打击强度水滴打击强度指水滴对土壤或作物的打击动能，指水滴对土壤或作物的打击动能，Kinetic energy of water droplet。n单位质量水滴动能单位质量水滴动能Droplet energy per unit mass(Ed)Jkg-1n单位面积和喷洒时间的水滴动能单位面积和喷洒时间的水滴动能 Droplet energy per unit area and time（DEf)Wm-2n 单位面积的水滴动能单位面积的水滴动能Droplet energy per unit area(KEa)Jm-2n水滴打击动能太大，会打坏作物的花苗、嫩芽甚至枝叶，破坏土壤的团水滴打击动能太大，会打坏作物的花苗、嫩芽甚至枝叶，破坏土壤的团粒结构，影响土渗入渗能力；水滴打击动能太小，会消耗过多的能量。粒结构，影响土渗入渗能力；水滴打击动能太小，会消耗过多的能量。n表示形式表示形式n水滴直径水滴直径（中数直径（中数直径/平均直径）：一般以测定末端的中数直径作为依据。平均直径）：一般以测定末端的中数直径作为依据。n雾化指标：雾化指标：用用 H/d 表示表示三、水滴打击强度（雾化指标）水滴打击强度指水滴对土壤或作物的雾化指标n雾化指标雾化指标 H/dn指喷头工作压力与主喷嘴直径之比，是反映水滴打击力的一个指喷头工作压力与主喷嘴直径之比，是反映水滴打击力的一个间接指标，但不能反映出水滴的大小，较为笼统，不能区分喷间接指标，但不能反映出水滴的大小，较为笼统，不能区分喷嘴形状（圆形或异形）、粉碎装置、敲击频率等嘴形状（圆形或异形）、粉碎装置、敲击频率等H/d的影响。的影响。n喷灌工程技术规范喷灌工程技术规范规定对于规定对于“主喷嘴为圆形且不带碎水装主喷嘴为圆形且不带碎水装置的喷头置的喷头”，设计雾化指标应符合：，设计雾化指标应符合：种类种类H/d值值蔬菜及花卉蔬菜及花卉40005000粮食作物、经济作物及果树粮食作物、经济作物及果树30004000牧草、饲料作物、草坪及绿化树木牧草、饲料作物、草坪及绿化树木20003000雾化指标雾化指标 H/d种类H/d值蔬菜及花卉400050四、喷洒水利用系数n定义：指降落到地面和作物上的水量与喷头喷出水量定义：指降落到地面和作物上的水量与喷头喷出水量之比值。之比值。n影响因素：风速、空气温度、空气湿度、雾化指标。影响因素：风速、空气温度、空气湿度、雾化指标。n风速低于风速低于3.4m/s时，时，=0.80.9n风速风速3.45.4m/s时，时，=0.70.8四、喷洒水利用系数定义：指降落到地面和作物上的水量与喷头喷出2.5 2.5 喷灌强度与其他参数关系喷灌强度与其他参数关系2.5 喷灌强度与其他参数关系一、与土壤入渗速度的关系n入渗速度入渗速度：水流经过地面进入土壤剖面的水通量：水流经过地面进入土壤剖面的水通量，mm/h或或mm/min表示，用表示，用 或或 i 表示，又称入渗率。表示，又称入渗率。水通量指单位时间内通过垂直于水流方向的单位横断面水通量指单位时间内通过垂直于水流方向的单位横断面积的水容积）积的水容积）为使土壤表面不产生积水、径流现象，应使为使土壤表面不产生积水、径流现象，应使n入渗性能：在一个大气压下，土壤表面供水充足时的入入渗性能：在一个大气压下，土壤表面供水充足时的入渗率。反映了土壤的入渗性能，受土壤质地及其他因素渗率。反映了土壤的入渗性能，受土壤质地及其他因素的影响。可用入渗性能曲线表示。的影响。可用入渗性能曲线表示。n不同质地土壤、不同含水量的同类土壤，其入渗性能曲不同质地土壤、不同含水量的同类土壤，其入渗性能曲线是不同的。线是不同的。一、与土壤入渗速度的关系入渗速度：水流经过地面进入土壤剖面的n累计入渗量与入渗率关系累计入渗量与入渗率关系n累积入渗量累积入渗量：在某一时段内，通过单位土壤表面所：在某一时段内，通过单位土壤表面所渗入的总水量，渗入的总水量，I，单位，单位mm或或cm。n稳定入渗率稳定入渗率：降雨或灌溉开始一段时间后，入渗率：降雨或灌溉开始一段时间后，入渗率趋于某稳定的值。美国土壤保持局认为稳定入渗率趋于某稳定的值。美国土壤保持局认为稳定入渗率是曲线上入渗率的变动幅度约为是曲线上入渗率的变动幅度约为10时的入渗率。时的入渗率。累计入渗量与入渗率关系初始含水量对入渗性能影响初始含水量对入渗性能影响土壤质地对入渗率的影响土壤质地对入渗率的影响灌溉方式对潜在径流量的影响灌溉方式对潜在径流量的影响土壤质地对累计入渗量的影响0.33h1.75h6.5h土壤质地对累计入渗量的影响0.33h1.75h6.5h影响土壤入渗速度的因素n喷灌起始时间喷灌起始时间n初始含水量初始含水量n导水率导水率n表面状况表面状况n水滴大小水滴大小n土壤剖面层滞水层的存在土壤剖面层滞水层的存在n地面坡度地面坡度n地表覆盖轮作地表覆盖轮作影响土壤入渗速度的因素喷灌起始时间设计喷灌强度的确定n固定式喷灌系统：相同位置灌溉时间较长，相同位置灌溉时间较长，原则上要求组合平均喷灌强度低于稳定入渗率，原则上要求组合平均喷灌强度低于稳定入渗率，控制潜在径流量的发生。控制潜在径流量的发生。n行喷式喷灌机组：边喷灌边行走，允许喷灌边喷灌边行走，允许喷灌时地表有少量积水，待喷灌机移动过后，积水时地表有少量积水，待喷灌机移动过后，积水很快能被土壤吸收。因此允许喷灌强度在一定很快能被土壤吸收。因此允许喷灌强度在一定范围内超过入渗速度。范围内超过入渗速度。设计喷灌强度的确定固定式喷灌系统：相同位置灌溉时间较长，原则调整行喷式喷灌机组喷灌强度的方法n移动和降低喷灌强度高峰值移动和降低喷灌强度高峰值n合理布置组合喷头合理布置组合喷头n喷头类型喷头类型n喷头间距喷头间距A曲线：土壤入渗曲线B曲线：喷灌强度历时曲线调整行喷式喷灌机组喷灌强度的方法移动和降低喷灌强度高峰值A曲与喷灌强度紧密相关的因素n喷头形式、射程喷头形式、射程n喷灌机流量、压力喷灌机流量、压力n喷灌机的运行速度喷灌机的运行速度n水滴打击强度（水滴密度和水滴打击动能）水滴打击强度（水滴密度和水滴打击动能）与喷灌强度紧密相关的因素喷头形式、射程