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 喷灌工程技术规范 GBJ85 85 2 喷灌工程设计手册 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 1 0 minmax rHm 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 max 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 min 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 mmmm 3 2 0 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 a E m T 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 1 0 0max0 rHM 式中 m0为播前灌灌水定额 mm 为播前土壤含水量 0 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 ETMKPWWW rt 00 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 n i mM 1 1 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 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 q abm t 1000 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 TCq Am Nt 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 N N N t z 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 7 0 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 Cu 75 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 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 长方形布置 风速 m s 喷头间距支管间距 正方形布置 0 3 1 6 1 6 3 4 3 5 5 4 1 0 1 0 0 8 0 8 0 6 1 3 1 3 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 0 0 9 0 9 0 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 sw CK 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 以内 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内容是选择管道的最优管径 1 经验公式法 当 Q 120m3 h 时 QD13 当 Q 120m3 h 时 QD 5 11 2 经济流速法 2 1 2 1 13 1 4 V Q V Q D 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 6 1 8m s 3 非线性规划法 目标函数 minz DL 约束条件 22238 5 38 5 29 10AqnDI DH L 式中 Z 为总内壁面积 D L 为管道内径及长度 H 为喷头工作压力 n 为 管道内壁糙率 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 38 5 1 222 189 2 I Aqn D JHL 188 1 IJ158 0 式中 为最优水力坡降 J 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 b m f d