节水灌溉机械化技术 教学资源 山丘区喷管系统设计山丘区喷管系统设计 我国山丘区的耕地面沾全国总耕地面积的比重较大,但是受多种因素影响,这部地的灌溉问题至今没有得到较好的解决喷灌自身的特点决定了它是解决这部分耕地灌溉问题的好方法之一 山丘区喷灌系统的类型与组合 山丘区地形起伏较大，不宜采用渠道输水灌溉的形式，但是山丘区有较大的自然水头，可以利用水头落差发展喷灌 按照喷灌系统取得水压力的方式，可分为利用自然落差的自压喷灌和使用水泵加压的机压喷灌两种基本形式另外，还可以将自压和机压结合组成喷灌系统 自压喷灌系统 自压喷灌指水源位置在灌区上方，水源来水流量和自然落差形成的水头均可满足喷灌的要求，可利用水源直接向压力管道供水进行喷灌这类系统不需水泵加压，投资相对减少，运行费用很少，是山区最适宜发展的喷灌形式当水源位置较远时，可通过引水管道或渠道将水引至灌区;当来水流量较小时，可在灌区上方适宜位置修建蓄水池进行调蓄 机压喷灌系统 水源的来水流量可以满足喷灌要求，但水源位置低于灌区，需要水泵提水和加压时，可在水源处修建泵站，提水加压 机压喷灌系统也可以结合具体情况在水源地和灌区修建引水工程和蓄水工程，组成不同形式的引、蓄、提结合的喷灌系统。
（三)自压与机压结合的喷灌系统 水源位置高于灌区，但还不能完全满足灌区或部分地块喷灌对水压的要求，这时可利用自然落差的水头再用水泵增压;或在灌区低处利用自然水头、高处设置水泵增压 上述几种类型的山区管道式喷灌系统，布置时各有其特点，但在系统设计时，可归纳为自压与机压两种基本类型至于自压与机压结合的喷灌系统，也是综合两种方法进行设计，多是以一种方法为主，另一种方法进行补充 二．自压喷灌系统设计要点 （一）自压喷灌系统设计的特点 自压喷灌系统中喷头的工作压力和各级管道的水力损失都靠地形落差提供和补偿，不需耗油或耗电，运行费用相当小由于地形落差形成的压力有限制，故系统的压力控制较机压喷灌系统困难所以，自压喷灌系统设计应在满足喷灌质量的前提下，重点保证系统的安全可靠，同时尽量使运行操作方便、利于管理 对地形高差的基本要求 发展自压喷灌，要有一一定的地形落差为了满足喷头工作压力的要求，水源水位与灌区地面就应有足够大的高差一般喷灌系统的喷头工作压力都不低于200 kPa,加上竖管高和各种水头损失，要求地形落差至少应有30 m如果水源与灌区没有那么大的地形高差，就不能实现完全的自压喷灌，需用水泵补充加压。
地面坡度对各级管道的影响 竖管的高度取决于作物的高矮，一般应安装成铅垂状， 如果地面倾斜，可允许竖管在一定限度内倾斜国家标准《旋转式喷头试验方法》(GB 5670.3-85)中规定，允许旋转式喷头的竖管与铅垂线夹角不超过10° 支管尽可能地沿 李高线布置，这时，地面坡度对其影响不大:少数情况下顺坡布置支管.则管径可以小些或管道可以长些逆坡支管只在不得已时采用，这时文管长度应适当缩短 分干管一般应顺坡向下布置，这时，可利用地形落差补偿水头损失，从而使管径减小 干管通常沿等高线布置，这时地面坡度影响不大，有时沿山脊或缓坡向下布置，亦可利用地形落差补偿水头损失 水源到灌区的输水主干管必须满足下一级管道所需的人口压力由灌区设计可得到要求的输水主干管末端压力，而从水源到灌区亦即输水主干管首末端的地形高差扣除输水水头损失必须大于此值在获得相同压力的情况下，如果地面坡度陡，则输水管较短，或可用较小的管径所以，最理想的发展自压喷灌的地形是水源至灌区地面坡度较陡，而灌区内地面较平坦，即前陡后平的地形 输水主干管设计 设输水主干管人口处的压力水头为零，在确定了输水主干管的管径、流量和己知地面坡度的情况下， 则可按下式计算输水主干管长度 式中L一输水主干管长度，m; Hm一管末端需要的压力水头，m; i一沿管线地面坡度 ; Q一输水主干管内通过的流量，m3/h; D一输水主干管内径，mm; f、m、b-系数和指数，可查表5-1。
根据输水主干管的长度L,计算输水主干管的亩投资，通过分析确定在该地面坡度的情况下发展自压喷灌是否经济合理同样，还可依据式(6-10) 在确定输水主干管长度时推算管径，仅需变换公式的形式而已 自压喷灌系统的管道布置 布置原则 前述一般喷灌系统的管道布置原则，也适用于自压喷灌系统，但在布置自压系统的管道时，还应考虑以下几点: 自压喷灌系统的管道布置应以地形、地势为主要因素，支管应尽量沿等高线布置，给支管配水的分干管或干管应尽量垂直等高线下坡布置 要充分利用落差造成的自然水头，在地势较高、喷灌压力不足的地方，可采用水泵增压或布置部分工作压力较低的微灌以扩大灌溉面积 各级管道，尤其是固定的地埋管道，应避免在滑坡地带或地基不稳定的地区通过 自压喷灌系统的形式以固定、半固定式为宜 有条件时，应结合农村生活用水、小水力发电站用水、乡镇工业副业用水等发展自压喷灌 2不同地形管道系统布置 山区地形地貌复杂，往往不能用单一的基本布置解决管道系统的布置问题下面介绍几种典型地形地貌条件下的管系布置方法 河谷山坡地山脊河谷的灌溉地块般分布在两侧山坡上，其特点是地面坡度陡、相对高差大。
管道系统应以山梁、山坡为单元考虑管系的布置和管道分级 河谷山坡地的管道系统布置的一般规律是将输水主干管与干管沿山脊布置，配水干管垂直等高线或与等高线斜交，控制两侧山坡地在山腰盘山渠道以下的灌面，可利用水渠与灌溉地块的落差，自成单元，解决灌溉问题 丘陵地丘陵地的地块般比较零碎， 地形坡度变化较大， 且多有沟槽切割管道系统应以山脊为单元进行布置，输水干管沿山脊线布置，分干管斜插或顺坡布置 (三)自压喷灌系统的压力分区 在灌溉地块大、管道长、坡度陡的自压喷灌系统中，顺坡的干管首末两端压力相差甚大，若按种喷头工作压力设计， 不能适应压力变化若选用较小的工作压力， 其控制面积大，但有部分水头需用人工消除，水头的利用率低;若选用较高的工作压力，水头利用率提高了，但控制面积小因此，应进行压力分区，在不同的地段采用不同的工作压力，以充分利用自然水头，提高喷灌效益和降低设备投资在确定压力分区时需要进行多方面比较，主要考虑以下几个方面: 各压力区的设计水头需与喷头的工作压力相适应;在同一压力区内，应选同一 工作参数的喷头 压力分区不宜过多，每区控制面积不宜过小，并需与喷灌作业区相协调。
面积较大的灌区，以分2~3个压力区为宜 应尽量利用各区内的剩余水头，抵偿干管的水头损失，以减小干管管径4)干管中水流的流速应有限制，以保证系统的安全一般情况下，流速不应超过3 m/s，输水主干管或承压能力较低的管道，流速不应超过2.5 m/s （四）自压喷灌系统的减压设施 当自压喷灌系统输水或配水管道很长，沿管线的地形坡度又很陡时，管内的压力水头愈往下愈大，往往超过管道本身的承压能力，这时必须采取减压措施以保证安全国内目前采用比较广泛的方法是设减压池根据配水方式的不同，分为减压续灌和减压轮灌两种措施 1.减压续灌 减压续灌是由水源直接通过减压池同时向各小区供水，如图6-6 所示在水源位置和管系布置确定后，即可根据管道的允许压力、支管人口压力及地形条件，确定各小区的范围和减压池的位置 设第1小区的上边界高程为z下边界高程为zu， 则 ZIa = zo-Hl1-hw1 (6-11) 式中z0一水源设计水位，m; H11一第1 小区要求的支管人口压力水头，m; Hw1-水源到第1小区上边界干管的水头损失，m 为充分利用自然水头，减少进人灌区之前的输水压力损失，同时避免较大地增大管径，本段管道水头损失以控制在支管人口压力的5% ~15%为宜，这样式(6-11) 可改写为 Z1a=Z0-（1.05~1.15）H11 （6-12） 设进人第1小区前的平均地面坡度为in，则进入第1小区前干管段的长度为 L1=(Z0-Z1a)÷il1 (6-13) 设管道的允许压力水头为[H],则第1小区下边界高程为 Z1b=Z0-[H1] （6-14） 根据水源至第1小区末干管沿线的平均地面坡度in,可求得第1小区干管总长 L1=[H1]÷il1 （6-15） 同理，可求得一下各小区边界高程，干管长和减压池位置。
2.减压轮灌 减压轮灌时，减压池位置和小区边界的确定与续灌时相同减压轮灌的运行顺序如图6-7所示 （6-7）减压轮灌的运行顺序 （1）a区喷灌:关闭闸阀b、C1、d,开启闸阀a，由水源直接向a区供水喷灌 (2) b区喷灌:关闭闸阀a、b2、C2、d，开启闸阀b、C1、 d、a2,水流自水源经减压池I输至b区喷灌 （3） c区喷灌:关闭闸阀a、a2, 开启闸阀b、C、d、b2、C2、d2,水流经减压池I和减压池II输至c区喷灌 （五）管道设计 1.灌水方式 在自压喷灌系统中，支管一般都是轮灌，而配水管则为续灌当只有一个压力区、控制面积又比较小时，可以同时灌几条支管;当有两个或两个以上压力区时，应将其再分为几个作业区，各作业区的支管同时轮溜作业区的划分应满足以下要求: (1)作业区的范围在同一压力分区内; (2)同-压力分区内的各作业区面积大致相等; (3)作业区的划分避免与作物种植产生矛盾; (4)作业区内的支管、喷头等设备的规格和性能参数相同 2.管道的设计压力 1)设计压力 设计压力是指管道按设计要求运行时的水压力。
设计压力根据喷头工作压力和管道水头损失求出，是指导系统运行的水压力 2）最大设计压力 最大设计压力是指管道系统充满水无流量时的静水压力，用来校核管道耐压能力和进行小区减压计算 3）校核压力 校核压力是指开关阀门时产生的水锤压力，用以校核管道在产生水锤时是否安全3.管径选择和水力计算 3.管径选择和水力计算 自压喷灌系统各级管道的管径选择，除支管外均与般管道式喷灌系统有所区别，而且在自压喷灌系统中，同为顺坡向下铺设的管道，输水管和配水管的管径选择也不一样自压喷灌系统的管道水力计算与一般管道式喷灌系统基本相同，只是自压喷灌系统的水力计算需要结合减压区、压力区和作业区的划分进行 输水干管的管径选择 管径选择的原则是在满足干管末端压力要求的前提下使其设备亩投资最小当地面坡度不大于30%时，其管径的计算可采用下式 D = Kp(Q /i)1/b 式中 D一输水主干管的经济管径(内径)，mm; i一沿管线地 面坡度; Kp、m、b-系数和指数，见表6-1; 其余符号意义同前 表6-1 管材的系数和指数 2）顺坡配水干管(或分干管)的管径选择 配水管要保证下一级管道的人口压力，所以对顺坡管来说，既需要利用地形落差抵偿水头损失，不使上级管道增加压力水头，又要不使下面的管道人口压力增高，因此最好的办法是使水力坡降与地面坡度相等，此时其管径即为经济管径，。