喷灌工程设计要点.doc
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1、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
2、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GB5670.185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()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2730,为了提高抗风能力,有些喷头采用2125喷射仰角;对树下喷灌、温室喷灌或
3、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: (236)式中:流量系数,取0.850.95;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(
4、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m。(7) 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: (237)式中: s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(d)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29。在喷灌工程技术规范中规定:喷灌的雾化指标应根
5、据喷头工作压力水头和主喷嘴直径的比值确定,计算公式如下: (238) 式中:d 雾化指标; hP 喷头工作压力(m); d 喷嘴直径(mm)。实际计算时:一般hp单位为kPa,d单位为mm,则有:表29 作物雾化指标作 物 种 类雾 化 指 标疏菜及花卉40005000粮食作物、经济作物及果树30004000牧草、饲料作物、草坪及绿化林木20003000(9) 喷头的水量分布特性在喷头喷洒范围内,各点的喷灌强度与相应点位置间的关系,常用水量分布曲线或水量分布等值线图表示,它们是根据实测喷头喷洒范围内各点喷灌强度绘制的,水量分布的等值线图实际就是单位时间的等水深线图,一般又在等值线图的下方和右方
6、给出相互垂直的两个方向的剖面图,见图26。影响喷头水量分布的因素很多,风和工作压力的影响较大。在有风时,风对水量分布的影响如图27所示,顺(逆)风向和垂直风向的喷洒半径都减小,整个湿润面积缩小,喷灌强度增加,水量分布等值线,逆风带变陡而收缩,顺风带变缓而伸长,垂直风向的喷洒半径收缩更明显,并往往出现两个峰值点,水量分布性能变差。工作压力对水量分布的影响如图2-8,压力过高时,水量向近处集中,射程减小,压力过低,粉碎不足,水量分布曲线呈笔架形;压力适中时,射程最远,水量分布曲线呈三角形或梯形,有利于提高组合均匀度。 图26 喷头水量分布图 图27风对喷头水量分布图 图28 工作压力对水量分布的影
7、响图 (a)压力过低;(b)压力适中;(c)压力过高2.喷头的喷洒方式和组合形状(1)喷头的喷洒视喷头的类型和附属设备的不同有多种方式,如全圆喷洒、扇形喷洒、矩形喷洒、带状喷洒等。一般情况下使用全圆喷洒,在田边、路旁或房屋附近有时使用扇形喷洒。(2)喷头的组合形状也称布置形式,一般用相邻4个喷头组成的平面图形表示。喷头的基本布置形式有两种,矩形组合和平行四边形组合。矩形组合用喷头沿支管布置的间距a、相邻两支管的布置间距b表示,如图29。平行四边形组合除用喷头间距a及支管间距b外,还需增加两相邻支管上喷头偏移的距离e,如图210。2a1bae12b图29矩形组合 图210 平行四边形组合图中:1
8、支管,2喷头一般情况下,无论是矩形组合还是平行四边形组合,应尽可能使支管间距b大于喷头间距a,以利于节省支管(对固定式喷灌系统),或避免频繁移动支管(对于半固定式、移动式喷灌系统)。在有稳定风向时,宜采用ba的组合并应使支管垂直风向,支管与风向的夹角大于45。当风向多变时,应采用等间距,即a=b的组合,矩形布置变成了正方形布置,如图2-11。当平行四边形布置的e=Error! No bookmark name given.a/2,则平行四边形分为两个面积完全相等的等腰三角形,亦称等腰三角形组合,如图2-12。aa/212ba1b=a2图211 正方形组合 图212 等腰三角形组合图中:1支管,
9、2喷头(二)设计喷灌强度当喷洒水利用系数近似为1时,设计喷灌强度可用下式求取:=1000Q/A (239)式中:设计喷灌强度,(mm/h);Q各同时喷洒喷头的流量和(m3/h);A各喷头同时喷洒时地平面上的湿润面积,()。如果风速小于0.1m/s,喷头参数也已确定,则单个喷头独立喷洒设计喷灌强度为:s=1000q/R2 (240)式中 s无风情况下单喷头全圆喷洒的设计喷灌强度 (mm/h) ;q喷头流量(m3/h); R喷头射程(m).当风速不超过1 m/s时,湿润面积较无风时并无显著缩小,所以在设计风速小于或等于1 m/s的情况下,仍用上式计算。当风速超过1 m/s,多喷头设计喷灌强度可以通
10、过修正s的方法用下式计算:=Kw Cs (241)式中 组合喷灌强度(mm/h);C组合系数,根据表210的公式计算;Kw风系数, 根据表211的公式计算;s见式2-40,也可由喷头性能表查出。运行情况C值单喷头全圆喷洒1单支管多喷头同时全圆喷洒多支管多喷头同时全圆喷洒表210不同运行情况下的组合系数C值对于单支管多喷头同时全圆喷洒的C值,除用表21的公式计算外,也可用图213中的C-a/R曲线求取。图213 单支管多喷头同时全圆喷洒的C-a/R曲线表211 不同运行情况下的风系数Kw值运行情况Kw单喷头全圆喷洒单支管多喷头同时全圆喷洒支管垂直风向支管平行风向多支管多喷头同时全圆喷洒1注:式中
11、v为风速(m/s)(三)喷灌均匀度喷灌均匀度是指喷灌面积上水量分布的均匀程度。控制均匀度的方法:1.选用喷头应质量合格,性能良好,雨量分布图形合理。2.压力控制喷灌工程技术规范中要求在设计风速下,喷灌均匀度系数不应低于75%,对于行喷式喷灌系统,不应低于85%。规划设计中使系统中各喷头的工作压力尽量限定在一定范围内,从而使喷头的流量误差限定在一定范围内,保证喷洒的均匀性。规范中规定,同一支管上任意两个喷头之间的工作压力差应在设计喷头工作压力的20%以内,任意两个喷头的流量差在设计流量的10%以内,从而保证了支管上的流量均匀。3.间距控制,即合理确定组合间距(四)组合间距的确定喷头的组合间距与喷
12、头射程有关,也受喷灌强度的制约,且有一定均匀度要求,因此,组合间距的确定,应在保证喷灌质量的前提下,与喷头的选择结合进行。确定喷头组合间距的常用方法有3种,第一种是先选定喷头及其参数,再定组合间距,然后验算是否满足喷灌质量的要求;第二种是先确定控制喷灌质量的参数,再据以选择喷头及参数,然后确定组合间距;第三种是先确定组合间距,再按喷灌质量要求找出控制条件,然后据以选择喷头及其参数。第一种方法的优点是对喷头的品种规格有多少要求不高,缺点是不能避免试算;第二种方法是由第一种方法改进而来,可避免试算,在优化设计中使用也较方便;第三种方法的优点是对管道的规格有多少要求不高,也可避免试算,缺点是要求有足
13、够多的喷头。因此在喷头、支管、干管规格较少或不齐全时以采用第二种方法较好;在有足够多的品种规格可供选择时,用第三种方法最方便。当然对有经验的设计人员来说,无论采用哪一种方法,均可得到满意的结果。本教材只介绍第一种方法,其他方法可参考其他相关资料。1. 选择喷头及其参数喷头参数包括工作参数和性能参数,工作参数指喷头的工作压力和嘴径,性能参数指喷头的流量和射程。喷头的工作参数确定后,性能参数也就随之确定。选择喷头时要满足作物对雾化程度的要求。(1) 当灌区土壤粘重时,应注意选择s值较小的一组喷头参数。(2) 当灌溉季节风速较高时,选择的喷头参数应使s较小。(3) 在相邻支管上多喷头同时喷洒的情况下
14、,要求要小,在只有一条支管上的喷头同时喷洒的情况下,s应较小,没有相邻喷头同时喷洒的单喷头运行情况,s可较大。(4) 在地形坡度较大时,应选s小的喷头性能参数。2. 确定间距射程比、计算组合间距合理的组合间距应使喷洒均匀度满足要求,并做到经济合理。表212中列出在满足均匀系数Cu=75%条件下的最大组合间距射程比,可供参考使用。如果支管不平行也不垂直风向,则应视支管与风向的夹角对Ka、Kb进行调整,或按表中间距射程比进行等间距布置。表212 喷头的最大间距射程比设计风速m/s等间距布置时最大间距射程比不等间距布置最大间距射程比垂直风向平行风向0.31.61.1111.31.63.410.910
15、.81.31.13.45.40.90.70.80.61.11间距射程比Ka、Kb选定以后,按下列公式计算组合间距:a=KaR (242 )b=KbR (243 )计算得到a、b后,还应根据管道的规格长度进行调整。移动支管的规格长度多为4、5、6m,喷头间距a应向最近的节长整数倍调整。带短接管的管道a值应该调整为节长整数倍加短接管长。固定式支管上喷头间距a和支管间距b,也应根据所用管道的规格作出类似的调整。调整后,需要校核实际使用的间距射程比是否超过表列数值,如超出表列数值,需重新调整间距。3. 验算设计喷灌强度在选喷头、定间距的过程中雾化指标和均匀度已满足了要求,但还需校核组合喷灌强度是否满足
16、要求,对于坡地,还需要按表213进行修正。验算的公式为 允 (246)式中:允土壤的允许喷灌强度,可参考表1-6。表2-13 坡地允许喷灌强度降低值地面坡度(%)允许喷灌强度降低()2075【例】某灌区采用移动管道式喷灌系统,单支管轮灌,地面平均坡度6%,土质为壤粘土,作物要求雾化指标不小于3500,灌溉季节常见的风速不大于3m/s,风向多变,试选择喷头并计算组合间距。解:(1)选择喷头及其参数:选PY120喷头,工作压力为P=300KPa,嘴径D=8mm,此时射程R=20m,流量q=3.94m3/h, s=3.13mm/h。hp/d=100300/8=37503500满足雾化指标要求。(2)
17、选间距射程比,计算组合间距:因无固定风向,喷头用等间距布置,由表4-5间距射程比为10.9,选Ka=Kb=0.9,由式(242)计算得a=b=0.92018(m)选三节6m长的铝管为移动支管的基本单元,其中一节带阀管,亦正好为18m,a、b不需调整,可以满足CU75%的要求。(3)验算设计喷灌强度:按最不利情况考虑,当风向变化至平行支管时喷灌强度最大,由表2-11查得Kw=1.12v0.302将设计风速代入得 Kw =1.1230.302 =1.56又由表2-10查得单支管多喷洒情况下C的计算公式并以a=18m、R=20m代入,得 C=1.81壤粘土的允许喷灌强度为10mm/h,地面坡度为58
18、%时应降低20%,所以允=10(1-20/100)=8mm/h将Kw =1.56, C=1.81,s=3.13mm/h带入式(241)得 =1.561.813.13=8.84 (mm/h)8(mm/h)因允,喷灌强度不符合要求,故需重选喷头及其参数。(4)重选喷头进行各项计算:改用PY120喷头另一组参数P=300Kpa、d=7mm、R=19m 、q=2.96m3/h、 s=2.63mm/h。此时 hp/d=100300/7=42863500雾化程度符合要求。选Ka=Kb=0.9,得a=b=0.91.9=17.1m,按管道规格长度调整为a=b=18m,此时的间距射程比为Ka=Kb=18/19=
19、0.947不超过表列数值,因此均匀度仍满足要求。因Kw只与风速有关,所以Kw=1.56不变,C值改用Ka=0.947及a=18m,R=19m代入公式,得C=1.72将各已知数据代入式3,得:=1.561.722.63=7.06(mm/h)8(mm/h)因允,喷灌强度符合要求,所以可选定PY120喷头,其工作压力为P=300kPa,喷嘴直径d=7mm.组合间距确定为a=b=18m。二、管道系统设计和管道水力计算管道系统设计在各级管道的平面布置方案确定后进行,内容包括各级管道的管材和管径选择、各级固定管道的纵剖面设计、管道系统的结构设计和管系各控制点的压力计算。(一)管材和管径的选择1. 管材的选
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