灌溉系统设计.docx

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灌溉系统设计

灌溉系统设计

     草坪喷灌系统简介

    （IntroductionofTurfIrrigationSystem）

    灌溉是弥补自然降水在数量上的不足与时空上的不均、保证适时适量地满足草坪生长所需水分的重要措施。

以往的草坪绿化工程，很多没有配套完整的灌溉系统，灌水时只能采用大水漫灌或人工洒水。

不但造成水的浪费，而且往往由于不能及时灌水、过量灌水或灌水不足，难以控制灌水均匀度，对草坪的正常生长产生不良影响。

随着城镇建设的不断发展，城市人口大量集中，工业和生活用水迅速增加，旅游、休闲、运动场及居民小区等各种绿地面积越来越大，城市供水的紧张状况日益突出。

传统的地面大水漫灌已不能满足现代草坪灌溉的要求，采用高效的灌水方式势在必行。

    喷灌，以其节水、节能、省工和灌水质量高等优点，越来越被人们所认识。

近年来草坪喷灌发展很快，有逐步取代人工地面灌溉的趋势。

    一、草坪喷灌的特点

    喷灌系统的设计和管理必须适应草坪的特点，才能满足其需水要求，保证正常生长。

    1.喷灌设备的安装不能影响草坪的维护作业。

草坪需要经常性的修剪、植保、施肥等，这些作业往往由机械完成。

因此，除应选择草坪专用埋藏式喷头外，同时需精心施工，使之避免与草坪上的机械作业发生矛盾。

    2.设备选型和管网布置应适应草坪的种植方式。

由于景观的需要，园林绿化中草坪的种植地块很多不是规则的形状，如高尔夫球场，且有时同一工程中的不同地块呈零星分布，增加了喷灌系统中设备选型和管网布置的难度。

    3.灌水管理应与草坪病害防治结合起来。

很多草坪病害，特别是真菌类病害与草坪叶面和土壤湿度关系密切。

在灌水管理中，制定合理的灌溉制度，包括灌水周期、灌水时间、灌水延续时间等，对控制草坪病害十分重要。

    4.喷灌系统在满足草坪需水要求的同时，需充分注意景观和环境效果。

精心设计的喷灌系统，通过正确选择喷头和进行喷点的布置，不仅能满足草坪需水，而且在灌水时可以形成水动景观效果。

    二、喷灌系统的组成

    一个完整的喷灌系统一般由喷头、管网、首部和水源组成。

    1.喷头：

喷头用于将水分散成水滴，如同降雨一般比较均匀地喷洒在草坪种植区域。

    2.管网：

其作用是将压力水输送并分配到所需灌溉的草坪种植区域。

由不同管径的管道组成，分干管、支管、毛管等，通过各种相应的管件、阀门等设备将各级管道连接成完整的管网系统。

现代灌溉系统的管网多采用施工方便、水力学性能良好且不会锈蚀的塑料管道，如PVC管、PE管等。

同时，应根据需要在管网中安装必要的安全装置，如进排气阀、限压阀、泄水阀等。

    3.首部：

其作用是从水源取水，并对水进行加压、水质处理、肥料注入和系统控制。

一般包括动力设备、水泵、过滤器、施肥器、泄压阀、逆止阀、水表、压力表，以及控制设备，如自动灌溉控制器、衡压变频控制装置等。

首部设备的多少，可视系统类型、水源条件及用户要求有所增减。

如在利用城市供水系统作为水源的情况下，往往不需要加压水泵。

    4.水源：

井泉，湖泊、水库，河流及城市供水系统均可作为喷灌水源。

在草坪的整个生长季节，水源应有可靠的供水保证。

同时，水源水质应满足灌溉水质标准的要求。

    三、喷头的选型与布置

    1.喷头的选型

    选择喷头时，除需考虑其本身的性能，如喷头的工作压力、流量、射程、组合喷灌强度、喷洒扇形角度可否调节之外，还必须同时考虑诸如土壤的允许喷灌强度、地块大小形状、草坪品种、水源条件、用户要求等因素。

另外，同一工程或一个工程的同一轮灌组中，最好选用一种型号或性能相似的喷头，以便于灌溉均匀度的控制和整个系统的运行管理。

在已建项目中，有的为片面追求水景效果，安装了各种性能截然不同的喷头，致使灌溉均匀度无法保证。

选择喷头时需特别注意的是，灌溉系统不是喷泉，其目的是为了弥补植物需水时空上的不足，而不是创作人工水景。

因此，只能在首先满足草坪需水的前提下，尽量照顾到景观效果。

    目前，草坪喷灌系统一般均采用埋藏升降式草坪喷头。

    此类喷头品种繁多，以美国亨特公司（HUNTER）的产品为例，按射程分，有0.6～5.8米的小射程喷头，4.3～9.1米的中小射程喷头，8.5～15.9米的中等射程喷头，20米以上的大射程喷头；按喷洒类型分，有散射喷头，射线喷头，旋转喷头，射线旋转喷头；按使用场合分，有园林喷头，高尔夫喷头等等。

这些喷头均可在加压喷水时自动弹出地面，而灌水停止时又缩入地面，不会影响园林景观和草坪上的机械作业。

    1.1小射程喷头一般为非旋转散射式喷头，如亨特PROS系列、PS系列以及INST系列。

这些喷头的弹出高度有50mm、75mm、100mm、150mm和300mm，可选配喷洒形式繁多或可调角度的喷嘴，喷灌强度较大。

不但适用于小块草坪，也可用于灌木、绿篱的灌水和洗尘。

这类喷头的喷嘴大多为“匹配灌溉强度喷嘴”，即无论全圆喷洒，还是半圆或90度及其他角度，其灌溉强度基本相同。

这种特性对保证系统的喷洒均匀度极为有利。

    1.2中小射程喷头多为旋转喷头，如亨特（Hunter）SRM、PGJ系列齿轮驱动顶部调节喷头，射程为4.3～11.3米，弹出高度有100mm、150mm、300mm。

这种喷头适用于中型面积绿地和灌木、花卉的喷灌。

    特别的如，MP系列地埋射线旋转喷头，射程3～9米，以其独特的喷洒方式，和由此而来的不可比拟的节水特性，尤其适合坡地和新植草坪喷洒。

    1.3中等射程喷头多为旋转喷头，如亨特I-20、PGP系列地埋旋转喷头。

这些喷头适用于中型面积绿地的灌溉。

弹出高度有100mm和300mm两种，适用于较大面积草坪的灌溉。

其中I-20喷头配有止溢阀，并且可选不锈钢升降柱，顶部带有独特阀门，可在系统运行时单独将某个喷头关闭，便于维修或更换喷嘴。

    1.4大射程喷头，如亨特I-31、I-35系列、I-41系列、I-60系列、I-90系列均为旋转式齿轮驱动顶部有工具调节喷头，射程均在20米以上。

其特点是材料强度高，抗冲击性能好。

除用于大面积草坪灌溉外，特别适合于运动场草坪灌溉系统。

    其中I-60系列喷头，独有低压大射程功能，在压力为2.8bars（0.28Mp）时，射程可达18.9米。

特别适合低压系统或者旧系统改造项目。

    由于高尔夫球场草坪与一般公共草坪相比具有本身的特殊性，因此，高尔夫球场草坪喷头独成体系，如亨特G880系列喷头，即专为高尔夫球场草坪喷灌而设计。

    在各种射程的喷头中，均可选择“止溢型”喷头。

带止溢功能的喷头一般安装在地形起伏较大的草坪喷灌系统中的地形较低的部位，可有效防止当灌水停止时管道中的水从低位喷头溢出，影响喷头周围草坪的正常生长。

    土壤的允许喷灌强度是影响喷头选型的主要因素之一。

喷灌强度是指单位时间内喷洒在地面上的水深。

我们一般考虑的是组合喷灌强度，因为灌溉系统基本上都是由多个喷头组合起来同时工作。

对于喷灌强度的要求是，水落到地面后能立即渗入土壤而不出现积水和地面径流，即要求喷头的组合喷灌强度（ρ组合）应小于等于土壤的水入渗率。

各类土壤的允许喷灌强度（ρ允许）的参考值见下表：

    各类土壤的允许喷灌强度（mm/h）

    土壤类别

    砂土

    壤砂土

    砂壤土

    壤土

    粘土

    允许喷灌强度

    20

    15

    12

    10

    8

    喷头组合喷灌强度的计算公式为：

ρ组合（mm/h）=1000q/A

    式中：

q为单喷头的流量（m3/h）；A为单喷头的有效控制面积（m2）。

    另外，土壤的允许喷灌强度随着地形坡度的增加而显著减小。

如坡度大于12%时，土壤的允许喷灌强度将降低50%以上。

因此，对于地形起伏的工程，在喷头选型时需格外注意。

    2.喷头的布置

    喷灌系统中喷头的布置包括喷头的组合形式、喷头沿支管上的间距及支管间距等。

喷头布置的合理与否，直接关系到整个系统的灌水质量。

    喷头的组合形式主要取决于地块形状以及风的影响，一般为矩形和三角形，或为其特例正方形和正三角形。

矩形或正方形布置，适用于地块规则，边缘成直角的条件。

这种形式设计简便，容易做到使各条支管的流量比较均衡；三角形或正三角形布置，适用于不规则地块，或地块边界为开放式，即使喷洒范围超出部分边界也影响不大的情况。

这种布置抗风能力较强，喷洒均匀度要高于矩形或正方形，同时所用喷头的数量相对较少，但不易作到使各条支管的流量均衡。

有时地块形状十分复杂，或地块当中有障碍物，使喷头的组合形式为不规则形。

但在多数草坪喷灌系统中，可尽量采用正方形或正三角形布置。

    2.1正方形布置

    正方形布置时，喷头沿支管上的间距与支管间距相等，但对角喷头之间的距离是支管间距的1.41倍。

考虑到风的影响，推荐喷头间距为喷头射程（R）的0.9-1.1倍，见下表：

    风速（km/h）

    0-5

    6-11

    12-20

    正方形最大间距

    1.1R

    1.0R

    0.9R

    2.2正三角形布置

    正三角形布置时，各个喷头之间的距离相等，但支管间距为喷头间距的0.866倍。

考虑到风的影响，推荐喷头间距为喷头射程（R）的1.0-1.2倍，见下表：

    风速（km/h）

    0-5

    6-11

    12-20

    正三角形最大间距

    1.2R

    1.1R

    1.0R

    在喷头布置完毕后，应根据实际布置结果对系统的组合喷灌强度进行校核。

特别是在地块的边角区域，因喷头往往是半圆或90度而不是全圆喷洒，若选配的喷嘴与地块中间全圆喷洒的喷头相同，则该区域内的喷灌强度势必大大超过地块中间。

所以，为保证系统良好的喷洒均匀度，一般安装在边角的喷头须配置比地块中间的喷头小2-3个级别的喷嘴。

    四、草坪喷灌系统的设计

    有了性能优越、质量可靠的喷头，还必须对系统进行精心设计，才能真正发挥喷灌的作用，达到预期的效果。

草坪喷灌系统的设计一般包括以下步骤：

（一）灌溉需水量的确定

    需水量包括土壤与地表的蒸发量和植物本身消耗的蒸腾量，也称作植物腾发量。

影响需水量的因素有气象条件（温度、湿度、辐射及风速等）、土壤性质及其含水状况、植物种类及生育阶段等。

由于上述这些影响因素错综复杂，确定灌溉需水量最可靠的办法是进行实际观测。

但往往在规划设计阶段缺乏实测资料，这时就需要根据影响需水量的因素进行估算。

估算灌溉需水量的方法很多，可通过公式进行计算，或参照下列经验数据选取：

    气象条件

    湿冷

    干冷

    湿暖

    干暖

    湿热

    干热

    日需水量（mm）

    2.5-3.8

    3.8-5.0

    3.8-5.0

    5.0-6.4

    5.0-7.6

    7.6-11.4

    表中，“冷”指仲夏最高气温低于21摄氏度；“暖”指仲夏最高气温在21至32摄氏度之间；“热”指仲夏最高气温高于32摄氏度；“湿”指仲夏平均相对湿度大于50%；“干”指仲夏平均相对湿度低于50%。

    灌溉系统的设计，应满足草坪需水高峰期的日需水量，即按最不利的条件设计，选取特定气象条件下的最高日需水量，以使系统有足够的供水能力。

（二）轮灌组的划分

    灌溉系统的工作制度通常分为续灌和轮灌。

续灌是对系统内的全部管道同时供水，即整个灌溉系统作为一个轮灌区同时灌水。

其优点是灌水及时，运行时间短，便于其他管理操作的安排；缺点是干管流量大，工程投资高，设备利用率低，控制面积小。

因此，续灌的方式只用于草坪单一且面积较小的情况。

    对于绝大多数灌溉系统，为减少工程投资，提高设备利用率，扩大灌溉面积，一般均采用轮灌的工作制度，即将支管划分为若干组，每组包括一个或多个阀门，灌水时通过干管向各组轮流供水。

    1.轮灌组划分的原则

    1.1轮灌组的数目应满足草坪需水要求，同时使控制灌溉面积与水源的可供水量相协调；

    1.2对于手动、水泵供水且首部无衡压装置的系统，每个轮灌组的总流量尽可能一致或相近，以使水泵运行稳定，提高动力机和水泵的效率，降低能耗；

    1.3同一轮灌组中，选用一种型号或性能相似的喷头，同时种植的草坪品种一致或对灌水的要求相近；

    1.4为便于运行操作和管理，通常一个轮灌组所控制的范围最好连片集中。

但自动灌溉控制系统不受此限制，而往往将同一轮灌组中的阀门分散布置，以最大限度地分散干管中的流量，减小管径，降低造价。

    2.轮灌组数目的确定

    轮灌组的数目，取决于每天允许运行时间、灌水周期和一次灌水延续时间。

对于固定式灌溉系统，其轮灌组数目可根据下式确定：

    N≤cT/t

    式中：

    N-系统允许划分轮灌组的最大数目，取整数。

    c-一天运行的小时数，一般不超过20小时。

草坪喷灌系统中，一天的可运行时间往往受到多种因素限制。

如公共开放绿地在有人为活动时、运动场草坪在比赛时均不能灌水；草坪为控制病害，对于灌水时间也有特殊要求。

    T-灌水周期，即两次灌水之间的间隔时间（天）。

由于草坪的根系层浅，根层土壤持水能力有限，因此用水高峰期时灌水周期多以一天计。

但灌水过于频繁会使草坪发病率高，抗践踏性差，生长不够健壮，所以也有时人为延长灌水周期。

    t-一次灌水延续时间（小时）。

取决于工程所在地气候条件和系统的组合灌水强度以及灌水周期。

假如灌水周期为一天，那么每一轮灌组的一次灌水延续时间只要满足草坪当天的需水即可。

    3.轮灌组阀门的选择及其安装位置

    3.1轮灌组阀门即支管的控制阀的规格通常与支管的公称管径相同。

在某些特殊情况下，阀门的尺寸可能小于或大于支管管径，但相差不应超过一级管径的范围。

阀门的选择还受到阀门本身过流能力和压力损失的限制，特别是自动控制灌溉系统中的电磁阀，在选用时一定要考虑其技术性能。

    3.2阀门应设置在便于操作、维修的位置，特别是手动操作喷灌系统，最好将阀门安装在喷头的喷洒范围之外，使操作人员不会在工作时被淋湿。

    3.3阀门及其阀门井（箱）的位置不能影响正常的交通、人为活动及园林景观。

例如，在足球场草坪灌溉工程中，阀门不应安装在场地内部。

    3.4在可能的情况下，阀门最好位于所控制的一组喷头的中心部位，以利于平衡支管流量与压力，减小支管管径。

    （三）灌溉系统的水力计算

    在完成喷头选型、布置和轮灌区划分之后，即可计算各级管道的流量和进行水力计算。

某一支管流量为该支管上同时工作的喷头流量之和，干管流量为系统中同时工作的喷头流量之和。

流量确定后，即可选择管径并计算管道和系统的水头损失。

水力计算的主要任务就是确定管道的水头损失。

    1.管道水头损失的计算方法

    水在管道内流动会产生机械能的损耗，即水头损失。

水头损失可分为沿程摩阻力损失和局部阻力损失两种类型。

沿程水头损失为水流过一定管道距离后由于水分子的内部摩檫而引起的损失；局部水头损失为水流经过各种管件、阀门等设备时因流态的变化而产生的损失。

沿程水头损失与局部水头损失之和即为管道的总水头损失。

    1.1沿程水头损失的计算

    很多计算沿程水头损失的经验公式。

对于硬质塑料管道（PVC），目前常用的计算公式如下：

    Hf=9.48×104×（Q1.77/d4.77）×L

    式中：

Hf为沿程水头损失（m）；L、Q、d分别为管道长度（m）、流量（m3/h）和管道内径（mm）。

    1.2局部水头损失的计算

    局部水头损失计算公式为：

    Hj=ξv2/2g

    式中：

Hj为局部水头损失（m）；ξ为局部阻力损失系数，与管件、阀门的类型与大小有关；v、g分别为管道中水的流速（m/s）和重力加速度（9.81m/s2）。

    对于较大的灌溉系统，如真正按照公式计算各个管件、阀门处的局部水头损失，工作量将十分庞杂。

因此在实际设计工作中，一般先计算出沿程水头损失Hf，然后取局部水头损失Hj=10%Hf即可满足设计要求。

    2.支管水力计算

    由于在支管上一般安装多个喷头，因此支管内的流量沿流程按一定规律递减，故支管的实际沿程水头损失比按支管总流量的计算值要小的多，即：

Hf实际=F×Hf

    式中：

F为多口出流系数，其值在一般在0.3-0.6之间，与出口数量、第一个出口位置和管材有关，可通过计算或查表得出。

    支管的水力计算主要依据喷洒均匀的原则，即要求支管上任意两个喷头的出水量之差不能大于10%。

将这一原则转化为对压力的要求，即应使支管上任意两个喷头处的压力不能超过喷头设计工作压力（H设）的20%。

设计时，不但要计算水头损失，而且还要考虑地形对压力的影响。

    在实际工程中，有时为节省投资而采用变径支管，或受地块形状影响出水口不一定是等间距和等流量，这时就需要对支管分段进行计算。

    支管的水力计算往往是一个反复的过程。

在喷头选型、布置和支管长度确定后，水力计算的基本流程为：

计算支管流量→初设管径→计算水头损失→校核出水口处压力差是否小于等于20%H设→若超过20%H设，调整管径后重复计算→最后确定支管管径。

    设计时，一般不用对所有支管进行计算，可选取最“危险条件”下的支管做水力计算。

“危险条件”在大多数情况下发生在距首部最远的支管，或系统内地形最高部位的支管。

若系统的压力能满足这些支管的压力要求，也就自然满足其他支管的压力要求。

    3.干管水力计算

    3.1管径的初步确定

    管道的管径，特别是干管的大小对灌溉系统的总投资影响较大。

管径太大，投资增加，经济上不合理；管径太小，水头损失大，需配置较大水泵，系统运行费用高，且管内流速大，易产生水击现象，对管道的安全不利。

干管管径的初步估算可采用以下经验公式：

    D=11Q1/2（Q<120m3/h时）

    式中：

D为管径（mm）；Q为流量（m3/h）。

    或采用经济流速法公式：

D=22.36（Q/V）1/2

    式中：

D为管径（mm）；Q为流量（m3/s）；V为经济流速，根据经验一

    般取V≤3m/s。

    3.2干管水力计算

    干管水力计算相对支管简单一些，分别按不同管段的管径、流量和长度计算水头损失即可，其总的要求是在沿干管的各支管分流处的压力需满足各支管进口对压力的要求。

    （四）水泵的选择

    选择水泵的主要任务是确定水泵的流量和扬程。

在上述步骤完成后，即可计算流量和扬程。

    水泵流量：

Q=∑N喷头q

    水泵扬程：

H=H设+∑Hf+∑Hj±Δ

    式中：

N喷头为同时工作的喷头数；q为单喷头流量；H设为喷头设计工作压力（m）；∑Hf为水泵至典型喷头之间管路沿程水头损失之和（m），所谓典型喷头一般是距泵站最远或位置最高的喷头；∑Hj为水泵至典型喷头之间局部水头损失之和（m），其中应包括阀门、过滤设备及施肥设备的局部水头损失；Δ为典型喷头与水源水面或井内动水位的高差（m）。

    具体选择水泵型号时，可参照有关水泵生产厂家的产品目录，所选水泵的实际流量和扬程一般应稍大于上述计算值，以确保满足设计要求。

    对于用城市供水管网作为水源的灌溉系统，不必选择水泵，而是应校核供水管网所能提供的压力是否满足灌溉系统的所需压力（即上述计算的扬程值）。

若不满足，一般需增大各级管径，以减小水头损失；或选择低压性能好的喷头，使灌溉系统所需压力小于等于城市供水管网的压力。

    五、喷灌系统的施工安装

    喷灌系统施工安装的总的要求是，严格按设计进行，必须修改设计时应先征得设计单位同意并经主管部门批准。

涉及到有关建筑物的施工，应符合现行规范的要求，如《给排水建筑物施工及验收规范》、《地下防水工程施工及验收规范》等。

针对草坪喷灌系统的特点，在其施工与安装时，应注意以下问题：

（一）在已有草坪的地块内施工，除尽量保护现有草坪外，要特别注意管沟弃土的处理。

弃土须分层放置，埋管时须按与开挖时相反的顺序分层回填，以保证沿管线种植层内的土壤与原有土壤一致。

（二）在干管和每条支管上应安装放水装置，以便于冲洗管道以及冬季防冻。

即使在无冻害的南方地区，在非灌溉季节一般也应放空管道，防止水长期滞留在管道中产生微生物，附着在管壁和喷头上影响喷灌效果。

放水装置除常见的闸阀、球阀外，还有自动泄水阀，可在灌水停止后自动排出管道中的水。

    （三）对于系统压力变化或地形起伏较大的情况，支管阀门处应安装压力调节设备，如亨特公司生产的与电磁阀相配套的Accu-Set型压力调节器，使支管进口处压力均衡，保证系统的喷洒均匀度。

另外，在必要的管段还应安装进排气阀、泄压阀等，用以保护系统的安全。

    （四）为便于临时取水，或对喷灌不易控制的边角地段进行人工灌溉，在主管道上一般需安装一定数量的快速取水阀（方便体），如亨特HQV型快速取水阀。

这种快速取水阀与所配套的钥匙配合使用，插入钥匙，阀门即可自动开启供水；若要停止灌水，只需取下钥匙，阀门会自动关闭。

    （五）地埋式草坪喷头的安装

    1、安装前须对喷头进行预置。

可调喷洒扇形角度的喷头，出厂时大多设置在180度，因此在安装前应根据实际地形对喷洒扇形角度的要求，把喷头调节到所需角度。

    2、喷头的顶部应与最后的地面相平。

这