第二章 喷灌工程技术.ppt

第二章喷灌工程技术,ChapterTwoSprinklerIrrigationEngineering,烟草固定式喷灌,Tobacco,Permanentsprinkler,草坪喷灌,lawn,Sprinklerirrigation,头喷,喷灌的主要技术参数,射流式喷头的水力学原理,喷灌系统,概述与喷灌技术要求,喷灌的主要内容,摇臂式喷头的结构,喷灌系统的类型,喷灌系统的规划设计,喷灌技术的主要内容,喷灌系统的分类与组成,概述,喷头性能,喷头的种类和工作原理,喷灌系统自动化,Technicalparameter,Hydraulicsprincipleofjetsprinkler,Sprinklerirrigationsystem,SummaryandTechnicalRequirementofsprinklerirrigation,ThePrimaryContentofSprinklerIrrigation,Thestructureofimpactdrivensprinkler,Species,Plananddesign,Primarycontent,Classificationandcomposing,Summary,Thecapabilityofsprinkler,Speciesandworkingprinciple,Roboticizedsprinklerirrigationsystem,Sprinkler,国外喷灌技术发展概况与前景,喷灌最初产生于19世纪末，在1920年以前主要用于喷灌草坪和公园以及少量的蔬菜、苗圃、果树。本世纪40年代以后，喷灌真正的用于大田灌溉，随之出现了射程远而结构简单的摇臂式喷头和薄壁铝管和合金管从50年代以后开始陆续研制了许多移动管道的机械系统，纵拖式（1948年）、滚移式（1935年）、时针式（1955年）绞盘式（1965年）平移式（1978年）相继研制成功,Thegeneralsituationandforegroundofoverseassprinklerirrigationtechnology,1983年世界喷灌面积达到4亿亩以色列、罗马尼亚、联邦德国、捷克斯洛伐克国的喷灌面积占其灌溉面积的100美国、苏联的喷灌面积占其灌溉面积的40，其分别占总灌溉面积的1/3主要灌溉作物为蔬菜、果树、葡萄、经济作物、牧草、玉米和小麦,世界喷灌发展的三大趋势,Threedevelopmenttrendsofinternationalsprinklerirrigation,我国喷灌技术发展概况,我国的喷灌发展起步较晚，1949年以后才开始研究喷灌和运用喷灌方法灌溉蔬菜,喷灌在我国的发展大致分为两个阶段,第一阶段(19491973)引进、试验阶段当时主要学习苏联的技术，于50年代在上海、南京、重庆、武汉等大城市建立一批喷灌站,第二阶段（1973至今）研究试点、推广应用阶段从1973年我国掀起了一个研究与推广喷灌的热潮，到80年代喷灌面积达到1千万亩,ThegeneralsituationinChinesedevelopmentofsprinklerirrigationtechnology,喷灌,sprinklerirrigation,省水、增产省劳力提高土地利用率防止土壤冲刷和盐碱化,喷灌技术的优点,Thestrongpointofsprinklerirrigationtechnology,利用喷灌技术与一般的地面灌溉可以节约用水2030%,喷灌对地形的适应性强,喷灌可以调节田间小气候，增加近地表层空气湿度，在炎热季节降低气温，有利于作物的生长，还能冲刷掉茎叶上的灰尘，以利于作物的呼吸和光合作用。,省水、增产,SaveonwaterandIncreaseoutput,玉米、小麦、棉花、大豆等采用喷灌一般比沟灌、畦灌可增产1030%，蔬菜喷灌则可增产l2倍。,水稻在高温季节保持水层并进行喷灌，增加了田间空气湿度，降低了温度，增加了日夜温差，空壳率减少，取得了每亩增产一成的效果。,由于喷灌的机械化程度高，可以大量减轻劳动强度，节约劳动力。一般移动机组可以成倍提高工效。如果大面积采用固定式喷灌系统工效还会更高。此外，采用喷灌还可以减少修筑毛渠、畦、沟、埂的投工。,省劳力,Savelabor,采用喷灌可以大大减少沟渠占地，不仅节省土石方工程，而且能腾出515%的沟渠、地埂占地，扩大作物种植面积。,喷灌可以根据土壤质地的轻重和透水性大小合理确定水滴大小和喷灌强度，以保护土壤的团粒结构，避免造成土壤冲刷。在土壤盐碱化的地区，采用喷灌控制湿润深度，消除深层渗漏，可以防止由于地下水位上升而引起的次生盐碱化。,提高土地利用率,防止土壤冲刷和盐碱化,Increaseinlandutilizationrate,Preventerodingsoilandbecomingsaline-alkalisoil,受风的影响大一般在34级风以上，部分水滴在空中被吹走，灌溉均匀度大大降低，就不宜进行喷灌在空气中的损失大空气相对湿度过低时，水滴未落到地面之前在空中的蒸发损失可以达到10%,喷灌技术的缺点,Thedisadvantagesofsprinklerirrigationtechnology,对土壤表层湿润比较理想，而深层湿润不足。采用低强度喷灌(即慢喷灌)，使喷头的平均喷灌强度远低于土壤的入渗速度，这样使水分能充分地渗入土壤下层，而又不会产生积水和地表径流需要一定的机械设备，在水源比较丰富的平原地区一般投资较高,棉花固定式喷灌Cottonsolid-setsprinklerirrigation,向日葵固定式喷灌Sunflowersolid-setsprinklerirrigation,Sunflower,半固定式喷灌系统Semi-portablesprinklerirrigationsystem,移动式喷灌系统Portablesprinklerirrigationsystem,时针式喷灌机Center-pivotsprinklingmachine,时针式喷灌机田间布置鸟瞰图,Airscape,卷管式喷灌机,大田棉花用卷管式喷灌机,滚移式喷灌机,定义：单位时间内喷洒在单位面积土地上的水量，mm/h技术要求：与土壤的透水特性相适应，即喷灌强度不应超过土壤的渗吸速度，不致在地表形成积水和径流,1、喷灌强度Sprinklerirrigationintensity,定义：单位时间内喷洒在单位面积土地上的水量，或单位时间内喷洒在灌溉土地上的水深,单位：mm/h,上式中：q喷头的流量A1个喷头的湿润面积,单喷头的喷灌强度,单个旋转式喷头的典型水量分布图,喷头的水量分布,单喷头水量分布图,压力适中,压力过高,压力过低,压力对水量分布的影响,2、喷灌均匀度,就是喷灌面积上水量分布的均匀程度。,Sprinklerirrigationdistributionefficiency,喷灌均匀度一般以喷洒均匀系数（克里斯琴森系数）Cu表示，其计算方法如下：,喷灌均匀度的计算方法：,computingmethod,整个喷灌面积上的平均喷灌强度n观测计算喷灌强度点的总数i各点的喷灌强度不计正、负的绝对值,喷头组合示意图,式中：,喷灌均匀度和喷灌强度的田间测定,Fieldmensuration,定义：就是单位喷洒面积的水滴对作物和土壤的打击动能。,表示方法：,雾化指标H/d喷头的工作压力与主喷嘴直径之比,水滴的直径Waterdropdiameter,雾化指标H/dAtomizationindex,3、水滴打击强度,intensityofdrippingwater,不同种类的雾化指标,influencingfactors,水滴直径根据作物、用途、风速和土壤等因素确定。水滴太大，容易破坏土壤表层的团粒结构，造成土壤板结，甚至打伤作物的幼苗或造成某些作物倒伏，还会把土溅到作物叶面上影响作物的生长。水滴太小，在空中蒸发损失大，受风的影响也大。因此，要根据灌溉作物和土壤性质选择恰当的水滴直径。一般要求最远处水滴平均直径为:13mm,水滴直径的确定及其对土壤的影响,喷头的组合方式,R设喷头的设计射程K与喷灌系统的形式、风速、等有关的系数，一般等于0.7-0.9;对于固定式喷灌系统由于竖管装好后就无法移动，如有空白就无法补救，故可以采用0.8，多风地区采用0.7。R喷头的射程(产品性能表上查的数值),喷头及支管间距计算,式中：q=喷头流量Sm支管间距Sl喷头间距,组合平均喷灌强度,土壤的入渗速率过程,允许的喷灌强度Permissibleapplicationrateofsprinklerirrigation,注,允许的喷灌强度应小于土壤的入渗速率,Soiltexture,喷头是喷灌机与喷灌系统的重要组成部分。它的作用是把有压水流喷射到空中，散成细小的水滴，并均匀喷洒在灌溉土地上。因此喷头的性能、结构形式及制造质量的好坏将直接影响喷灌的质量。,喷头Sprinkler,喷水量(或称喷头流量)是指喷头在单位时间内，喷射出来的水体积。,1、喷水量Capacityofsprinkler,上式中:q喷嘴流量(L/h)Cd流量系数(0.90.96)d喷嘴直径(mm)H喷嘴进口压力(m)A单位换算系数(上述单位时A12.5),：,计算喷头流量的半经验方程,喷嘴直径5mm,工作压力300kPa,假定Cd=0.94,计算其流量。,Example:(实例）,喷头要求在一定的水压力下才能正常工作。水压力由水泵供给或利用天然水头。故：,2、工作压力Workingpressure,上式中：Hd工作压力（m）d喷嘴直径（mm）Kd水滴粉碎系数一般：Kd=1017好：Kd=1114,工作压力的计算公式,3、射程Range,表示符号,定义,测定方法,常用单位,影响因素,射程,R,指在无风条件下喷头喷洒的水流所能达到的最远距离,m,射程的大小，主要决定于工作压力和喷水量，但也受喷头结构、自转速度等因素的影响,规定喷灌强度等于各点喷灌强度平均值5的那一点，至喷头的距离作为喷头的射程,按其工作压力和射程的大小可以分为低压喷头(或称近射程喷头)、中压喷(或称中射程喷头)和高压喷头(或称高射程喷头)其划分界线大致可以按表1所列的范围分类。目前用得最多的是中、近射程喷头，因为它消耗的能量较小，而且比较容易得到较好的喷灌质量。按照喷头的结构型式与水流性状可以分为旋转式、固定式和孔管式三种,喷头的种类和工作原理,Speciesandworkingprinciple,喷头按其工作压力和射程的大小分类,上式中：R射程(m)d-喷嘴直径(mm)h-压力水头(m)B-单位换算系数，当B=1.4当射程分别减少2和4%,射程的计算,计算下列条件下喷头的射程，喷嘴直径1.2英寸，压力水头h=600kPa，,Example:,利用公式：,固定式喷头,用途Purpose,特点Characteristic,公园、苗圃、温室等,根据转动机构的特点，将旋转式喷头分为摇臂式、叶轮式、和反作用式齿轮式四种。齿轮式、摇臂式喷头分别是农业和草坪灌溉中最广泛的两种喷头。,旋转式喷头Rotatingsprinkler,工作压力、喷水量和射程之间的关系自由出流喷嘴的流量可按下式计算：,式中：喷嘴的流量系数，一般等于0.90.95喷嘴的过水断面积（以平方米为单位）喷嘴的出口压力（以米为单位，等于喷头的工作压力减去喷头内的水头损失）。由这个公式可以看出：在喷嘴大小相同时，流量与水头的平方根成正比,射流式喷头的水力学原理Hydraulicsprincipleofjetsprinkler,影响射程的其他因素,Otherfactors,喷管与整流器,为了争取更大的射程，就必须力求从喷嘴射出的水舌密实透明(即掺气少)，表面光滑，水舌内的水流紊动小。为达到达些要求，除了喷嘴加工应尽量光滑之外，更重要的是进入喷嘴的水流应经过整直，使水流平稳达到大部分流线都平行于水舌轴线。,SpoutandRectifier,Thestructureofimpactdrivesprinkler,三、管道及附件ConduitandAccessories,塑料管的规格以外径标称塑料管的承压能力差塑料管优缺点内壁光滑，水头损失小施工容易能适应一定的不均匀沉陷放置在地表时，易老化塑料管的连接丝口连接、法兰连接、粘结、焊接、承插连接,1、固定管道塑料管,Pvc管,Pvc管,PE管,承压：一般可承受1MPa的压力使用寿命：大于30年管段短、接头多、施工量大易锈蚀性脆，承受动载荷能力差管壁厚，重量大,2、固定管道铸铁管,3、固定管道钢管,移动管道（一）,重量轻,强度高,耐腐蚀,硬度差、易变形、价格较高,移动管道（二）,钢管,移动管道（三）,便于管道快速移动，移动管道各段间采用快速接头连接，常用的快速接头的结构形式有以下几种：,快速接头Quickcoupling,还有：,管道附件Accessories,Hydrant,Self-closingvalve,其它附件和管件,OtheraccessoriesandPipfitting,Three-waypipe,四、喷灌动力设备,小型喷灌机组,动力机的选配功率用下式计算：,(kw),(kw),动力机的选配,五、喷灌机,sprinklingmachine,滚移式喷灌机,绞盘式喷灌机,平移式喷灌机Linear-movesprinklingmachine,双悬臂式喷灌机田间工程布置特点,小麦用时针式喷灌机,水源河流、渠道、塘库、井泉、湖泊水泵离心泵、潜水泵、喷灌专用泵动力机电动机、柴油机、汽油机、拖拉机管道系统主管、支管、竖管、管件、阀门喷头,喷灌系统的组成,六、喷灌系统主要内容,喷灌系统,管道喷灌系统,机组喷灌系统,固定式喷灌系统,半固定式喷灌系统,移动式喷灌系统,小型机组喷灌系统,平移式喷灌系统,中心支轴式喷灌系统,卷管式喷灌系统,固定式喷灌系统(solid-setsystem),移动式喷灌系统(Portablesystem),半固定式喷灌系统(Semi-portablesystem),绞盘式喷灌机,平移式喷灌系统(Linear-movesystem),时针式喷灌系统(Center-pivotsystem),1、基本资料的收集,2、水量平衡分析Waterbalanceanalysis,目的：确定灌溉面积，蓄水工程规模,步骤Process,Intention,3、选择喷灌系统的形式,4、选择喷头及确定喷头的组合形式,考虑灌溉作物：蔬菜水滴小和喷灌强度较小的中低压喷头玉米、高粱等水滴较大和喷灌强度较大的高压喷头考虑土壤：砂壤土喷灌强度较大的喷头粘壤土喷灌强度较小喷头,4.1喷头的选择,考虑风速：风速大的地方宜选用喷灌强度较大、水滴直径较大的中高压喷头,例如：灌溉作物为蔬菜，砂壤土，宜选用喷灌强度较大而水滴直径较小的喷头。如选用ZY2喷头，喷嘴直径7.0mm，工作压力350kPa，喷头流量q=3.2m3/h，射程R18m,原则：在保证喷洒均匀、不留空白的情况下，使喷头和支管的距离应尽量大组合方式：正方形、矩形、正三角形、三角形和扇形等,4.2喷头的组合方式,设计射程：R设KR(K=0.70.9,K反映了风的影响),不同的布置方式及喷头、支管间距,4.3计算喷头和支管的间距,按如下公式计算：,4.4计算组合平均喷灌强度,布置原则：,5、管网布置Thedisposalofpipenetwork,6、拟定喷灌工作制度,3.允许一次同时工作的喷头数,水头损失：水流经过管道过程中机械能的损失分为局部水头损失和沿程水头损失,7、管道水力计算,沿程水头损失：发生在管道均匀流的直线段，由于水流内部磨擦而消耗的机械能局部水头损失：发生在水流边界突然发生变化的流段，由于水流运动状态紊乱从而引起水流内部磨擦而消耗的机械能。如在变径、管件等处,Frictionalheadloss,Localheadloss,7.1水头损失计算,总水头损(Totalheadloss)：,caculationofheadloss,局部水头损失计算：可根据水力学有关公式计算,喷灌中常采用以下经验公式计算沿程水头损失：式中：f与沿程阻力系数有关的摩阻系数m流量指数b管径指数上述f,m,b值可从有关表中查得,一般计算方法:,7.2多口管水力学计算,简易计算方法(Simplecomputingmethod)：喷灌支管的特点：每隔固定间距，就有一个喷头分流，每个喷头分流量或喷头出水量近似相等这种等间距、等流量分流的管称为多口出流管，有一种简便计算沿程总水头损失的方法,其方法为：首先根据管首流量计算沿程流量不变时（不考虑分流）的水头损失hf，然后再乘以一个小于1的折减系数(多口系数)F，即得多口管的沿程水头损失：多口系数F与出流孔数目，孔口位置及流量指数等有关，其计算公式为：,7.3多口管沿程水头损失的计算,式中：m流量指数（与材质有关）N管上出水口总数（或喷头总数）x第一个出水口到管道进口距离与出水口间距的比值即：F1x=1时的多口系数多口系数已制成表，不必计算，可直接查取,H0H喷头设计压力H竖管高度3/4Hf0.4Z（下坡，上坡）,平均压力或平均流量所处的位置在：距离支管进口0.4L处，此处的水头损失为3/4Hf要求此处的压力等于喷头的工作压力支管进口水头,H0H喷头设计压力H竖管高度3/4Hf0.4Z（下坡，上坡）,支管设计主要的设计任务是限制喷头间的流量偏差，获得满意的均匀度和灌水效率。一般原则为：控制同一支管上任意两个喷头的喷水量之差在10以内。此原则也等同于：控制支管上任意两个喷头的工作压力水头之差不超过喷头设计工作压力水头的20%此即为20%规则,20%原则,Example:,已知：喷头流量q=3.2m3/h,喷头个数8，喷头间距18m，竖管高度1m，喷头工作压力350kPa，平地，支管采用PVC管试分别计算：1.支管允许的最大压力差2.当支管管径采用D163mm和D2=50mm时的支管水头损失和支管进口水头,1.支管允许的最大水头偏差：350kPa20%=70kPa=7m2.水头损失和支管进口水头计算当D50mm时（内径46mm）无旁孔出流时的水头损失：Hf0=1.1fLQm/db=1.10.948105(718+9)(3.28)1.77/464.77=51.3m,解：,多孔出流时的水头损失：HfHf0F=51.30.387=19.8m支管进口水头：H0H喷头设计压力H竖管高度3/4Hf1/2Z35m+1m+3/419.8m+0=50.85m,当D63mm时（内径58mm）无旁孔出流时的水头损失：Hf0=1.1fLQm/db=1.10.948105(718+9)(3.28)1.77/584.77=16.9m,多孔出流时的水头损失：,支管进口水头：,七、喷灌设备的多种用途,Purpose,环境保护喷洒,防灾喷洒,假设，灌区120亩（270m290m），作物为蔬菜，地形为平地，土壤为壤土，水井供水量60m3/h,动水位20m，每天开机14h，作物最大日耗水强度e=6mm/d,作物耗水高峰期日均降雨P=0mm/d，设计灌水周期7d。,八、固定式喷灌系统规划设计实例,（一）收集规划收集所需的资料,水文地质、土壤（质地、土层厚度、冻土深度、土壤入渗率等）本世纪地形、气象作物品种和种植结构动力、水源（出水量、动水位等）社会经济状况,（二）水量平衡计算,目的：已知水源供水量，确定灌溉面积已知灌溉面积，确定引水量和调蓄容积方法：如果已知水源为水井，要求确定灌溉面积假设灌水周期为T天，日耗水e毫米T天水井可供水量：T（天）C日开机小时数Q井(m3/h)T天用水量：T（天）(e-p)/1000A667,来用水平衡：来水量用水量，即：T（天）C日开机小时数Q井(m3/h)=T（天）(e-p)/1000A667得：可灌溉的面积本例A1460/(0.667e)=209亩,（三）选择喷灌系统的形式,根据前面讲述：固定式喷灌系统用于喷灌次数多，经济价值高的作物半固定式喷灌系统用于小麦等小型机组式山区或经济价值较低的作物绞盘式喷灌机小麦等大田作物大型平移或时针式喷灌机大型农场本例中灌溉作物为经济价值较高的蔬菜，选择固定式喷灌系统,（四）选择喷头及确定喷头组合形式,根据前面讲述：1.喷头的选择考虑灌溉作