单元三 喷灌工程规划与设计

一、规划设计原则及内容

（一）规划设计原则

喷灌工程规划是对整个工程进行总体安排，是进行工程设计的前提，只有在合理的、切实可行的规划基础上，才能做出经济合理的设计。喷灌工程规划应在收集水源、气象、地形、土壤、作物、灌溉试验、能源、材料、设备、社会经济状况与发展规划等方面的基本资料基础上，通过技术经济比较确定喷灌工程的总体设计方案。规划设计中应遵循以下原则。

（1）喷灌灌溉工程规划应符合当地水资源开发利用、农村水利及农业发展规划的要求，并应与农村发展规划相协调，采用的喷灌技术应与农作物品种、栽培技术相适应。

（2）合理利用水资源、地下水、地表水，合理开发利用、联合运用。

（3）喷灌工程规划应注意与农业综合节水措施配套实施。

（4）规划中应注意节约能源，在自然水头可利用的地方，尽量发展自压喷灌。

（二）喷灌设计标准

喷灌系统规划设计前应首先确定灌溉设计标准。我国灌溉规划中常用灌溉设计保证率作为灌溉设计标准。灌溉设计保证率是指灌区用水量在多年期间能够得到充分满足的概率，常用百分数表示。GB/T 50085—2007《喷灌工程技术规范》中明确规定：以地下水为水源的喷灌工程其灌溉设计保证率不应低于90%，其他情况下喷灌工程灌溉设计保证率不应低于85%。

二、规划设计内容

喷灌规划设计应分可行性研究和技术设计两个阶段进行。一般情况下，当喷灌面积较小在500亩以下的喷灌工程，也可合为一个设计阶段进行。

（一）可行性研究阶段

喷灌工程可行性研究阶段应提交的成果主要包括设计任务书和系统规划布置图。

1.设计任务书的主要内容

（1）灌区基本情况。这包括地理位置、地形、农业气象（气温、湿度、降水量、蒸发量、无霜期、风速等）、水源（流量、水位、水质）、土壤（质地、田间持水量、入渗率、冻土层厚度等）和作物（种类、种植面积等）等。

（2）喷灌工程可行性分析。应根据自然与社会经济条件，从技术和经济两个方面对喷灌的必要性、可行性作出充分的论证，有时还应对不同灌水方法进行比较。

（3）喷灌系统类型的选择。根据当地具体条件，拟订多种方案，从技术和经济上论证所选系统形式的合理性。

（4）投资概算和经济效益分析。这在系统规划布置图做完之后进行。

2.系统规划布置图

在地形图上绘出灌区范围、水源工程和主要管（渠）道系统的初步布置。

（二）技术设计阶段

在技术设计阶段应提出的成果有设计说明书和系统平面布置图、管道纵剖面图、管道系统结构示意图等。设计说明书的主要内容包括基本资料、系统选型、作物灌溉制度拟定、喷灌用水量计算、水源分析及水源工程规划、喷头选型与组合、系统平面布置，喷灌工作制度的拟定、管材与管径的选择、管道纵剖面设计及系统结构设计、水泵选型及动力机配套、设备材料用量及投资预算、技术经济分析等。

在设计说明书中，还要对施工及运行管理提出必要的要求，阐明有关注意事项。对于规模较小的工程，施工结束验收前只要求提交竣工图纸和竣工报告。而规模较大的工程还要提交施工期间验收报告，管道水压试验报告，试运行报告，工程决算报告和运行管理办法。

三、收集规划设计资料

（1）地形资料。喷灌系统规划布置应有实测的地形图，其比例视灌区大小、地形的复杂程度以及设计阶段要求的不同而定。一般应有1∶（1000～10000）比例的地形图，地形图上应标明行政区划、灌区范围以及水利设施等。

（2）气象资料。收集降水、气温、低温、风向、风速等与喷灌密切相关的农业气象资料，以分析并确定喷灌任务、喷灌制度、喷灌的作业方法、田间喷管网的合理布局。

（3）水文资料。主要包活河流、库塘、井泉历年的水量、水位、水温和水质等。

（4）土壤资料。土壤（质地、田间持水量、入渗率、冻土层厚度等，用于确定土壤允许喷灌强度和灌水定额。

（5）种植结构及需水特点。了解灌区内各种作物的种植比例、种植行向、生育阶段划分需水临界期需水强度。

（6）动力和机械设备资料。调查有关喷头、水泵、动力设备、管材产品和工程材料及价格等。

四、喷灌用水量及水源工程规划

喷灌工程的水源规划与一般灌溉工程水源规划相似。当水源为河流，大、中型渠道或来水量稳定的引水沟时，在取水段应取得较长的径流资料，通过频率计算求出符合设计频率的年来水量，年内各月净流量、灌溉季节日平均流量及水位等。当取水口资料较少时，可通过相关分析进行插补延长。当取水口无实测资料时，可利用当地水文手册、图集或经验公式结合实地调查确定。

若水源为地下水，则必须根据当地水文地质资料，分析本区域地下水开采条件，通过抽水试验或对邻近农用机井情况调查，确定井的动水位和出水量。

1.机井

一般农用机井出水量相对稳定，计算的目的主要是确定单井的可控面积，或校核机井出水量是否满足喷灌用水要求，机井的可灌面积为

式中 A——机井可灌面积，hm²；

Q_井——机井的稳定出水量，m³/h；

E_max——作物需水量临界期平均最大日耗水量，mm/d；

t——机井每天供水小时数（h/d），当使用柴油机作动力时，t一般取16h，当采用电动机时，t一般取20h。

若A≥A_设（A_设为设计灌溉面积），则A_设为设计灌溉面积；反之则应该重新调整单井控制面积。

2.塘坝

许多山区、丘陵地区水资源缺乏，常常利用小股山泉或塘坝蓄水进行喷灌，由于此类水源容量有限，一般只有经过调蓄才能满足喷灌用水要求，水利计算的任务是确定可灌面积和蓄水池的容积。

3.溪流

由于溪流流量变化大，水利计算的任务主要是确定可灌面积。计算时可选灌水临界期（溪水水量小而用水量大的时期）的流量和灌溉水量作为确定可灌面积的依据。

五、喷灌系统形式选择

喷灌系统形式应根据喷灌的地形、作物种类、经济条件、设备供应等情况，综合考虑各种形式喷灌系统的优缺点，经技术、经济比较后选定。如在喷灌次数多、经济价值高的蔬菜果园等经济作物种植区，可采用固定管道式喷灌系统；大田作物喷洒次数少，宜采用半固定式或机组式喷灌系统；在地形坡度较陡的山丘区，移动喷灌设备困难，可考虑用固定式；在有自然水头的地方，尽量选用自压喷灌系统，以降低设备投资和运行费用。

六、喷灌系统总体布置

1.布置原则

管道系统应根据灌区地形、水源位置、耕作方向机主要风向和风速等条件提出几套布置方案，经技术经济比较后选定。布置时一般应考虑以下原则：

（1）管道力求平顺，减少折点，避免管线出现起伏，减少水头损失、降低造价。

（2）平原区地块力求方整，尽量使水源位于地块中心，以缩短管道输水长度。

（3）支管尽量与耕作方向一致。对于固定式喷灌系统，可以减小竖管对机耕影响；对于半固定式喷灌系统，便于支管拆装与管理，避免移动支管时践踏作物。

（4）支管尽量与主风向垂直，这样可增大支管间距，减少支管用量。

（5）在山区干管应沿主坡方向布置，支管与之垂直，平行等高线布置（有利于控制支管水损，使支管上各喷头工作压力基本一致）。

（6）支管首尾压力差应小于喷头工作压力20%，工作流量差小于10%。

（7）力求支管长度一致，规格统一便于设计、施工、管理。

2.布置形式

管道系统的布置形式主要有“丰”字形和“梳齿”形两种，如图3-15～图3-17所示。

七、喷灌制度的拟定

喷灌灌溉制度主要包括灌水定额、灌水日期和灌溉定额。

1.灌溉定额

设计灌溉定额应依据设计代表年的灌溉试验资料确定，或按水量平衡原理确定。

灌溉定额应按式（3-7）计算：

式中 M——作物全生育期内的灌溉定额，mm；

m_i——第i次灌水定额，mm；

n——全生育期灌水次数。

2.最大灌水定额

最大灌水定额宜按式（3-8）、式（3-9）确定：

式中 m_s——最大灌水定额，mm；

h——计划湿润层深度，cm；

β₁——适宜土壤含水量上限，体积百分比；

β₂——适宜土壤含水量下限，体积百分比；

β′₁——适宜土壤含水量上限，重量百分比；

β′₂——适宜土壤含水量下限，重量百分比。

设计灌水定额应根据作物的实际需水要求和试验资料按式（3-10）选择：

式中 m——设计灌水定额，mm。

3.灌水周期和灌水次数的确定

灌水周期和灌水次数的确定应根据当地试验资料确定。缺乏试验资料地区灌水次数可根据设计代表年按水量平衡原理拟定的灌溉制度确定；灌水周期可按式（3-11）计算：

式中 T——设计灌水周期，计算值取整，d；

ET_d——作物日蒸发蒸腾量，取设计代表年灌水高峰期平均值，mm/d；

其余符号意义同式（3-10）。

八、喷灌工作制度的制定

在灌水周期内，为保证作物适时适量地获得所需要的水分，必须指定一个合理的喷灌工作制度。喷灌工作制度包括喷头在一个喷点上的喷洒时间、每次需要同时工作的喷头数以及确定轮灌分组和轮灌顺序等。

1.喷头在工作点上喷洒的时间

喷头工作点上喷洒的时间与灌水定额、喷头流量和组合间距有关，即

式中 t——一个工作位置的灌水时间，h；

a——喷头沿支管的布置间距，m；

b——支管的布置间距，m；

m——设计灌水定额，mm；

q_p——喷头设计流量，m³/h；

η_p——田间喷洒水利用系数。

2.一天工作位置数

式中 n_d——一天工作位置数；

t_d——设计日灌水时间，h。

设计日灌水时间宜按表3-10取值。

3.同时工作的喷头数

对于每一喷头可独立启闭的喷灌系统，每次同时喷洒的喷头数可用式（3-14）计算：

式中 n_p——同时工作的喷头数；

N_p——灌区喷头总数；

其余符号意义同式（3-13）。

4.同时工作的支管数

可按式（3-15）计算：

式中 n_z——同时工作的支管数；

n_zp——一根支管上的喷头数，可以根据支管的长度除以喷头间距求得。

如果计算出来的n_z不是整数，则应考虑减少同时工作的喷头数或适当调整支管长度。

5.确定轮灌分组及支管轮灌方案

为使管道的利用率提高，以降低设备投资，需进行轮灌编组并确定轮灌顺序。确定轮灌方案时，应考虑以下要点。

（1）轮灌的编组应该有一定规律，力求简明，方便运行管理。

（2）相同类型轮灌组的工作喷头总数应尽量接近，从而使系统的流量保持在较小的变动范围之内。

（3）轮灌编组应该有利于提高管道设备利用率，并尽量使系统实际轮灌周期与设计灌溉周期接近。

（4）轮灌编组时，应使地势较高或路程较远组别的喷头数略少，地势较低或路程较近组的周期接近。

（5）制定轮灌顺序时，应将流量迅速分散到各配水管道中，避免流量集中于某一条干管。

轮灌方案确定好后，干、支管的设计流量即可确定。支管设计流量为支管上各喷头的设计流量之和，干管设计流量依支管的轮灌方式而定。

九、管道设计

（一）管径计算

1.干管管径计算

从经济的角度出发，遵循投资和年费用最小原则，干管管径采用经验公式（3-16）计算：

式中 D——管道内径，mm；

Q——管道的设计流量，m³/h。

2.支管管径计算

支管管径的确定除与支管设计流量有关之外，还受允许压力差的限制，按照《喷灌工程技术规范》（GB/T 50085—2007）的规定，同一条支管的任意两个喷头间的工作压力差应在设计喷头工作压力的20%以内，用公式表示为

式中 h_w——同一条支管中任意两喷头间支管水头损失加上两竖管水头损失之差（一般情况下，可用支管段的沿程水头损失计算，m）；

Δz——两喷头的进口高程差（顺坡铺设支管时Δz为负值，反之取正值，m）；

h_p——设计喷头工作压力，m。

设计时，一般先假定管径，然后计算支管沿程水头损失，再按上述公式校核，最后确定管径。算得支管管径之后，还需按现有管材规格确定实际管径。对半固定式、移动式灌溉系统的移动支管，考虑运行与管理的要求，应尽量使各支管取相同的管径，至少也需在一个轮灌片上统一，最大管径应控制在100mm以下，以利移动。对固定式喷灌的地埋支管，管径可以变化，但规格不宜很多，一般最多变径两次。

（二）水头损失计算

1.沿程水头损失计算

应按式（3-18）计算：

式中 h_f——沿程水头损失，m；

f——沿程摩阻系数；

L——管道长度，m；

Q——流量，m³/h；

d——管内径，mm；

m——流量指数；

b——管径指数。

各种管材的f、m及b值可按表3-11计算。

在喷灌系统中，通常沿支管安装许多喷头，支管的流量自上而下将逐渐减少，应逐段计算两喷头之间管道的沿程水头损失。但为了简化计算，常将h_f乘以一个多口次数F加以修正，从而获得多口管道实际沿程水头损失，即

不同管材其多孔系数不同，表3-12仅列出了铝合金管（m=1.74）的多孔系数，对于其他管材，可查阅有关书籍。

2.局部水头损失计算

局部水头损失一般可按式（3-20）计算：

式中 ξ——局部阻力系数，可查有关管道水力计算手册；

v——管道流速，m/s；

g——重力加速度，取9.81m/s²；

h_j——局部水头损失，m。

局部水头损失有时也可按沿程水头损失的10%～15%估算。

十、水锤压力计算与水锤防护

有压管道中，由于管内流速突然变化而引起管道中水流压力急剧上升或下降的现象，称为水锤。在水锤发生时，管道可能因内水压力超过管材公称压力或管内出现而损坏管道。通常水泵有起动水锤、关闭阀门产出的水锤和停泵产生的水锤，其中后两种水锤危害较大，防止关闭阀门产生的水锤的措施是缓慢关闭阀门；防止停泵产生水锤的措施是在水泵出水管取消逆止阀。下面主要介绍为防止关阀水锤需要控制的关阀时间。

均质管水锤波传播速度按式（3-21）计算：

式中 a_w——水锤传播速度，m/s；

K——水的体积弹性模数，GPa，常温时为2.025GPa；

E——管材的纵向弹性模量，GPa，各种管材的纵向弹性模量见表3-13；

D——管径，m；

e——管壁厚度，m。

水锤波在管路中往返一次所需的时间成为一个相长。水锤相长按式（3-22）计算：

式中 μ——水锤相长，s；

L——管长，m。

当阀门开关闭时间等于或小于一个水锤相长时，所产生的水锤为直接水锤，否则为间接水锤。间接水锤产生的水锤压力要比直接水锤压力小得多，不会造成严重危害，为此一般应将关阀时间大于一个水锤相长。

在理论上，闸阀关闭时间越长，水锤压力越小，关闭时间为无穷大时，水锤压力降为0，但是为了管理方便及安全起见，在设计时也应保证管道有足够的抗压等级。一般管道的压力等级应比管道设计工作压力高一个等级，例如在选择PVC-U管道时，管道工作压力为0.4MPa左右时，应选工程压力为0.63MPa管道，工作压力为0.63MPa左右时，应选工程压力为0.8MPa的管道。另外，为防止水锤对管道造成破坏，流速尽量不要超过允许流速。以塑料管为例，设计流速一般不要大于1.8m/s。

十一、水泵和动力机选型

选择水泵和动力机，首先要确定喷灌系统的设计流量和扬程。喷灌系统设计流量应为全部同时工作的喷头流量之和，即

式中 Q——喷灌系统设计流量，m³/h；

η_G——管道系统水利用系数，一般取0.95～0.98；

其余符号意义同前。

选择最不利轮灌组及其最不利喷头，并以该最不利喷头为典型喷头。自典型喷头推算系统的设计扬程：

式中 H——喷灌系统设计扬程；

h_p——典型喷头的工作压力，m；

h_s——典型喷头竖管高，m；

∑h_f——水泵进水管到典型喷头进口处之间管道的沿程水头损失之和，m；

∑h_j——水泵进水管到典型喷头进口处之间管道的局部水头损失之和，m；

Z_d——典型喷头处地面高程，m；

Z₀——水源水位。