噴灌系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)

1、第八節(jié) 噴灌系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì) 噴灌系統(tǒng)是由水源取水，經(jīng)過(guò)水泵加壓(自壓系統(tǒng)除外)，再通過(guò)各級(jí)壓力管道，送至豎管及噴頭而形成一個(gè)完整的管道系統(tǒng)。其中固定管道式多是將干、支管均埋入地下。半固定管道式多是將干管鋪設(shè)在地上，支管位于地面，灌完一片后移動(dòng)到另一片，它們的管道設(shè)計(jì)方法基本一致。機(jī)組式噴灌系統(tǒng)則有所不同，這里重點(diǎn)講述固定管道式噴灌工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)。 一、噴灌工程規(guī)劃設(shè)計(jì)的原則和內(nèi)容 (一) 原則 1、管道工程分級(jí) 噴灌系統(tǒng)較小時(shí)，管道分成兩級(jí)，干管和支管；有三級(jí)管道時(shí)分為干管，分干管和支管；有四級(jí)管道時(shí)，分總干管、干管、分干管和支管。最末一級(jí)，帶有噴頭的工作管道，稱為支管。連接噴頭與支管的管道稱

2、豎管。 2、管道布置原則 (1) 管道布置應(yīng)使管道總長(zhǎng)度盡量短，管徑小，造價(jià)省，有利于防止水擊。 (2) 山丘區(qū)布置噴灌系統(tǒng)時(shí)，一般應(yīng)使干管沿主坡向布置，支管則平行等高線布置。 (3) 管道布置應(yīng)考慮各用水單位的需求，便于用水管理，有利于進(jìn)行輪灌分組。 (4) 平原地區(qū)，支管盡量與作物耕作方向一致。 (5) 充分考慮地塊的地形變化，力求使支管長(zhǎng)度一致，規(guī)格統(tǒng)一。管線縱剖面應(yīng)力求平順，減少折點(diǎn)，盡量避免管線出現(xiàn)駝峰。 (6) 管線的布置應(yīng)結(jié)合排水系統(tǒng)，道路林帶，供電系統(tǒng)及行政村的規(guī)劃統(tǒng)一規(guī)劃，山、水、田、林、路。 (二) 噴灌工程規(guī)劃設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 1、勘測(cè)和收集基本資料：(1) 地形圖，(2)

3、 土壤，(3) 氣候，(4) 水源，(5)農(nóng)作物，(6) 動(dòng)力供應(yīng)，(7) 交通，(8) 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀。 2、確定噴灌區(qū)域 根據(jù)水源、地形、土壤、農(nóng)作物及經(jīng)濟(jì)條件，確定噴灌區(qū)域的范圍和面積。 3、計(jì)算噴灌用水量，進(jìn)行水源工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)。 4、確定噴灌系統(tǒng)類型，對(duì)選定的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，也可以選兩種以上方案進(jìn)行比較，確定最優(yōu)方案。 5、計(jì)算工程、設(shè)備統(tǒng)計(jì)表、編制概預(yù)算。 6、編制工程施工進(jìn)度計(jì)劃表。 (三) 主要設(shè)計(jì)成果 1、噴灌工程規(guī)劃設(shè)計(jì)說(shuō)明書一份。 2、噴灌工程平面布置圖，管道、溝渠縱剖面圖，管道結(jié)構(gòu)示意圖，建筑物設(shè)計(jì)圖(泵站、泄水井、支墩、鎮(zhèn)墩、農(nóng)橋等)。 (四) 噴灌工程規(guī)劃設(shè)計(jì)類型 1、

4、管道式噴灌工程規(guī)劃設(shè)計(jì)，包括固定式和半固定式。 2、機(jī)組式噴灌工程規(guī)劃設(shè)計(jì)，包括定噴機(jī)和行噴機(jī)。 3、自壓噴灌工程規(guī)劃設(shè)計(jì)。 (五) 噴灌工程規(guī)劃設(shè)計(jì)依據(jù)(標(biāo)準(zhǔn)) 1、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)噴灌工程技術(shù)規(guī)范GBJ8585。 2、噴灌工程設(shè)計(jì)手冊(cè)水電出版社。思考題：噴灌工程規(guī)劃設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容和主要設(shè)計(jì)成果。 二、噴灌工程規(guī)劃設(shè)計(jì)的基本資料(噴灌工程的勘察設(shè)計(jì)) (一) 地形資料 噴灌系統(tǒng)的規(guī)劃布置應(yīng)有實(shí)測(cè)的地形圖，其比例視灌區(qū)大小，地形的復(fù)雜程度以及設(shè)計(jì)階段要求的不同而定。在規(guī)劃階段，5000畝以上灌區(qū)要求1/50001/10000的地形圖，5000畝以下灌區(qū)，1/20001/5000地形圖。對(duì)于小地塊要求1

5、/500 1/1000的地形圖，對(duì)于地勢(shì)平坦的小塊灌區(qū)，至少應(yīng)用平面位置圖，包括田塊高程，水源位置(水位、高程)等資料。 (二) 土壤資料 土壤資料包括：(1) 土壤質(zhì)地，(2) 田間持水能力，(3) 土壤入滲速度，(4)土壤化學(xué)性質(zhì)。 1、土壤質(zhì)地 土壤質(zhì)地是指土壤顆粒的機(jī)械組成，即按不同粒徑的礦物質(zhì)顆粒在土壤中所占比例對(duì)土壤進(jìn)行分類。土壤一般分為：砂土、砂壤土、輕壤土、中壤土、重壤土、粘土、分類方法有顆粒分析法和野外手測(cè)法。 2、土壤容量 單位體積自然狀態(tài)下的干土的重量。單位g/cm3，其范圍在1.31.6之間。主要測(cè)試方法有環(huán)刀法，參考農(nóng)田水利學(xué)教材。 3、田間持水量 土壤田間持水量是指

6、在有良好排水條件下的土壤中，排水后不受重力影響而保持在土壤中的水分含量，常用占干土重的百分?jǐn)?shù)表示。在有條件的地方，可對(duì)灌區(qū)土壤田間持水量進(jìn)行野外測(cè)定。 4、土壤入滲能力 土壤入滲能立一般用土壤入滲速度來(lái)表示，主要是選定允許噴灌強(qiáng)度。 5、土壤化學(xué)性 包括PH值，含鹽量，有機(jī)質(zhì)含量以及氮、磷、鉀等含量。 6、土壤最大凍土層深度。 (三) 氣象資料 噴灌工程規(guī)劃設(shè)計(jì)應(yīng)收集的氣象資料有：降雨量(年降雨量、典型年日降雨量)，蒸發(fā)量(水面、陸面)，氣溫(最高、最低、極端)，濕度，日照，無(wú)霜期(被霜期、冬霜期)。 噴灌的缺點(diǎn)之一就是受風(fēng)影響大，所以做噴灌工程設(shè)計(jì)應(yīng)特別注意此問(wèn)題。風(fēng)速風(fēng)向是確定噴頭布布置形

7、式和管道布置方式的重要依據(jù)。 風(fēng)向：一般可分為8個(gè)方位，即東、南、西、北、東北、西北、東南、西北八個(gè)方向。設(shè)計(jì)風(fēng)向是指灌區(qū)主要農(nóng)作物灌水時(shí)期內(nèi)灌水日的主風(fēng)向。如此季節(jié)沒有時(shí)顯的主風(fēng)向，應(yīng)按多風(fēng)向設(shè)計(jì)。 風(fēng)速：指噴灌工作日的平均風(fēng)速。氣象站給出的風(fēng)速為10米高處風(fēng)速，手持風(fēng)速儀可測(cè)量2米處的風(fēng)速，它們之間換算關(guān)系 U10=1.39V2 式中：U10為10米高處風(fēng)速，V2 為2米高處風(fēng)速。 風(fēng)力等及與風(fēng)速關(guān)系為：0級(jí)(00.2m/s)，1級(jí)(0.31.5m/s)，2級(jí)(1.63.2m/s)，3級(jí)(3.35.5m/s)，4級(jí)(5.57.9m/s)。 當(dāng)風(fēng)力等級(jí)大于3級(jí)風(fēng)時(shí)應(yīng)停止噴灌。 (四) 水源條

8、件 噴灌所用水源有：河流、水庫(kù)、池塘、山泉、湖泊、井水等。對(duì)水源的調(diào)查內(nèi)容包括：1) 來(lái)水量，2) 水位，3) 水質(zhì)，4) 含砂量等。其資料應(yīng)有一定的代表性(長(zhǎng)系列水文資料，典型年日來(lái)水量資料)，特別要注意灌溉季節(jié)的水位流量變化。 應(yīng)用地下水作噴灌工程水源時(shí)，應(yīng)查明灌區(qū)地下的情況，包括可供開采的單井出水量，水質(zhì)等，要了斛地下水多年平均降深的變化，做到在多年的運(yùn)行中保證地下水采補(bǔ)平衡，保護(hù)地下水資源。 在多泥沙河流上取水時(shí)，要特別注意河流的含沙量，重要工程要做沉沙工程，以保證噴灌工程的正常運(yùn)行。 應(yīng)用城市污水灌溉時(shí)，應(yīng)對(duì)污水進(jìn)行水質(zhì)處理。噴灌水源的水質(zhì)應(yīng)滿足農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)GB508492。 (

9、五) 農(nóng)作物包括：灌區(qū)作物種類、種植面積、種植方式、作物布局和結(jié)構(gòu)、復(fù)種指數(shù)。其中作物耗水資料，作物根系活動(dòng)層有條件時(shí)應(yīng)作實(shí)驗(yàn)，無(wú)條件可查閱相關(guān)農(nóng)田試驗(yàn)站的實(shí)驗(yàn)資料或有關(guān)書籍農(nóng)田水利學(xué)、作物耗水量等資料。(六)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)概論 (1) 灌區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，水利工程現(xiàn)狀，農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度。 (2) 灌區(qū)農(nóng)業(yè)收入情況，糧食單產(chǎn)，價(jià)格、生產(chǎn)費(fèi)用等。 (3) 交通條件。 (4) 行政區(qū)劃。 (5) 動(dòng)力設(shè)備情況。 三、噴灌工程類型選擇 噴灌工程的類型應(yīng)根據(jù)作物種類、經(jīng)濟(jì)條件、動(dòng)力設(shè)備條件、地形條件等因素確定。經(jīng)濟(jì)價(jià)值高的作物可采用固定管道式噴灌工程，大田作物宜采用半固定式或機(jī)組式噴灌系統(tǒng)，有自然水頭的地方盡量

10、采用自壓噴灌工程。 四、噴灌制度的制定 噴灌制度包括：(1) 灌溉定額，(2) 灌水定額，(3) 灌水次數(shù)，(4) 灌水周期等。灌溉定額指各次灌水定額之和，灌水定額指一次灌水時(shí)，單位面積上的灌水量。 (一) 設(shè)計(jì)灌水定額 設(shè)計(jì)灌水定額按下式計(jì)算式中：m設(shè)計(jì)灌水定額，(mm)；H為噴灌土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層深度，(cm)，對(duì)于大田作物可取4060cm；r為土壤干容量，(g/cm3)；土壤含水量上限(取田間持水率)，為土壤含水量下限(取田間持水率的60%)， 為噴灑水利用系數(shù)(一般取0.850.95)。 若用m0表示米3/畝的灌水定額，m表示mm灌水定額，它們之間關(guān)系為： 10 mm水深相當(dāng)于6.67m3

11、/畝的灌水量 (二) 設(shè)計(jì)灌水周期 設(shè)計(jì)灌水周期指兩次灌水的時(shí)間的間隔，以天數(shù)表示。設(shè)計(jì)灌水周期可用下式確定： 式中：為設(shè)計(jì)灌水周期，(d)；m為設(shè)計(jì)灌水定額，(mm)；噴灑水利用系數(shù)；Ea為作物臨界耗水期日平均耗水量，(mm/d)。 (三) 噴灌制度確定方法 1、水量平衡法 1) 播前灌水定額 式中：m0為播前灌灌水定額，(mm) ；為播前土壤含水量。 2) 生育期內(nèi) 以農(nóng)田水學(xué)利中水量平衡法來(lái)制定生育內(nèi)的灌水定額和灌水次數(shù) 式中：Wt 、W0 為時(shí)段初和時(shí)段t時(shí)的土壤計(jì)算濕潤(rùn)層的儲(chǔ)水量，(mm) ；Wr 為由于計(jì)劃濕潤(rùn)層增加而增加的水量，(mm) ；P0為保存在土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層內(nèi)的有效雨量，

12、(mm) ；K為時(shí)段t內(nèi)的地下水補(bǔ)給量M為時(shí)段t內(nèi)的灌溉水量，(mm) ；ET為時(shí)段t內(nèi)的作物田間需水量，(mm) 。 3) 全生育期 M=M0+M1 2、彭曼公式法 1) 參作物需水量計(jì)算 參照作物是指土壤水分充分、地面完全覆蓋、生長(zhǎng)正常、高矮整齊的開闊(地塊長(zhǎng)寬大于200m)的矮草地(草高8-15cm)，以苜蓿草為代表作物，計(jì)算ET0 2) 實(shí)際需水量的計(jì)算 ET=Kc(ET0)式中：Kc為作物系數(shù)。 五、噴灌工作制度 噴灌工作制度是指噴灌工程運(yùn)行中，噴頭在固定位置的噴灌時(shí)間，同時(shí)工作的噴頭數(shù)以及噴頭輪灌組的劃分等內(nèi)容。 1、噴頭在一個(gè)位置(工作點(diǎn))的噴灌時(shí)間按下式確定 2、同時(shí)工作的噴頭

13、數(shù)和支管數(shù) 同時(shí)工作的噴頭數(shù)可按下式計(jì)算式中： Nt為同時(shí)工作的噴頭數(shù)；A為噴灌工程控制面積，(m2); C為一天中噴灌工程有效工作的時(shí)間(2024h) 同時(shí)工作的支管數(shù) 式中： Nt為同時(shí)工作的支管數(shù)；N為一根支管安裝的噴頭數(shù)，以上計(jì)算結(jié)果均應(yīng)取整數(shù)。 3、輪灌方案 1) 輪灌組劃分要點(diǎn)： 輪灌的編組應(yīng)有一定的順序，以便管理。 相同類類型的輪灌組的工作噴頭總數(shù)應(yīng)盡量接近，從而使噴灌工程的流量變幅較小。 輪灌編組時(shí)，應(yīng)使地形較高或路程較遠(yuǎn)的組別的噴頭式支管數(shù)略少，以利于保持噴灌泵均在高效區(qū)工作。 編制輪灌組輪灌順序，應(yīng)將流量分散到各配水管中，避免集中在某一條干管配水。 2) 支管輪灌方式 兩根

14、支管從地塊一頭齊頭并進(jìn)，干管從頭到尾的流量等于兩根支管流量之和。 兩根支管由地塊兩端中間交叉前進(jìn)。 兩根支管由中間的兩端交叉前進(jìn)。、 兩種方案只有前半段干管通過(guò)流量等于兩根支管流量之和，而后段干管通過(guò)的流量只等于一根支管的流量。這樣，水頭損失小或可以減少后半段干管的管徑。 六、噴灌系統(tǒng)組合距的確定 1、噴灌方式 噴頭的噴灌方式有園形噴灌(也叫全園噴灌)和扇形噴灌兩種。一般在管道噴灌工程中，除了位于地塊邊緣的噴頭作扇形噴灌外，其余噴頭均采用全園噴灌。在機(jī)組式噴灌系統(tǒng)中，為避免噴濕機(jī)道，一般采用扇形噴灌方式。 2、噴頭參數(shù)的選擇 1) 工作壓力，2) 噴頭型號(hào)，3) 噴咀直徑，4) 射程，5) 噴

15、頭量。 3、計(jì)算和校核霧化指標(biāo) H/D值是否滿足要求。 (二) 噴頭的組合形式 噴頭的組合形式包括支管布置方向、噴頭組合方式及噴頭沿支管的間距，支管和支管的間距等。 1、支管布置方向 支管布置的方向，除考慮地形因素及作物種植方向外，還應(yīng)考慮風(fēng)向和地形坡度的方向。 (1) 受風(fēng)影響 無(wú)風(fēng)條件下，噴頭噴灌為一個(gè)園形面積。有風(fēng)時(shí)，順風(fēng)向一側(cè)，噴頭射程增加，逆風(fēng)向一側(cè)，噴頭射程減小，而平行風(fēng)向的兩側(cè)，射程也相應(yīng)變小。所以，在一般情況下，支管布置在垂直主風(fēng)的位置，干管則布置在平行主風(fēng)向的位置。 (2) 地面坡度影響 地面有坡度時(shí)，下坡方向，噴頭射程加大，上坡方向，噴頭射程變小。一般情況，支管平行等高線布

16、置，干管垂直等高線布置。 2、噴頭的組合形式 噴頭組合形式也稱布置形式，指噴灌工程中每個(gè)噴頭所處的相對(duì)位置的排列方式。一般用相鄰4個(gè)噴頭平面位置組成的圖形表示。噴頭組合形式有長(zhǎng)方形、正方形、三角(正三角和等腰三角形)三種形式。 在灌水季節(jié)主風(fēng)向明顯時(shí)，采用支垂直主風(fēng)的長(zhǎng)方形布置，加大支管間距，可以減少管道的投資。當(dāng)灌水季節(jié)主風(fēng)向多變時(shí)，要采用正方形布置，以減小風(fēng)的影響。三角形布置復(fù)雜且不實(shí)用，一般較少采用。 (三) 確定噴頭的組合間距 噴頭的組合間距是指噴頭沿支管的間距和兩條相鄰支管間的間距，稱噴頭間距（a）和支管間距（b）。1、定系數(shù)法 根據(jù)噴頭不同的噴灑方式及不同的組合形式，基本上以對(duì)角線

17、方向上的兩個(gè)噴頭的濕潤(rùn)圓相切，按幾何作圖法并以噴頭射程乘以一個(gè)系數(shù)，求出噴頭間距和支管間距。為了不發(fā)生漏噴現(xiàn)象，常將噴頭射程打一個(gè)折扣，用設(shè)計(jì)射程(或有效射程)為幾何作圓的依據(jù)，故又稱幾何組合法。噴灑方式組合方式噴頭間距支管間距全園正方形長(zhǎng)方形1.42R設(shè)R設(shè)1.42R設(shè)1.73R設(shè)扇形長(zhǎng)方形R設(shè)1.73R設(shè) 噴頭的設(shè)計(jì)射程為R設(shè)=KR式中：R設(shè)噴頭設(shè)計(jì)射程，(m)；K為折減系數(shù)，一般取0.70.9。固定管道式噴灌工程取0.8，多風(fēng)地區(qū)取0.7，無(wú)風(fēng)地區(qū)取0.9。R為噴頭射程，(m)，見產(chǎn)品說(shuō)明書。 2、變系數(shù)法 這一成果是我院施均亮教授提出的，這一方法是基于對(duì)噴頭試驗(yàn)研究，歸納出在滿足均勻系

18、數(shù)Cu75%條件下，各風(fēng)速等級(jí)條件下的最大組合間距比。 噴頭間距和支管間距按下式計(jì)算 a=Ka R b=KbR式中：a為噴頭間距，(m)；為支管間距，(m)；Ka為噴頭間距布置系數(shù)；Kb為支管間距布置系數(shù)。風(fēng)速m/s長(zhǎng)方形布置正方形布置噴頭間距支管間距0.31.61.63.43.55.41.01.00.80.80.61.31.31.11.11.01.11.01.00.90.90.7 計(jì)算得到的a及b值還應(yīng)調(diào)整到符合支管管道規(guī)格長(zhǎng)度的倍數(shù)。一般應(yīng)做取小處理。 3) 驗(yàn)算設(shè)計(jì)噴灌強(qiáng)度 按公式計(jì)算噴灌工程的組合噴灌強(qiáng)度是否滿足允許噴灌強(qiáng)度的要求。如滿足，則驗(yàn)算通過(guò)，a，b值可以確定下來(lái)，所選噴頭及參

19、數(shù)確事實(shí)上下來(lái)；如不滿足，則需要重新選擇噴頭及參數(shù)，上述過(guò)程，直到滿足要求為止。 七、噴灌管道水力計(jì)算 1、分級(jí) 固定式、半固定式噴灌工程，視系統(tǒng)控制的面積大小對(duì)管道進(jìn)行分布，面積大時(shí)，可布置成總干，干、分干、支四級(jí)；干管、分干管、支管三級(jí)，面積較小時(shí)一般布置成干管和支管兩級(jí)。支管是田間末級(jí)管道，支管上安裝噴頭。 2、管網(wǎng)布置形式 管網(wǎng)布置形式有：樹狀網(wǎng)、環(huán)狀網(wǎng)、混合網(wǎng) 樹狀管網(wǎng)是噴灌工程管道布置應(yīng)用最多的一種形式。這種管道布置簡(jiǎn)單，適應(yīng)于各種地形，水力計(jì)算也較簡(jiǎn)單。 環(huán)狀管網(wǎng)是一種閉合網(wǎng)，由很多閉路環(huán)組成，又稱閉路網(wǎng)。這種管網(wǎng)在供水工程中應(yīng)用較多，在噴灌工程中應(yīng)用較少。優(yōu)點(diǎn)是某一水流方向的管

20、道出事故，可由另一方向的管道繼續(xù)供水。環(huán)狀管網(wǎng)的布置和水力計(jì)算可參閱供水工程有關(guān)書籍。 (二) 噴灌支管設(shè)計(jì)支管是噴灌工程中最末一級(jí)管道，支管上裝有豎管，豎管上安裝噴頭。豎管高度可依據(jù)噴灌作物高度確定。H豎=H作+h 噴灌支管設(shè)計(jì)時(shí)，支管的工作壓力差的選取應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，即同一支管上任意兩個(gè)噴頭之間的水頭差應(yīng)在噴頭設(shè)計(jì)工作壓力的20%以內(nèi)。 hw+z 0.2hp (三) 輸水管道優(yōu)化設(shè)計(jì) 噴灌工程中管道優(yōu)化設(shè)計(jì)主要內(nèi)容是選擇管道的最優(yōu)管徑。 (1) 經(jīng)驗(yàn)公式法 當(dāng)Q120m3/h時(shí) 當(dāng)Q120m3/h時(shí) (2) 經(jīng)濟(jì)流速法 式中：D為經(jīng)濟(jì)管徑，mm；Q為管道設(shè)計(jì)流量，m3/s；V為經(jīng)濟(jì)流速，經(jīng)濟(jì)流速一般由經(jīng)驗(yàn)確定，取1.61.8m/s (3) 非線性規(guī)劃法 目標(biāo)函數(shù) minz= 約束條件 式中：Z為總內(nèi)壁面積；D、 L為管道內(nèi)徑及長(zhǎng)度；H為噴頭工作壓力；n為管道內(nèi)壁糙率；I為地形坡度；q為供水區(qū)用水率；A為噴灌面積。 經(jīng)過(guò)運(yùn)算求解，得 式中：為最優(yōu)水力坡降。 (4) 微分法(年費(fèi)用最小法) 當(dāng)管道流量已知時(shí)，管徑越大，則投資大，管徑與投資成正比。另一方面，管徑大，流量一定時(shí)流速小，水頭損失小，運(yùn)行費(fèi)用低，管徑與運(yùn)行費(fèi)用成反比。其中必有一種管徑，使上述兩種費(fèi)用之和為最小，