单元一概述_节水灌溉技术-QQ阅读男生中文都市网

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单元一概述

一、喷灌的概念和特点

喷灌是利用水泵加压或自然水头将水通过压力管道输送到田间，经喷头喷射到空中，形成细小的水滴，均匀喷洒在农田上，为作物正常生长提供必要水分条件的一种先进灌水技术。与传统的地面灌溉方法相比，喷灌具有节水、增产、适应性强、少占耕地和节省劳动力等优点；其缺点是受风的影响大，设备投资高，耗能大。

二、喷灌系统的组成与分类

（一）喷灌系统组成

喷灌系统是指从水源取水到田间喷洒灌水的整个工程设施的总称。一般由水源工程、水泵及动力设备、输水管道系统、喷头等部分组成，如图3-1所示。

图3-1 喷灌系统组成示意图

1.水源工程

喷灌系统与地面灌溉系统一样，首先要解决水源问题。常见水源有河流、渠道、水库、塘坝、湖泊、机井、山泉等。为喷灌取水或调蓄水量而修筑的水井、塘坝和蓄水池等，称为水源工程。喷灌对水源的要求：①水量满足要求；②水质符合灌溉用水标准［《农田灌溉水质标准》（GB 5084—2005）］，另外在规划设计中，特别是山区或地形有较大变化时，应尽量利用水源的自然水头，进行自压喷灌，选取合适的地形和制高点修建水池，以控制较大的灌溉面积。

2.水泵及动力设备

大多数情况下，水源的水位不足以满足喷灌所要求的水头时必须用水泵加压。常用的加压泵有离心泵、长轴井泵、潜水电泵等。动力设备一般采用电动机，缺乏电源时可采用柴油机或汽油机、手扶拖拉机上的动力机等带动。

3.输水管道系统

输水管道系统的作用是将压力水输送并分配到田间。通常由干、支两级管道组成。干管起输配水作用，支管是工作管道，支管上按一定间距装有用于安装喷头的竖管。在管道系统上还装有各种连接和控制的附属配件，如弯头、三通、接头、闸阀等。为利用喷灌设施施肥和喷洒农药，可在管网首部配置肥、药储存罐及注入装置。

4.喷头

喷头是喷灌系统的专用设备，一般安装在竖管上，或者安装在支管上。喷头的作用是将管道中有压力水流分散成细小的水滴，并均匀地散布到田间。

（二）喷灌系统的分类及其适用条件

1.喷灌系统的分类

（1）按系统获得压力的方式分类。可分为机压式喷灌系统和自压式喷灌系统。机压式喷灌系统是靠动力机和水泵加压使系统获得工作压力。自压式喷灌系统是利用自然水头来获得工作压力。

（2）按系统的喷洒特征分类。可分为定喷式灌喷系统和行喷式喷灌系统。定喷式喷灌系统，喷水时喷头位置相对地面不动，如各类管道式喷灌系统和定喷机喷灌系统和定喷机组式喷灌系统。行喷式喷灌系统，喷头在行走移动过程中进行喷洒作业，如中心支轴式、平移式等行喷式喷灌系统。

（3）按系统的设备组成分类。可分为管道式喷灌系统和机组式喷灌系统。

管道式喷灌系统：水源、喷灌用水泵与各喷头间由一级或数级压力管道连接，由于管道是这类系统中设备的主要组成部分，故称为管道式喷灌系统。根据管道的可移程度，又分为固定管道式、半固定式管道式和移动式管道式喷灌系统。

机组式喷灌系统：使用厂家成套生产的喷灌机（组）的喷灌系统，称为机组式喷灌系统。机组式喷灌系统又分为定喷机组式喷灌系统和行喷机组式喷灌系统。

喷灌系统的分类如图3-2所示。

图3-2 喷灌系统的分类

喷灌系统的建设必须执行国家的经济政策，贯彻因地制宜的原则，讲求经济效益，开展综合利用，尽力节省资源，并充分利用现有水利设施，做到切合实际，技术先进，经济合理和安全适用。

2.各类喷灌系统的特点及适用条件

（1）管道式喷灌系统。

管道式喷灌系统是为区别机组式喷灌系统而命名的。由于管道是系统中主要设备，故称管道式喷灌系统。根据管道的可移动程度，又可分为固定管道式喷灌系统、半固定管道式喷灌系统和移动管道式喷灌系统三种。

固定管道式喷灌系统的各组成部分除喷头外，在整个灌溉季节或常年都是固定的，水泵和动力构成固定的泵站，干管和支管多埋在地下，喷头装在固定的竖管上（有的竖管可以拆卸）。这种喷灌系统生产效率高，运行管理方便，运行费用低，工程占地少，有利于自动化控制；缺点是工程投资大，设备利用率低。因此，适用于灌水频繁、经济价值高的蔬菜及经济作物区。

半固定管道式喷灌系统的动力、水泵和干管是固定的，支管和喷头是移动的，故称为半固定管道式喷灌系统。这种形式在干管上装有很多给水栓，喷灌时把支管接在干管给水栓上进行喷灌，喷洒完毕再移接到下一个给水栓继续喷灌。由于支管可以移动，减少了支管数量，提高了设备利用率，降低了投资。适用于矮秆大田粮食作物，其他作物适用面也比较宽，但不适宜对高秆作物、果园使用。为便于移动支管，管材应为薄壁铝管、薄壁镀锌管、塑料管等轻型管材，且应配有各类快速接头和连接件、给水栓。

移动管道式喷灌系统的干支管均可移动使用。这种喷灌系统设备利用率高，投资较低，但劳动强度较大。

（2）机组式喷管系统。

由喷头、管道、加压泵及动力机等部件组成，集加压、行走、喷洒于一体，称为喷灌机组。以喷灌机组为主体的喷灌系统成为机组式喷灌系统。按喷灌机运行方式可分为定喷式和行喷式两类。

定喷式喷灌机组是指喷灌机工作时，在一个固定的位置进行喷洒，达到灌水定额后，按预先设定好的程序移动到另一个位置进行喷洒，在灌水周期内灌完计划灌溉的面积。包括手推（抬）式喷灌机、拖拉机悬挂式（或牵引式）喷灌机、滚移式喷灌机等。

行喷式喷灌机组是在喷灌过程中一边喷洒一边移动（或转动），在灌水周期内灌完计划灌溉的面积。包括拖拉机双悬臂式喷灌机、中心支轴式喷灌机、平移式喷灌机、卷盘式喷灌机等。

图3-3 手推直连式喷灌机（电动机配套）

1—喷头；2—竖管；3—水泵；4—电动机；5—开关；6—电缆；7—吸水管；8—底阀；9—机架；10—车轮

按配用动力的大小，喷灌机组又包括大、中、小、轻等多种规格品种。我国应用最多的是轻小型喷灌机，图3-3、图3-4所示为我国常用的小型喷灌机，它具有结构简单、使用灵活、价格较低等优点，缺点是机具移动频繁，特别是在泥泞的道路上移动困难。此外，像平移式喷灌机、滚移式喷灌机、软管牵引卷盘式喷灌机等大中型喷灌机也有一定范围的应用。

图3-4 手扶拖拉机配套的悬挂式喷灌机

1—水源；2—吸水管；3—水泵；4—手扶拖拉机；5—皮带传动系统；6—输水管；7—竖管及支架；8—喷头

三、主要喷灌技术要素

喷灌要达到省水、增产的目的，必须满足农业生产的要求，农业生产对喷灌系统的基本要求有三个：第一个是喷灌强度应小于土壤的入渗强度，以免产生地面积水或产生地面径流，成土地板结，在山丘地区将产生表层土的冲刷，造成水土流失；第二个要求是喷灌到田间的水量分布要均匀，使整个灌区的农作物都均获得足够的水分，使得土壤计划湿润层内含有等深度的水量；第三个是喷灌的水滴对农作物的叶面或土壤表面的打击伤害要小或没有，以免造成农作物受伤或造成大面积的作物倒伏，造成减产灾害。喷灌强度、喷灌均匀系数和喷灌雾化指标是反映这三个要求的主要指标。因此，进行喷灌时要求喷灌强度适宜，喷洒均匀，雾化程度好，以保证土壤不板结，结构不被破坏，作物不损伤。

（一）喷灌强度

喷灌强度ρ是指单位时间内喷洒在单位面积上的水量，或单位时间内喷洒在田面上的水深（mm/h或mm/min）。计算公式为：

式中 ρ——喷灌强度，mm/h；

K_w——风系数，取值方法见表3-1；

q——喷头流量，m³/h；

η_p——田间喷洒水利用系数，风速低于3.4m/s时，取0.8～0.9，风速低于3.4～5.4m/s时，取0.7～0.8；

A_有效——喷头有效控制面积，分为单喷头全圆喷洒、单喷头扇形喷洒、多支管多喷头同时全圆喷洒（图3-5）、单支管多喷头同时喷洒（图3-6）四种情况，取值方法见表3-2，m²。

除了轻小型机组式喷灌系统可能采用单喷头喷洒方式外，一般都采用多个喷头同时喷洒。

表3-1 不同运行情况下的K_w

注 1.式中v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得K_w值。

3.本表公式适用于风速v为1～5.5m/s的区间。

图3-5 多支管多喷头同时喷砂喷头有效控制面积示意图

图3-6 单支管多喷头同时喷砂喷头有效控制面积示意图

表3-2 不同运行情况下的喷头有效控制面积

注表内各式中R为喷头射程；α为扇形喷洒范围圆心角；a为喷头在支管上的间距；b为支管间距。

此外，为了喷洒到土壤表面的水能够及时深入土壤中，不形成地面径流。不同类别的土壤的设计喷灌强度不得大于不同类别土壤的允许喷灌强度，不同类别土壤的允许喷灌强度可按表3-3确定。当地面坡度大于5%时允许喷灌强度按表3-4进行折减。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。

表3-3 各类土壤允许喷灌

表3-4 坡地上允许喷灌强度的折减系数

（二）喷灌均匀系数

喷灌均匀系数是指喷洒水量在喷灌面积上分布的均匀程度。它是衡量喷洒质量的主要指标之一，多用C_u表示，计算公式为

式中——喷洒面积上的平均喷洒水深，mm；

|Δh|——各测点喷洒水深的平均离差，mm。

《喷灌工程技术规范》（GB/T 50085—2007）中规定：在设计风速下定喷喷灌均匀系数不低于0.75；行喷式喷灌系统不应低于85%。

喷头均匀系数一般可通过控制喷头组合间距来实现。喷头组合间距是指喷头在一定组合形式下工作时，支管布置间距与支管上喷头布置间距的统称。通常喷头组合形式有矩形、正方形、等腰三角形和正三角形四种，如图3-7所示。当采用等腰三角形和正三角形形式时，可能导致田块边缘漏喷，因此在实际应用中，一般采用矩形和正方形布置。若风向稳定且与支管垂直或平行，宜采用矩形布置；减少喷头数，若风向多变，风向宜采用正方形布置。

图3-7 喷头组合形式

在喷灌系统设计中，一般只要按照《喷灌工程技术规范》（GB 50085—2007）规定的方法（表3-5）确定组合间距，均可满足均匀度要求。根据设计风速，可以从表3-5中查到满足喷灌均匀系数要求的两项最大值即垂直风向和平行风向的最大间距射程比K_a、K_b值。

表3-5 喷头组合间距

注 1.R为喷头射程。

2.在每一挡风速中可按内插法取值。

3.在风向多变采用等间距组合时，应选用垂直风向栏的数值。

如果支管垂直风向布置，沿支管的喷头间距a与风向垂直，选用的间距射程比K_a应不大于从表3-5中垂直风向一列中差的数值，而支管间距选用的K_b应不大于平行风向一列中从表3-5查得的数值。如果支管平行风向布置则相反。若支管不平行也不垂直风向，则应视支管与风向的夹角β的大小对K_a和K_b进行适当的调整，如30°≤β≤60°时按等间距布置选取K_a、K_b，即采用正方形布置，支管上喷头和支管间距均采用垂直风向栏的数值。

间距射程比K_a、K_b选定后，即可计算则和间距，即

计算出a、b后，还应进行调整，以适应管道规格长度的要求，便于安装施工，并应满足组合喷灌强度的要求。

（三）雾化指标

喷灌雾化指标是表示喷洒水滴细小程度的技术指标。喷洒水滴过大，会损伤作物、破坏土壤团粒结构，影响作物生长；水滴过小则会导致过多的漂移蒸发损失，且耗能多、不经济。因此在喷灌系统规划设计中，初选喷头后，首先要进行雾化指标校核。通常用喷头进口处的工作压力h_p与喷头主喷嘴直径d的比值作为喷灌雾化指标，即