喷灌工程技术与应用

喷 灌 发 展 历 史
卷盘式喷灌机, 广泛流行于欧洲各地， 起源于法国，适合于 中、小农场。整套机 具配一支大喷枪，流 量及射程非常大。这 种机器使用灵活、方 便，劳务成本低。但 能耗高，喷水均匀度 不好，对土壤侵蚀严 重，对作物打击强度 太大。
喷 灌 发 展 历 史
我国于20世纪50年代初开始引进先进 的喷灌技术，建设了一些喷灌试验工程。 20世纪70年代以后得到较大的发展，进行 了较大规模的研究、开发和生产应用。
第二节 喷灌的发展状况和前景
一、喷灌的发展概况 二、应重视的几个问题
喷 灌 发 展 历 史
1894年，一位名叫查尔斯.斯凯纳的美国 依阿华州人，发明了一种非常简单的喷水系统， 开拓了人类利用机械设施节水灌溉的先河。 1933年，美国加州一个叫澳滕.英格哈特的农 民发明了世界第一只摇臂喷头，并注册专利， 由著名的雨鸟公司制造。这种新型喷头的问世， 对此后农业节水灌溉起到了革命性的推动作用。 采用摇臂喷头喷水系统后，水的利用率大大提 高，比大水漫灌可提高约50%以上。这样，同 样的水可多灌50%的面积。美国农业工程师协 会（ASAE）在1990年举行的“农业工程50周年 庆典”上为此授予雨鸟公司“历史里程碑奖”。
喷灌工程技术与应用
第一章 概论
第一节 喷灌的特点及适用条件 第二节 喷灌的发展概况和前景 第三节 喷灌系统的组成、分类及设备 第四节 喷灌的主要技术要求
第一节 喷灌的特点及适用条件
喷灌是将灌溉水加压 （用泵或利用水源的自然落 差）后，经管道输送至喷头， 并由喷头将水出，均匀地散 成细小水滴对作物进行灌溉 的节水型灌溉技术。喷灌几 乎适用于除水稻外的所有大 田作物，以及蔬菜、果树等 经过20多年的努力，现 在我国已有喷灌面积80多万 hm2 它作为一种先进的机械化、 半机械化灌水方式，在很多 发达国家已广泛采用。
提高土地利用率
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5－15%的沟渠、地埂占地，扩 大作物种植面积。
防止土壤冲刷和盐碱化
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。
世界喷灌发展的三大趋势
不断提供机械化与自动化水平，喷灌
面积持续增长
注意节能、着手开发与利用新能源 日益广泛地应用新技术、重视提高喷
灌质量
第三节 喷灌系统的组成、分类及设备
河流 渠道
水
源
井泉
湖泊 离心泵
动力机 喷 灌 组 系成 统 的 动 力
潜水泵
喷灌专用泵
施肥过滤系统
主管、支管 竖管 管件 阀门
许多喷头，或喷头设置点控制的面积)，各点在单 位时间内的喷灌水深的平均值，用平均喷灌水深h0 与相应喷灌持续时间t的比值表示。

h0 t
单喷头的喷灌强度
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
0
W t * A

q *t A*t

q A
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
和平均喷灌强度 (面积和时间都平均)两个概念。点喷灌强度 i是指在一定时间(t)内，喷洒到某一点土壤表面 的水深h，即：
i
喷灌强度有点喷灌强度


i
h t
平均喷灌强度是指在一定面积上(一个喷头，或
玉米、小麦、棉花、大豆等采用喷灌一般比 沟灌、畦灌可增产10－30 % ，蔬菜喷灌则可 增产l－2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。
省劳力
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。
喷 灌 的 技 术 三 要 素
1、喷灌强度
定义：
喷灌强度指单位时间内喷洒在单位面积上的水量，一般用 mm/h表示。 喷灌强度包括点喷灌强度Pi和平均（面）喷灌强度P两个概念。 点喷灌强度指在一定时间t喷洒到某点土壤表面的水深h；平均 喷灌强度P指在一定的面积上的各点，在时间t内的喷灌水深平 均值h0。 规范规定，喷灌系统设计喷灌强度不得大于土壤的允许喷灌强 度。当地面坡度大于5%时，允许喷灌强度应进行折减。
管道系统
喷 头
喷灌系统的 组成
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
固定式喷灌系统
管道喷灌系统
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
喷 灌 系 统 分 类
机组喷灌系统
中心支轴式喷灌系统 卷管式喷灌系统
喷灌设备又称喷灌机具，是进行喷灌的主要手段。 按其功用它可分为：
喷洒设备 增压设备 输水管道设备 行走设备
量测设备
控制设备 动力机 传动设备 行走轮 真空表、压力表、土壤湿度计、热工仪表、 电器仪表等； 包括运行、停车、安全保护、 同步行走、压力调节等装置。
一、喷灌的优点

省水、增产 省劳力 提高土地利用率 防止土壤冲刷和盐碱化



省水、增产
利用喷灌技术与一般的地面灌溉可以节约用 水20－30%， 1m3水可以当2m3用。 喷灌对地形的适应性强 喷灌可以调节出间小气候，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。


i
) 100 %



i 1
n
n


i 1
n

i
n
上式中：


喷头组合示意图 ——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 P——各点的喷灌强度 ——不计正、负的绝对值
i
喷灌均匀度和喷灌强度的田间测定
喷 灌 均 匀 度
规范规定：“在设计风速下，喷灌均匀系 数一般不应低于75%，对于行喷式喷灌系统， 不应低于85% ” 。在实际设计中，喷灌均 匀度是通过合理确定喷头组合间距而实现的。 国产喷头可按根据“射程间距”比来计算合 理的组合间距，即按下表确定喷头组合间距：
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（1949—1973）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
喷灌均匀度的影响因素：
喷头结构、工作压力、喷头布置形式、喷头 间距、喷头转速的均匀性、竖管的倾斜度、地 面的坡度和风速、风向等因素都有密切关系。 表征喷灌均匀度的方法很多，通常用喷洒均匀 系数和水量分布图表示。
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：
C
u
(1
喷 灌 发 展 历 史
1952年，一位名叫 弗兰克（Frank）的科罗 拉多州的农民发明了一 种水力驱动，自动转圈， 上边悬挂喷头的喷灌机 具，取名为中心支轴式 喷灌机（Center Pivot）。60年代后，这 种机器在地广人稀，地 势不平坦的美国中部农 业区科罗拉多、内巴拉 斯基、堪萨斯，广泛推 广开来。
喷 灌 发 展 历 史
70年代，由于石油危机的影响，中 心支轴式喷灌机的喷头由摇臂喷头改为 低压微喷喷头，以达到节约能源的目的。 此后，水力驱动也逐渐改变为电力驱动， 可靠性越来越高。目前，美国总灌溉面 积中，约31%采用中心支轴式系统灌溉。
为提高土地利用率，后来又开发出 平移式喷灌机（Lateral Moving），但 使用并不多。因为成本较高，维修不方 便，能耗高。
上式中：
q=喷头的流量 A＝1个喷头的湿润面积
喷头的水量分布
单个旋转式喷头的典型水量分布图
灌水深度
影响水量分布的因素：
压力 风速，风向 喷头转速（均匀与否） 喷头布置形式和间距
单 喷 头 水 量 分 布 图
压力适中
压力对水量分布的影响
压力过低
灌水深度
压力过高
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)
三 、 喷灌的适用范围及条件
1、农田耕作面积大，机械化程度高的农业主产 区。 2、山地或丘陵地区地形起伏大，地面倾斜度大， 其他节水灌溉难以使用的地方。 3、在农业紧张，或从事非农业劳动可以获得高 后入的地方。 4、水源不足或高扬程地区。 5、需要调节田间小气候的作物，包括防干热风 和防霜冻的地方。 6、土壤透水性大或入渗率高的地区 7、实用于风小或灌溉季节风小的地区。
设计风速 0.3~1.6 1.6~3.4 喷头组合间距 垂直于风向 平行于风向 R (1~0.8)R 1.3R (1.3~1.1)R (1.1~1.0)R (1.0~0.9)R 等间距布置
二ห้องสมุดไป่ตู้喷灌技术的缺点

受风的影响大 一般在3－4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 %
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
喷 灌 强 度
砂土
砂壤土 壤土
20
15 12
壤粘土
粘土
10
8
注：有良好覆盖时，表中数值可提高20%。
坡地允许喷灌强度降低值 喷 灌 强 度
地面坡度 （%） 5—8 9—12 允许喷灌强 度降低 (mm/h) 20 40 地面坡度 （%） 13—20 >20 允许喷灌强 度降低 (mm/h) 60 75
2、喷灌均匀度
喷灌均匀度是指在喷灌面积上水量分布的均匀程度，它 是衡量喷灌质量优劣的主要指标之一，直接关系到喷灌农 作物的增产幅度。在喷灌系统中，喷灌均匀度是指大面积 上的均匀度，也就是喷头组合在一起时的均匀程度；单个 喷头的喷洒均匀度在实际中并无意义。喷灌均匀度是以单 喷头的水量分布图为基础进行组合和分析，或实测得出的。
二次世界大战以后，美国的经济、 喷 灌 发 展 历 史 技术飞速发展，以皮尔斯（Pierce）
为先导的灌溉企业制造出多种快速连
接铝合金接头，与薄壁铝管连接，诞
生了半固定及固定式薄壁喷灌系统，
使得大面积采用喷灌系统成为可能。
喷 灌 发 展 历 史
为充分利用半固定式喷灌系 统造价低的优点，克服其劳动强 度高的缺点，一种由机械驱动的 类似于半固定系统的喷灌机在30 年代晚期由一位叫哈里.法里斯通 （Harry . Firestone）的人发明 并投入使用。现在仍有数家公司， 如美国的维德(Wade Co.)，莱克 (Lake)，皮尔斯(Pierce)等在制 造这种被称为滚移式喷灌机 （Side Roll 或Wheel Moving） 的机器。
喷 头 喷水孔管 泵
动力机 传动设备 喷灌管道 附件
喷 灌 设 备
第四节 喷灌的主要技术要求
喷灌强度
喷 灌 的 主 要 技 术 要 素
喷灌均匀度
水滴打击强度
喷灌的主要要素
喷灌的技术特征：要求灌溉水必须均匀 地分布在所灌溉的土地上；同时喷洒后地表不 产生径流和积水，没有灌溉水的二次再分配； 此外，喷洒水滴不得破坏土壤的团粒结构，也 不得伤害作物，造成减产。为了使喷灌达到上 述的技术要求,规定了喷灌技术的“三要素”， 即喷灌强度、喷灌均匀度和水滴打击强度 。 任何喷灌过程只有当这三项技术指标的值不低 于国家标准要求时，才能达到喷灌的省水、增 产、保土、保肥、提高作物品质的效果。
经过30多年的努力，到2000年我国喷 灌面积发到到246万公顷（3690万亩），占 全国灌溉面积的4.14%，据有关部门预测， 到2010年我国节水灌溉面积将达到5411万 公顷，其中喷灌面积将达到546万公顷，新 增喷灌面积300万公顷。
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