微灌工程技术.docx

微灌工程技术.docx

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微灌工程技术

微灌工程技术

概述微灌设备与工作原理

微灌工程规划设计参数的确定

微灌工程规划

微灌系统设计

微灌工程设计示例

微灌是利用微灌设备组装成微灌系统，将有压水输送分配到田间，通过灌水器以微小的流量湿润作物根部附近土壤的一种局部灌水技术

微灌是以少量的水湿润作物根区附近的部分土壤，比地面灌溉节水50％～70%，比喷灌省水15%～20%，灌水均匀，均匀度达0.8～0.9,适用于所有的地形和土壤,特别适用于干旱缺水地区

微灌可以按不同的方法分类，按所用的设备（主要是灌水器）及出流形式不同，分为：

滴灌（地表与地下滴灌）

微喷灌

涌泉灌（小管出流灌）

重力滴灌

渗灌

滴灌滴灌是通过安装在毛管上的灌水器将水、均匀而又缓慢地滴入作物根区附近土壤中的灌水形式

除紧靠滴头下面的土壤水分处于饱和状态外，其它部位的土壤水分均处于非饱和状态，土壤水分主要借助毛管张力作用入渗和扩散

滴灌适合于蔬菜、果树、花卉以及垄向种植的作物，各种土壤条件都适用

便于实施化学灌溉（灌溉施肥），控制灌溉，在保护地蔬菜采用滴灌技术效果最佳

类型

固定式地面滴灌

半固定式地面滴灌

膜下滴灌

地下滴灌

微喷灌

微喷灌是利用直接安装在毛管上，或与毛管连接的微喷头将压力水以喷洒状湿润土壤

微喷头包括固定或和旋转式

微喷头的流量通常为20—250L/h

微喷技术的特点它是通过有压管网将首部加压的水输送到田间，再经过特制的雾化喷头将水喷洒呈雾状进行灌溉

微喷头孔径较滴灌灌水器大，比滴灌抗堵塞，供水快

微喷适合于果树、花卉、部分露地蔬菜，各种土壤条件下都适用

在设施环境中灌溉花卉、育苗效果较好

容易产生堵塞问题，灌溉质量受地形影响，工程造价较高，适用于经济作物灌溉

涌泉灌

在我国使用的小管出流灌溉是利用Φ4的小塑料管与毛管连接作为灌水器，以细流（射流）状局部湿润作物附近土壤，小管灌水器的流量为80~250L/h

对于高大果树通常在围绕树杆修一渗水小沟，以分散水流，均匀湿润果树周围土壤

果树小管出流平面布置图

重力滴灌系统

重力滴灌系统是李岚清副总理1997年访问以色列同以达成的技术引进和开发由中国农业大学同以色列恩塔公司在中国共同开发、推广的一种新型节水灌溉技术

重力滴灌系统以它极低的工作压力、均匀的供水方、高效的水分利用、广泛的适用条件以及明显株产出效率，已为越来越多的用户所接受

渗灌

渗灌与地下滴灌相似，只是用渗头代替滴头全部埋在地下

渗头的水不像滴头那样一滴一滴地流出，而是慢慢的渗流出来，这样渗头不容易被土粒和根系所堵塞

最近在国外引进采用废轮胎加工成的多孔渗流管，并进行小面积试点，但是微孔渗流管的堵塞是一个严重的问题，未经长时间试验检验不宜贸然推广

微灌技术中存在的问题

滴灌（包括重力滴灌）与微喷灌中存在的问题

v与其它灌溉方法相比,不具有防干热风,调节田间小气候的作用，对于粘质土壤，因灌水时间较长，根系区土壤水分长期保持高含水量状态，作物根部易生病害；另一方面土壤长期定点灌水会使土壤湿润区与干燥区的交界处盐分聚积，有可能产生土壤次生盐渍化，对作物生长不利

v滴头堵塞问题一直没有得到彻底的解决。

应搞好设备设施的配套研制，提高滴头使用寿命。

并进行滴灌水源水质分析与处理装置设施及方法的研究；进行滴灌系统施用化肥药液装置使用方法的研究以及安全装置和调压装置的研究

渗灌中存在的问题

v易于堵塞,不易检查和维修

v应加强专用渗管及配件设备研制和渗管主要技术参数及工艺攻关问题。

具体说包括用塑料管打孔的孔径及工艺工具、孔距及孔径的合理组合、1ｍ流量确定、渗灌管进口工作压力的确定、渗灌管管径及变径管组合、渗灌管间距的确定、渗灌管的适宜埋深及防止渗漏措施，渗灌管堵塞机理与防治及延长使用寿命的研究

微灌系统的介绍

一个完整的微灌工程，从灌溉受水点到水源，一般由灌水器、各级输水管道和管件，各种控制和量测设备，过滤器、施肥（施药）装置和水泵电机安装组成

上述所属的微灌设备如灌水器、施肥装置、过滤器等，本章将做较详细的介绍。

对与灌溉工程常见的闸阀、水泵、电机这里则不进行介绍

灌水器

对灌水器的基本要求

灌水器的分类

灌水器的结构参数和水力学特征

灌水器的制造偏差

对灌水器的基本要求

制造偏差越小越好

出水量小而稳定，受水头变化的影响较小

流道大，抗堵塞性能强

结构简单，便于制造、安装、清洗

坚固耐用，价格低廉

灌水器的分类

按结构和出流形式可将灌水器分为：

滴头

滴灌带

微喷头

涌水器、

射流式微喷头

工作原理

水流从喷水嘴喷出后，集中成一束向上喷射到一个可以旋转的单向折射臂上，折射臂上的流道形状不仅可以使水流按一定喷射仰角喷出，而且还可以使喷射出的水舌反作用力对旋转轴形成一个力矩，从而使喷射出来的水舌随着折射臂作快速旋转。

故它又移为旋转式微喷头

特点

v有效湿润半径较大

v喷水强度较低

v水滴细小

v寿命较短

折射式微喷头

v工作原理

水流由喷嘴垂直向上喷出，遇到折射锥即被击散成薄水膜沿四周射出，在空气阻力作用下形成细微水滴散落在四周地面上。

折射式微喷头又称为雾化微喷头

离心式微喷头

工作原理：

水流从切线方向进入离心室，绕垂直轴旋转，通过处于离心式中心的喷嘴射出的水膜同时具有离心速度和圆周速度，在空气阻力的作用下水膜被粉碎成水滴散落在微喷头四周。

特点：

•工作压力低

•雾化程度高

•孔口较大

缝隙式微喷头

工作原理：

水流经过缝隙喷出水舌，在空气阻力作用下，裂散成水滴的微喷头，一般由两部分组成，下部是底座，上部是带有缝隙的盖

滴水器的流量与压力的关系

微灌灌水器的流量与压力关系用下式表示

q=khx

式中：

q——灌水器流量

h——工作水头

k——流量指数

x——流态指数

流态指数x反映了灌水器的流量对压力变化的敏感程度

当滴头内水流为全层流时，流态指数x等于1，即流量与工作水头成正比

当滴头内水流为全紊流时，流态指数x等于0.5

全压力补偿器的流态指数x等于0，即出水流量不受压力变化的影响其它各种形式的灌水器的流态指数在0~1.0之间变化

制造偏差系数

意义：

灌水器的流量与流道直径的2.5~4次幂成正比，制造上的微小编差将会引起较大的流量偏差。

在灌水器制造中，由于制造工艺和材料收缩变形等的影响，不可避免地会产生制造偏差。

实践中，一般用制造偏差系数来衡量产品的制造精度

式中：

Cv——灌水器的流量偏差系数；

S——流量标准偏差；

qi——所测每个滴头的流量L/h；

n——所测灌水器的个数。

水沙分离器

优点

v水砂分离器能连续过滤高含砂量的灌溉水

缺点

v不能除去与水比重相近或比水轻的有机质等杂物，特别是水泵起动和停机时过滤效果下降，会有较多的砂粒进入系统，另外，水头损失也较大

v水砂分离器只能作为初级过滤器，然后使用筛网过滤器进行第二次处理，这样可减轻网式过滤器的负担，增长冲洗周期

砂过滤器

砂过滤器又称砂介质过滤器。

它是利用砂石作为过滤介质的

砂过滤器主要由进、出水口、过滤罐体、砂床和排污孔等部分组成。

为了使微灌系统在反冲洗过程中也能同时向系统供水，在首部枢纽往往安装两个以上过滤罐

筛网过滤器

筛网过滤器是一种简单而有效的过滤设备。

。

这种过滤器的造价较为便宜，在国内外微灌系统中使用最为广泛

筛网过滤器的种类繁多，按安装方式分类，有立式与卧式两种；按制造材料分类，有塑料和金属两种；按清洗方式分类又有人工清洗和自动清洗两种类型；按封闭与否分类则有封闭式和开敞式（又称自流式）两种

筛网过滤器由筛网、壳体、顶盖等部分组成

叠片式过滤器

叠片式过滤器是用数量众多的带沟槽的薄塑料圆片作为过滤介质

工作时水流通过叠片，泥沙被拦截在叠片沟槽中，清水通过叠片的沟槽进入下游

压差式施肥罐

压差式施肥罐一般由储液罐、进水管、供肥液管、调压阀等组成

工作原理是使进水管口和出水管口之间产生压差，并利用这个压力差使部分灌溉水从进水管进入肥料罐

化肥罐应选用耐腐蚀、抗压能力强的材料制造。

罐内容积应根据系统控制面积大小及单位面积施肥量和化肥溶液浓度等因素确定

文丘里注入器

文丘里注入器与储液箱配套组成一套施肥装置，利用文丘里管或射流器产生的局部负压，将肥料原液或pH值调节液吸入灌溉水管中

构造简单，造价低廉，使用方便

主要适用于小型灌溉系统向管道中注入肥料或农药

注射泵

注射泵同文丘里注入器相同是将开敞式肥料罐的肥料溶液注入灌溉系统中

v优点：

是肥液浓度稳定不变，施肥质量好，效率高。

可以实现灌溉液EC、PＨ值实时自动控制的施肥灌溉，即可严格控制混合比。

v缺点：

其吸入量不易调节且调节范围有限，另外还存在工作稳定性较差、系统压力损失较大

活塞式施肥器

活塞式施肥器是目前国际上较先进的一种施肥器

v优点：

注入比例由外部调整并很精确，有多种规格选用，混合液直接经出水口注出，内设滤网自行过滤，工作压力低，运转噪声小

v缺点：

压损大、价格高

字的灌溉式施肥器

工作原理：

当水流过施肥泵时，驱动主活塞，与之相联的注入器活塞跟随上下运动，吸入待注的肥料液并注入混合室，混合液直接进入出口端管路中，实现精确的肥料液比例控制

自动灌溉施肥可编程控制器实现对灌溉施肥过程的全程控制，保证作物及时、精确的水份和营养供应

系统组成：

灌溉首部、自动控制装置、施肥系统

作物需水量的计算

利用参考作物需水量的计算

ETC=KC*E0

根据蒸发皿蒸发量估算

微灌耗水强度

微灌耗水强度（日耗水量）

式中；

Ea——微灌的作物耗水强度，mm／d

kr——作物遮荫率对耗水量的修正系数，大于1时，取k=1

Gc——作物遮荫率，又称作物覆盖率，随作物种类和生育阶段而变化，对于大田和蔬菜作物，设计时可取0.8～0.9，对于果树作物，可根据树冠半径和果树所占面积计算确定

微灌补充强度；

微灌的灌溉补充强度取决于作物耗水量、降雨量和土壤含水量条件，通常有以下两种情况

在干旱地区降雨量很少，地下水很深，作物生长所消耗的水量全部由微灌提供。

此种情况灌溉补充强度至少要等于作物的耗水强度，即

式中Ia——微灌的灌溉补充强度，mm／d

当有其它来源补充作物耗水量时，微灌只是补充作物耗水不足部分，此时微灌补充强度为

式中Po——有效降雨量；mm／d；

S——根层土壤或地下水补给的水量，mm／d

微灌土壤湿润比

定义：

微灌时被土壤湿润的土体占计划湿润层深度土体的百分比

影响湿润比的因素：

毛管的布置方式，灌水器的类型和布置方式，灌水器的流量和大小，土壤的种类和结构

计算土壤湿润比的方法

根据毛管和灌水器布置方式，计算公式如下：

v单行直线毛管布置

p——土壤湿润比，％；

dw——水分扩散直径或湿润带（m），的大小取决于土

壤质地、滴头流量和灌水量的大小

se——灌水器或出水点间距，m

sl——毛管间距，m

双行直线毛管布置

S1—对毛管的窄间距，m；

S2—对毛管宽间距，m；

P1—与对应土壤湿润比，％

P2—与对应土壤湿润比，％

sr—作物行距，m

设计土壤湿润比的确定

在实际工程中不仅要考虑到作物对水分的需求，还要考虑到工程投资的合理性。

湿润比过小，投资和运行费用小，不能满足作物水量需求；湿润比过大，易满足作物需求但投资和运行费用高

一般，对于果树，北方干旱和半干旱地区，设计土壤湿润比可取20％－30％，南方，可取25％－35％。

对于蔬菜和大田密植作物可取70％－90％

设计灌水均匀度的确定式中：

式中：

q－灌水器平均流量

Cv－均匀系数

qi－灌水器流量

N－灌水器个数

设计灌水均匀度的确定

灌水均匀度高，灌水质量好，水利用率高，但投资和运行费高，应根据作物、经济价值、水源、地形、和气候等综合确定

一般建议：

取Cv＝0.90－0.98

或qv=10%-30%

v均匀度与流量偏差的关系

Cv（％）989592

qv（%）102030

流量偏差与工作水头偏差的关系

x——灌水器的流态指数

hmax——灌水器的最大工作水头，m

hmin——灌水器的最小工作水头，m

qa——灌水器的平均工作水头，m

qmax——相应与hmax的灌水器的流量，L/h

qmin——相应与hmin的灌水器的流量，L/h

qa——灌水器的平均流量，L/h

水头偏差分配方法

式中：

H毛－毛管允许的水头差

H支－支管允许的水头差

Hv－允许的水头偏差（根据设计均匀度确定）

hd－灌水器工作水头

灌溉水利用效率的确定

常用下式表示微灌有效利用率，即

Vm——微灌时存在作物根层的水量

Vn——微灌的灌溉供水量

由于微灌的水量损失很小，建议微灌的灌水有效利用系数取0.9～0.9

灌水器设计工作水头的确定

灌水器的工作水头越高，灌水均匀度越高，但系统的运行费用越大

灌水器的设计工作水头应根据地形和所选用的灌水器的水力性能决定

滴灌时通常为10m水头

涌泉灌时，工作水头可为5～7m

微喷时工作水头一般以10～15m为宜

微灌系统的规划

规划任务

规划原则

基本资料收集

水利计算

微灌工程总体布置

规划的任务

勘测和收集基本资料

根据当地的自然条件，社会和经济状况等，论证工程的必要性和可行性

确定工程的规模和微灌系统的控制范围

根据水源位置、地形和作物种植情况，合理布置引、蓄、提水源工程、微灌枢纽位置和骨干输配水管网

提出工程概算

规划的原则

微灌工程的规划，应与其它的灌溉工程统一安排

微灌工程规划应考虑多目标综合利用

微灌工程规划要重视经济效益

因地制宜地合理地选择微灌形式

近期发展与远景规划相结合

资料收集

地形资料

土壤资料：

土壤质地、田持、渗透系数等

作物分区：

果树应搜集树种，树龄、密度、走向等。

产量与农业措施：

灌溉方法，施肥方法。

灌溉情况：

现有灌水方法，灌水经验等

水文资料：

取水点来水系列及年内月分配资料，泥沙含量，水井位置，供电保证率，水井出水量，PH值

气象资料：

逐月降雨、蒸发、平均温度、湿度、风速、日照、冻土深

其它社会经济情况：

行政单位人口，土地面积，耕地面积，管理体制等

水力计算

v用水分析灌溉用水量

灌灌毛供水强度为

Ig=Ia/η水

灌溉供水量为

W=0.667Ig·A

式中Ig——微灌毛用水强度，mm／d

Ia——微灌补充强度，mm／d;

η水——灌溉水利用系数，η水=0.9～0.95

W——每日灌溉供水量，m3／d

A——灌溉面积，亩

微灌水量平衡计算

已知来水量确定灌溉面积

式中Ig——微灌毛用水强度，mm／d

Ia——微灌补充强度，mm／d;

η水——灌溉水利用系数，η水=0.9～0.95

W——每日灌溉供水量，m3／d

A——灌溉面积，亩

微灌工程总体布置规划

灌区范围的确定

水源工程的布置

系统首部枢纽和输水干管的布置

微灌系统布置

毛管与作物种植方向一致

v支管垂直于等高线布置

v毛管沿支管两侧布置

v固定式（果树），移动式（大田）

v首部枢纽（井、果园）

v毛管和灌水田的布置

灌水定额

灌水定额：

是指作为微灌系统设计的单位面积上的一次灌水量，如果用灌水深度表示，可用下式计算，即

式中：

——设计灌水定额

——允许消耗的水量占田间持水量的比例（﹪）

对于需水敏感性植物；=20﹪～40﹪

对于耐旱作物或控水生生育阶段=30﹪～40﹪

——土壤田间（体积百分率持水量，﹪）

——凋萎含水量（体积百分率持水量，﹪）

——计划湿润层深度（m），一般蔬菜0.20～0.30m；果树0.3～1.0m

——土壤湿润比，70%～90%

设计灌水周期

设计灌水周期：

滴灌设计灌水周期是指按一定的灌水定额灌水后，在作物适宜土壤含水率的条件下，保障作物正常生长的可能延续时间T，用下式计算，即

式中：

T——灌水日期（d）；

e——作物需水旺盛日平均耗水量（mm/d）

一次灌水延续时间

一次灌水延续时间：

一次灌水延续时间是指把设计灌水定额水量，在不产生径流的条件下，均匀分布于保护地田间所用的灌水时间，用下式计算，即

式中：

t———次灌水延续时间（h）；

m滴——设计灌水定额（mm）；

se——滴头间距（m）；

sl——毛管间距（m）；

q滴——滴头流量（l/h）

轮灌区数目的确定

轮灌区数目的确定：

对于固定式滴灌系统，轮灌区数目可按下式计算：

式中：

N——轮灌区数目（个）

K——水泵每天开启时间比例，通常选0.5～0.8

t——每条或每组开启的时间（h）

T——灌水周期（d）

一条毛管的控制灌溉面积

对于固定式微灌系统，毛管固定在一个位置上灌水，控制面积按下式计算：

式中：

f——每条毛管控制的灌溉面积（m2）

L——毛管长度（m），移动式滴灌系统中为出流毛管长度

对于移动式微灌系统，一条毛管控制的灌溉面积按式计算：

控制灌溉面积大小的计算

微灌系统控制灌溉面积大小的计算

在灌溉水源能够得到充分保证的条件下，滴灌面积的大小取决于管道的输水能力。

对于水源流量不能满足整个区域需要时，滴灌面积为

：

式中：

A——滴灌系统控制的灌溉面积（m2）

f——每条毛管控制的灌溉面积（m2）

N——同时工作的毛管条数

Q——水源流量（l/h）

Q毛——每条毛管的输水流量（l/h）

n——轮灌组数量

沿程水头损失

hf——沿程阻力损失（m）

Q——管道流量（m3/h）

D——管道内径（mm）

L——管道长度（m）

当管道有多个出水口时，管道的沿程阻力应考虑多口出流对沿程阻力的折减问题，多口出流折减系数k如表7-3所示，对应计算公式为

微灌管道水头损失常用的计算公式

勃拉休斯公式

式中：

hf－沿程水头损，m

Q－流量，m3/h

D－管道内径，mm

L－管道长度，m

局部阻力损失

式中：

hj——管网局部阻力（m）

§——管网某处局部阻力系数

v——管道内水流流速（m/s）

g——重力加速度

工程设计中为了计算方便，局部阻力损失也常按沿程阻力损失的10％估算

棺材的选择

应该根据滴灌区的具体情况结合各种管材的特性及适用条件进行选择

一般情况下，对于地理固定管道，可选用钢筋混凝土管、钢丝网水泥管、石棉水泥管、铸铁管和硬塑料管。

塑料管易老化，应尽量避免经常暴露在阳光下使用，缩短使用寿命

管径的选择

通常选用同一级管道在各轮灌组中可能通过的最大流量，作为本级管道的设计流量，依据这个设计流量来确定管道的管径

若某一级管道，其最大流量通过的时间占管道总过水时间的比例甚小，也可选取一个出现次数较多的次大流量，作为管道的设计流量来确定管径

支管管径的确定

考虑地形高差△Z的影响时上述规定可表示为

hw——同一支管上任意两滴头之间支管段水头损失（m）

▽z——两滴头进水口高程差（m），顺坡为负，逆坡为正

hp——滴头设计工作压力水头（m）

两滴头进水口高程差（实际上就是两滴头所在地的地面高差）可以从系统平面布置图中查取。

则即可求出。

利用公式

在其他参数已知的情况下反求管径，就是该支管可选用的最小管径的计算值

管材的管径已标准化、系列化。

因此，还需按管材的标准管径将计算出的管径规范取整

支管以上各级管道管径的确定

一般情况下，经验公式估算管道的直径

当Q≥120m3/h时

式中：

D——管径（mm）

Q——管道流量（m3/h）

埋深及坡度

埋深指管顶距地面的垂直距离，理深应根据当地的气候条件、地面荷载和机耕要求确定

在公路下埋深应为0.7～1.2m

在农村机耕道下埋深为0.5～0.9m

寒冷地区，埋深应在最大冻土层深以下

一般在地形条件许可的情况下，管径小、基础稳定性好的管道坡度可陡一点；反之应缓些。

总的来说，管道坡度不得超过1:

1，通常控制在1:

1.5～1:

3以下

一、设计基本资料

西北某苹果园面积194亩，株行距为3X3米，地形平坦，土层厚度1.5米，1.0米土层平均干容重1.32t/m3，田持（占土体体积）为21％，多年平均降雨量250mm，多年平均蒸发量1500mm，果园南边有一水井，出水量为50m3／h，动水位为20米，按田间试验，该地苹果最大耗水量为5mm／d

二、滴灌系统规划设计参数确定

滴灌设计日耗水强度I＝5mm／d

滴灌土壤湿润比不得小于30％

设计供水均匀度98％

灌溉水利用系数95％

三、水量平衡计算

用水分析：

选取设计典型年，计算典型年的灌溉用水量和用水过程

v降雨频率50％一中等年

v降雨频率75％一中等干旱年

v降雨频率85～90％---干早年

微灌工程一般采用降雨频率75～90％的水文年作为典型年

来用水平衡计算

确定过程规模，如灌溉面积，蓄水工程规模

本例水泵开机时间取小时，

A=亩

可控制微灌面积>

四、选择灌水器类型与确定毛管布置方式

选用进口滴灌管（以色列NaanTif），该滴灌管滴头流量压力关系为

工作水头hd=10米时，滴头流量为2.3升／时，选择滴头间距为1米的滴灌管，每行果树布置一条滴灌管

湿润比计算

一般，当滴头为2升、时，在砂壤土中的湿润直径为0.8-1m（经验值）

湿润比=每棵果树的湿润面积／每棵果树占地面积=

五、根据设计灌水均匀度计算毛管最大铺设长度

当没计灌水均匀度为98％时，小区最大流量偏差qv=0.1，则小区最大水头偏差

将有关数据代入上式得：

根据公式

计算得hmax＝11.2m，hmin＝9.3m

小区内滴头最大水头差11.2-9.3=1.9米

根据支毛管水头差分配比

毛管最大允许铺设长度

毛管水头损失

v当L=150米时，hd=1.51m

v当L=140米时，hd=1.25m

v当L=130米时，hd=1.02m

v当L=100米时，hd=0.5m

根据地形情况，取毛管长度L=100m，此时，毛管水头损失为hf＝0.5m

六、布置管网系统

水井出水量50m3/h

单条毛管长度100米，每米一个滴头，每个滴头流量2.3升／时，则每条毛管流量

Q毛＝

每个轮灌组毛管条数

取为偶数条，即条

整个灌区毛管总条数（3米一条毛）为：

条

轮灌组数为

七、轮灌组划分

根据轮灌组划分的原则，此题中，比较好的轮灌组划分为

第Ⅰ和第Ⅲ灌水小区为一个轮灌组

第Ⅱ