第三章 喷灌工程技术

第四章 喷灌工程技术
烟草固定式喷灌
草坪喷灌
概述与喷灌技术要求
喷
灌
的
主 要
喷头
内
容
喷灌系统 喷灌系统自动化
概述 喷灌系统的分类与组成
喷灌技术的主要内容 喷灌的主要技术参数 喷头性能 喷头的种类和工作原理 射流式喷头的水力学原理
摇臂式喷头的结构 喷灌系统的类型
喷灌系统的规划设计
国外喷灌技术发展概况与前景
❖ 喷灌最初产生于19世纪末，在1920年以前主要用 于喷灌草坪和公园以及少量的蔬菜、苗圃、果树。
❖ 本世纪40年代以后，喷灌真正的用于大田灌溉， 随之出现了射程远而结构简单的摇臂式喷头和薄 壁铝管和合金管
❖ 从50年代以后开始陆续研制了许多移动管道的机 械系统，纵拖式（1948年）、滚移式（1935年）、 时针式（1955年）绞盘式（1965年）平移式 （1978年）相继研制成功
平均喷灌强度是指在一定面积上(一个喷头，或
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
n
n
i
i 1
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 i — —不计正、负的绝对值
喷灌均匀度和喷灌强度的田间测定
3、水滴打击强度
定义：就是单位喷洒面积的水滴对作物和土 壤的打击动能。
表示方法： 水滴的直径
雾化指标H/d
F——喷嘴的过水断面积（以平方米为单位）
——喷嘴的出口压力（以米为单位，等于喷头的工作压力减去喷头内的水头 损失）。由这个公式可以看出：在喷嘴大小相同时，流量与水头的平方根成正比。
影
流量
响
射
喷头自转速度
程
的
喷射仰角
其
他
因
喷管结构
素
喷射仰角
喷射仰角：固体在真空中抛射，射程以仰角45°最远。
但水舌在空气中喷射仰角与射程的关系，根据实验的 结果分析得知，当其它因素相同时，喷射仰角为28°— —32°时射程最远。
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
棉花固定式喷灌
向日葵固定式喷灌
半固定式喷灌系统
移动式喷灌系统
时针式喷灌机
时针式喷灌机田间布置鸟瞰图
卷管式喷灌机
大田棉花用卷管式喷灌机
滚移式喷灌机
喷灌强度
喷
灌
的
主
喷灌均匀度
要
技
术
参
数
水滴打击强度
1、喷 灌 强 度
喷嘴直径5mm, 工作压力300kPa, 假定 Cd=0.94, 计算其流量。
q A*C *d2 * H d
12.5 *.094* 52 * 30 1610(l / h)
2、工作压力
喷头要求在一定的水压力下才能正常工作。水压 力由水 泵供给或利用天然水头。故：
工作压力：喷头正常工作时，所要求的喷头进口 处的水 压力
❖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
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
1～3
<10 <20
中压喷头
3～5
10 ～ 40 20 ～ 40
高压喷头
>5
>40 >40
旋转式喷头
喷
头
按
其
固定式喷头
结
构
分
类
管孔式喷头
反作用式 叶轮式 摇臂式 离心式 缝隙式 折射式
多列孔管 单列孔管
固定式喷头
折射式喷头
离心式喷头
特点：
❖喷灌过程中，所有部件固定不动，水流以全圆 或扇形同时向四周散开 ❖ 水流分散，射程小（5～10m）喷灌强度大 ❖ 水滴细小，工作压力低 ❖ 结构简单，工作可靠，寿命长
雾化指标 H/d——喷头的工作压力与主喷嘴直 径之比
不同种类的雾化指标
雾化指标
种
类
蔬菜及花卉
粮食作物、经济作物及果树
牧草、饲料作物、草坪及绿化树木
H/d
4000～5000 3000～4000 2000～3000
水滴 打击 强度 的影 响因 素
喷头孔嘴大小 工作压力
喷嘴结构
水滴直径的确定wenku.baidu.com其对土壤的影响
就是喷灌面积上水量分布的均匀程度。 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。
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：
Cu (1
) 100%
n
i
i 1
1～3mm。
喷头的组合方式
喷头及支管间距计算
式中：
R设＝KR
R设＝喷头的设计射程 K＝与喷灌系统的形式、风速、等有关的系数，一般等于
0.7-0.9;对于固定式喷灌系统由于竖管装好后就无法移动
，如有空白就无法补救，故可以采用0.8，多风地区采用
0.7。
R＝喷头的射程(产品性能表上查的数值)
喷洒方式 组合方式 支管间距 sm 喷头间距 sl 有效控制面积
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
Example:
计算下列条件下喷头的射程，喷嘴直径1.2英寸，
压力水头h=600kPa， 25o
利用公式：
L B* d *h
1.4*0.98 1.2*25.4*60 59m
喷头按其工作压力和射程的 大小分类
喷头类别 性能
工作压 力 （kg/cm2)
喷水量 （m3/h ） 射程
（m）
低压喷头
测定方法：常采用体积法，循环水池三角堰或水表测定。
计算喷头流量的半经验方程：
q A * Cd * d 2 * H
上式中:
q——喷嘴流量（L/h) Cd——流量系数（＝0.9～0.96） d——喷嘴直径（mm） H——喷嘴进口压力（m） A——单位换算系数（上述单位时A＝12.5）
Example:(实例）
表1所列的范围分类。目前用得最多的是中、近射程喷 头，因为它消耗的能量较小，而且比较容易得到较好 的喷灌质量。
按照喷头的结构型式与水流性状可以分为旋转 式、固定式和孔管式三种
射程的计算
L B* d *h
上式中：
L－射程（m） d-喷嘴直径（mm） h-压力水头（m）
B-单位换算系数，当 3B=21o.4 当 24o 射程2分1别o 减少2％和4%
它的作用是把有压水流喷射到空中，散成细小的水滴，并 均匀喷洒在灌溉土地上。
因此喷头的性能、结构形式及制造质量的好坏将直接影响 喷灌的质量。
1、喷水量
喷水量(或称喷头流量)是指喷头在单位时间内，喷射出
来的水体积。
表示符号：q 常用单位： m3/h 有时也用L/s表示
转换关系： 1L/s＝3.6 m3/h
经过20多年的努力，现在我国已有喷灌面积80多 万hm2
喷灌技术的优点
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%
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。
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。
表示符号：H
常用单位：米水柱高或公斤／平方厘米
转换关系： 1公斤／平方厘米＝10米水柱 高= 98.07kPa
测定方法：一般用压力表测定
工作压力的计算公式
Hd Kd d
上式中：
Hd——工作压力（m） d——喷嘴直径（mm） Kd——水滴粉碎系数 一般：Kd=10——17 好：Kd=11——14
用途：
公园、苗圃、温室等
旋转式喷头
根据转动机构的特点，将旋转式喷头分为摇臂式、叶轮式、和反作 用式齿轮式四种。 齿轮式、摇臂式喷头分别是农业和草坪灌溉中最广泛的两种喷头
射流式喷头的水力学原理
工作压力、喷水量和射程之间的关系自由出流喷嘴的 流量可按下式计算：
Q F 2gH嘴
式中：
μ——喷嘴的流量系数，一般等于0.9——0.95
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。
q*t A*t
q A
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
压力对水量分布的影响
压力适中
灌水深度
压力过低
压力过高
2、喷管均匀度
水滴直径根据作物、用途、风速和土壤等因素确定。
水滴太大，容易破坏土壤表层的团粒结构，造成土壤板
结，甚至打伤作物的幼苗或造成某些作物倒伏，还会把
土溅到作物叶面上影响作物的生长。水滴太小，在空
中蒸发损失大，受风的影响也大。
因此，要根据灌溉作物和土壤性质选择恰当的水滴直径。 一般要求最远处水滴平均直径为:
❖ 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
喷灌是把由水泵加压或自然落差形成的有压水通 过压力管道送到田间，再经喷头喷射到空中，形 成细小水滴，均匀地洒落在农田，达到灌溉的目 的一种灌溉方式
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
❖1983年世界喷灌面积达到4亿亩 ❖以色列、罗马尼亚、联邦德国、捷克斯洛伐克等
国的喷灌面积占其灌溉面积的100％ ❖美国、苏联的喷灌面积占其灌溉面积的40％，但
其分别占总灌溉面积的1/3 ❖主要灌溉作物为蔬菜、果树、葡萄、经济作物、
牧草、玉米和小麦
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
正方形 1.42R 设
1.42 R 设
2 R 设2
全圆
正三角形
R设
1.73 R 设
2.6 R 设 2
矩形
1.73 R 设
R设
1.73 R 设 2
扇形
三角形 1.865 R 设
R设
1.965 R 设 2
组合平均喷灌强度
＝ q q
A S *S
1
m
l
式中：q=喷头流量 Sm＝支管间距 Sl＝喷头间距
允许的喷灌强度
土壤的入渗速率过程
各类土壤允许的喷灌强度
土壤质地 砂土
允许喷灌强度 (mm/h) 20
砂壤土
15
壤土
12
粘壤土
10
粘土
8
注：允许的喷灌强度应小于土壤的入渗速率
喷头性能
喷头的种类和工 作原理
喷
射流式喷头的水 力学原理
头
摇臂式喷头的结 构
喷水量 工作压力
射程
二、喷头
喷头是喷灌机与喷灌系统的重要组成部分。
❖定义：
单位时间内喷洒在单位面积土地上的水量，mm/h
❖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
喷灌强度有点喷灌强度 i 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
h t
3、射程
射程：指在无风条件下喷头喷洒的水流所能达到
的最远距离。 表示符号：R 常用单位：m
测定方法：规定喷灌强度等于各点喷灌强度平均值 5％的那一点，至喷头的距离作为喷头的射程。
影响因素：射程的大小，主要决定于工作压力和喷 水量，但也受喷头结构、自转速度等因素的影响。
喷头的种类和工作原理
按其工作压力和射程的大小可以分为低压喷头 (或称近射程喷头)、中压喷(或称中射程喷头)和 高压喷头(或称高射程喷头)其划分界线大致可以按