喷灌系统的规划设计

第八节  喷灌系统的设计 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》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 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/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0.85～0.95)。 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：Ｔ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 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=M0+M1    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内容。 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(20～24h) 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：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。