大田灌溉喷灌系统水力计算教程

(二 ) 固定式喷灌系统设计
1、设计基础资料的收集
1）地形图：比例尺为1/1000——1/500的地形图， 了解设计区域的形状、 面积、位置、 地势等 2）气象资料：包括气温、雨量、湿度、风向风速 等，其中风对喷灌影响最大。 3）土壤资料：主要是土壤的物理性能，包括土壤 的质地、持水能力、土层厚度、吸水能力等 ，主要用 以确定喷灌强度和灌水定额的依据。 4）植被情况：植被的种类、种植面积、根系情况 等。 5）水源条件：城市自来水或天然水源。 6）动力来源：重力还是外力
2)设计流量
Qp Nt q
式中：Nt为同时工作喷头数。 根据Hp和Qp，可直接由水泵样本中选定水 泵，一般样本中同时给出了配套电机的参数。
《 园 林 工 程 》
8、注意问题
喷灌系统水的喷洒应该顺主风向，对不同的 植物，喷灌的雾化度也要求不同。 雾化度取决于喷灌水滴细小程度。水滴小则雾 化度高 。水滴小，对作物打击伤害小，但蒸发损 失大；水滴大，对作物打击大，但蒸发损失小。因 此雾化度不宜过高，也不宜过低。
Q
2
令 Sof
管长沿程阻力参数，则
10.28n 2 ，Sof称为单位（或每米） 5.33 d
hf Sof LQ
2
式中：Q—管中流量（注意单位是m3/s)。
表 ： 单 位 管 长 沿 程 阻 力 系 数
值
4
S0f
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局部水头损失，可按沿程水头损失值的10%计算。
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1、水头损失概念及其分类？ 2、树枝状管网的计算目的？
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五、喷灌系统的设计
(一) 喷灌系统简介
喷灌是喷洒灌溉的简称，是借助一套专门 的设备将具有压力的水喷洒到空中，散成水滴 降落到地面，供给植物水分的一种灌溉方法。
《 园 林 工 程 》
《 园 林 工 程 》
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1000QP 2 R
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多行多喷头喷洒 相邻多行支管上的多个喷头使用时作全圆形 喷洒，其单喷头实际控制面积为S=ab，故其喷灌 强度可直接按公式计算而不必采用换算系数。
1000QP ab
式中：a—喷头布置间距（m)； b—相邻支管的间距（m)。
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喷灌的缺点?喷灌系统的特点园林工程?喷灌系统的分类依喷灌方式喷灌系统可分为1移动式喷灌系统依喷灌方式喷灌系统可分为1移动式喷灌系统3固定式喷灌系统2半固定式喷灌系统园林工程水源管道喷头压力水干支立固定式喷头旋转式喷头泵高位水池?喷灌系统的组成外露式喷头地埋式喷头或?喷头1
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上节课内容回顾
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风 向 图
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2、灌溉制度的设计
（1）设计灌水定额
（2）设计灌溉周期 （3）喷洒方式和喷头组合形式
（4）喷灌强度与喷灌时间
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（1）设计灌水定额
灌水定额—一次灌水的水层深度（mm)或一 次灌水单位面积的用水量（m3/亩)。 设计灌水定额—作为设计依据的最大灌水定 额。 注：若以m0表示m3/亩的灌水定额，以m 表示mm的灌水定额，则两者之间的关系为 m0=2/3m 即10mm水深相当于6.67m3/亩的灌水量。
多口系数的引入
求多孔口管道的水头损失时，可引入“多 口系数”，即假定孔口流量相同，依孔口数目求 得的一个折算系数。
可据孔口数查教材1表2-1-16。
其中X按第一个喷头至支管进口的距离与喷
头间距是否相等分别取1或1/2。
表6：多口系数 F值
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4、计算管径
喷嘴选定后，据其布置形式、支管上喷嘴的 数量和喷嘴流量（Qp），得出支管的水流量（Q） Q=ΣQp 流量（Q）计算出来后，同给水管道系统一样， 查水力计算表，即可得到支管的流速（v）和管径 （DN）。 主管管径（DN）的确定与主管上连接支管的数 量以及设计同时工作的支管的数量有关，主管的流 量（Q）随同时工作的支管数量变化而变化。
(2)地理式喷头： 是指非工作状态下埋藏在地面以下的喷头。工作时，这类喷 头的喷芯部分 在水压的作用下伸出地面，然后按照一定的方式 喷洒；当关闭水源，水压消失，喷芯在弹簧的作用 下又缩回地 面。地埋式喷头构造复杂、工作压力较高，其最大优点是不影响 园林景观效果、不妨碍活动，射程、射角及覆盖角度等喷洒性能 易于调节，雾化效果好，适合于不规则区域的喷灌，能够更好地 满足园林绿地和运动场草坪的专业化喷灌要求。
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扩大的梳齿形
扩大的鱼骨形
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管道布置注意事项：
1、坡地上，干管应尽量沿主坡向布置， 使支管沿平行于等高线方向布置，这样干管两 侧的水头损失较均匀。
2、支管适当向干管倾斜，在干管低端应 设泄水阀，便于检修及冬季排空管内存水。 3、地面立管高，对于草坪、花卉和灌木 一般取1.5m-2.0m。
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其求解方法： ①利用土壤田间持水量资料计算 ②利用土壤有效持水量资料计算设计灌水定额 （略）
利用土壤田间持水量资料计算
m 0.1rh( P 1 P 2 ) 1

式中：m—设计灌水定额（mm) r—土壤容重（g/cm3); h—计算土层深度，即植物主要根系活动层深度 （cm)，草坪、花卉可取h=20-30cm； P1—适宜的土壤含水率上限（重量%），可取田间持 水量的80%-100%； P2—适宜的土壤含水率下限（重量%），可取田间持 水量的60%-70%
（2）编组时应使地势较远或路程较远的喷头 数略少；反之略多，从而使水泵始终处于工作高 效区。
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7、水泵与动力选型 1)设计扬程
H p H hf i hj i
i 1 i 1
n
n
式中：H—喷头的自由水头 △—典型喷头高程与水源水位高差(m)
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c. 喷头及支管间距：
在确定喷头的布置形式后，选择合适的喷 嘴，每个正规厂家的产品都标明了喷嘴的型 号、射程、喷嘴流量、直径、工作压力等， 然后根据风速和喷嘴的射程R确定喷头的间距 和支管间距。
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设计风速（m/s) 垂直风向 0.3～1.6 1.6～3.3 3.4～5.4 1.1R 1.0R 0.9R
a. 喷洒方式：
喷嘴喷洒的形状有圆形和扇形，一般扇形 只用在场地的边角上，其他用圆形。
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b. 喷头布置形式：
也叫喷头的组合形式，指各喷头的相对位 置的安排。在喷头射程相同的情况下，不同的 布置形式，其支管和喷头的间距也不相同。教 材1表2-1-11是常用的几种喷头布置形式和有效 控制面积及使用范围。（常用三角形布局）
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曼宁公式：
1 C R n
1 6
式中：n—粗糙系数，可查表2-1-14。 R—水力半径（m),对于圆管R=d/4，d为 管半径（m)
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表3：各种管材的粗糙系数n值
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将有关数值代入公式并化简，则：
h f 10.28n
2
L d
5.33
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田间持水量—是指排水良好的土壤中，排 水后不受重力影响而保持在土壤中的水分含量， 通常以占干土重量的百分比表示，是确定灌水 时间和灌水水量的一个重要指标。 几种常见土壤的容重和P、P′可参照教材1 表2-1-8。
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（2 ）设计灌溉周期
灌水周期—也叫轮灌期，即植物耗水最旺时 期的允许最大灌水间隔时间。 m T W
式中：T—灌水周期（d)； m—灌水定额（mm)； W—作物日平均耗水量或土壤水分消耗速率（mm/d)； η—喷灌水利用系数，取0.7～0.9。
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一般大田作物设计喷灌周期常取5-10日， 蔬菜1-3日，绿地灌溉周期可参考以上数据。
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（3）喷洒方式和喷头组合形式
依喷灌方式，喷灌系统可分为 1、移动式喷灌系统 2、半固定式喷灌系统 3、固定式喷灌系统
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喷灌系统的组成
泵 水源 管道 压力水 干、支、立 固定式喷头 喷头 旋转式喷头
或
高位水池
外露式喷头 地埋式喷头
喷头
1．按非工作状态分类 (1)外露式喷头： 指非工作状态下暴露在地面以上的喷头。这类喷头构造简 单、价格便宜使用方便，对供水压力要求不高，但其射程、射 角及覆盖角度不便调节，且有碍园林景观。因此般用在资金不 足或喷灌技术要求不高的场合。
【例2】一根喷灌主管上接有8根支管，每根支管上 有四个喷嘴，已选喷嘴的流量Qp=0.9m³ /h，喷嘴的 连接管DN=20mm，设计要求至少2根支管能同时工作， 求出立管、支管和主管管径。
解：
已知Qp=0.9m³ /h， 每根支管的流量 Q=4Qp=4ⅹ0.9=3.6m³ /h 主管的设计流量 Qz≥2Q=7.2m³ / h 喷灌系统为便于安装和运输，一般多用钢 管和pvc塑料管，现采用镀锌钢管，查钢管水力 计算表得： 立管DN=20mm 支管DN=40mm 主管DN=50mm
允许喷灌强度 土壤质地 （mm/h) 砂土 20 砂壤土 15 粉壤土 12
土壤质地
轻质粘土 粘土
允许喷灌强度 （mm/h) 10 8
表2
各类土壤的允许喷灌强度
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②喷灌时间—为了达到既定的灌水定额，喷 头在每个位置上所需的喷洒时间。
mS t 1000QP
式中： t—喷灌时间（h)； m—设计灌水定额（mm)； S—喷头有效控制面积（m2);
喷头数为4，X=8/16=1/2
查表多口系数F=0.393，故பைடு நூலகம்管沿程水头损失为 hf=7.84m×0.393=3.08m
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5、单水源管网喷灌管网布置方式
“一”字型
“L”字形
“T”字形
狭长地带
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“H”形
长“一”字形
狭长地带
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梳齿形
鱼骨形
平行风向 1.3R 1.2R 1.1R
无主风向 1.2R 1.1R 1.0R
表1
喷头组合间距
（4）喷灌强度与喷灌时间
①喷灌强度—单位时间喷洒于田间的水层深度， （mm/h)。 1000QP 1000q S S
式中：ρ—喷灌强度（mm/h)； QP—喷头喷水量（m3/h)； S—喷头控制面积（m2)，其单喷头控制面积 为S=πR2
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喷灌系统的特点
喷灌的优点
① 近似于天然降水，对 植物全面进行浇灌， 可以洗去树叶上的尘 土，增加空气的湿度。 ② 节约用水。 ③ 节省空间。
喷灌的缺点
① 投资较高。 ② 受风和空气温度影 响大。 ③ 技术要求高。
④ 高、中压灌耗能较
大。
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喷灌系统的分类
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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。
【例3】设有一根长56mm的喷灌支管，管径为50mm的 PVC管，管上装有4个喷头，第一喷头距干管8m，喷 头间距为16m，每个喷头喷水量为4.5m3/h，求支管 的沿程水头损失 。
解：
进入该支管的流量Q=4.5×4=18m3/h
用谢才公式求hf，从表中查得Sof=5600s2/m6
hf=5600×56×(0.005m3/s)2 =7.84m
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管材和管件 管材和管件在绿地喷灌系统中起着纽带 的作用。它将喷头、闸阀、水泵等设备按照特 定的方式连接在一起，构成喷灌管网系统，以 保证喷灌的水量供给。 在喷灌行业里，常用的管材有 聚氯乙烯(PVC) 聚乙烯(PE) 聚丙烯(PP)
PVC等塑料管正在逐渐取代其他材质的管道， 成为喷灌系统主要的管材。 种类有管材、接头、弯头、异径、堵头、法 兰等。
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6、喷灌的工作制度
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。
喷灌的工作制度分轮灌和续灌两种。
《 园 林 工 程 》
确定轮灌方案时，应考虑以下要点：
（1）各轮灌组的工作喷头总数应尽量接近， 使系统的流量保持在较小的变动范围。
QP—喷头喷水量（m3/h)。
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3、喷灌系统管道的水力计算
水头损失包括沿程水头损失和局部水头损失。 沿程水头损失计算公式：
L hf 2 V 2 C R 式中：hf—沿程水头损失（m)； L—管道长度（m)； v—管中水流平均流速（m/s)； R—水力半径（m) C—谢才系数（m1/2/s),常用曼宁公式计算