10第七章喷灌工程.doc
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第七章喷灌工程技术
学习目标：
学习喷灌系统的类型、喷灌设备、喷灌系统规划设计方法，能够进行喷灌工程的规划设计。
学习任务：
1.了解喷灌系统的类型与适应性，能合理选择喷灌系统；
2.了解喷灌设备的特点，能够合理选择喷灌设备
3.掌握喷灌工程规划设计方法；能够进行喷灌工程规划设计。
第一节喷灌系统的类型及特点
喷灌是一种利用喷头等专用设备把有压水喷洒到空中，形成水滴落到地面和作物表面的灌水方法。
一、喷灌的特点
（一）喷灌的优点
喷灌是一种新的灌溉技术，它与地面灌溉相比具有许多优越性，有着广阔的发展前途。
喷灌具有以下优点：
1.省水
喷灌可以控制喷洒水量和均匀性，避免产生地面径流和深层渗漏，水的利用率高，一般比地面灌溉节省水量3O~50％。
对于透水性强、保水能力差的沙质土地，则节水效果更为明显，用同样的水能浇灌更多的土地。
对于可能产生次生盐碱化的地区，采用喷灌的方法，可严格控制湿润深度，消除深层渗漏，防止地下水位上升和次生盐碱化。
同时，省水还意味着节省动力，可以降低灌水成本。
2.省工
喷灌提高了灌溉机械化程度，大大减轻了灌水劳动强度，便于实现机械化、自动化，可以大量节省劳动力。
喷灌取消了田间的输水沟渠,不仅有利于机械作业，而且大大减少了田间劳动力使用量。
喷灌可以结合施入化肥和农药，省去不少劳动力使用量。
据统计，喷灌所需的劳动量仅为地面灌溉的l／5。
3.节约用地
采用喷灌可以大量减少土石方工程，无需田间的灌水沟渠和畦埂，可以腾出田间沟渠占地，用于种植作物。
比地面灌溉更能充分利用耕地，提高土地利用率，一般可增加耕种面积7~10％。
4.增产
喷灌可以采用较小的灌水定额进行浅浇勤灌，便于严格控制土壤水分，使土壤湿度维持在作物生长最适宜的范围，使土壤疏松多孔、通气性好，保持土壤肥力，既不破坏土壤团粒结构，又可促进作物根系在浅层发育，有利于充分利用土壤表层的肥分。
喷灌可以调节田间的小气候，增加近地表空气湿度，在空气炎热的季节可以调节叶面温度，冲洗叶面尘土，有利于植物的呼吸和光合作用，达到增产效果。
大田作物可增产20％，经济作物可增产30％，蔬菜可增产1~2倍，同时还可以改变产品的品质。
5.适应性强
喷灌对各种地形的适应性强，不需要像地面灌溉那样进行土地平整，在坡地和起伏不平的地面均可进行喷灌。
在地面灌水方法难于实现的场合，都可以采用喷灌的方法。
特别是在土层薄、透水性强的沙质土，非常适合使用喷灌。
喷灌不仅适应所有大田旱作物，而且对于各种经济作物、蔬菜、草场，例如谷物、蔬菜、香菇、木耳、药材，都可以产生很好的经济效果。
同时可兼作喷洒肥料、喷洒 农药、防霜冻、防暑降温和防尘等。
㈡喷灌的缺点
1.投资较高
喷灌需要一定的压力、动力设备和管道材料，单位面积投资较大，成本较高。
2.能耗较大
喷灌所需压力通过消耗能源获得，所需压力越高，耗能越大，灌溉成本就越高。
3.操作麻烦，受风的影响较大
对于移动或半固定式喷灌，由于必须移动管道和喷头，所以操作较为麻烦，还容易踩踏伤苗和破坏土壤；在有风的天气下，水的飘移损失较大，灌水均匀度和水的利用程度都有所降低。
二、喷灌系统的组成与分类
（一）喷灌系统的组成
喷灌系统主要由水源工程、水泵及动力、输配水管网系统和喷头等部分构成。
1、水源工程
河流、湖泊、水库、井泉及城市供水系统等，都可以作为喷灌的水源，但需要修建相应的水源工程，如泵站及附属设施、水量调节池等。
在植物整个生长季节，水源应有可靠的供水保证，保证水量供应。
同时，水源水质应满足灌溉水质标准的要求。
2、水泵及动力
喷灌需要使用有压力的水才能进行喷洒。
通常利用水泵，将水提吸、增压、输送到各级管道及各个喷头中，并通过喷头喷洒出来。
如在利用城市供水系统作为水源的情况下，往往不需要加压水泵。
喷灌用泵可以是各种农用泵，如离心泵、潜水泵、深井泵等。
有电力供应的地方，用电动机为水泵提供动力；用电困难的地方，用柴油机、拖拉机或手扶拖拉机等为水泵提供动力，动力机功率大小根据水泵的配套要求确定。
3、管网
管网的作用是将压力水输送并分配到所需灌溉的种植区域。
管网一般包括干管、支管两级水平管道和竖管。
干管和支管起输、配水作用，竖管安装在支管上，末端接喷头。
根据需要在管网中安装必要的安全装置，如进排气阀、限压阀、泄水阀等。
管网系统需要各种连接和控制的附属配件，包括闸阀、三通、弯头和其他接头等，在干管或支管的进水阀后还可以接施肥装置。
4、喷头
喷头将管道系统输送来的有压水流通过喷嘴喷射到空中，分散成细小的水滴散落下来，灌溉作物，湿润土壤。
喷头一般安装在竖管上，是喷灌系统中的关键设备。
5、附属工程、附属设备
喷灌工程中还用到一些附属工程和附属设备。
如从河流、湖泊、渠道取水，则应设拦污设施；为了保护喷灌系统的安全运行，必要时应设置进排气阀、调压阀、安全阀等。
在灌溉季节结束后应排空管道中的水，需设泄水阀，以保证喷灌系统安全越冬。
为观察喷灌系统的运行状况，在水泵进出水管路上应设置真空表、压力表和水表，在管道上还要设置必要的闸阀，以便配水和检修。
考虑综合利用时，如喷洒农药和肥料，应在干管或支管上端设置调配和注入设备。
图7-1喷灌系统示意图
（二）喷灌系统的分类
按水流获得压力的方式不同，分为机压式、自压式和提水蓄能式喷灌系统；按系统的喷洒特征不同，分为定喷式喷灌系统和行喷式喷灌系统；按喷灌设备的形式不同，分为管道式和机组式喷灌系统。
1、机组式喷灌系统
喷灌机是将喷灌系统中有关部件组装成一体，组成可移动的机组进行作业。
机组式喷灌系统类型很多，按大小分可分为轻型、小型、中型和大型喷灌机系统。
1）机组式喷灌系统的分类
（1）小型喷灌机组
在我国主要是手推式或手台式轻小型喷灌机组，行喷式喷灌机一边走一边喷洒，定喷式喷灌机在一个位置上喷洒完后再移动到新的位置上喷洒。
在手抬式，或手推车拖拉机上安装一个或多个喷头、水泵、管道，以电动机或柴油机为动力喷洒灌溉。
其优点是：
结构紧凑、机动灵活、机械利用率高，能够一机多用，单位喷灌面积的投资低。
（2）中型喷灌机组
中型喷灌机组多见的是：
卷管式（自走）喷灌机、双悬臂（自走）喷灌机、滚移式喷灌机和纵拖式喷灌机.
（3）大型喷灌机组
控制面积可达百亩，如平移式自走喷灌机、大型摇滚式机等。
2）机组式喷灌系统的选用
（1）地区与水源影响
南方地区河网较密，宜选用轻型（手抬式）、小型喷灌机（手推车式），少数情况下也可选中型喷灌机（如绞盘式喷灌机）。
轻小型喷灌机特别适合田间渠道配套性好或水源分布广、取水点较多的地区。
北方田块较宽阔，根据水源情况各种类型机组都有适用的可能性。
但对大型农场，则宜选大、中型喷灌机，大中型喷灌机工作效率比较高。
（2）因地制宜
在耕地比较分散、水管理比较分散的地方适合发展轻、小型移动式喷灌机组；在干旱草原、土地连片、种植统一、缺少劳动力的地方适合发展大、中型喷灌机组。
2、管道式喷灌系统
管道式喷灌系统指的是以各级管道为主体组成的喷灌系统，按照可移动的程度，分为固定式、移动式和半固定式三种。
比较适用于水源较为紧缺，需要节水，取水点少的我国北方地区。
1）固定式喷灌系统
固定式喷灌系统由水源、水泵、管道系统及喷头组成。
动力、水泵固定，输（配）水干管（分干管）及工作支管均埋入地下。
喷头可以常年安装在与支管连接伸出地面的竖管上，也可以按轮灌顺序轮换安装使用。
固定式喷灌系统的优点是：
操作管理方便，便于实行自动化控制，生产效率高。
缺点是：
投资大，亩均投资约在1000元左右（不含水源），竖管对机耕和其它农业操作有一定影响，设备利用率低。
各国发展的面积都不大。
一般适用于经济条件较好的城市园林、花卉和草地的灌溉，以及灌水次数频繁、经济效益高的蔬菜和果园等，也可在地面坡度较陡的山丘和利用自然水头喷灌的地区使用。
2）移动管道式喷灌系统
移动管道式式喷灌系统的组成与固定式相同，它直接从田间渠道、井、塘吸水，其动力、水泵、管道和喷头全部可以移动，可在多个田块之间轮流喷洒作业。
这种系统的机械设备利用率高，应用广泛。
缺点是：
所有设备（特别是动力机和水泵）都要拆卸、搬运，劳动强度大，生产效率低，设备维修保养工作量大，可能损伤作物。
一般适用于经济较为落后、气候严寒、冻土层较深的地区。
3）半固定管道式喷灌系统
半固定管道式喷灌系统，组成与固定式相同。
动力、水泵固定，输、配水干管、分干管埋入地下，通过连接在干管、分干管伸出地面的给水栓向支管供水，支管、竖管和喷头等可以拆卸移动，在不同的作业位置上轮流喷灌，可以人工移动，也可以机械移动。
半固定式喷灌系统设备利用率较高，运行管理比较方便，世界各国广泛采用。
投资适中（亩均投资约650元~800元），是目前国内使用较为普遍的一种管道式喷灌系统。
一般适用于地面较为平坦,灌溉对象为大田粮食作物.
第二节喷灌的主要设备
一、喷头
喷头是喷灌系统的主要组成部分，其作用是把压力水流喷射到空中，散成细小的水滴并均匀地散落在地面上。
因此，喷头的结构形式及其制造质量的好坏，直接影响到喷灌质量。
㈠喷头的分类
喷头的种类很多，通常按喷头工作压力或结构形式进行分类。
1.按工作压力分类
按工作压力分类及其适用范围如表7-1所示。
表7-1喷头按工作压力分类表
喷头类别
工作压力
（KPa）
射程
（m）
流量
（m3/h）
适用范围
低压喷头
（低射程喷头）
＜200
＜15.5
＜2.5
射程近、水滴打击强度低，主要用于苗圃、菜地、温室、草坪、园林、自压喷灌的低压区或行喷式喷灌机。
中压喷头
（中射程喷头）
200～500
15.5～42
2.5～32
喷灌强度适中，适用范围广，果园、草地、菜地、大田及各类经济作物均可使用。
高压喷头
（远射程喷头）
＞500
＞42
＞32
喷洒范围大，但水滴打击强度也大。
多用于对喷洒质量要求不高的大田作物和牧草等。
2.按结构形式分类
喷头按结构形式主要有固定式（见图7-3）、孔管式、旋转式三类。
孔管式又分为单（双）孔口、单列孔、多列孔三种形式；固定式又分为折射式、缝隙式、离心式三种形式；旋转式又分为摇臂式、叶轮式、反作用式三种形式。
喷头采用的材质有铜、铝合金和塑料三种类型，我国已定型生产PY1、PY2、ZY-1、ZY-2等系列摇臂式喷头。
常用摇臂式喷头见图7-2，其中PY型喷头性能参数见表7-2、7-3、7-4
图7-2摇臂式喷头示意图
l-空心轴套；2-减磨密封圈；3-空心轴4-防砂弹簧；5-弹簧罩；6-喷体；7-换向器；
8-反向钩；9-摇臂调位螺钉；10-弹簧座；11-摇臂轴；12-摇臂弹簧；13-摇臂；14-打击块；15-喷嘴；l6-稳流器；17-喷管；18-限位环
图7－3固定式喷头示意图
㈡喷头的基本性能参数
喷头的基本参数包括喷头的几何参数、工作参数和水力性能参数。
1.喷头的几何参数
1）进水口直径D
进水口直径是指喷头空心轴或进水口管道的内径D（㎜）。
通常比竖管内径小，因而使流速增加，一般流速应控制在3～4m/s的范围内，以求水头损失小而又不致使喷头体积太大。
喷头的进水口直径确定后，其过水能力和结构尺寸也就大致确定了，喷头与竖管的连接一般采用螺纹连接。
我国PY系列摇臂式喷头以进水口公称直径命名喷头的型号，如常用的PY120喷头，其进水口的公称直径为20㎜。
2）喷嘴直径d
喷嘴直径指喷嘴流道等截面段的直径d（㎜），喷嘴直径反映喷头在一定工作压力下的过水能力。
同一型号的喷头，往往允许配用不同直径的喷嘴，如ZY-2喷头可以配用直径6～10㎜的九种喷嘴，这时如工作压力相同，则喷嘴直径愈大，喷水量就愈大，射程也愈远，但雾化程度要相对降低。
3）喷射仰角α
喷射仰角指喷嘴出口处射流与水平面的夹角。
在相同工作压力和流量的情况下，喷射仰角是影响射程和喷洒水量分布的主要参数。
适宜的喷射仰角能获得最大的射程，从而可以降低喷灌强度和扩大喷头的控制范围，降低喷灌系统的建设投资。
喷射仰角一般在20º～30º之间，大中型喷头的α大于20º，小喷头的α小于20º，目前我国常用喷头的α多为27º～30º。
为了提高抗风能力，有些喷头已采用21º～25º之间的喷射仰角。
对于小于20º的喷射仰角，称为低喷射仰角。
低喷射仰角喷头一般多用于树下喷灌。
对于特殊用途的喷灌，还可以将α制造得更小。
2.喷头的工作参数
1）工作压力P
喷头的工作压力是指喷头进水口前的内水压力，一般以P表示，单位为KPa或m。
喷头工作压力减去喷头内的水头损失等于喷嘴出口处的压力，简称喷嘴压力，以Pz表示。
2）喷头流量q
喷头流量又称喷水量，是指单位时间内喷头喷出的水的体积（或水量），单位为m3/h、L/s等。
影响喷头流量的主要因素是工作压力和喷嘴直径，同样的喷嘴，工作压力越大，喷头流量也就越大，反之亦然。
3）射程R
射程是指在无风条件下，喷头正常工作时喷洒湿润半径，一般以R表示，单位为m。
喷头的射程主要决定于喷嘴压力、喷水流量（或喷嘴直径）、喷射仰角、喷嘴形状和喷管结构等因素。
另外整流器、旋转速度等也不同程度的影响射程。
因此在设计或选用喷头射程时考虑以上各项因素。
表7-2PYS05喷头水力性能表（外螺纹接头）
接头
1/2"
3/8"
1/2"
3/8"
1/2"
3/8"
1/2"
3/8
喷洒方式
全园
全园
全园
全园
喷嘴直径mm
2.0
2.5
3.0
3.5
工作压力KPa
R
（m）
Q
（m3/h）
R
（m）
Q
（m3/h）
R
（m）
Q
（m3/h）
R
（m）
Q
（m3/h）
150
7.5
0.17
7.8
0.23
8.0
0.31
8.0
0.48
200
7.8
0.19
8.0
0.27
8.3
0.36
8.3
0.56
250
8.0
0.22
8.3
0.30
8.5
0.45
8.8
0.62
300
8.3
0.24
8.5
0.33
8.8
0.48
9.0
0.68
350
8.3
0.26
8.8
0.35
8.9
0.53
9.3
0.73
表7-3PYS20喷头水力性能表（G3/4"外螺纹接头）
喷洒方式
全园
全园
全园
全园
全园
喷嘴直径mm
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
工作压力KPa
R
（m）
Q
（m3/h）
R
（m）
Q
（m3/h）
R
（m）
Q
（m3/h）
R
（m）
Q
（m3/h）
R
（m）
Q
（m3/h）
200
14.0
0.71
14.5
0.88
14.5
1.04
15.0
1.25
16.5
1.46
250
14.5
0.81
15.0
0.99
15.0
1.19
16.0
1.41
17.0
1.66
300
15.0
0.88
15.5
1.09
16.0
1.33
17.0
1.54
18.0
1.82
350
15.5
0.95
16.0
1.18
16.5
1.41
17.5
1.67
18.5
1.99
400
16.0
1.02
16.5
1.27
17.5
1.51
18.0
1.78
19.0
2.13
450
16.5
1.08
17.0
1.35
18.0
1.61
18.0
1.88
19.5
2.26
表7-4PYSK10喷头水力性能表（摇臂式可控角，G1/2"外螺纹接头）
喷洒方式
扇形
扇形
扇形
扇形
扇形
喷嘴直径mm
2.5
2.8
3.0
3.5
4.5
工作压力KPa
R
（m）
Q
（m3/h）
R
（m）
Q
（m3/h）
R
（m）
Q
（m3/h）
R
（m）
Q
（m3/h）
R
（m）
Q
（m3/h）
150
8.5
0.30
8.5
0.33
9.0
0.36
9.0
0.53
9.0
0.84
200
9.5
0.34
9.5
0.38
10.0
0.43
10.5
0.59
10.5
0.91
250
11.0
0.38
11.0
0.45
11.5
0.49
11.5
0.66
12
0.98
300
11.5
0.41
11.5
0.48
11.6
0.52
12.0
0.72
12.5
1.10
350
12.0
0.44
12.0
0.52
12.0
0.56
13.0
0.77
13.0
1.22
二、喷灌的技术参数
1.喷灌强度
喷灌强度是指单位时间内喷洒在单位面积上的水量，以水深表示，单位为mm/h或mm/min。
喷灌强度又分为点喷灌强度、平均喷灌强度以及组合喷灌强度等。
1）点喷灌强度
点喷灌强度是指单位时间内喷洒在土壤表面某点的水深，可用下式表示：
（7-1）
式中ρi——点喷灌强度，mm/h；
hi——喷灌水深，mm；
t——喷灌时间，h。
2）平均喷灌强度
平均喷灌强度是指一定湿润面积上各点在单位时间内喷灌水深的平均值，以下式表示：
（7-2）
式中——平均喷灌强度，mm/h；
——平均喷灌水深，mm；
t——喷灌时间，h。
不考虑水滴在空气中的蒸发和飘移损失，根据喷头喷出的水量与喷洒在地面上的水量相等的原理计算的平均喷灌强度，又称为计算喷灌强度：
（7-3）
式中q——喷头流量，m3/h；
ρs——无风条件下单喷头喷洒的平均喷灌强度，mm/h；
A——单喷头喷洒控制面积，m2。
3）组合喷灌强度
在喷灌系统中，喷洒面积上各点的平均喷灌强度，称作组合喷灌强度。
组合喷灌强度可用公式计算：
（7-4）
式中Cρ——布置系数，查表7-5；
Kω——风系数，查表7-6。
表7-5不同运行情况下的值
运行情况
单喷头全圆喷洒
1
单喷头扇形喷洒（扇形中心角）
单支管多喷头同时全圆喷洒
多支管多喷头同时全圆喷洒
注：
表内各式中为喷头射程，为喷头在支管上的间距，为支管间距。
表7-6不同运行情况下的值
运行情况
单喷头全圆喷洒
单支管多喷头
同时全圆喷洒
支管垂直风向
支管平行风向
多支管多喷头同时喷洒
1.0
注:
1.式中为风速，以m/s计；
2.单支管多喷头同时全圆喷洒，若支管与风向既不垂直又不平行时，可近似地用线性插值方法求取；
3.本表公式适用于风速为1～5.5m/s的区间。
喷灌工程中，组合喷灌强度不应超过土壤的允许入渗率（渗吸速度），使喷洒到土壤表面上的水能及时渗入土壤中，而不形成积水和径流。
对定喷式喷灌系统的设计喷灌强度不得大于土壤的允许喷灌强度。
行喷式喷灌系统的设计喷灌强度可略大于土壤的允许喷灌强度。
不同质地土壤的允许喷灌强度可按表7-7定。
当地面坡度大于5%时，允许喷灌强度应按表7-8进行折减。
表7-7各类土壤的允许喷灌强度
土壤类别
允许喷灌强度（mm/h）
土壤类别
允许喷灌强度（mm/h）
砂土
20
粘壤土
10
砂壤土
15
粘土
8
壤土
12
说明
有良好覆盖时，表中数值可提高20%。
地面坡度（%）
允许喷灌强度降低值
地面坡度（%）
允许喷灌强度降低值
5~8
20
13~20
50
9~12
40
＞20
75
表7-8坡地允许喷灌强度降低值（%）
2.均匀系数
是衡量喷灌面积上喷洒水量分布均匀程度的一个指标。
规范规定：
定喷式喷灌系统喷灌均匀系数不应低于0.75，对于行喷式喷灌系统不应低于0.85。
喷灌均匀系数在有实测数据时应按公式（7-5）计算：
Cu=1-（7-5）
式中Cu——喷灌均匀系数；
h——喷洒水深的平均值，mm；
△h——喷洒水深的平均高差，mm。
在设计中可通过控制以下因素实现：
设计风速下喷头的组合间距；喷头的喷洒水量分布；喷头工作压力。
3.喷灌的雾化指标
雾化程度是反映水滴打击强度的一个指标，是喷射水流的碎裂程度。
一般用喷头工作压力与喷嘴直径的比值表示,可按公式（7-6）计算，并应符合表7-9的要求。
（7-6）
式中——喷灌的物化指标；
——喷头的工作压力水头,m；
d——喷头的主喷嘴直径,m。
表7-9给了各种作物适宜的雾化指标范围。
表7-9不同作物的适宜雾化指标
作物种类
/d
蔬菜及花卉
4000～5000
粮食作物、经济作物及果树
3000～4000
牧草、饲料作物、草坪及绿化林木
2000～3000
三、管道及附件
管道是喷灌工程的重要组成部分，管材必须保证在规定的工作压力下不发生开裂、爆管现象，工作安全可靠。
管材在喷灌系统中需用数量多，投资比重较大，需要在设计中按照因地制宜、经济合理的原则加以选择，此外，管道附件也是管道系统中不可缺少的配件。
㈠喷灌管材
喷灌管道按照材质分为金属管道和非金属管道；按照使用方式分为固定管道和移动管道。
目前，喷灌工程中可以选用的管材主要有塑料管、钢管、铸铁管、混凝土管、薄壁铝合金管、薄壁镀锌钢管以及涂塑软管等。
一般来讲，地埋管道尽量选用塑料管，地面移动管道可选用薄壁铝合金管以及涂塑软管。
1.塑料管
塑料管是由不同种类的树脂掺入稳定剂、添加剂和润滑剂等挤出成型的。
按其材质可以分为聚氯乙烯管（PVC）、聚乙烯管（PP）和改性聚丙烯管（PP）等。
喷灌工程中常采用承压能力为400～1000KPa的管材。
塑料管的优点是重量轻，便于搬运，施工容易，能适应一定的不均匀沉陷，内壁光滑，不生锈，耐腐蚀，水头损失小。
其缺点是存在老化脆裂问题，随温度升降变形大。
喷灌工程中如果将其作为地埋管道使用，可以最大限度地克服老化脆裂缺点，同时减小温度变化幅度，因此地埋管道多选用塑料管。
其规格尺寸见表7-10。
塑料管的连接形式分为刚性连接和柔性连接，刚性连接有法兰连接、承插粘接和焊接等；柔性连接多为一端R型扩口或使用铸铁管件套橡胶圈止水承插连接。
2.钢管
常用的钢管有无缝钢管（热轧和冷拔）、焊接钢管和水煤气钢管等。
钢管的优点是能够承受动荷载和较高的工作压力，与铸铁管相比较，管壁较薄，韧性强，不易断裂，节省材料，连接简单，铺设简便。
其缺点是造价较高，易腐蚀，使用寿命较短。
因此，钢管一般用于系统的首部连接、管路转弯、穿越道路及障碍
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