灌溉工程设计

目 录第二章 喷灌和微灌工程设计 2第一节 喷灌和微灌工程设计概述 3一、工程设计原则及步骤 3二、工程设计的内容 3三、喷灌和微灌系统的组成及特点 5四、灌溉设计标准和灌溉制度确定 8第二节 喷灌和微灌系统管道布置和选型 9一、田间管道系统布置的原则 9二、影响田间管道系统布置的主要因素 10三、田间管道系统的布置形式 10第三节 管道水力学基础 11一、水力学的基本概念 11二、水力学在节水灌溉中的应用 13第四节 喷灌工程设计要点 22一、喷头选型和组合间距 22KW 27二、管道系统设计和管道水力计算 29四、 喷灌工作制度 32第五节 微灌工程设计 35一、微灌工程设计的技术参数 35二、微灌系统的组成 40三、微灌系统的布置 43四、 微灌系统工作制度与轮灌组确定 46五 微灌水力计算 47第二章 喷灌和微灌工程设计第一节 喷灌和微灌工程设计概述一、工程设计原则及步骤1.工程的设计原则（1） 工程设计应与规划相一致2） 严格按照节水灌溉有关规范、标准进行3） 根据实际情况，因地制宜，保质、经济4） 满足施工深度要求工程设计主要为施工服务，强调全面、细致、准确，内容应具体化。

2. 工程设计的步骤一般如下（1） 了解规划的内容，掌握设计的原则、方案和总体布局2） 搜集基本资料，在规划设计的基础上，根据技术设计的要求提出需要补充搜集或提供更详细资料的清单3） 准备设计依据，包括文件、合同、标准、规范、设计手册等4） 设计计算包括灌溉制度、喷头选型及校核、系统布置、管道选型、水力计算、水泵选型、系统结构设计、预算和经济分析等5） 绘制设计图纸6） 形成设计文件，设计审核、批准二、工程设计的内容工程设计的内容主要包括设计说明书、设计图纸、设计预算书等三部分当工程规模较小时，可以将设计说明书和设计预算书合并一）设计说明书设计说明书应将技术设计的内容、设计依据的规范或标准、计算方法、计算公式及计算结果等设计步骤逐项阐述清楚它是解读设计图纸的文字说明和审查预算书是否合理的依据设计说明书主要包括以下内容⒈ 基本资料⒉ 设计依据⒊ 系统选型和布局⒋ 拟定作物灌溉制度、计算灌溉用水量⒌ 水源分析与水源工程设计⒍ 系统分区、分级、出水口和灌水器的布置灌水器选型与组合⒎ 管材与管径的选择⒏ 拟订系统工作制度给出有关各项数据，进行轮灌编组、安排轮灌顺序⒐ 系统结构设计⒑ 系统设计流量和设计扬程的确定，水泵及动力机选配，各级管道的压力校核。

⒒ 技术经济分析⒓ 施工和运行管理要点在设计说明书中，还要对施工及运行管理提出必要的要求，阐明有关注意事项二）设计图纸提交的设计图纸应包括系统平面布置图、管道纵剖面图、管道系统结构示意图、工程建筑物设计图等⒈ 系统平面布置图比例尺不小于1/2000图中应标明灌区边界及内部分区线，水源、水源工程及泵站的位置，输电线路的位置和走向，各级管道及灌水器的位置，各类闸阀、给水栓以及其它附属设施的位置，还应标明管道的名称及编号，见图2-1图2-1系统平面布置图⒉ 管道纵剖面图管道纵剖面图应绘出地面线、管底线，标出各种管件（如阀门、三通、四通、异径管等）和镇墩的位置底栏应包括桩号、地面高程、挖深、纵坡和管径等管道剖面图的纵横比例尺一般不同，见图2-2⒊ 管道系统结构示意图以透视图形式绘出固定管道系统的结构示意图，标出各段管道的材质、长度、管径及各种管件的规格型号，见图2-3⒋ 工程建筑物设计图包括泵站平面图、立面图、电气主结构图，以及蓄水池、工作池、阀门井、泄水井、镇墩的设计图等1021011009998地面线管底线桩号地面高程管底高程挖深图2—2 管道纵剖面示意图图2-3管道系统结构示意图（三）概预算书对于大中型工程，需要单独编制概预算书，概预算书包括编制说明、设计概算表和附件三部分构成，具体见后面的内容。

三、喷灌和微灌系统的组成及特点 （一）喷灌和微灌系统组成及对比喷灌和微灌系统在组成上一般都由水泵和动力机、首部枢纽、管道系统和灌水器等四大部分组成，但是在系统过滤方式、系统压力等级、灌水方式、灌水器等方面均有所不同，因此喷灌和微灌在设计参数的选用上是不一样的，具体见表2-1表2-1 喷灌和微灌设计参数对比喷灌微喷灌滴灌灌水器工作压力>200 kPa<100 kPa灌水器流量20～250L/h2～12 L/h灌溉强度/雾化指标/射程>7m/遮荫率/√√湿润比/√（部分）√均匀度>0.75>0.8>0.8灌水器材料金属、塑料塑料塑料（二）喷灌的特点及分类喷灌是喷洒灌溉的简称、它是借助一套专门设备将具有压力的水喷到空中，散成水滴降落田间，供给作物水分的一种先进的灌溉方法喷灌的特点如下：优点：节水、增产、灌水均匀、适应性强，节省耕地和劳力缺点：蒸发损失大（漂移损失）、能耗大（尤其对高压喷头）、土壤底层可能湿润不足投资较高、技术较复杂1.按系统的设备组成分类（1）管道式喷灌系统水源、喷灌用水泵与各喷头间由一级或数级压力管道连接，由于管道是这类系统中设备的主要组成部分，故称管道式喷灌系统。

根据管道的可移动程度，又分为固定管道式喷灌系统、半固定管道式喷灌系统和移动管道式喷灌系统2） 机组式喷灌系统使用厂家成套生产的喷灌机（组）的喷灌系统，称为机组式喷灌系统机组式喷灌系统又分为定喷机组式喷灌系统和行喷机组式喷灌系统2.按系统的喷洒特征分类（1）定喷式喷灌系统喷水时喷头位置相对地面不动，如各类管道式喷灌系统和定喷机组式喷灌系统2）行喷式喷灌系统喷头在行走移动过程中进行喷洒作业，如中心支轴式、平移式等行喷式喷灌系统3.各类喷灌系统优缺点及结构特征见表2-2（三）微灌的特点和分类微灌是按照作物需水要求，通过低压管道系统与安装在末级管道上的特制灌水器，将水和作物生长所需的养分以较小的流量，均匀、准确的直接输送到作物根部附近的土壤表面或土层中的灌溉方法微灌有全面湿润灌溉和局部湿润灌溉两种方式微灌的特点是：优点：节水、增产、灌水均匀、适应性强，节省耕地和劳力相比喷灌较节能缺点：微灌易堵塞、可能会限制根系发展投资高、技术复杂局部返盐1.根据灌溉季节配水管道是否移动，微灌一般可以分为3种形式：固定式微灌系统：在整个灌溉季节，系统各个组成部分都是固定不动的投资较高半固定式微灌系统：首部及干支管是固定的。

移动式微灌系统：系统的各组成部分都可以移动投资低、管理比较麻烦2.按出流形式，微灌系统可以分：滴灌(流量2～12L/h)、微喷灌(流量20～250L/h)、小管出流灌(流量80～250L/h)、渗灌(流量2～3L/h)、喷水带等形式3.按是否全面湿润分为：全面湿润灌溉，局部湿润灌溉表2-2 各类喷灌系统优缺点及结构特征 类型亩投资(元)优 点缺 点结构特征适用条件固定管道式800～1200元省地、效率高，易管理、便于自动化，运行成本低，喷洒质量高用料多、投资大，设备利用率低，竖管对机耕有影响管道投资占70～80%，支管耗用量一般25～35m/亩，方块田约20m/亩灌水频繁，经济价值高的蔬菜和经济作物，也适用于城市园林、绿地、运动场半固定管道式300～500元支管重复使用，降低投资，操作较方便，省地，效率高，喷洒质量较好人工移管不方便，尤其是粘重土壤，而且易损坏庄稼支管喷头可移，干管固定，管道投资占50～60%，平均亩管道用量支管2～3m，干管1～3m最适宜矮杆大田粮食作物，其它适用面也较宽，但对高杆作物、果园不适用移动管道式200～500元设备利用率高，投资少、占地少、喷洒质量较好干管、支管需拆卸、搬移，劳动强度大，效率较低，易损坏庄稼管道全部可移，管道投资占50～55%，平均亩用支管1～3m，干管1～2m适于一套设备多井喷灌，尤其适于不稳定的河滩地灌溉和不易地埋管道的高寒地区定喷式机组轻小型机组100～150元一次投资少，使用灵活，结构简单，便于综合利用机组移动稍难，喷洒质量较差，机组保有率低，控制面积小4hp～24hp，结构简单，多为人工或拖拉机移动零星分散土地、分散小水源、家庭果园、菜园、集雨和水窖节水灌溉滚移式、 端拖式、 悬臂式200～500元投资较少，结构较简单机组移动不便，维修有一定难度，机组保有率低，国内产品技术不大成熟结构简单，多为拖拉机移动有一定技术条件、集中使用，多用于大田作物行喷式机组中心支轴 式、平移式400～600元喷洒质量最好，抗风干扰较强，效率高、劳动强度小，自动化程度高，操作方便结构复杂、耗用钢材多，一次投入稍大，技术条件要求高，坡大于7°时行走有困难支管以中心支轴为圆心旋转或以中心支架为准平移，喷头直接布置在支管上，支管边移边喷地形平坦、连片的大块土地（500亩以上），适用于技术条件、经济条件较好的大型农场绞盘式500～800元结构较为简单，定位工作时劳动强度小入机压力要求较高（0.6～0.9Mpa），机组移位困难拖拉机移动，喷头小车边走边喷，支管为PE半软管最适于甘蔗地，也适合牧草等喷灌 ※表中亩投资是按2000年价格计算，仅供参考。

其中的优缺点也是相对的四）喷灌和微灌系统压力规划喷微灌系统压力规划的目标是：力求系统压力均衡，确保灌溉质量和节约能源喷微灌系统压力规划要综合考虑水源水位、灌区地面高程变化、地块分布、输水距离，以及可供选择的设备规格等因素，必要时做出压力分区划分压力区时，应根据地形、压力和面积大小，灌水器产品的类型，管理、投资等具体条件，综合考虑，合理确定，一般应注意以下两点：（1）既保证各压力区能按设计压力灌水，又能经济合理2）压力区的设计压力，应与现有灌水器系列产品的性能要求相一致，以便于配套对于微灌系统通常采用在支管入口或支管上安装减压设施来调节压力，分区可以适当减少1. 机压灌溉系统中压力均衡在机压灌溉系统中，当管道系统较长或地面高差较大时，近处和远处（或低处和高处）的灌水器的工作压力相差悬殊，这样不仅难于保证各处出水量的一致，而且常使水泵不能在高效区运行对于这种情况在规划设计中可采用以下改进措施：（1）在安排轮灌时，增加近处（或低处）的同时工作灌水器，减少远处（或高处）的同时工作的灌水器，以变动流量来使压力趋于一致但这种流量的调节必须在水泵的高效范围之内，因此是有限度的2）按地形的变化分区选用不同工作压力的灌水器，即高处用工作压力低的灌水器，低处用工作压力高的灌水器，但从便于管理的角度出发，这种压力分区一般不宜超过2—3个。

3）在采用上述两种方法仍不能获得满意的效果时，可根据地形和压力变化情况采用水泵串联或选用几台扬程不同的水泵，以便分区施加不同的压力也可考虑按地形变化分区建立加压泵站2. 自压灌溉系统中压力区的划分在自压灌溉系统中，管内水压随地形由上往下逐渐增大在面积大、管道长、落差大的灌区，上部与下部压力往往相差很大如全灌区仅按一种灌水器压力规划设计，很难达到较好的效果如全部选用压力小的灌水器，虽然可扩大上部自压灌溉面积，但下部水头利用不充分，剩余水头大，灌溉效率低如全部选用压力大的灌水器，自然水头可得到较充分的利用，灌溉效率高，但上部有一部分面积不能自压灌溉，受益面积小因此，为了充分利用自然水头，扩大自压灌溉效益，应根据压力随地形变化特点，按压力大小进行分区，并分别选配灌水器当管道内压力超出管道、灌水器等设备所能承受的压力时，应采取减压措施四、灌溉设计标准和灌溉制度确定1．喷灌和微灌系统的设计保证率一般不应低于85%2．作物日耗水量确定见前面内容，表1-9一般按最大日耗水量作为设计依据3．设计灌水定额： （2－1）或 （2－2）式中：m——设计灌水定额(mm)；γ——土壤干容重(g/cm3)； H——计划湿润层深层(cm)，一般大田作物可取为40～60cm，蔬菜20～30cm，果树80～100cm； β1、β′1——分别为以干土重％和以土体积％表示的适宜土壤含水量上限，一般取为田间持水量的80～100％； β2、β′2——分别为以干土重％和以土体积％表示的适宜土壤含水量下限，一般取为田间持水量的60～80％；灌水定额除以水层深度（mm）表示外，还常以单位面积的水体积（m3/亩）表示，两者的关系是：3mm＝2m3/亩。

4．设计灌水周期 （2－3）式中：T——设计灌水周期（d）； m——设计灌水定额（mm）； Ep——作物日需水量（mm/d），取符合设计保证率的代表年灌水临界期的平均日需水量5．设计流量当灌区只种植一种作物时，根据设计灌水定额和设计灌水周期按下式计算设计流量： （2－4） （2－5）式中：Qj、Qm——系统设计净流量和毛流量(m3/h)； m——设计灌水定额(m3／亩)； A——灌溉面积（亩）； T——设计灌水周期，即灌水延续天数（d）； t——每日净灌溉时间（h）； η——田间水利用系数； ηc——输水系统水的利用系数6．水源水量分析作为灌溉工程的水源，可有河川径流、地方径流、地下水及已建成的水利工程供水等不同类型。

因水源类型以及掌握数据情况不同，水源水量的计算方法也不同第二节 喷灌和微灌系统管道布置和选型田间管道系统的布置取决于田块的形状、地面坡度、耕作与种植方向、灌溉季节的风速与风向、喷头的组合间距、微灌毛管间距、是否双向供水等因素，依据这些因素进行设计并做方案比较，择优选用一、田间管道系统布置的原则田间管道系统的布置一般应遵循以下原则：1. 应符合工程规划的要求2. 管道总长度短，少穿越其他障碍物3. 喷洒支管应尽量与耕作和作物种植方向一致4. 喷洒支管最好平行等高线布置，如果条件限制，应尽量避免逆坡布置5. 在风向比较恒定的喷灌区，支管最好垂直于主风向布置，应尽量避免平行主风向布置6. 喷洒支管与上一级管道的连接，应避免锐角相交，支管铺设应力求平顺、减少折点7. 微灌毛管一般与等高线平行布置，和作物种植方向一致，而支管垂直于等高线8. 管道的纵剖面应力求平顺二、影响田间管道系统布置的主要因素在贯彻以上原则时，有时会出现矛盾，这时应根据具体情况进行分析比较，分清主次，因地制宜地确定布置方案影响管道布置主要有下列因素：1. 地形条件在地形起伏的地区，支管平行等高线成水平铺设，有利于支管和竖管喷头的施工安装。

当支管无法沿等高线布置时，应将配水干管或分干管布置在高处，使支管由高处向低处铺设，以地形高差弥补支管水头损失对于地面坡度较陡或梯田的地形，若采用半固定或移动系统，一般将移动支管布置成平行等高线2. 地块形状地块形状不规则会给管道布置带来困难当地块较大时，可用分区布置的方法解决分区时应使小地块基本规整，支管在小地块内的走向一致移动式系统因配水干管都设置在地面，为使移动方便和避免损伤作物，干管应尽量布置在分区边界3. 耕作与种植方向有的灌区处于漫坡地带，耕作、种植方向是顺坡，支管如平行等高线布置，与耕作、种植方向就不能保持一致，这时一般应按耕种方向布置喷洒支管，配水干管沿等高线布置并使其处于支管上方，支管顺坡下铺有时在同一地块内存在不同的耕作种植方向，造成管道布置困难，这时宜根据管道布置的要求，对耕作方向作必要的调整和统一4. 风向和风速喷灌季节如果灌区内风速很小，则支管的布置可不考虑风向；如果风速超过一级风，且存在主风向时，支管最好垂直主风向布置但在有些地方，如河谷地，其主风向往往与等高线平行，这时应根据喷灌系统的类型采用不同方法处理对于固定式系统，配水干管或分干管宜沿等高线布置在高处，支管下顺铺设；对于半固定或移动式系统，喷洒支管是移动的，一般仍沿等高线布置。

5.水源位置当水源或地块位置可以选择时，宜将水源布置在地块中央，依次布置干管、分干管、支管，可降低管道系统投资当水源有选择余地但不能布置在地块中央时，应先布置田间管网，再布置配水干管或分干管，最后视地形、地质等情况，进行方案比较,确定输水管和水源位置三、田间管道系统的布置形式田间管道系统布置主要有两种形式（单向、双向供水）：1． 丰字形布置，见图2-4 12345612345图2—4a丰字形布置 2-4b丰字形布置2． 梳子形布置（图2—5）12345939495图2－5 梳子形布置1－河渠；2－泵站；3－干管；4－支管；5－喷头第三节 管道水力学基础一、水力学的基本概念（一）三大基本方程1． 能量守恒方程水体的总能量由动能、位能和压能组成，三种能量可以相互转换对于任意两个断面水的总能量是守恒的，任意两个断面之间的能量差反映能量损失（水头损失）或能量的注入（水泵加压）能量守恒方程式如下： （2－6）式中：z0——过水断面上单位重量液体所具有的位能，单位为m；——过水断面上单位重量液体所具有的平均压能，单位为m,γ为液体的容重，水可取9.8kN/m3；hw——水头损失，单位为m。

——过水断面上单位重量液体所具有的位平均动能，单位为m；g为重力加速度，一般取9.8m/s2能量守恒方程常用在如下方面的水力计算：水头损失计算，管道压力平衡计算，喷头流量、射程计算，微灌小孔出流计算，水泵扬程计算等如对于小孔出流，把基准面取在出口断面的中心线上，则有：H0＝，，=0，令有，μ综合反映收缩、损失等的流量系数2． 动量守恒方程动量守恒方程反映了当水流流速（大小、方向等参数）发生变化时，水流与外界作用力的相互变化关系 （2－7）动量守恒方程常用在如下方面的水力计算：过水部件受力分析，稳定性计算，水锤计算，镇墩计算、支墩计算等3． 连续性方程，质量守恒定律连续性方程说明对于不可压缩液体，通过任意两个过水断面的液体质量是相同的Q进=Q出 连续性方程常用在如下方面的水力计算：流量、流速计算，管径计算等二）水流流态水流流态一般有两种形式：层流和紊流1. 层流当水流流速相对较小时的水流形态，较多用于渗流计算2. 紊流当水流流速相对较大时的水流形态，较多的水流处于紊流状态紊流又可根据流速大小、边界粗糙度等因素分为光滑区，过渡区，粗糙区（阻力平方区）三种。

对于任何水流流态都可以用一个统一的公式计算水头损失x为流态指数，反映水头损失大小与流速关系的指数，不同流态取值不同层流，x=1光滑区，1

1.系统的设计流量确定包括总流量，各管段流量确定连续性方程的应用，流量分配与叠加，设计流量与实际工作流量，干管汇流，系统流量损失2.系统的设计扬程确定 （2－9） 式中：H——系统设计扬程（m）； Zd——典型出水点的地面高程（m）； Zs——水源水面高程（m）； hs——典型出水点灌水器至地面的高度（m）； hp——典型出水点灌水器的工作压力水头（m）；∑hf——由水泵吸水管至典型点的灌水器进口处之间管道的沿程水头损失（m）；∑hj——由水泵吸水管至典型点的灌水器进口处之间管道的局部水头损失（m）系统的设计扬程由三大部分构成，即位置差，总水头损失，灌水器工作压力水头3.管道水头损失计算公式（1）水头损失计算是管道水力计算的主要内容由于节水灌溉系统所采用的管道大都是水力长管，管道水头损失中局部水头损失占的比重较小，所以重点是计算管道的沿程水头损失，按照一定的比例估计沿程水头损失 （2－10）其中 式中： λ——沿程水头损失系数； ξ——沿程水头损失系数； d——管径(m)； l——管长（m）； v——管道中的流速（m/s）；k——局部水头损失与沿程水头损失的比值，k一般取5～10%；hf ——沿程水头损失（m）；hj ——局部水头损失（m）。

2）串联管道与并联管道水力计算1）串联管道由管径不同的管段依次连接而成的管道，称为串联管道串联管道内的流量可以是沿程不变的；也可以是沿程每隔一定距离有流量分出，从而各段有不同的流量因为各管段的流量、直径不同，所以各管段的流速也不同这时，整个管道的总水头损失等于各管段水头损失之和 （2－11）式中： 为串联管道总水头损失，m；为串联管道各管段的水损失，m；n为串联管道管段数2）并联管道凡是两条或两条以上的管道从同一点分叉而又在另一点汇合所组成的管道称为并联管道在汇合点，管道的流量等于各分支管道流量之和，而各分支管道的水头则相等因此，按下列公式计算水头损失 （2－12） 4.《喷灌工程技术规范》中规定的水头损失计算公式喷灌中使用的管道，按管材不同来确定流态的分区，选用不同的沿程水头损失计算公式作简单分区可以使设计、计算变得简单，而且误差一般不会太大《喷灌工程技术规范》中计算沿程水头损失hf的基本公式如下： （2－13）式中：Q——管道中流量（m3/h）；L——计算管长（m）；d——管道内径（mm）；f——摩擦损失系数；m——流量指数；b——管径指数。

该公式中摩擦损失系数f只是简单的数值，没有待定系数摩擦（阻）损失系数f、流量指数m、管径指数b由选定的公式确定，见表2－3：表2－3 沿程水头损失公式中的f、m、b值管 材流 态fmb砼管、钢筋砼管n=0.013粗糙区1.34×10625.33n=0.0141.56×10625.33n=0.0151.79×10625.33旧钢管、旧铸铁管过渡区6.25×1061.95.1塑料硬管光滑区0.948×1051.774.77铝管、铝合金管光滑区0.861×1051.744.745.微灌中管道沿程水头损失计算微灌中管道沿程水头损失计算公式和喷灌是一致的，但是由于选用材料略有不同，因此在分区和取值上有所不同 （2－14）式中：Q——管道中流量（L/h）；其它同喷灌表2－4 沿程水头损失公式中的f、m、b值管 材fmb硬塑料管0.4641.774.77微灌用聚乙烯管d>8mm0.5051.754.75d≤8mmRe>23200.5951.694.69Re≤23201.7514注：①Re为雷诺数。

②微灌用聚乙烯管f的取值相应于10℃水温其它温度时应修正在计算管道局部水头损失可按沿程水头损失的一定比例估算，支管为k＝0.05～0.1，毛管为k=0.1～0.26.多口系数计算固定式、半固定式和移动式管道喷灌系统的支管，以及大型喷灌机（平移式、时针式）的支管、滴灌出流等一般都属多口出流管道在喷洒支管上，每隔一定距离有一个喷头分流，支管内的流量是沿程减小的在计算管道的沿程损失时，可以逐段计算两喷头之间管道沿程水头损失，相加后即为该支管的沿程水头损失但这样计算相当繁琐，可采用简化方法进行计算多口出流管道的沿程水头损失Hf，与同一管道但全部流量只在管末出流时的沿程水头损失hf之比，称为多口系数，以F表示，即： （2－15）因此，按非多口出流沿程水头损失hf，在乘以多口系数F，就可求得多口出流管道（如喷灌支管、微喷灌和滴灌毛管）的沿程水头损失Hf，即：（1）固定管道（包括喷灌支管和微灌支管、毛管）的多口系数公式： （2－16） （2－17）式中： F——多口系数； N——支管等的孔口数； m——所采用的沿程水头损失公式中的流量指数； X——第一出水口至支管等进口距离（l1）与出水口口间距（l）的比值。

X= l1/l2）大型喷灌机支管的多口系数公式 （2－18）在喷灌系统规划设计中，用到多口系数计算的场合，绝大多数是半固定式或固定式的移动支管（大型喷灌机的多口系数公式很少用到），一般都是用塑料管或铝管，而且在多数情况下，支管上所布置喷头数在5～12个，为设计方便，在表2－5中给出这两种管道的常用多口系数，设计时可直接查用表2－5 塑料管或铝管的多口系数开口数567891011121314∞X=10.470.450.440.430.420420.410.410.400.400.36X=0.50.410.400.400.390.390.390.380.380.380.387.管径及长度确定由于每一条管道，以及同一条管道的不同管段在轮灌过程中流量有变化，一般应取各管或管段中通过的最大流量为该管或管段的设计流量有时最大流量通过的时间在设计灌水周期内所占总过水时间比例很小，可取次大流量作为设计流量 （1）喷灌支管管径的选择支管是指直接连接竖管和喷头的一级管道，有时亦称喷洒支管支管的管径的选择除与支管的设计流量有关外，还应力求使同一支管上的各喷头喷水量均匀，同时又较为经济、合用。

管径选得越大，管道沿程水头损失越小，同一支管上各喷头的压力差也越小，各喷头的喷水量也就越接近但若管径取得过大，则会增加支管的投资造价，对于移动支管来说还会增加拆装、搬移的劳动强度管径选得越小，管道沿程水头损失越大，各喷头压力差和喷水量的差别就越大，影响喷灌质量为了保证同一支管上各喷头实际喷水量的相对偏差不超过10%，《喷灌工程技术规范》规定：“同一支管上任意两个喷头之间的工作压力差应在喷头设计工作压力的20%以内”若支管在平坦的地面铺设或逆坡铺设，其首末两端喷头间的工作压力差应为最大；但是当支管顺坡铺设或铺设在地形起伏的地面上时，其最大的工作压力差不一定发生在首末喷头之间，此时需要绘出压力水头线和地面线，从中找出压力差最大的两个喷头的位置，再进行计算对支管喷头工作压力差的控制要求，在考虑地形高差的影响后，可用公式表示为： （2－19）式中：△Z——两喷头的进水口高程差（m） ——喷头设计工作压力（m）hW——同一支管上任意两个喷头间的水头损失差（m），一般情况下可用支管段的沿程水头损失代替；喷头设计工作压力可从喷头性能表中查得。

两喷头进水口高程差（实际上就是两喷头所在地的地面高差）可以由系统平面布置图中查得利用公式2－19，在其它参数已知的情况下反求管径D，D就是该支管可选用的最小管径的计算值，按照管材的标准将计算管径取整另外，支管管径选择还应考虑到施工和管理运行的方便，对半固定、移动式喷灌系统的移动支管，力求使各支管采用统一的规格，对于较大的喷灌系统，若不能全灌区支管管径一致，至少也需做到在一个作业区内统一，最大管径一般不超过90mm对固定的地埋支管，管径可以变化，但规格不宜太多[例] 某铝合金喷灌支管，全长120m,共带有PY120喷头（喷嘴直径7mm）8个,喷头工作压力为0.3Mpa，喷头间距16m，第一个喷头距支管入口处8m支管逆坡铺设，首末端喷头高差1.8m，试确定其管径解：① 从喷头性能表查得喷头流量为：q =2.96m3/h② 多口出流管道沿程水头损失用式2－13计算： 铝管：f=0.861×105，m=1.74，b=4.74③ 第一个喷头到末端的支管管段长 L = 7×16 = 112（m）相应管段的入口流量 Q = 7×2.96 = 20.72（m3/h）由孔口数N = 7及X = 0.5，查表2－5得多口系数F = 0.439将L、F、Q代入式（2－13）式，得： ④ 已知 △Z = 1.8（m），hp = 30（m）将△Z，hp，及上式代入公式（2－19）并解方程得 d ≥56.2（mm） 按铝合金管规格，采用Φ=65mm的管，其内径d =62mm（2）微灌支管管径、管长的选择微灌以小区为计算范围，按照《微灌工程技术规范》，灌水器允许流量偏差不大于20%，按照此要求校核和计算管道直径和长度。

（2－20） （2－21）hv可按下式计算 （2－22）以上公式中：x——灌水器流态指数，约为0.5；qv——灌水器的流量偏差率；hv——灌水器的工作水头偏差率；qmax——灌水器的最大流量；qmin——灌水器的最小流量；hmax——灌水器的最大工作水头；hmin——灌水器的最小工作水头；qd——灌水器的设计流量；hd——灌水器的设计工作水头实际计算时: （2－23） （2－24）△H支——支管上的最大压力差，用首末端的水头损失代替△H毛——毛管上的最大压力差，用首末端的水头损失代替3）干管管径的选择干管是指支管以上的各级管道干管管径是在满足下一级管道流量和压力的前提下按年费用最小的原则选择的，这种管径称为经济管径年费用包括年投资和年运行费，确定经济管径，需要分别计算出多种管径的年投资和年运行费，然后再求得使两种费用之和为最低。

由于喷灌管道系统年工作小时数少，所占投资比例又大因此一般在喷灌所需压力能得到满足的情况下，选用尽可能小的管径是经济的，但管中流速应控制在2.5～3 m/s以下计算出的管径应该按照规格取整 对于规模不大的喷灌工程，也可用如下经验公式来估算干管的管径当Q＜120m3/h时， （2－25）当Q≥120m3/h时, （2－26）式中：D——管径（mm）[例] 有一喷灌干管，拟采用铸铁管，设计流量为80m3/h，试用经验法确定其管径解：，因Q＝80 m3/h＜120 m3/h，故按公式（2-25）计算 mm查铸铁管规格表，选定与计算值接近的D＝125mm的管子8.管道系统各控制点压力的确定管道系统各控制点的压力是指支管、分干管、干管的入口以及其它特殊点的测管水压在这些控制点处通常设有调节阀门和压力表，以保证系统正常运行计算各控制点在各个轮灌组时的压力水头，一方面为选择水泵提供依据，另一方面也给系统运行提供基础数据支管入口压力的计算是系统中其它各控制点计算的基础。

根据《喷灌工程设计规范》，系统中任何喷头的实际工作压力不得低于喷头设计工作压力的90%，而且同一支管上两喷头间最大压力差不超过喷头设计工作压力的20%，支管入口压力应保证任一喷头的实际工作压力在喷头设计工作压力的90%～110%范围之内而且，支管入口压力还应使支管的实际流量等于设计流量，也就是支管上喷头的平均流量等于设计流量确定支管入口压力常采用下面介绍的近似计算方法：(1）按支管上工作压力最低的喷头计算 （2－27）式中： H支——支管入口的压力水头（m）；△Z——支管入口地面到工作压力最低的喷头进水口的高程差，逆坡时为正值，顺坡时为负值（m）；——支管相应管段沿程水头损失（m）；hp ——喷头设计工作压力（m）2）按降低0.25hf来计算 （2－28）式中：hf——支管首末两喷头间管段的沿程水头损失（m）此方法适用于支管沿线地势平坦且支管上喷头数较多（N＞5）的情况3）按离支管总长1/4位置的点的压力为设计工作压力点计算 （2－29）式中： h″f——支管入口地面到入口处约为支管总长1/4处喷头进水口处的沿程水头损失（m），；△Z——上述两位置的高程差（m）；其它符号意义同前。

此方法适用地形平坦或一面缓坡的情况，在微灌的毛管水力计算中也常采用[例] 某铝质移动支管，全长180米，内径为62mm，安装有PY120型喷头10个，设计工作压力03.Mpa，喷头间距为18米，首端喷头到支管入口18米竖管高1米，内径为25mm支管沿线地势平坦，试确定支管入口压力支管入口的压力确定后，即可根据系统在各轮灌组运行时的流量，分别计算各分干管、干管的沿程水头损失和局部水头损失，最后计算出各控制点在各轮灌组作业时的压力将各轮灌组作业时各控制点的压力算出之后，应将结果按轮灌组顺序列成表格，作为运行时的依据与此同时，可以得到系统的流量范围和干管入口的压力范围，作为选择水泵所必需的数据根据系统流量和压力的变化范围选择水泵保证实际的工况点始终在高效区9.管道水锤计算水锤计算：应用，控制关阀历时，关键点水锤（或称水击），是指在有压管道中，由于流速急剧变化而引起管道中水流压力急剧升高或降低的现象常见的水锤包括水泵起动时产生的起动水锤、充水水锤、关闭阀门产生的关阀水锤、以及突然停泵时产生的事故停泵水锤，其中事故停泵水锤危害最大通过水锤计算，可以确定是否要采取一定的安全防护措施以确保管道的安全。

1）水锤计算用参数1）水锤波传播速度a对于匀质圆管有： （2－30）式中：a——水锤波传播速度（m/s）; d——管径（m）; e――管壁厚度（m）; k——水的体积弹性模数（Pa），一般k=2.025Gpa; E——管道材料的纵向弹性模数（Pa）对于钢筋砼管有 （2－31）式中：Ec——钢筋砼的弹性模数，Ec=20.58Gpa; α0——管壁内环向含钢系数，α0＝0.015～0.05; 其余符号意义同前几种主要管材的E值（GPa）如下： 表2－6 管材的E值管材E值GPa管材E值GPa管材E值GPa钢管206铸铁管108铝管70聚氯乙稀管2.8～3聚乙烯管 1.4～2聚丙烯管0.00008根据喷灌中常用的不同管材E值和d/e值可得到不同管道水锤波传播速度，见下表表2－7 不同管道中水锤波传播速度a值管材a(m/s)管材a(m/s)钢管1100——1200钢筋砼管1000——1100铸铁管1200——1300聚乙烯、聚氯乙烯管350——400铝管900聚丙烯<32)水锤相时μ 水锤相时μ表示水锤波在管道中来回传播一次所需时间（s），用下式求出： （2－32）式中： L——计算管长（m）; a——水锤波传播速度（m/s）。

3）管道中水柱惰性时间常数TbTb=Lν0/gH0 （2－33）式中：ν0——关阀前管道内的流速； H0——关阀前管道内的压力； g——重力加速度，g=9.81m/s2）水锤压力计算1）瞬时完全关闭阀门时，阀前产生的最高压力水头为Hmax=H0+αν0/g （2－34）一般喷灌的主干管道内压力在40～60m水头，流速在1.5～2m/s，据此可求出不同管道内瞬时关闭阀门，阀前的最高压力值见下表：表2－8 瞬时关闭阀前水锤压力管材水锤压力（m水头）管材水锤压力（m水头）钢管200～300钢筋砼管190～260铸铁管220～320聚乙烯、聚氯乙稀管90～140铝管170～220聚丙烯管增加值<1从表中可以看出，除聚丙烯管外，其它管材在瞬时关闭的情况下，其水锤压力均较原管道中的压力增加1倍以上，根据《喷灌工程技术规范》中规定水锤压力超过管道试验压力（一般为管道工作压力的1.5倍）时应采取防护措施。

2）缓慢关闭阀门时，阀前产生的水锤压力为 （2－35）式中： Ts——关阀历时，s;其它符号意义同前 根据公式μ/Tb=2LgH0/αLν0=2gH0/αν0，一般情况 H0=40～60m水头，α=300～1300（m），ν＝1.5～2（m/s），可知：μ/Tb=0.3～2，基本是同数量级 按照《喷灌工程技术规范》规定，当关闭历时满足Ts≥20μ时有：Hmax≤(1.14～1.03)H0，自然可以不必验算水锤压力3）水锤防护由前面分析可知，正常运行（包括缓闭阀门）时都不会产生过大的水锤压力，管道一般时可以承受，但在瞬时关闭或水泵突然停泵时，管道内可能出现较大的水泵压力，此时需要靠水锤防护措施消除水锤的破坏一般采用的方法主要有以下几种1）安全阀，在首部枢纽的后部，系统干管、分干管上低凹处和上坡的坡脚处，设置安全阀，其作用是在水锤发生时可以急速打开，释放出管道的部分水，消除水锤压力相当于将瞬时关闭状态变为状态2）空气阀，在系统的若干高处，安装一定数量的空气阀，既可在正常运行时排除管道中的空气，保证系统内是单相流，不致出现有完全分隔时更为严重的水锤，同时还可在管道内出现负压时补气，防止产生负压水锤。

3）逆止阀，在系统的一些重要设施部位后部设置逆止阀，可以防止出现水锤时对这些设施造成破坏 [例] 某喷灌系统中采用铝合金管，管径d=104mm，壁厚e=2mm，通过流量Q=50m3/h，系统正常工作压力水头H0=44.22m，管道长L=230m，设阀门（下游末端）在Ts=0.5s时间内瞬时完全关闭，试求水锤压力解：（1）计算水锤波传播速度a已知d=104mm，e=2mm，E=69.58GPa，K=2.025GPa，代入公式（2－30）得（m/s）（2）判断水锤种类水锤相时（s）Ts=0.5s＜μ=0.512s，所以关闭阀门产生的是直接水锤3）计算水锤压力（m/s）将v0代入公式（）得阀门前管内最高压力水头为（m）由可知，直接水锤产生的压力水头为正常工作压力水头的4.39倍，应采取措施避免直接水锤的发生第四节 喷灌工程设计要点一、喷头选型和组合间距选择喷头和确定组合间距应满足喷灌质量和经济合理等要求，同时便于操作、管理按照《喷灌工程技术规范》规定，选择喷头和确定组合间距的具体要求如下：1. 喷灌强度不超过土壤的允许喷灌强度值2. 组合均匀系数不低于规范规定的数值3. 雾化指标不低于作物要求的数值。

4. 有利于减少喷灌工程的年费用喷头的选择包括喷头型号、喷嘴直径和工作压力的选择在选定喷头之后，喷头的流量、射程等性能参数也就随之确定在一定的自然条件下，如果组合间距和运行方式也确定下来，则喷灌强度、组合均匀度和雾化指标都可确定一）喷头的基本参数、喷洒方式和组合形状1.喷头的基本参数（1） 喷头的进水口直径（D）喷头的进水口直径指喷头空心轴或进水口管道的内径，单位为mm我国常以进水口公称直径命名喷头型号，对旋转式喷头，国标GB5670.1－85《旋转式喷头类型与基本参数》规定的进水口公称直径为10、15、20、30、40、50、60、80mm八种2） 喷嘴直径（d）喷嘴直径指喷头出口直径，即喷嘴流道的等截面段的直径，单位为mm对非圆形的异形喷嘴，用当量喷嘴直径（按其流量折算的喷嘴直径）来表示3） 喷射仰角（α）喷嘴出口射流轴线与水平面的夹角，称为喷射仰角，单位为度目前我国常用旋转式喷头的喷射仰角多为27°～30°，为了提高抗风能力，有些喷头采用21°～25°喷射仰角；对树下喷灌、温室喷灌或防霜等特殊用途的喷灌，可采用喷射仰角小于20°的低仰角喷头，为了适应工矿企业除尘要求，我国还研制了仰角大于30°的高仰角除尘喷头。

4）工作压力（hP）喷头的工作压力是从指喷头进水口下20cm处的竖管上测取的静水压力，通常用符号hP表示，单位为kPa(或m)5） 喷头流量（q）喷头流量即喷水量，指单位时间内喷头喷出水的体积，单位为m3/h喷头流量可用体积法、重量法、堰法、流量计法等测定，也可用管嘴出流量公式进行计算，公式为： (2－36)式中：μ——流量系数，取0.85～0.95；A——喷嘴过水断面面积（m2）；g——重力加速度（m/s2）；hP——喷头工作压力(m)；q——喷头流量（m3/h） （6） 喷头射程（R）喷头射程是指在无风情况下，喷头正常工作时喷洒湿润圆的半径，即喷射水所能到达的最远距离，单位为m7） 喷头的喷灌强度（）喷头的喷灌强度是指单喷头全圆喷洒时的喷灌强度，是一种计算喷灌强度用单位时间内喷洒到单位面积上水的体积或单位时间内喷洒湿润圆的平均喷洒水深表示，单位为mm/h，计算公式如下： （2－37）式中： ρs——喷头的喷灌强度（mm/h）； q——喷头流量(m3/h)； S——喷头喷洒控制的面积（m2）。

8） 喷头的雾化指标（ρd）喷头的雾化指标指射流的碎裂程度，反映了喷头喷洒水滴的大小、水滴降落的速度以及水滴的密度主要作物的雾化指标可参见表2。