噴灌系統(tǒng)的規(guī)劃設計.doc

第八節(jié) 噴灌系統(tǒng)的規(guī)劃設計 噴灌系統(tǒng)是由水源取水，經(jīng)過水泵加壓(自壓系統(tǒng)除外)，再通過各級壓力管道，送至豎管及噴頭而形成一個完整的管道系統(tǒng)。其中固定管道式多是將干、支管均埋入地下。半固定管道式多是將干管鋪設在地上，支管位于地面，灌完一片后移動到另一片，它們的管道設計方法基本一致。機組式噴灌系統(tǒng)則有所不同，這里重點講述固定管道式噴灌工程的規(guī)劃設計。 一、噴灌工程規(guī)劃設計的原則和內(nèi)容 (一) 原則 1、管道工程分級 噴灌系統(tǒng)較小時，管道分成兩級，干管和支管；有三級管道時分為干管，分干管和支管；有四級管道時，分總干管、干管、分干管和支管。最末一級，帶有噴頭的工作管道，稱為支管。連接噴頭與支管的管道稱豎管。 2、管道布置原則 (1) 管道布置應使管道總長度盡量短，管徑小，造價省，有利于防止水擊。 (2) 山丘區(qū)布置噴灌系統(tǒng)時，一般應使干管沿主坡向布置，支管則平行等高線布置。 (3) 管道布置應考慮各用水單位的需求，便于用水管理，有利于進行輪灌分組。 (4) 平原地區(qū)，支管盡量與作物耕作方向一致。 (5) 充分考慮地塊的地形變化，力求使支管長度一致，規(guī)格統(tǒng)一。管線縱剖面應力求平順，減少折點，盡量避免管線出現(xiàn)駝峰。 (6) 管線的布置應結合排水系統(tǒng)，道路林帶，供電系統(tǒng)及行政村的規(guī)劃統(tǒng)一規(guī)劃，山、水、田、林、路。 (二) 噴灌工程規(guī)劃設計的主要內(nèi)容 1、勘測和收集基本資料：(1) 地形圖，(2) 土壤，(3) 氣候，(4) 水源，(5)農(nóng)作物，(6) 動力供應，(7) 交通，(8) 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀。 2、確定噴灌區(qū)域 根據(jù)水源、地形、土壤、農(nóng)作物及經(jīng)濟條件，確定噴灌區(qū)域的范圍和面積。 3、計算噴灌用水量，進行水源工程的規(guī)劃設計。 4、確定噴灌系統(tǒng)類型，對選定的方案進行設計，也可以選兩種以上方案進行比較，確定最優(yōu)方案。 5、計算工程、設備統(tǒng)計表、編制概預算。 6、編制工程施工進度計劃表。 (三) 主要設計成果 1、噴灌工程規(guī)劃設計說明書一份。 2、噴灌工程平面布置圖，管道、溝渠縱剖面圖，管道結構示意圖，建筑物設計圖(泵站、泄水井、支墩、鎮(zhèn)墩、農(nóng)橋等)。 (四) 噴灌工程規(guī)劃設計類型 1、管道式噴灌工程規(guī)劃設計，包括固定式和半固定式。 2、機組式噴灌工程規(guī)劃設計，包括定噴機和行噴機。 3、自壓噴灌工程規(guī)劃設計。 (五) 噴灌工程規(guī)劃設計依據(jù)(標準) 1、國家標準噴灌工程技術規(guī)范GBJ8585。 2、噴灌工程設計手冊水電出版社。思考題：噴灌工程規(guī)劃設計的主要內(nèi)容和主要設計成果。 二、噴灌工程規(guī)劃設計的基本資料(噴灌工程的勘察設計) (一) 地形資料 噴灌系統(tǒng)的規(guī)劃布置應有實測的地形圖，其比例視灌區(qū)大小，地形的復雜程度以及設計階段要求的不同而定。在規(guī)劃階段，5000畝以上灌區(qū)要求1/50001/10000的地形圖，5000畝以下灌區(qū)，1/20001/5000地形圖。對于小地塊要求1/500 1/1000的地形圖，對于地勢平坦的小塊灌區(qū)，至少應用平面位置圖，包括田塊高程，水源位置(水位、高程)等資料。 (二) 土壤資料 土壤資料包括：(1) 土壤質地，(2) 田間持水能力，(3) 土壤入滲速度，(4)土壤化學性質。 1、土壤質地 土壤質地是指土壤顆粒的機械組成，即按不同粒徑的礦物質顆粒在土壤中所占比例對土壤進行分類。土壤一般分為：砂土、砂壤土、輕壤土、中壤土、重壤土、粘土、分類方法有顆粒分析法和野外手測法。 2、土壤容量 單位體積自然狀態(tài)下的干土的重量。單位g/cm3，其范圍在1.31.6之間。主要測試方法有環(huán)刀法，參考農(nóng)田水利學教材。 3、田間持水量 土壤田間持水量是指在有良好排水條件下的土壤中，排水后不受重力影響而保持在土壤中的水分含量，常用占干土重的百分數(shù)表示。在有條件的地方，可對灌區(qū)土壤田間持水量進行野外測定。 4、土壤入滲能力 土壤入滲能立一般用土壤入滲速度來表示，主要是選定允許噴灌強度。 5、土壤化學性 包括PH值，含鹽量，有機質含量以及氮、磷、鉀等含量。 6、土壤最大凍土層深度。 (三) 氣象資料 噴灌工程規(guī)劃設計應收集的氣象資料有：降雨量(年降雨量、典型年日降雨量)，蒸發(fā)量(水面、陸面)，氣溫(最高、最低、極端)，濕度，日照，無霜期(被霜期、冬霜期)。 噴灌的缺點之一就是受風影響大，所以做噴灌工程設計應特別注意此問題。風速風向是確定噴頭布布置形式和管道布置方式的重要依據(jù)。 風向：一般可分為8個方位，即東、南、西、北、東北、西北、東南、西北八個方向。設計風向是指灌區(qū)主要農(nóng)作物灌水時期內(nèi)灌水日的主風向。如此季節(jié)沒有時顯的主風向，應按多風向設計。 風速：指噴灌工作日的平均風速。氣象站給出的風速為10米高處風速，手持風速儀可測量2米處的風速，它們之間換算關系 U10=1.39V2 式中：U10為10米高處風速，V2 為2米高處風速。 風力等及與風速關系為：0級(00.2m/s)，1級(0.31.5m/s)，2級(1.63.2m/s)，3級(3.35.5m/s)，4級(5.57.9m/s)。 當風力等級大于3級風時應停止噴灌。 (四) 水源條件 噴灌所用水源有：河流、水庫、池塘、山泉、湖泊、井水等。對水源的調(diào)查內(nèi)容包括：1) 來水量，2) 水位，3) 水質，4) 含砂量等。其資料應有一定的代表性(長系列水文資料，典型年日來水量資料)，特別要注意灌溉季節(jié)的水位流量變化。 應用地下水作噴灌工程水源時，應查明灌區(qū)地下的情況，包括可供開采的單井出水量，水質等，要了斛地下水多年平均降深的變化，做到在多年的運行中保證地下水采補平衡，保護地下水資源。 在多泥沙河流上取水時，要特別注意河流的含沙量，重要工程要做沉沙工程，以保證噴灌工程的正常運行。 應用城市污水灌溉時，應對污水進行水質處理。噴灌水源的水質應滿足農(nóng)田灌溉水質標準GB508492。 (五) 農(nóng)作物包括：灌區(qū)作物種類、種植面積、種植方式、作物布局和結構、復種指數(shù)。其中作物耗水資料，作物根系活動層有條件時應作實驗，無條件可查閱相關農(nóng)田試驗站的實驗資料或有關書籍農(nóng)田水利學、作物耗水量等資料。(六)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟概論 (1) 灌區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，水利工程現(xiàn)狀，農(nóng)業(yè)機械化程度。 (2) 灌區(qū)農(nóng)業(yè)收入情況，糧食單產(chǎn)，價格、生產(chǎn)費用等。 (3) 交通條件。 (4) 行政區(qū)劃。 (5) 動力設備情況。 三、噴灌工程類型選擇 噴灌工程的類型應根據(jù)作物種類、經(jīng)濟條件、動力設備條件、地形條件等因素確定。經(jīng)濟價值高的作物可采用固定管道式噴灌工程，大田作物宜采用半固定式或機組式噴灌系統(tǒng)，有自然水頭的地方盡量采用自壓噴灌工程。 四、噴灌制度的制定 噴灌制度包括：(1) 灌溉定額，(2) 灌水定額，(3) 灌水次數(shù)，(4) 灌水周期等。灌溉定額指各次灌水定額之和，灌水定額指一次灌水時，單位面積上的灌水量。 (一) 設計灌水定額 設計灌水定額按下式計算式中：m設計灌水定額，(mm)；H為噴灌土壤計劃濕潤層深度，(cm)，對于大田作物可取4060cm；r為土壤干容量，(g/cm3)；土壤含水量上限(取田間持水率)，為土壤含水量下限(取田間持水率的60%)， 為噴灑水利用系數(shù)(一般取0.850.95)。 若用m0表示米3/畝的灌水定額，m表示mm灌水定額，它們之間關系為： 10 mm水深相當于6.67m3/畝的灌水量 (二) 設計灌水周期 設計灌水周期指兩次灌水的時間的間隔，以天數(shù)表示。設計灌水周期可用下式確定： 式中：為設計灌水周期，(d)；m為設計灌水定額，(mm)；噴灑水利用系數(shù)；Ea為作物臨界耗水期日平均耗水量，(mm/d)。 (三) 噴灌制度確定方法 1、水量平衡法 1) 播前灌水定額 式中：m0為播前灌灌水定額，(mm) ；為播前土壤含水量。 2) 生育期內(nèi) 以農(nóng)田水學利中水量平衡法來制定生育內(nèi)的灌水定額和灌水次數(shù) 式中：Wt 、W0 為時段初和時段t時的土壤計算濕潤層的儲水量，(mm) ；Wr 為由于計劃濕潤層增加而增加的水量，(mm) ；P0為保存在土壤計劃濕潤層內(nèi)的有效雨量，(mm) ；K為時段t內(nèi)的地下水補給量M為時段t內(nèi)的灌溉水量，(mm) ；ET為時段t內(nèi)的作物田間需水量，(mm) 。 3) 全生育期 M=M0+M1 2、彭曼公式法 1) 參作物需水量計算 參照作物是指土壤水分充分、地面完全覆蓋、生長正常、高矮整齊的開闊(地塊長寬大于200m)的矮草地(草高8-15cm)，以苜蓿草為代表作物，計算ET0 2) 實際需水量的計算 ET=Kc(ET0)式中：Kc為作物系數(shù)。葉面蒸滕量棵間蒸發(fā)量騰發(fā)量作物田間需水量水田：田間需水量滲漏量田間耗水量由于水田不同土壤滲漏量大小差別很大，為了使不同土質田塊水稻需水具有可比性，因此水稻的田間需水量不包括滲漏量，如計入滲漏量，則稱為田間耗水量。 五、噴灌工作制度 噴灌工作制度是指噴灌工程運行中，噴頭在固定位置的噴灌時間，同時工作的噴頭數(shù)以及噴頭輪灌組的劃分等內(nèi)容。 1、噴頭在一個位置(工作點)的噴灌時間按下式確定 2、同時工作的噴頭數(shù)和支管數(shù) 同時工作的噴頭數(shù)可按下式計算式中： Nt為同時工作的噴頭數(shù)；A為噴灌工程控制面積，(m2); C為一天中噴灌工程有效工作的時間(2024h) 同時工作的支管數(shù) 式中： Nt為同時工作的支管數(shù)；N為一根支管安裝的噴頭數(shù)，以上計算結果均應取整數(shù)。 3、輪灌方案 1) 輪灌組劃分要點： 輪灌的編組應有一定的順序，以便管理。 相同類類型的輪灌組的工作噴頭總數(shù)應盡量接近，從而使噴灌工程的流量變幅較小。 輪灌編組時，應使地形較高或路程較遠的組別的噴頭式支管數(shù)略少，以利于保持噴灌泵均在高效區(qū)工作。 編制輪灌組輪灌順序，應將流量分散到各配水管中，避免集中在某一條干管配水。 2) 支管輪灌方式 兩根支管從地塊一頭齊頭并進，干管從頭到尾的流量等于兩根支管流量之和。 兩根支管由地塊兩端中間交叉前進。 兩根支管由中間的兩端交叉前進。、 兩種方案只有前半段干管通過流量等于兩根支管流量之和，而后段干管通過的流量只等于一根支管的流量。這樣，水頭損失小或可以減少后半段干管的管徑。 六、噴灌系統(tǒng)組合距的確定 1、噴灌方式 噴頭的噴灌方式有園形噴灌(也叫全園噴灌)和扇形噴灌兩種。一般在管道噴灌工程中，除了位于地塊邊緣的噴頭作扇形噴灌外，其余噴頭均采用全園噴灌。在機組式噴灌系統(tǒng)中，為避免噴濕機道，一般采用扇形噴灌方式。 2、噴頭參數(shù)的選擇 1) 工作壓力，2) 噴頭型號，3) 噴咀直徑，4) 射程，5) 噴頭量。 3、計算和校核霧化指標 H/D值是否滿足要求。 (二) 噴頭的組合形式 噴頭的組合形式包括支管布置方向、噴頭組合方式及噴頭沿支管的間距，支管和支管的間距等。 1、支管布置方向 支管布置的方向，除考慮地形因素及作物種植方向外，還應考慮風向和地形坡度的方向。 (1) 受風影響 無風條件下，噴頭噴灌為一個園形面積。有風時，順風向一側，噴頭射程增加，逆風向一側，噴頭射程減小，而平行風向的兩側，射程也相應變小。所以，在一般情況下，支管布置在垂直主風的位置，干管則布置在平行主風向的位置。 (2) 地面坡度影響 地面有坡度時，下坡方向，噴頭射程加大，上坡方向，噴頭射程變小。一般情況，支管平行等高線布置，干管垂直等高線布置。 2、噴頭的組合形式 噴頭組合形式也稱布置形式，指噴灌工程中每個噴頭所處的相對位置的排列方式。一般用相鄰4個噴頭平面位置組成的圖形表示。噴頭組合形式有長方形、正方形、三角(正三角和等腰三角形)三種形式。 在灌水季節(jié)主風向明顯時，采用支垂直主風的長方形布置，加大支管間距，可以減少管道的投資。當灌水季節(jié)主風向多變時，要采用正方形布置，以減小風的影響。三角形布置復雜且不實用，一般較少采用。 (三) 確定噴頭的組合間距 噴頭的組合間距是指噴頭沿支管的間距和兩條相鄰支管間的間距，稱噴頭間距（a）和支管間距（b）。1、定系數(shù)法 根據(jù)噴頭不同的噴灑方式及不同的組合形式，基本上以對角線方向上的兩個噴頭的濕潤圓相切，按幾何作圖法并以噴頭射程乘以一個系數(shù)，求出噴頭間距和支管間距。為了不發(fā)生漏噴現(xiàn)象，常將噴頭射程打一個折扣，用設計射程(或有效射程)為幾何作圓的依據(jù)，故又稱幾何組合法。噴灑方式組合方式噴頭間距支管間距全園正方形長方形1.42R設R設1.42R設1.73R設扇形長方形R設1.73R設 噴頭的設計射程為R設=KR式中：R設噴頭設計射程，(m)；K為折減系數(shù)，一般取0.70.9。固定管道式噴灌工程取0.8，多風地區(qū)取0.7，無風地區(qū)取0.9。R為噴頭射程，(m)，見產(chǎn)品說明書。 2、變系數(shù)法 這一成果是我院施均亮教授提出的，這一方法是基于對噴頭試驗研究，歸納出在滿足均勻系數(shù)Cu75%條件下，各風速等級條件下的最大組合間距比。 噴頭間距和支管間距按下式計算 a=Ka R b=KbR式中：a為噴頭間距，(m)；b為支管間距，(m)；Ka為噴頭間距布置系數(shù)；Kb為支管間距布置系數(shù)。風速m/s長方形布置正方形布置噴頭間距支管間距0.31.61.63.43.55.41.01.00.80.80.61.31.31.11.11.01.11.01.00.90.90.7 計算得到的a及b值還應調(diào)整到符合支管管道規(guī)格長度的倍數(shù)。一般應做取小處理。 3) 驗算設計噴灌強度 按公式計算噴灌工程的組合噴灌強度是否滿足允許噴灌強度的要求。如滿足，則驗算通過，a，b值可以確定下來，所選噴頭及參數(shù)確事實上下來；如不滿足，則需要重新選擇噴頭及參數(shù)，上述過程，直到滿足要求為止。 七、噴灌管道水力計算 1、分級 固定式、半固定式噴灌工程，視系統(tǒng)控制的面積大小對管道進行分布，面積大時，可布置成總干，干、分干、支四級；干管、分干管、支管三級，面積較小時一般布置成干管和支管兩級。支管是田間末級管道，支管上安裝噴頭。 2、管網(wǎng)布置形式 管網(wǎng)布置形式有：樹狀網(wǎng)、環(huán)狀網(wǎng)、混合網(wǎng) 樹狀管網(wǎng)是噴灌工程管道布置應用最多的一種形式。這種管道布置簡單，適應于各種地形，水力計算也較簡單。 環(huán)狀管網(wǎng)是一種閉合網(wǎng)，由很多閉路環(huán)組成，又稱閉路網(wǎng)。這種管網(wǎng)在供水工程中應用較多，在噴灌工程中應用較少。優(yōu)點是某一水流方向的管道出事故，可由另一方向的管道繼續(xù)供水。環(huán)狀管網(wǎng)的布置和水力計算可參閱供水工程有關書籍。 (二) 噴灌支管設計支管是噴灌工程中最末一級管道，支管上裝有豎管，豎管上安裝噴頭。豎管高度可依據(jù)噴灌作物高度確定。H豎=H作+h 噴灌支管設計時，支管的工作壓力差的選取應符合設計要求，即同一支管上任意兩個噴頭之間的水頭差應在噴頭設計工作壓力的20%以內(nèi)。 hw+z 0.2hp (三) 輸水管道優(yōu)化設計 噴灌工程中管道優(yōu)化設計主要內(nèi)容是選擇管道的最優(yōu)管徑。 (1) 經(jīng)驗公式法 當Q120m3/h時 當Q120m3/h時 (2) 經(jīng)濟流速法 式中：D為經(jīng)濟管徑，mm；Q為管道設計流量，m3/s；V為經(jīng)濟流速，經(jīng)濟流速一般由經(jīng)驗確定，取1.61.8m/s (3) 非線性規(guī)劃法 目標函數(shù) minz= 約束條件 式中：Z為總內(nèi)壁面積；D、 L為管道內(nèi)徑及長度；H為噴頭工作壓力；n為管道內(nèi)壁糙率；I為地形坡度；q為供水區(qū)用水率；A為噴灌面積。 經(jīng)過運算求解，得 式中：為最優(yōu)水力坡降。 (4) 微分法(年費用最小法) 當管道流量已知時，管徑越大，則投資大，管徑與投資成正比。另一方面，管徑大，流量一定時流速小，水頭損失小，運行費用低，管徑與運行費用成反比。其中必有一種管徑，使上述兩種費用之和為最小，這時管徑常稱為經(jīng)濟管徑，根據(jù)這一原理可用年費用