大田灌溉喷灌系统水力计算教程

《园林工程》上节课内容回顾1、水头损失概念及其分类？2、树枝状管网的计算目的？《园林工程》五、喷灌系统的设计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。(一)喷灌系统简介《园林工程》《园林工程》《园林工程》《园林工程》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。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。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．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。(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。《园林工程》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。(二)固定式喷灌系统设计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1、设计基础资料的收集《园林工程》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。《园林工程》风向图《园林工程》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《园林工程》（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。《园林工程》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1210.1()mrhPP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%《园林工程》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。《园林工程》（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。mTW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。《园林工程》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。《园林工程》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。a.喷洒方式：（3）喷洒方式和喷头组合形式《园林工程》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）b.喷头布置形式：《园林工程》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。c.喷头及支管间距：《园林工程》设计风速（m/s)垂直风向平行风向无主风向0.3～1.61.1R1.3R1.2R1.6～3.31.0R1.2R1.1R3.4～5.40.9R1.1R1.0R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)。10001000PQqSS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=πR221000PQR《园林工程》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。1000PQab式中：a—喷头布置间距（m)；b—相邻支管的间距（m)。多行多喷头喷洒《园林工程》土壤质地允许喷灌强度（mm/h)土壤质地允许喷灌强度（mm/h)砂土20轻质粘土10砂壤土15粘土8粉壤土12表2各类土壤的允许喷灌强度《园林工程》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。1000PmStQ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);QP—喷头喷水量（m3/h)。《园林工程》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：22fLhVCR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《园林工程》曼宁公式：161CRn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)《园林工程》表3：各种管材的粗糙系数n值《园林工程》将有关数值代入公式并化简，则：225.3310.28fLhnQd令，Sof称为单位（或每米）管长沿程阻力参数，则25.3310.28ofnSd2fofhSLQ式中：Q—管中流量（注意单位是m3/s)。表4：单位管长沿程阻力系数S0f值《园林工程》局部水头损失，可按沿程水头损失值的10%计算。《园林工程》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。多口系数的引入表6：多口系数F值《园林工程》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。【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【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/m6hf=5600×56×(0.005m3/s)2=7.84m喷头数为4，X=8/16=1/2查表多口系数F=0.393，故支管沿程水头损失为hf=7.84m×0.393=3.08m《园林工程》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《园林工程》“H”形长“一”字形狭长地带《园林工程》鱼骨形梳齿形《园林工程》扩大的梳齿形扩大的鱼骨形《园林工程》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。《园林工程》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。（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。《园林工程》7、水泵与动力选型1)设计扬程式中：H—喷头的自由水头△—典型喷头高程与水源水位高差(m)11iinnpfjiiHHhh《园林工程》2)设计流量根据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。式中：Nt为同时工作喷头数。ptQNq《园林工程》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。8、注意问题《园林工程》工作压力越大、喷嘴直径越小，则雾化度越大，因此以H/d来反映雾化程度。若喷头工作压力为hp(kpa),喷嘴直径为d(mm),则雾化指标表示为pd越大则雾化程度越高。《园林工程》表7：不同作物对雾化度的要求《园林工程》【例4】已知喷头性能参数如下:喷嘴直径d=9mm,工作压力hp=400kPa,喷头流量q=6.09m3/h,射程R=23.4m。喷灌苗圃地形平坦，土壤为粉壤土，其允许喷灌强度为12mm/h，。支管间距为24m，喷头间距为18m，多支管多喷头同时喷灌。1）计算该喷头雾化指标；2）计算喷灌强度。3）判断雾化指标和喷灌强度是否满足要求《园林工程》解:（1）计算雾化指标（2）计算喷灌强度喷灌水利用系数h取0.9（3）雾化程度偏高，喷灌强度也超过了粉壤土的允许喷灌强度，不符合规范要求mm/hS《园林工程》解决办法1）减小雾化程度：减小喷头工作压力；或加大喷嘴直径。2）减小喷灌强度：减小喷嘴流量；或加大组合间距。