第四章设施灌溉系统设计1.ppt

第四章 设施灌溉系统设计,第三节 微灌系统规划设计,1）省水。微灌系统全部由管道输水，严格控制灌水量 ，灌域流量较小，仅湿润作物根区附近土壤较少蒸发 和杂草对土壤水分的消耗，避免深层渗漏，不受风的 影响，漂移损失较少。,2）节能。微灌的灌水器是在低压下运行。 3）灌水均匀。能控制田间的灌水量，均匀系数达0.8 0.9。 4）增产。不产生土壤表面板结，结合灌水施肥，土壤 内水、肥、气、热状况得到较好调节。 5）对土壤和地形的适应性强。微灌为压力输水管道， 对地形适性强，可根据不同的土壤入渗速度控制灌水 流量。 6）可以结合灌水进行施肥。,1.微灌的优点,2.微灌的缺点 微灌的灌水器出水孔很小（如滴头、微喷头），很容易被 水中杂质、土壤颗粒堵塞。对水质要求较高，必须经过过 滤才能使用。灌水器堵塞是影响微灌技术推广的主要问题,微 灌 系 统,主要设备 灌水器、管道系统、 附件、过滤器、 施肥施药装置。,组成部分 水源、首部枢纽、 输配水管网和灌水器,.微灌系统与喷灌系统的 异同点： 基本组成相同，包括水 源工程、首部系统、输 配水管网和灌水器，需 要工作压力、灌水器数 量大 微灌系统的工作 压力小，属局部灌溉， 微喷灌系统的规划设计 与喷灌系统既有区别又 有联系。,一、微灌系统布置,（一）、滴灌系统布置,固定式,半固定式,移动式,在整个灌溉季节，干管埋入地下、 毛管铺设在地表，各级管道，包 括毛管固定不动,在整个灌溉季节，干管埋入地下、 毛管移动进行灌溉,在整个灌溉季节，干管埋入地下、 支管和毛管在地面能够移动进 行灌溉，有时整个灌溉系统都要移动 进行灌溉,（1） 大面积的各类果树及经济树种，种植密度小，行间 距大，种植体较大。选用固定式滴灌系统，有时为降低投 资，减少毛管用量，当植株栽植行距较小时，在保证植株 正常生长的情况下，可以每两行植株使用一条毛管。,（2）蔬菜一般灌 水频率，管道利用 率高，供水时间长 ，可根据经济能力 和劳动力情况选择 固定式或移动式灌 溉系统。,随着滴灌技术的推广，一些大田粮食作物也开始采用滴灌系统进行灌溉，如条播小麦等。这类作物种植密度大，灌水次 数少，在劳动力充足的地区采用移动式滴灌系统进行灌溉，以减少管材的用量两侧毛管接口附近的作物。,1.干管、支管布置,滴灌系统的干、支管的布置取决于地形、水源、作物布和毛管的布置，其布置应达到管理方便，工程费用最小的要求。 （1）一般当水源离灌区较近且灌溉面积较小时，可以只设支管，不设干管，相邻两级管道应尽量互相垂直以使管道长度最短而控制面积最大。 （2）在丘陵山地，干管多沿山脊布置或沿等高线布置，支管则垂直于等高线，向两边的毛管配水。 （3）在平地，干管、支管应尽量双向控制，两侧布置下级管道，可节省管材。 （4）干支管的布置还应充分考虑灌区内耕地以外的其他地形地物，如渠道、防护林网、建筑物等对干支管埋设的影响,2、毛管和滴头的布置,滴头是安装在毛管或是用微管与毛管连接的，因而滴 头和毛管的布置是同时进行的，滴头和毛管的布置形式取 决于作物种类、种植方式、土壤类型、滴头流量和滴头类 型，同时还应充分考虑施工和管理方便性、对田间农事作 业的影响及经济因素等。,（1）条播密植作物 大部分经济作物如棉花、玉米、蔬菜、 花生、甘蔗等均属于条播密植作物，行间距稍大，株间距 较小，要求采用较高的湿润比，一般宜大于60%。这时毛 管应平行作物种植行向布置，滴头间距根据作物株距和土 壤质地进行确定，一般为0.31.0米，具体布置形式有以下 两种：,每行作物一条毛管 当作物行距较大（超过一米） 或土壤质地为砂壤或砂土时，应每行作物至少布置 一条毛管，见图4-8,每两行或多行作物一条毛管 当作物行间距较小 （一般小于1米）时，可根据滴头流量的大小、土 壤质地选择每两行作物布置一条毛管或多行作物布 置一条毛管，见图4-9。值得注意的是，砂性土壤上 毛管间距不宜过大。,土壤质地越黏重，则相同流量的滴头其湿润半径越大，反之则越小。在同一质地土壤上，流量越大的滴头，其湿润半径越大，反之则越小。因而选择何种滴头和毛管的布置形式，要对作物的株行距大小、土壤质地、滴头流量大小进行综合分析确定，且不可仅按作物行距而确定，否则可能造成整个田间严重灌水不均匀，导致产量下降。,（2）果园和经济林,根据树体的大小、种植规则程度及滴头流量等， 果树和经济林的滴头和毛管布置主要有以下三种。,一行果树布置 一条毛管,一行果树布置 两条毛管,毛管绕树 布置,当树形及栽植行距均较大（4m），栽植 规整，或者虽然果树行距较小，但土壤为 砂性土时，因滴头湿润半径较小，,当树形较小，为中壤以上的质地时 这种布置方式节省毛管，系统投资少，是 应用比较普遍的布置形式，见图4-8。,当果树的冠幅和栽植行距均较大（5m） ，栽植形式又不太规则时，不便于按行行 毛管的布置，可考虑毛管绕树布置形式， 见图4-11。,3、滴头的选择,滴灌系统灌水器有管上式滴头和内镶式滴头，有压力补 偿式滴头和非压力式补偿式滴头，其选择的依据主要有 制造质量、地形、作物种类及种植间距、土壤性质等。,制造质量,地形,作物种类 及种植间距,土壤性质,制造偏差系数Cv值应满足作物对灌 水均匀度的要求,地面坡度会引起同一毛管上不同位 置的滴头流量不均匀。,确定滴头类型决定滴头的流量,土壤质地是决定滴头流量的主要因 素,（二）微喷灌系统布置,微喷灌系统根据其支管、毛管和灌水器的布设可以分 为以下几种形式。,地面式喷灌系统,微喷头固定在大约50cm高的竖杆上，由毛管连接支管 与喷头。支管铺设于地表支管用抗老化性能较好的PE 管材料，铺设于地表，使系统的安装、检查、移动非 常方便。 。容易遭受破坏和盗窃，影响除草、施肥等 田间作业，地面管道的抗老化要求较高。,悬挂式和树上式微喷灌系统,半地下式微喷灌系统,半地下式微喷灌系统使支干管和支管都埋设在地下， 微喷头不用毛管连接，直接用垂直安装于支管上的 竖管连接，一般用螺纹与竖管连接，并由竖管直接 供水，其形式类似于固定式喷灌系统。地面管道少， 除草施肥等活动受影响较小，同时对管道的抗老化 性要求也相对较低，特别是快速接头的应用，更促 进了这类微喷灌系统的推广应用，,在苗木培育、花卉生产基地，要求较高的土壤湿度 和空气湿度。它是用铁丝或管箍将支管悬挂在离地 面一定高度上的梁架上，并直接在支管上安装喷头 进行悬空喷洒作业。工作压力较高，施工难度大、 增加材料费用，使系统总投资高，运行费用也会相 应增加,微喷灌系统布置的主要任务是确定首部枢纽的设备组成、布设位置和各级管道的走向、分布及连接方式。首部枢纽的布设与滴灌系统相同，除了考虑灌区离水源距离外，关键是选择合适的过滤设备，对过滤器的要求与滴灌系统相比相对较低，一般要求80120目的过滤。管道系统的布置则主要根据地形地势、田块形状、作物种植方向等因素，通过全面分析之后，选择一种水流分配均衡合理，操作方便，投资较少的布置方案。,1、支管、毛管布置,田间支管、毛管的布置主要是根据作物或树木的种植方向、田块大小、地形特点确定， 确定布置方案时可与干管的布置相结合，确定其布置形式。 成龄的矮化密植果树，在确定支、毛管布置形式时，管道的铺设时受树体的限制，毛管铺设时，因施工人员要不断地穿梭于果树之间，因而设计时应将施工过程作为一个影响因素加以考虑,2、干管布置,选择时要在确定干管布置形式时，一方面要综合分析灌 区的整体地形情况、轮灌分区情况，另一方面又要依赖 工程技术人员的实际。经验，设计时应考虑以下原则：,管道布置应使管线总长度短，节省资金。 管道布置应考虑各用水单位的需要，管理方便，有利于组织轮灌和迅速分散流量，控制阀门或快速接头尽量安装于路边或地埂边，便于操作。 水源分配均匀一致，不使管道之间出现流量过于集中或稀少的状况。 一般顺坡，平坡而行，在有坡的情况下尽量减少逆坡布置的管道数量。 管道布设应力求平顺，较少折点，有利于减少水力损失，节约运行费用。,3、微喷头的选择,常用的微喷头有折射式、旋转式和离心式三种类型， 选择时除了其喷洒特性要满足要求外，同样要注意产品的制造质量，其制造偏差Cv值应不低于灌溉作物所要求的临界值。 微喷头主要是根据土壤性质、灌溉作物种类、种植行间距确定微喷头的类型。,二、微灌系统的水源,微灌工程对水质的要求较其它灌水方式较高，除了要 进行严格的过滤外，在有些情况下还应采取化学处理法。,1.微灌系统堵塞得原因,（1）无机悬浮物,沙土,淤泥,黏土,指颗粒大小在2m的土壤颗粒。,指颗粒大小在502000m范围内的土壤颗粒。,指颗粒大小在250m范围内的土壤颗粒,淤泥和黏土成分中 、 、 、 、 P的含量较高，是引起微灌系统堵塞得主要原因。,（2）微生物繁殖,在我国北方大部分地区，水源水质硬度大，钙、镁离子含量高，在毛管和灌水器内会产生沉淀而堵塞系统。镁和铁的硫化物或金属的氢氧化物在毛管和微灌水器内可以消除水锈或水垢而引起堵塞，尤其是通过微灌系统施肥时，有可能会引起化学反应而形成沉淀，造成堵塞。,静止的水源如蓄电池、塘坝、小水库中的各类藻类、 真菌、微生物等的大量繁殖也是导致微灌系统堵塞得 主要因素。,（3）化学沉淀,（4）其它原因,系统安装时进入管道内而没有完全冲洗干净的泥土和锯沫、在修理管道和用快速接头连接管道时误入的泥土和杂物都有可能形成堵塞。,2.水质分析指标,表4-22滴灌系统堵塞程度的水质优劣分类,悬浮物总量；悬浮的有机物总量； 水体的PH值和硬度，当PH7.5，水的硬度大时， 其中的 和 含量较高，可能会形成 或沉淀； 铁离子和镁离子的含量,三、微灌系统的首部枢纽,主要包括加压设备、控制阀门、过滤设备、施肥设备及量测设备等。所需设备与喷灌系统基本相同，所不同的是要求各设备的性能参数与喷灌系统有些不同，在规划设计时要慎重地选择。,1.水表,选择要考虑水头损失值在可接受的范围之内，并配置于肥料注入口的上游，防止肥料对水表的腐蚀。,压力表是微灌系统中一个结构简单而作用重大的设备 ，它是整个微灌系统的一个窗口，系统运行是否正常，基本上都可以通过压力表所显示的压力值进行判断，,2.压力表,应选择反映灵敏，安全可靠的优质产品，其测量范围要比系统实际水头略大，以提高测量精度。,3.进排气阀与排水阀,进排气阀的选用，目前可按“四比一”法进行，即进排气阀全开直径不小于管道内径的1/4。如100mm内径的管道上安装内径为25mm的进排气阀。 一般设置在微灌系统管网高处或局部高处。其作用为在系统开启充水时排除空气，系统关闭时向管网补气，以防止负压产生。系统运行时排除水中夹带的空气，以免形成气阻。 在干管、支管末端和管道最低位置宜安装排水 阀，以便冲洗管道和排净管内积水。,4.自动控制设备,微灌系统自动化控制设备主要由中央控制起、自动阀、传感器、气候、土壤及作物监测设备等组成。自动控制系统可根据实际需要选用不同的功能。 使用时管理员只需向中央控制器输入灌溉程序，则灌溉系统就会按程序要求按时、按顺序完成灌溉任务，电磁阀也会按程序设定自动打开。 水泵的变频调速技术与自动化控制设备相结合，会使微灌系统的操作管理更简单方便。,5、过滤器的选择,过滤器的选择是滴灌系统的关键所在 （1）过滤器主要是用来过滤水中的粉粒、砂粒和水藻，和少量的有机质，但有机质含量和藻类过多时，过滤效果较差。过滤器能否有效发挥作用，关系着灌水器能否正常运行。 (2) 如果过滤器选择不当，造成的后果可能是滴头堵塞，或者过滤器易被堵塞，导致系统流量不能满足灌溉，增加过滤器的清洗次数，给管理带来诸多不便。 (3)过滤器的选择根据水源的水质情况和滴头对水质处理的要求，选择适宜的过滤器，必要时采用不同类型的,6、首部系统位置,首部系统位置应根据水源及灌溉地的相对位置定：,（1）水源距灌溉地块较近时，首部枢纽可以和泵站一起 布置在水源附近，以便管理。 （2）水源距灌溉地块距离较远时，首部枢纽就应布置在灌溉地附近易于管理的位置。,过滤器组合进行多级过滤，以保证处理后的水质完全满足滴头要求。不同水质推荐的过滤器见表4-2（略） （4）微灌系统对过滤器的要求与滴灌系统相比相对较低，一般要求80120目的过滤。,四、微灌系统设计参数的确定,微灌系统设计参数包括作物需水量、微灌耗水强度、土壤湿润比和灌水均匀度等，微灌系统设计参数的大小不仅会影响到工程建成后的灌水质量。而且对管道的水力计算、各级管道的管径的确定及水泵的选型都有直接的影响，应根据灌溉作物的种类、经济价值、土壤特性和当地的水纹状况合理确定设计参数。,（一）作物需水量计算,1.作物日需水量,为作物日需水量，mm/d； 为作物系数，见表4-21； 为蒸发皿蒸发时的蒸发量与自由水面蒸发量之比，取 0.700.72； 为生长期内80cm口径蒸发皿蒸发量，mm/d。,如果有完整的气象资料，可以用彭曼公式计算,表4-21不同作物的作物系数,2.微灌作物耗水强度,微灌作物的耗水量与作物对地面的遮荫率大小有关,为微灌作物的耗水强度，mm/d； 为作物遮荫率对耗水量的修正系数当由式（4-47）计 算出的数值大于1时，取 =1； 为作物遮荫率，又称为作 物覆盖率，随作物种类和生育阶段而变化。对蔬菜和大田 粮食作物，一般取60%80%.对于果树，可根据果树树冠所 占面积计算确定，幼龄期取20%40%；成龄果树取60%80%,(4-46) (4-47),3.设计灌水强度,设计微灌工程时，灌水强度应是作物最不利条件下的灌溉强度，即作物所消耗的水量全部由灌溉补充时的灌水强度。,4.毛灌水强度,为微灌的毛灌水强度，mm/d； 为微灌的补充灌水强度，mm/d； 为微灌水利用系数，规范 SL 103-95规定，灌溉水利用 系数滴灌不应低于0.9，微喷灌 应不低于0.85。微灌水利用 系数一般采用0.90.95。,5.每日灌溉用水量,W为每日微灌用量，； A为微灌面积，hm2。,（二）土壤湿润比,土壤湿润比，即在微灌条件下，湿润土体体积与整个计划层土体的比值。在滴灌条件下，由于点源灌溉所形成的湿润体积小，湿润比的合理与否对作物的影响较大。在微喷灌条件下，由于喷洒范围较大，湿润比对作物影响较小，土壤湿润比的确定主要是根据作物种类、土壤特性、灌水器的流量、灌水量和灌水间距而定。表4-24给出了不同作物的推荐湿润范围。,表4-24微灌设计土壤湿润比,2.土壤湿润比的计算,P 为土壤湿润比，%; 为设计湿润深度范围内土 壤水分水平扩散直径，m； 为滴头间距，m； 为毛管间距，m； H 为湿润深度，m。,（1）单条毛管直线布置,（2）环状绕树布置,n为每株果树安装滴头数，个； 为湿润带的宽度，即在给定滴头流量和土壤质地和确定的滴头间距条件下，当P =100%时相应的毛管有效间距 值，见表4-23； 为果树株距，m； 为果树株距，m；其它符号意义同前。,表4-23不同流量滴头、不同间距、不同土壤质地的土壤湿润比,(3)两条毛管直线布置,P为土壤湿润比，%； 为作物两旁两条毛管的窄间距，可根据滴头流量和土壤 类别，查表4-23，当=100%时推荐毛管间距 值，m； 为与相对应 的土壤湿润比，%； 为作物之间两条毛管之间的宽间距，m； 为根据 查表4-23所的土壤湿润比，%； 为作物行距，m。,（三）设计灌水均匀度,为了保证微灌的灌水质量，灌水均匀度应达到一定的要求。在微灌系统中，影响灌水均匀度的因素较多，如灌水期的制造偏差、系统工作压力的变化、堵塞情况、水温变化、微地形差异等。在实际微灌工程设计时，除了水压变化和制造偏差两种因素可进行计算外，其它因素很难进行计算，对均匀度的影响目前在设计微灌工程是能考虑的只有水力因素和制造偏差。,微灌的灌水均匀度用克里斯琴（Christiansen）均匀系数来表示，即,为均匀系数； 为灌水器的平均流量； 为灌水器流量的平均绝对偏差； 为每个灌水器的流量；N为灌水器流量的影响。,1.只考虑水力因素时灌水均匀度的确定,为灌水器流量偏差率，%； 为毛管上灌水器最大量，L/h； 为毛管上灌水器的最小流量L/h； 为灌水器的平均流量，L/h。,只考虑水力影响因素时，微灌的均匀系数与灌水器的 流量偏差率存在着一定的近似关系。因而在微灌设计 中常用流量偏差率来表示灌水均匀程度。,(4-57),表4-25Cu与qv关系,表4-25为均匀系数与灌水器的流量偏差率的对 应关系。微灌设计时，在只考虑水力因素的情 况下，取 =0.950.98。或 =10%20%。,在平地或坡度均匀条件下微灌的流量偏差率与工作水头偏差率存在如下关系,为灌水器工作压力偏差率； 为灌水器的流态指数； 为灌水器的最大工作水头，m； 为灌水器的最小灌水工作水头，m； 为灌水器的平均工作水头，m； 为灌水器流量偏差率，%。,（4-58）,（4-59）,如果灌水器已经选定 ，且流态指数已知， 则可根据确定的设计 均匀系数 ，用上式求 出允许的灌水压力偏 差率和毛管的设计工 作压力变化范围，从 而可以确定允许的最 大毛管长度。,2.考虑制造偏差和压力变化两个因素时灌水均匀度的确定,为25%的灌水器的最小流量的平均值，； 为灌水器的平均流量， 值可应用于整个微灌系统、支管或者一条独的毛管， 一般取Eu =0.900.95,定当既考虑灌水器制造偏差率又考虑工作压力变化两个 因素时，则微灌的灌水效率可通过灌水均匀度Eu来评价,（4-60）,五、设计灌溉制度,微灌系统的设计灌溉制度与喷灌系统的计算原理一样的，是指作物全生育期（对于果树等多年生作物则为全年）内设计条件下的每一次灌水量（灌水定额）、灌水时间间隔（灌水周期）、一次灌水延续时间、灌水次数和灌水总量（灌溉定额），它们是设计灌溉工程的依据，也是灌溉管理的参考依据,(一）设计灌水定额,I 为设计灌水定额，mm； 为田间持水量，以干重百分比计，%； 为灌前土壤含水量，为作物允许的土壤含水量的下限，以干土重百分比计，%；为土壤容重，g/cm3；Z为计划湿润层深度，m；根据各地的经验，各种作物的适宜土壤湿润层深度：蔬菜0.20.3m，大田作物0.30.6m，果树为1.01.5m； P为土壤湿润比，%；北方干旱半干旱地区取20%30%，南 方湿润半湿润地区取25%35%，蔬菜取70%90%； 为灌溉水利用系数，取0.950.98。 各类土壤容重及水分常熟见表4-26，供设计时参考。,微灌系统的设计灌水定额是根据作物种类、土壤性质 计算出的一次最大灌水量,（4-61）,表4-26不同土壤干密度和水分常数,（二）设计灌水周期,T 为设计灌水周期，d； I 为设计灌水定额，mm； 为灌溉作物需水旺盛日平均耗水强度mm/d由式（4-46）确定。 微灌系统的最终目的是能够根据作物耗水规律，适时、适量地向作物根系活动层补充水分，使土壤水分状态最有利于作物生长，所以微灌的灌水周期应尽可能短。,设计灌水周期是指在设计条件下，能满足作物需要的 两次灌水之间的最长时间间隔。应根据作物种类、土 壤类别及湿润层深度等因素确定，一般为35天。,(4-62),（三）灌水次数与灌水定额,使用微灌技术，经常采取少灌勤灌的灌水方式，因而作物全生育期（或全年）的灌水次数比传统的地面灌溉多。 灌溉定额则为生育期或一年内（对多年生作物）各次灌水量的总和。,（4-63）,为全生育期的灌水总量，m3； 为每次灌水量，m3。,六、微灌系统工作制度的确定,微灌系统的工作制度分为系统续灌、分组轮灌及移动式微灌等几种情况。但是对于微灌系统而言灌溉制度均指固定式灌溉系统而言，制定微灌系统工作制度的任务就是驱动灌溉系统一次灌水所需时间、轮灌分组及制定轮灌方案。在确定工作制度时，应根据作物种类、水源条件和经济状况等因素做出合理的选择,（一）每次灌水时间,为一次灌水延续时间，h； 为设计灌水定额，mm； 为灌水器间距，m，对于灌水器间距非均匀装的情况下，可取灌水器平均间距； 为毛管间距，m； 为田间水利用系数，=0.90.95； 为灌水流量，L/h。Q为灌水器流量（L/h）,在单条毛管直线布置，灌水器间距均匀的情况下，续灌 情况下每次灌水时间和每个轮灌区每次灌水时间由下式 确定,（4-64）,对于果树，则应以单株果树为计算单位，则,为果树的行距，m； 为果树的株距，m；其余符号意义前。,(4-65）,例 已知q=4L/h,毛管间距为0.8m, 滴头间距为0.6m,p=75%, H=0.4, =1.45t/m3, 田=25%(重量百分比),max=90%田,min=70%田, e=6mm/d, =0.9 , 求: (1) m, (2)T, (3)t,解: (1) m =1000Hp(maxmin)/ =1000Hp(90%田70%田)/ =10000.41.4575%(90%25%70%25%)/0.9 =24.7mm 或m =24.170.667=16 (m3/亩),实际取T=4d,（二）全系统续灌,全系统续灌是对系统内全部管道同时供水，在设计灌水周期内对所有作物同时灌水的一种工作制度。它的优点是灌溉供水时间短，对其他农事活动的影响较小。但是，由于干管要向所有毛管同时供水，使得干管流量大，增加工程投资和运行费用，设备利用率低，也不利于灌区内种植不同作物，在水源流量小的地区，灌溉面积会受到限制。,各轮灌组的控制面积应尽可能相等或相近，以使系统流量稳定，水泵具有较高的工作效率。 轮灌组的划分充分考虑各田块之间的用水关系和田间管理的要求。同一轮灌组内的作物其灌溉制度应该一致，一般同一轮灌组内不应有不同种类的作物或为非同一用户用地，否则很难解决不同作物或农户之间的用水矛盾，同时也不利于施肥等其他农业措施的进行。 轮灌编组应该有一定的规律，可操作性强，方便运行管理。 制定轮灌顺序时，应慎重考虑是将同一轮灌组集中连片布置，使操作管理方便，还是轮灌区分散布置，使流量分散减少干管流量节省投资。这些都应坚持因地制宜原则，且不可一味追求某一方面而影响大局。,（三）分组轮灌,1.划分轮灌组的原则,2.确定轮灌组数,为允许的轮灌组最大数目，个，取整数； C 为每天运行的小时数，一般为1220h，固定式系统不低于16h； T 为灌水周期，d； T 为一次灌水持续时间，h。,轮灌组的划分方法，通常一个轮灌组由一条或几条支管组 成，在支管的进口处安装闸阀和流量调节装置，使支管所 辖的面积成为一个灌水单元。每个轮灌区由干管轮流供水 ，使所有轮灌组在设计灌水周期内进行一次灌水过程。,(4-66),七、系统流量计算,为毛管进口流量，L/h； N 为毛管上灌水器或出水口的数目，个； 为第个灌水器或出水口流量，,（一）一条毛管流量的计算,一条毛管的进口流量为其上安装灌水器或出水口流量之和，即,(4-67),如果设毛管上安装灌水器或出水口类型相同，在设计合理时，可认为各个灌水器的流量等，,(4-68),若为灌水器平均流量，则,为了方便，设计时可用灌水器设计流量 代替平均流量 ，即,(4-69),(4-70),（二）支管流量计算,微灌系统支管向毛管的供水方式分为单向供水和双向供水两种方式，一般采用双向供水。如图4-12所示,1.支管给毛管双向配水,为支管入口流量L/h； 为第i排右侧毛管进口流量，L/h； 为第i排左侧毛管进口流量，L/h； N 为毛管排数,若支管给毛管双向配水，且支管两边毛管数相等时，,若支管两边每排毛管流量相等，即,则支管入口流量可用下式计算,当所有毛管流量相等时,支管长度已知，且毛管在支管上为等间距（SL）布置，则支管上毛管排数N 为,此时有N排毛管的支管流量为,2.支管给毛管单向配水,其支管入口流量按下式计算,当各毛管流量相等时即为,（三）干管流量推算,为干管流量，L/s； 为各支管流量，L/s,微灌系统干管的作用是向所有支管能够输送符合压力 和流量要求的水流,1.全系统续灌情况 任一干管的流量等于该干管以下支管流量之和。,2.轮灌情况 采用分组轮灌的灌溉制度时，任一干管段的流量则 等于通过该管段的各轮灌组中最大的流量。,八、管道水力计算,在微灌系统中，由于连接管件较多，灌水器、毛管接口处、过滤器、施肥装置等都有较大的水头损失，在设计时，局部水头损失一般按沿程水头损失的10%估计，但对过滤器、施肥装置及其他水头损失较大的装置必须按厂家提供的资料进行计算。多口管分流口多，局部水头损失一般不宜忽略，应按供应商的资料选用。无资料时，局部水头损失可按沿程水头损失的一定比例估算，这一比例支管为0.050.1，毛管为0.10.2。,九、微灌管道系统设计,微灌管道系统设计的主要内容是在满足灌水均匀和灌水器工作压力的要求下，确定各级管道的进口压力和流量，确定干管、支管的管径以及毛管的铺设长度等。管道系统设计，不仅对系统的投资和运行费用有很大的影响，而且在很大的程度上对系统的灌水质量具有决定性作用。,（一）微灌毛管设计,毛管设计的任务是根据确定的设计标准，进行毛管直径确定和在设计地形条件下允许的毛管最大铺设长度的计算。 微灌系统毛管是从支管取水再向各个灌水器供水的管道，具有管道直径小，出流口多的特点。一般采用抗老化性能较好的低密度或中密度聚乙烯制造，其直径一般为1220mm。由于滴灌工程毛管数量较多，因此一般选用较小直径的毛管，最常用的毛管直径为1216 mm，毛管一般选用同一直径，中间不变直径。,干支毛管均采用聚乙烯（PE）微灌专用管材。 黑色（加灰黑，抗老化） 规格有1、1.5、2、4 用作微管滴头或水阻管 8、10、12、15、20 用作毛管 25、32、40、50 用作支管 65、80、100 用作干管（数值指内径）,微灌毛管一般铺设于地表，地表随地形的变化会造成毛管内压力的不均匀，从而影响灌水器的灌水均匀度。同时随着毛管长度的延长，管内沿程水头损失也会增大，使毛管首末两端灌水器入口压力差异增大，造成灌水器工作压力和工作流量偏差控制在设计标准范围内，二是使用压力补偿式微灌水器，使其在一定的压力范围内，流量基本保持稳定。,1.压力补偿式灌水器毛管设计,设计时只要使每一个灌水器的入口压力处于压力补偿范围之内，则各灌水器之间流量差异就会满足设计要求。使其在一定的压力变化范围内其流量基本稳定。 当灌溉地为平坦地形时，只要根据选定的滴头类型、滴头流量和滴头间距以及毛管直径与入口压力等参数，即可从滴头生产厂商提供的表格中查取毛管最大铺设长度，则小于或等于该长度的毛管布置长度都满足灌溉要求。表4-27是北京绿源塑料联合公司的管上补偿式滴头在平坦地形条件下，两种规格滴头滴灌最大铺设长度。,表4-27平坦地形下毛管最大铺设长度/m,如果灌溉地有一定的坡度，则必须将地势高差引起的管内压力变化考虑进去，当地形坡度一致时，可使用供应商所提供的毛管水头损失曲线来设计。,2.非补偿式灌水器毛管设计,非补偿式灌水器毛管设计的任务是根据灌水器的流量 和规定的允许流量偏差，计算出毛管的最大允许长度 和实际使用长度，并按使用长度计算毛管的进口水头。,（1）毛管总水头损失的计算,微灌毛管属于多口出流管，其总水头损失包括沿程 水头损失和局部水头损失两部分。,（4-81）,或直接用式（4-82）计算多口管总水头损失,（4-82）,为多口管沿程水头损失，m； 为考虑局部水头损失的加大系数，对于毛管， =1.051.30； 为多口沿程水头损失，m； 为系数， m为流量指数； 为灌水器设计流量，L/h； 为毛管上进水口间距，m；N为毛管上出流口总数。,(2)毛管相关系数的确定,根据设计标准和灌水器的设计流量，在忽略地面坡度 （3%）的情况下，灌水区内灌水器最大、最小出流量 可按下式估算,相应灌水器水头为,以设计灌水器工作水头代替灌水器平均工作水头，则允许的水头偏差率为,此时，灌水器的流量偏差率为,为灌水器最大和最小流量，L/h； 为灌水器的设计流量，L/h； 为灌水器的设计水头，m； 、 为与 、 相对应的灌水器最大和最小工作水头，；x为灌水器流态指数； 为设计流量偏差率； 为设计水头偏差率。 当在毛管进口安装调压装置后，允许水头偏差将全部分配到每条毛管上。就是每条毛管上最大、最小水头。在设计中若规定了，则可由上式（4-87）求得；如果是已知的，可由式（4-88）求得。,(3)最大工作水头灌水器的位置,在考虑沿毛管地形坡度J的情况下，毛管上最大工作水 头的位置，可能出现在毛管上游的第一孔或下游第N孔 端，其 判别条件为：,（4-89）,为（N-1）孔毛管的总水头损失，；J为沿毛管的地形坡度；S为毛管进口水头，。,(4)毛管进口水头 可由下式之一求得毛管进口水头。,(4-90),(4-91),(5)毛管允许最大长度,为毛管允许的最大孔口数，取整数； 其他符号意义同前,在特定的条件下，满足设计均匀度的最大毛管长度称 为毛管允许的最大长度（或极限长度）。毛管允许的 最大长度主要由毛管允许的最大空口数决定，求得最 大空口数后可根据灌水器的布置间距计算毛管允许的 最大长度。,当地形坡度J=0时，毛管允许的最大孔口数可按下式算,(4-92),(6)调压管长度的确定,为直径为4mm的聚乙烯塑料管的长度，； 为毛管进口处支管水头和毛管设计工作水头 之差，m； 为毛管进口流量，L/h。,调压管其实是通过缩小管径，减小流量和增加水头损 失来达到调压的目的，因而调压能力的大小不仅与调 压管管径的大小有关，而且与其长度有关,(4-93),在毛管进口出安装调压管后，支管压力变 灌水器的影响基本消除，也就是允许水头偏差部分分配给毛管，此时如沿毛管方向坡度小于3%，可按设计要求的均匀度或流量偏差率从生产厂家所提供的最大毛管铺设长度表（表4-28）中进行选择。,表4-28内镶式滴头（2.8L/h）入口压力为10m时平地最大铺设长度,(二)支管设计,微灌系统支管是指连接干管与毛管的管道，它在系统中 起着配水和输水的双重作用，因而支管设计必须达到系统对配输水和均匀度两方面的要求。配输水要求是支管按计流量向各灌区配送水流，均匀度要求是指支管的分段长度不能使管内压力超过允许压力差，即支管设计应使每条支管内任一点的压力大于或等于毛管进口要求的工作水头，以确保支管上每条毛管的灌水器有足够压力和流量，使灌水均匀。 为了使投资更小，支管一般设计成由24种管径组成的管径逐渐变细的锥形管道，但管径缩小必须满足压力设计要求。支管设计一般按以下两种情况分别考虑。,毛管入口处安装调压装置或使用压力补偿式灌水器,为毛管总水头损失，m； 为设计允许水头偏差率； 为灌水器的设计工作水头，。,支管设计只要保证每一毛管入口压力在调压装置的工 作范围内且不小于毛管要求的进口压力即可。其具体 水力计算多按多孔出流管进行。,（4-94）,允许压力差全 部分配给毛管,不采用压力补偿式灌水器且毛管入口处未安装调压装置,灌水器的允许压力差由支管的水头损失和毛管的水头损失两部分组成，在设计时需合理地将允许压力差分配给支管和毛管，其分配比例应根据所采用的管道规格、管材价格、灌区地形条件、地块规格等因素确定。,平坦的地形条件下，允许水头差可按下列比例分配,(4-95),为毛管总水头损失，m； 为支管总水头损失，m； 为设计允许水头偏差率； 为灌水器的设计工作水头，m。 根据式（4-95）允许水头分配比例，即可按支管内最大压力差不超过，且每一毛管入口压力不小于毛管要求的进口压力的要求设计支管。如计算出支管管径过大时，可修改分配比例，改变毛管设计，以获得最经济的设计，其水力计算仍按多孔出流管进行。,干管是从水源向田间输送灌溉水的管道，起着为整个微灌系统输送总水量的作用。干管系统又向一块灌区输水的简单干管系统（无分干管）和向多块灌区输水的复杂干管系统（分总干管和各级几分干管）。干管设计的主要任务是根据轮灌组驱动的系统流量选择适当的管材和管道直径。,（三）干管设计,1.干管管材的选择,微灌系统干管管材一般都要选用塑料管，常用的有硬 聚氯乙烯（PVC）管、聚乙烯（PE）管。干管管材选 择应从以下几个方面进行考虑。,根据系统工作压力，选用不同压力等级的塑料管。塑料管道的压力等级分为0.25MPa、0.40MPa、0.63MPa、1.00MPa、1.25MPa。,考虑管件的配套情况及安装时的方便性。目前硬聚氯乙烯（PVC）管材及管件规格齐全，连接也比较方便，一般地埋管采用硬聚氯乙烯（PVC）管材较好。,考虑市场价格和运输距离选择适当管材。塑料管道体积较大，重量轻，因而运输费用相对较高，在选择管材时，应就近选择适当管材，以降低费用。,考虑管材的使用寿命，不同材料的管材，其使用寿命不同，选择管材时应根据微灌系统的服务年限，工程投资、灌溉作物的经济价值等确定适宜的管材。,2.干管管径的选择,为两断面间能量损失， 为水力坡度; 为两断面间管道长度，m。,干管的管径选择在满足工作压力和流量的条件下，主 要考虑系统投资造价及运行费用。,根据伯努利方程，管道中任意两个断面间的能量损失 与管道长的比称为水力坡度，即为单位长度的水头损失,（ 4-96）,在管道系统设计时，管径选择较大，其水头损失较小，即I值减小，所需水泵扬程降低，运行费用减小，但管网投资较高， 反之相反。由此可见，系统投资与I值成正比，与运行费用成反比，所以称水力坡度I值为经济能量水力坡度。,当管道的经济能量水力坡度确定后，管径就仅取决 于管道流量Q，然后可以根据威廉-哈森公式或勃拉 休斯公式得管道直径,（威廉哈森公式）(4-97),D为管道直径，cm； 为支管流量，L/h； I为管道水力坡度，0.030.06。,（勃拉休斯公式）(4-98),在干管设计时，先根据各支管或轮灌区的流量确定干管的总流量，然后在允许的水头损失范围内，即在经济水力坡度=0.030.06范围内用式（4-97）或式（4-98）计算干管的管径。,九、 水泵选型计算,1.系统设计扬程的确定,微灌系统的设计总扬程应由最不利轮灌组来推求,（4-99）,H 为系统设计扬程，m ； 为最不利轮灌组所要求的干管进口工作水头， m ; 为干管进口至水源的水头损失（包括首都枢纽各组成 部件的水头损失），m; 为干管进口处的地面高程， m; 为水源动水位， m 。,干管进口所要求的工作水头,为最不利灌水区的进口水头，m ，在设计支管时已经算出; 为最不利灌水区的进口处至进口各级管段的水头损失，m ; 为最不利灌水区的进口处高程，m 。,（4-100）, 水泵进水管入口至干管入口处的损失,这部分损失包括水泵的吸水管、水泵出水管至干管进口段、阀门、接头、肥料注入装置、过滤器及水表损失。特别指出的是，过滤器的水头损失是最大的一部分，应根据系统流量和所选过滤器的级数、规格和型号参照有关过滤器的性能曲线选择。,（4-101）,2.系统设计流量的确定,Q 为系统设计流量， m3/h , 为同时工作各毛管流量，m3/h。 当系统设计流量和设计扬程确定后，选择合适的水泵，当系统流量较小时，用一台水泵工作，如果系统流量较大时，需选用多台泵工作，进行分流量分配。,微灌系统设计流量等于最大轮灌区内同时工作的毛管流量之和，计算：,（4-102）,十 、滴灌系统设计实例,东省某县新建砂糖橘园，长约320m，宽约200m ， 总面积5.6 hm2。该果园位于山脚，山腰有泉水流出， 已有引水管道可从山泉引水至果园。山泉与果园相对 高差为56m,完全满足滴灌的压力要求，拟在果园 采用自压滴灌施肥系统。,（一） 基本资料,1.地形资料, 灌区面积 ：5.6 m2 灌区地形 ： 园区为西南低，东北高的缓坡地。,2.土壤资料,园区土壤为石灰性土壤，土壤质地为中壤土，土层 深厚，平均厚度在 50 cm 以上。,3.气象资料,园区属于亚热带季风气候，年平均气温为2022 ， 年无霜期330d 以上，平均降雨量2258mm， 雨量充 沛， 年平均