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绿地喷灌喷头的组合与布置技术

2012-4-8 10:02:27

绿化喷灌喷头的组合与布置

单喷头水量分布是分布不均的,在灌溉较大的面积单靠一个喷头是不行的,系统设计时需要经过分析单个喷头的水量分布,通过喷头组合,获得一定的水量重叠,才能满足植物需求和提高水利用效率。

第一节     喷灌系统的灌水均匀性

图7-1表示4个喷头以喷头射程为间距、正方形布置时理论上的水量分布,图中的数据为无风条件下221个位置处的降雨深度。从图中可以看出,不同位置的降雨深度不尽相同,在正方形的中间,降雨量最小,也就是说,整个灌溉面积上灌水不是十分均匀。
1、喷灌均匀度
喷灌均匀度表示喷灌面积上水量分布的均匀程度,它是衡量喷灌灌水质量的主要技术指标之一,一般常用克里斯琴(christiensen)公式来表示:
                     %                7-1
 
式中,X——喷灌面积上每一个喷灌强度观侧值与平均值之差的绝对值。
n——观测值总数
m——喷灌强度观测值的平均值
Cu——均匀系数,以百分数表示
Cu值越大表示喷洒面积上的水量分布越均匀,Cu值越小表示喷灌越不均匀,对于草坪来讲,一般要求Cu值范围在75%以上。
2、喷灌系统灌水均匀性的测定与度量
在田间等间距布置一定数量的雨量桶(布置方法可参阅相关技术规范),如图7-2所示,喷洒一段时间后,测定每个雨量桶中水量。然后利用公式7-1来计算。
 
 
 
 
图7-1   4个喷头正方形布置时水量的理论分布
221个雨量桶

 
 
 
 
 
 
 
 
 
雨量桶
喷头
支管
图7-2 喷灌系统灌水均匀性的测定

 

第二节 喷头的组合方式与喷灌强度

一、喷头的组合方式
有三种主要的喷头布置方式:
1、正方形: 这种方式中相邻四个喷头组成的四条边距离相等,用于灌溉正方形的区域或有90度角的区域。尽管该方式有时均匀度欠佳,但四周有围栏的地区常使用这种方式。
正方形布置方式灌水覆盖度较差,其原因是因为对角线上两个喷头间距比边线上的要长。当边线上两个喷头间距为喷头的射程时(即50%法),对角线上两个喷头间距则为射程的70%,使得正方形中心喷水量偏少(图7-3)。
水量偏少
图7-3 正方形布置时的水量偏少区域

在风速小和没风的情况下可以使用55%的间距,有风时建议用更小的间距,
这取决于风的大小,下面给出风速和最大间距的对照表:
灌溉地点的风速(km/h)                     使用的最大间距(%直径)
    0—— 5                                          55
    6——10                                          50
图7-4 三角形布置方式
RS

   11——20                                          45
2、三角形:该模式常用于边界不规则的地区。正三角形布置是指三个相邻喷头之间间距相等。与正方形布置方式相比,三角形布置不存在象正方形布置中的水量偏少地带。因此工程设计多数使用三角形布置(图7-4)。
图7-4中,S代表喷头间距, RS代表支管间距。在一个正三角形布置时,RS是S的0.866倍。例如喷头间距为24m, 支管间距则为20.8m。
可以看出,这种模式没有正方形模式中对角线间距比边线间距大的问题。由于这个原因, 在有风的情况下, 允许喷头之间有更大的间距(如下表):
    灌溉地点的风速(km/h)                      最大间距(直径的%)
      0——5                                      60
      6——11                                     55
     11——20                                     50
3、矩形: 矩形布置方式具有抗风的优点, 并且适合灌溉有直线边界和角落的地区。其喷头和支管间距如下表:
  灌溉地点风速(km/h)                        最大间距(直径的%)
      0——5                                RS=60, S=50
      6——11                               RS=60, S=45
     11——20                               RS=60, S=40
图7-6 曲线边界喷头布置方式
 
图7-5   交错型间距布置方式

为适应特殊的工程条件,同一地域可以用上述几种模式的组合,例如,如果一块较大绿地中,既有草坪又有树和灌木丛, 就需交错使用不同的模式。遇到树或灌木丛我们可以交错使用正方形或矩形、平行四边形或三角形模式,绕过或穿过障碍物后, 其它地方仍可以使用原来的喷头间距模式(图7-5)。
对于曲线边界, 可采用从正方形或矩形模式变到平行四边形或三角形模式来布置喷头(如图7-6),还可以再变到原来的布置模式。这样既灌溉整个区域,同时避免在曲线边界以内喷头过于集中和灌溉区域超出边界。
二、喷灌强度
    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。组合喷灌强度的计算公式为:
ρ组合(mm/h)=1000q/A               7-2
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)。
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)的参考值见表7-1:
表7-1  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
   
    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。
    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。

第三节 影响喷灌系统均匀性的因素

由于不同的厂家不同型号的喷头的水量分布特性有所差异,对于要求的灌水均匀度,即使射程相同,喷头的间距也可能有所不同。喷头生产厂家在喷头样本中,一般均提供各种喷头的射程,可是如果设计人员对水量分布的影响因素缺乏了解,按照厂家提供的射程来设计喷头间距,将会有可能出错,达不到所要求的均匀度。
迄今为止,还没有一种确定的能够考虑诸多影响因素的计算喷头间距的公式,这是由于影响喷灌系统均匀性的因素比较复杂,并且有些因素具有不确定性。
 
 
 

图7-7   三角形布置时,风对旋转式喷头水量分布的影响
风速:5英里/时;
风速:0英里/时;
风速:10英里/时;
风速:15英里/时;
间距为喷洒直径的60%
风速:5英里/时;
风速:0英里/时;
风速:10英里/时;
风速:15英里/时;
间距为喷洒直径的60%
间距为喷洒直径的55%
间距为喷洒直径的50%
间距为喷洒直径的45%
风速:5英里/时;
风速:0英里/时;
风速:10英里/时;
风速:15英里/时;
风速:5英里/时;
风速:0英里/时;
风速:10英里/时;
风速:15英里/时;
间距为喷洒直径的60%
间距为喷洒直径的60%
间距为喷洒直径的55%
间距为喷洒直径的50%
间距为喷洒直径的45%


1、 风对喷灌系统喷洒均匀性的影响
风对单个喷头的水量分布影响很大,因而系统均匀度也将受到显著影响,图7-7表示喷头为三角形布置时的理论分析结果,图中A和B表示当风垂直于支管方向时的情形,A-1,A-2和A-3分别表示风速为5、10和15英里/时的情形,B-1,B-2,B-3表示减小喷头间距后,灌水均匀度得到了改善。C和D表示风平行于支管方向的情况。
 
2、单个喷头的水量分布和喷头间距对喷灌系统均匀性的影响
    对于不同的喷头,因其水力特性不相同,所要求的喷头间距也不相同。图7-8表示了两种具有不同水量分布的喷头在不同间距时两喷头连线断面处的降雨深度。可以看出对A型喷头,60%直径的间距要优于50%,而对于B型喷头50%直径的间距优于40%的直径间距,
单个喷头的水量分布影响着系统的喷洒均匀度,这就是为什么当采用相同的喷头布置间距时,相同射程喷头而喷头水量分布不同时,田间实测灌水均匀度不同的原因。
喷头 A
喷头 B
喷头间距为喷洒直径的60%
喷头间距为喷洒直径的50%
喷头间距为喷洒直径的50%
喷头间距为喷洒直径的40%
A喷头水量分布图
B喷头水量分布图
图7-8  单个喷头水量分布对组合水量分布的影响

因此,单个喷头的水量分布是喷头组合的基础,具有不同水量分布图形的喷头,在相同的组合间距下,其喷洒均匀度不尽相同。单个喷头的水量分布从理论上可以归纳为六种图形,如图7-9,图中SL表示喷头的间距,SM表示支管的间距,图中曲线A、B、C、D、E、F曲线表示当喷头间距SL=0.05D(D为喷洒直径)时,支管间距SM变化时的系统均匀系数。从图中可以看出,图形B的水量分布在SM不大于喷洒直径的55%时都近于均匀。对于水量分布图形A和C,间距不大于喷洒直径的65%都相当均匀,超过这一范围,均匀度迅速下降.图形D和E在间距等于喷洒直径的75%和80%时,水量分布相当均匀,但在间距等于喷洒直径的45%-70%时,水量分布发生显著变化。图形F当间距为喷洒直径的50%到接近80%时水量发布不好,只有当间距为喷洒直径的80%-85%时才相当均匀。
图7-9

表7-2中列出了图形B和E在不同的SM和SL组合下的组合均匀系数.
从表中我们可以看出,组合均匀系数如何随SM和SL变化的。对于图形B来讲,当SL从喷洒直径的5%增加到约60%时,其均匀系数保持常数。然而图形E,当间距SL等于喷洒直径的5%(0.05D)时,均匀系数从SM=0.4D时的约97%降低
 
到SM=0.6D时的80%,然后在SM=0.8D时又上升到96%。当支管间距SM等于喷洒直径的80%时,均匀系数从SL=0.05D时的96%下降到SL=0.6D时的68%,然后在SL=0.8D为方形布置时又上升到74%,而在SL=0.8D为三角形布置时上升到83%。
 
 
 
 
 
 
 
 
表7-2  水量分布几何图形B和E在各种布置形式和间距下的组合均匀系数
SL:喷洒直径的百分数%
                SM:喷洒直径的百分数
40
50
60
70
80
 
图形 B
5
99
98
93
80
67
20
99
98
93
80
67
30
98
97
93
80
67
40
97
96
93
80
67
50
 
96
91
80
67
60
 
 
92
80
67
60T②
 
 
 
80
67
70
 
 
 
77
65
70T
 
 
 
78
65
80
 
 
 
 
58
80T
 
 
 
 
60
                              图形 E
5
97
84
80
86
96
20
96
84
80
86
94
30
93
83
80
85
93
40
96
83
77
83
88
50
 
76
77
82
81
60
 
 
75
71
68
60T
 
 
67
66
70
70
 
 
 
66
67
70T
 
 
 
65
73
80
 
 
 
 
74
80T
 
 
 
 
83
 
① 图形的形状如图7-9.
② T表示喷头为三角形分布,其它均为矩形分布.

第三节 典型地块的喷头组合

下面举例说明如何根据地块的形状布置喷头并进行必要的调整。
1、如图7-10,地块长52.8m宽45.6m。如果选用某种喷嘴的喷头,其射程为18m,采用50%的三角形组合,喷头间距为S=18m,支管间距Rs=18 ,沿着路采用非全圆喷洒喷头,地块中间采用全圆喷洒喷头,角处采用四分之一喷洒的喷头。
m
图7-10 等间距布置

由于地块长度为52.8m,如果沿路采用四个喷头,所能控制的长度为3 ,大于地块长度52m,我们可以将喷头间距减小为52.8/3=17.6m。
图7-11 喷头布置调整

而将地块宽度方向布置3个喷头,所能控制的宽度为3 ,大于地块宽度45.6m我们可以将支管间距减小为45.6/3=15.2m。
2.如果在图7-10中的5号喷头旁恰有一棵比较粗大的树,就需要将图7-10的布置改变为图7-11,即将f行布置4个喷头改为布置3个喷头,而g行改为布置4个喷头。
图7-12
m

3.另外一种情形如图7-12,地块长度为43m,宽度为30.6m。如果采用三角形布置,若喷头的射程还是18m,沿长度方向布置—条支管,支管间距RS=18 。地块左边两个角上采用90°喷洒。三行喷头所控制的宽度为15.6 。根据地块实际宽度30.6m将间距略作调整为15.3m即可;而对于长度方向,3个喷头控制的长度为 ,4个喷头控制的长度为 ,两种布置与43m的长度均不协调。这种情况下,我们可以将43m分成5等份(43/5=8.6m)每个喷头间距为S= ,近似于18m,布置如图7-12。
 
4.前面介绍的例子对于比较整齐的地块是适用的,但有些情况下,地块形状比较复杂,需要进行特殊的考虑。
(1)       不规则地块
喷头1
喷头2
图7-13

如图7-13,在地块的大面积上可以采用前述的布置方法,如图中的面积A,但对于一些突出的小块面积如面积B,C,D,需要不同的喷嘴或不同类型的喷头,使得A、B、C、D各区的降雨强度接近。
 
图7-14

(2) 人行道的保护
对于一些路人行走的道路,一般不允许喷洒到路上,下面说明如何保护人行道不被喷洒。图7-14 左右两边为人行道,喷头采用三角形布置方式,我们可以看出喷头A如果为全圆喷洒,有一部分水(虚线)将会喷洒到人行道上,这种情况我们可以安装一个喷头B作半圆喷洒,而喷头A作225°喷洒。图中作半圆喷洒的C喷头调整为120°喷洒,并按装喷头d作90°喷洒,即可避免图中左边人行道被喷洒。
(3)圆角地带
圆角地带很难不把水喷洒到圆区以外,布置喷头时应结合组合方式,选择合适的喷嘴尽量避免将水喷到路上。
图7-15是一种常见的圆角地带,灌溉区域西边和南边为路或人行道。灌区内采用三角形布置,如果喷头A恰好在第二排支管与路口交汇处,我们可以将喷头B布置在第二列喷头与路口交汇处,这个例子中,喷头A做1650喷洒,喷头B做1350喷洒,这样可以减少半圆喷洒产生的水量损失。
如果灌区内喷头布置如图7-16所示,即按三角形布置的喷头A不在路边,而是在灌区内,我们可以在路边布置喷头B且作165°喷洒,而喷头A作2250喷洒,在C处布置喷头C,作1650喷洒。
图7-15
图7-16

(4)曲线边界
曲线边界也是草坪园区常见的形式,为避免将水喷洒到曲线边界外,需要根据曲线边界具体形状,选择和布置喷头。
等间距喷头
小喷嘴喷头
图7-17

如图 7-17,园区内部喷头采用等间距三角形组合,只有喷头A在三角形组合的网络结点上,喷头B与结点稍稍错开,我们自然可以采用与园区内部相同的喷头,并作180°喷洒,水量损失不会太大。而C点与网络结点偏离较大,就需要在C点采用较小喷嘴的喷头,且作165°喷洒;相应地,在D点、E点、和F点采用小喷嘴喷头,来弥补G、H点喷头的喷洒。
(5)条带形区域
如图7-18,对于1-2m的条带形区域,拟采用具有条形喷洒的喷头。布置可采用50%D的组合,大多数情况下,可将喷头布置在条带宽度的中间,中间3个喷头采用双向喷洒的喷头,而左右两边采用单向喷洒的喷头。
图7-18
12m
0.6m

对于较宽的条带可以将较小射程的喷头布置在条带长度方向的一侧(图7-19),这种布置方式由于喷头射程的限制有可能将水喷洒到条带的外侧。也可以布置两排喷头(如图7-20)究竟采用哪一种布置方式,需进行经济分析对比。
 
 
3m
2m
图7-19

图7-20
2m
等间距布置

(6)混合种植区
许多草坪种植还混种有其它植物,如树,灌木等。不同的作物有不同的需水要求。当植物需水量差异较大时,各种作物间应采用单独的小区或系统来灌溉。
树和灌木的耗水量一般大于草的耗水量,应尽量布置单独的系统对树和灌木进行灌溉。

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