第二节 喷灌的主要设备
一、喷头类型及其主要性能参数
（一）喷头类型
喷头是喷灌系统的主要组成部分，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地散落在它所控制的灌溉面积上。因此，喷头结构型式及其制造质量的好坏直接影响到喷灌质量。喷头的种类很多，可按不同的方式对喷头进行分类。
1.按工作压力和射程分类
按工作压力和射程大小可分为低压喷头（或称近射程喷头）、中压喷头（或称中射程喷头）和高压喷头（或称远射程喷头）等。各类喷头工作压力和射程范围大致如表1-4所示。目前，我国使用最普遍的喷头是中射程喷头，其耗能少，喷洒质量较好。
表1-4 喷头按工作压力和射程分类表
2.按结构型式和喷洒特征分类
按结构型式和喷洒特征又可把喷头分为旋转式、固定式和孔管式三种。
（1）旋转式喷头。旋转式喷头又称为射流式喷头，其特点是边喷洒边旋转，水从喷嘴喷出时形成一股集中的水舌，故射程较远，流量范围大，喷灌强度较低，是目前我国农田灌溉中应用最普遍的一种喷头型式。按移动机构的特点，旋转式喷头又可分为摇臂式、叶轮式和反作用式三种，其中摇臂式喷头应用最多。
摇臂式喷头的转动机构是一个装有弹簧的摇臂，在摇臂的前端有一个偏流板和一个勺形导水片，喷水前偏流板和导水片置于喷嘴正前方，当开始喷水时水舌通过偏流板或直接冲击到导水片上，并从侧面喷出，水流的冲击力使摇臂转动并把摇臂弹簧拉紧，然后在弹簧力的作用下摇臂又回位，使偏流板和导水片进入水舌，在摇臂惯性力和水舌对偏流板的附加应力的作用下，敲击喷体（即弯头、喷管、喷嘴等组成的一个可以转动的整体），使喷管转动3°～5°，于是又进入第二个循环，如此往复，使喷头不断地旋转喷洒。其结构如图1-5、图1-6所示。摇臂式喷头喷洒范围可以是圆形，也可以是扇形。为了控制喷洒面积成扇形，需在这类喷头上装有换向机构，喷头不断往返成扇形旋转。
图1-5 单嘴带换向机构的摇臂式喷头结构图
1—空心轴套；2—减磨密封圈；3—空心轴；4—防沙弹簧；5—弹簧罩；6—喷体；7—换向器；8—反转钩；9—摇臂调位螺钉；10—弹簧座；11—摇臂轴；12—摇臂弹簧；13—摇臂；14—打击块；15—喷嘴；16—稳流器；17—喷管；18—限位环
图1-6 双嘴摇臂式喷头的典型结构图
1—导水板；2—挡水板；3—小喷嘴；4—摇臂；5—摇臂弹簧；6—三层垫圈；7—空心轴；8—轴套；9—防沙弹簧；10—摇臂轴；11—摇臂垫圈；12—大喷管；13—整流器；14—大喷嘴
摇臂式喷头的缺点是在有风和安装不平的情况下，旋转速度不均匀，影响喷灌质量。但它结构简单，维修方便，便于推广，使用最普遍。
（2）固定式喷头。固定式喷头又叫漫射式或散水式喷头，它的特点是在整个喷灌过程中，喷头的所有部件都是固定不动的，水流以全圆周或扇形同时向外喷洒。其优点是结构简单，工作可靠；缺点是水流分散，射程小（5～10m），喷灌强度大（15～20mm/h以上），水量分布不均，喷孔易被堵塞。因此，其使用范围受到很大限制，多用于公园、苗圃、菜地、温室等。按其结构形式可分为折射式（图1-7）、缝隙式（图1-8）和离心式（图1-9）三种。
图1-7 折射式喷头
（a）内支架式；（b）外支架式；（c）整体式
1—折射锥；2—喷嘴；3—支架；4—管接头
图1-8 缝隙式喷头
1—缝隙；2—喷体；3—管接头
图1-9 离心式喷头
1—喷嘴；2—蜗壳；3—锥形轴
（3）孔管式喷头。该喷头由一根或几根较小直径的管子组成，在管子的顶部分布有一些小的喷水孔，喷水孔直径一般为1～2mm。喷水孔分布形式有单列式和多列式两种，如图1-10所示。
图1-10 孔管式喷头
孔管式喷头的优点是结构简单，缺点是喷灌强度较高，水舌细小，受风的影响大；孔口小，抗堵塞能力差；工作压力低，支管内实际压力受地形起伏的影响大。一般用于菜地、苗圃和矮秆作物的喷灌。
（二）喷头的主要性能参数
喷头的主要性能参数有工作压力、流量、射程等，它们是选择喷头的主要依据。
1.工作压力
喷头工作压力是指喷头工作时，在距其进口下方200mm处的实测压力值。一般用hp表示，单位kPa。
2.流量
单位时间内喷头喷出的水量称为喷头流量。用q表示，单位为m3/h或L/s。
3.射程
射程是指喷头正常工作时，喷洒有效湿润范围的半径。一般用R表示，单位为m。
表1-5列出了常用摇臂式喷头性能参数，可供设计时参考。
表1-5 常用摇臂式喷头性能参数表
续表
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二、管道及附件
（一）管道
管道是喷灌系统的主要组成部分。按其使用条件可分为固定管道和移动管道两类。对喷灌用管道的要求是能承受设计要求的工作压力和通过设计流量，且不造成过大的水头损失，经济耐用，耐腐蚀，便于运输和施工安装。对于移动式管道还要求轻便、耐撞击、耐磨和能经受风吹日晒。由于管道在喷灌工程中需要的数量多，占投资比重大，因此，必须因地制宜、经济合理地选用管材及附件。
1.固定式管道
常用的固定管道有：钢管、铸铁管、钢筋混凝土管、石棉水泥管、塑料管等，管径一般为50～300mm。
（1）钢管。其优点是能承受较大的压力（可承压1.5～6.0MPa），与铸铁管相比，韧性强，能承受动荷载，管壁较薄，节省材料，管段长而接头少，铺设安装方便。缺点是价格高，使用寿命短（常年使用的输水钢管寿命约为20年），易腐蚀，因此，埋设在地下时钢管表面应涂有良好的防腐层。
常用的钢管有无缝钢管、水煤气钢管和焊接钢管等。
（2）铸铁管。其优点是承受内水压力大，一般可承压1MPa；工作可靠；使用寿命长，一般可使用30～60年。缺点是性脆，管壁厚，重量大，不能经受较大的动荷载，比钢管要多花1.5～2.5倍的材料；每节管子有效长3～4m，仅为钢管的1/3～1/4，故接头多，增加施工工作量；在长期输水后，由于内壁锈蚀会产生锈瘤，使内径逐渐变小，阻力逐渐加大，从而降低其过水能力。
铸铁管的接口有法兰接口和承插接口两种，一般明设管道采用法兰接口，埋设地下时用承插接口。按加工方法和接头形式，铸铁管可分为铸铁承插直管、砂型离心铸铁管和铸铁法兰直管。按其承受压力大小，可分为低压管(工作压力不大于450kPa)、普压管(工作压力450～750kPa)和高压管(工作压力750～1000kPa)。喷灌中一般采用普压管或高压管。
（3）钢筋混凝土管。有自应力钢筋混凝土管和预应力钢筋混凝土管两种，可以承受400～700kPa工作压力。其优点是节省钢材和生铁，而且不会因锈蚀使输水性能降低，使用寿命长（一般可使用40～60年以上）。缺点是质脆，自重大，运输不便，价格较高等。
（4）石棉水泥管。石棉水泥管是用75%～85%的水泥与15%～25%的石棉纤维（以重量计）混合后经制管机卷制而成，承压力在600kPa以下，规格直径为75～500mm，管长为2～5m。具有耐腐蚀、重量轻、便于搬运和铺设、输水能力较稳定、可加工性能好等优点。缺点是性脆，抗冲击能力差，运输中易损坏，质量不均匀等。
（5）塑料管。喷灌常用的塑料管有硬聚氯乙烯管、聚乙烯管和聚丙烯管等，硬聚氯乙烯（PVC—U）承插管的使用最为普遍，管道的规格见表1-6，低压输水管道的规格见第三章表3-1。塑料管的承压力按壁厚和管径不同而异，一般为0.2～1.6MPa。
表1-6 硬聚氯乙烯实壁管公称压力和规格尺寸
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注 1.公称壁厚（en）根据设计应力（σa）12.5MPa确定。
2.本表规格尺寸适用于中、高压输水灌溉工程用管。
3.本表摘自GB/T 23241—2009《灌溉用塑料管材和管件基本参数及技术条件》。
塑料管的优点是耐腐蚀，使用寿命长（一般可用20年以上），质量轻，内壁光滑、水力性能好，施工容易，能适应一定的不均匀沉陷等。缺点是低温性脆，易老化，但埋在地下可减慢老化速度。
塑料管的连接形式有刚性连接和柔性连接两种。刚性连接有法兰连接、承插连接、粘接和焊接等，柔性连接多为铸铁管套橡胶圈止水的承插式连接。
2.移动式管道
喷灌用移动式管道由于经常需要移动，除了满足一般要求外，还必须轻便，容易拆装，耐磨、耐撞击等。常用的移动管道有塑料管、铝合金管和镀锌薄壁钢管等。
（1）塑料管。用作移动管道的塑料管有硬管、软管和半软管。硬管和半软管的规格特点与固定管道基本相同，不过由于经常暴露在外面，要求抗老化性能强，故常在其中掺炭黑做成黑色管子，每节管长4～6m，用快速接头连接。常用的塑料软管有锦纶塑料管和维塑软管两种。这两种管子重量轻，便于移动，价格低，但易老化，不耐磨，怕扎、怕折，一般只能使用2～3年。
（2）铝合金管。铝合金管具有强度高，重量轻，耐腐蚀，搬运方便等特点。铝合金的密度为2.8，约为钢的1／3，单位长度重量仅为同直径水煤气管的1／7，比镀锌钢管还轻，在正常情况下使用寿命可达15～20年左右。缺点是价格较高，管壁薄，容易碰瘪。
（3）镀锌薄壁钢管。镀锌薄壁钢管是用厚度为0.7～1.5mm的带钢卷焊而成。在管端配上快速接头，经过镀锌处理，能防止生锈。其优点是强度高，韧性好，能经受野外恶劣条件下由水和空气引起的腐蚀，使用寿命长。但由于镀锌质量不易过关，影响使用寿命，而且价格较高，重量也较铝管、塑料管大，移动不如铝管、塑料管方便。
（二）附件
管道附件是指管道系统中的控制件和连接件，它们是管道系统不可缺少的配件。
1.控制件
控制件的作用是根据喷灌系统的要求来控制管道系统中水流的流量和压力，确保管道系统运行安全。一般常用的控制件有阀门、安全阀、减压阀、进排气阀、水锤消除器、专用阀等。
（1）阀门。阀门用以控制管道的启闭与调节流量，按工作压力大小可以分为低压阀门、中压阀门、高压阀门等，喷灌一般使用低压阀门。按结构分类，喷灌管道中常用的阀门有闸阀、蝶阀、截止阀等。给水栓是喷灌系统上的专用阀门，常用于连接固定管道和移动管道，控制水流的通断。
阀门的优点是阻力小，开关力小，水可从两个方向流动；缺点是结构复杂，高度较大，密封面容易被擦伤而影响止水功能。
（2）球阀。球阀在喷灌系统中多安装于竖管上，用来控制喷头的开启或关闭。球阀的优点是结构简单，体积小，质量轻，对水流阻力小。缺点是启闭速度不易控制，从而使管内产生较大的水锤压力。
（3）安全阀。安全阀是一种当管内压力上升时自行开启，防止发生水锤事故的安全装置。常用的有弹簧式、杠杆式和开放式三种。
（4）减压阀。减压阀的作用是在设备或管道内的水压超过规定的工作压力时，自动打开降低压力。如在地势很陡、管轴线急剧下降、管内水压力上升超过了喷头的工作压力或管道的允许压力时，就要用减压阀适当降低压力。适用于喷灌系统的减压阀有薄膜式、弹簧薄膜式和波纹管式等。
（5）空气阀。空气阀的作用是当管道内存有空气时，自动打开通气口；管内充水时进行排气后，封口块在水压的作用下自动封口；当管内产生真空时，在大气压力作用下打开出水口，使空气进入管内，防止产生负压。国产定型生产的空气阀分单、双室两种，一般中、小规模的喷灌系统多采用单室空气阀。
2.连接件
连接件的作用是根据需要将管道连接成管网，也称为管件。如弯头、三通、四通、异径管、堵头等。不同的管材使用不同的管件，如铸铁管有承插和法兰两种连接方式，所用管件各不相同。塑料管的管件通常由生产厂家研制配套供应，钢管管件通常都是根据需要自己焊接。