第2章　节水灌溉技术

2.1　渠道防渗技术

2.1.1　渠道防渗作用

根据所使用的材料，渠道防渗可分为：①土料防渗；②水泥土防渗；③砌石防渗；④塑料薄膜防渗（内衬薄膜后再用土料、混凝土或石料护面）；⑤沥青混凝土防渗；⑥混凝土防渗等。其中混凝土衬砌是当今渠道衬砌的主要形式。渠道防渗工程措施除了减少渠道渗漏损失、节省灌溉用水量、更有效地利用水资源外，还有以下作用：

（1）提高渠床的抗冲能力，防止渠坡坍塌，增强渠床的稳定性。

（2）减小渠床糙率系数，加大渠道内水流流速，提高渠道输水能力。

（3）减少渠道渗漏对地下水的补给，有利于控制地下水位和防治土壤盐碱化及沼泽化。

（4）防止渠道长草，减少泥沙淤积，节省工程维修费用。

（5）低灌溉成本，提高灌溉效益。

2.1.2　渠道防渗材料及结构形式

1.渠道防渗工程应符合的要求

（1）防渗渠道断面应通过水力计算确定，地下水位较高和有防冻要求时，可采用宽浅断面。

（2）地下水位高于渠底时，应设置排水设施。（3）防渗材料及配合比应通过试验选定。

（4）采用刚性材料防渗时，应设置伸缩缝。

（5）标准冻深大于10cm的地区，应考虑采用防治冻胀的技术措施。

（6）渠道防渗率，大型灌区不应低于40%；中型灌区不应低于50%；小型灌区不应低于70%；井灌区如采用固定渠道输水，应全部防渗。（7）大、中型灌区宜优先对骨干渠道进行防渗。2.渠道防渗层的结构及厚度

（1）土料防渗。土料防渗层的厚度应根据防渗要求通过试验确定，不同土料种类防渗层厚度可参考表1.2.1。为增加防渗层的表面强度，根据渠道流量大小，表层采用水泥砂浆抹面和涂刷硫酸亚铁溶液的办法。

（2）水泥土防渗。水泥土防渗层的配合比应通过试验确定。防渗层的厚度宜采用8～10cm，小型渠道不应小于5cm。水泥土预制板的尺寸应根据制板机、压实功能、运输条件和渠道断面尺寸等确定，每块预制板的重量不宜超过50kg。板间用砂浆挤压、填平，并及时勾缝与养护。

因水泥土的抗冻性较差，故对耐久性要求高的明渠水泥土防渗层，宜用塑性水泥土铺筑，表面再用水泥砂浆、混凝土预制板、石板等材料做保护层。此种防渗层结构，水泥土的水泥掺量可以适当减少，但水泥土28d的抗压强度不应低于1.5MPa。

（3）砌石防渗。护面式砌石防渗层的厚度（图1.2.1），浆砌料石采用15～25cm；浆砌块石采用20～30cm；浆砌石板厚度不宜小于3cm。浆砌卵石、干砌卵石挂淤护面式防渗层的厚度一般采用15～30cm。

为了防止渠基淘刷，提高防渗效果，干砌卵石挂淤渠道可在砌体下面设置砂砾石垫层或低标号砂浆垫层。浆砌石板防渗层下，可铺厚度2～3cm的砂料或低标号砂浆垫层。对防渗要求高的大中型渠道，可在砌石层下加铺黏土、三合土、塑性水泥土或塑膜层。

护面式浆砌石防渗层一般为挡土墙式，浆砌石防渗层宜设10～15m。

（4）膜料防渗。按防渗材料可分为塑料类、沥青和环氧树脂类。按加强不加强土工膜可分为直喷式土工膜、加强土工膜（玻璃纤维布、聚酯纤维布作加强材料）、复合型土工膜（土工织物作基材）。

目前我国渠道防渗工程普遍采用聚乙烯和聚氯乙烯塑料薄膜，其次是沥青、玻璃纤维布、油毡。此外，复合土工膜近几年也陆续采用。

膜料防渗多用埋铺式，其结构一般包括膜料防渗层、过渡层、保护层等。

用作过渡层的材料很多，应因地制宜地选用。过渡层的厚度见表1.2.2。

素土保护层厚度，当m1＝m2时，全铺式的梯形、台阶形、锯齿形断面，半铺式的梯形和底铺式断面保护层的厚度，边坡与渠底相同。见表1.2.3；当m1≠m2时，梯形和五边形渠底土保护层的厚度见表1.2.3，渠坡膜层顶部土保护层最小厚度，温暖地区为30cm，寒冷地区为35cm。

刚性材料保护层厚度见表1.2.4。也可在渠底、渠坡和不同渠段，采用具有不同抗冲能力、不同材料的组合式保护层。

（5）沥青混凝土。沥青混凝土防渗层厚度一般为5～6cm（图1.2.3），大型渠道可采用8～10cm。有抗冻要求的地区，渠坡防渗层可采用上薄下厚的断面，一般坡顶厚度5～6cm，坡底厚度8～10cm。整平胶结层采用等厚断面。沥青混凝土边长不宜大于1.0m，厚度采用5～8cm。预制板一般用沥青砂浆砌筑；在地基有较大变形时，也可采用焦油、塑料、胶泥填筑。

（6）混凝土防渗。混凝土防渗层采用等厚板，当渠基有较大膨胀、沉陷等变形时，除采取必要的地基处理措施外，对大型渠道宜采用楔形板、肋梁板、中部加厚板或“Ⅱ”形板。

2.1.3　选择防渗技术措施应考虑的因素

参考我国《渠道防渗工程技术规范》（GB/T 50600—2010）规定的各种渠道防渗材料的技术特点、防渗效果、运用条件等，根据拟建渠道的基本资料，在设计总则指导下，具体地进行设计。设计时应综合考虑下列影响因素。

1.气候条件

气候条件是渠道防渗工程设计和施工应考虑的基本因素。它对防渗材料的耐久性和施工方法具有决定性作用，也是工程防冻胀设计的决定性因素。

2.地形条件

地形条件往往是决定渠道防渗工程造价的重要因素，在渠道防渗措施中，压力管道受地形影响最小，但太贵；低压管道、输水槽以及混凝土等防渗渠道，较能适应地形的变化；而土料及埋铺式膜料（土保护层）防渗渠道，因允许流速小（为混凝土的1/6左右），只能用于较平坦地区。因此，选择防渗方案时，应考虑地形条件。

3.基土性质

基土的渗透性是决定有无防渗必要和采用哪种防渗措施的关键，土的冻胀敏感性和抗压强度等都是工程设计应考虑的主要性能。对黄土类、壤土类等基础好、渠床稳定的地区，一般采用混凝土、砌石等防渗措施。但在含膨胀性黏土或石膏以及孔状灰岩的渠基上，一般不宜采用刚性材料，应采用厚压实土料，或埋铺式膜料类的柔性防渗措施。对于湿陷性黄土渠基，防渗前做完浸水处理后，最好采用埋铺式膜料防渗。也可以改变渠线，使渠道绕过不良土质地带。无法改线时，可用砂、砾石或其他土料换基，以代替不良土壤。但此法造价高，除有抗冻害要求和附近有合适的代换材料外，一般不宜采用。

在选择防渗方案时，应尽量考虑土渠开挖土方的应用问题。如有适宜的土料，可采用压实土料防渗；如开挖的土料不能压实，但可以用作膜料防渗的保护层时，则应采用埋铺式膜料防渗。

4.地下水位

地下水位高于渠底时，防渗层存在承受扬压力的问题。必须在防渗层下设排水设施。在寒冷地区，地下水位的高低是防渗工程进行防冻胀设计时需要考虑的。

5.土地利用及灌溉系统的形式

为减少占地，在城郊及人口密集地区，应采用暗渠（管）、输水槽或边坡较陡的如U形、矩形断面等刚性材料防渗渠道。

为了改善旧有灌溉系统和用水方式，如合并地块，改连续输水为轮流输水，改变种植作物等，都应考虑采用刚性材料防渗，使配水渠系占地最小。同时也使轮流输水的渠系能更好地满足配水要求。

6.防渗标准

在水费很高的地区，或渗漏水有可能引起渠基失稳，影响正常运行的渠道，防渗标准应提高。建议采用下铺膜料，上部用混凝土板作保护层的措施。据国外有关经验，厚10cm的混凝土防渗渠道，平均渗漏量为21L/（m·d），如在混凝土层下加铺聚氯乙烯薄膜，可减少渗漏量95%。只要持续12年，节约的水量就足以抵偿塑膜增加的投资。

7.耐久性

据资料介绍，埋设混凝土管道使用年限按50年计算，年养护费占造价的0.1%。防渗用的沥青黏土混合料，使用年限按5年计，年养护费为造价的10%。厚2.5cm的泥浆衬砌，使用年限估计不超过2年，年养护费为造价的25%。使用年限对计算工程的经济效益影响很大，设计时应慎重确定。

8.材料来源

应本着因地制宜、就地取材的原则选用防渗措施。料源应充足。如当地无砂、石料而又必须采用混凝土防渗的重要工程，可以采用在他处预制，运到当地施工，或采用人工制砂、石的办法。当水中含有较多泥沙，且渠基为砂砾石时，如旧渠由于运用时间已久，有天然淤填的作用，也可能不再需要采用其他防渗措施等。

9.劳力、能源及机械设备供应情况

在劳力较多、工资较低的地区，应采用能充分利用劳动力的措施。如采用预制陶瓷板及混凝土板安砌和压实土料防渗等。如压实厚度超过0.5m或用现浇混凝土防渗，则可采用推土机、铲运机、羊足碾及浇筑机等设备，以保证施工质量，加快施工进度，使防渗工程早日受益。

10.管理养护

如渠道需要频繁地放水和停水，渠道水位有较大的升降变化时，最好采用刚性材料防渗。土料防渗，不能控制杂草及淤积，同时在劳动力昂贵的地方，并不比刚性材料防渗便宜。明铺式膜料、薄黏土层或薄压实土料防渗，易受牲畜践踏等外力破坏，故在使用上受到限制。在已成土渠上建防渗工程，因施工时间短，渠基不能很快干燥，很难采用现浇的刚性材料护面，故最好能采用机械或人工预制安装混凝土板的措施，以加快进度，保证输水。

11.工程费用

渠道防渗措施是否经济，应以效益的大小来衡量。在资金允许情况下，应尽量选取标准较高的防渗方案。新建渠道的防渗工程应与修渠同时进行，设计和施工一次完成。

2.1.4　防渗渠道的设计

1.防渗渠道断面型式

防渗道断面型式如图1.2.3所示。明渠可选用矩形、梯形（包括弧形底梯形、弧形坡脚梯形）、复合形；无压暗渠可选用城门洞形、箱形、正反拱形和圆形。不同防渗材料可参照图1.2.3选用适宜的断面型式。

梯形横断面施工简便、边坡稳定，在地形、地质无特殊问题的地区，可普遍采用。弧形底梯形、弧形坡脚梯形、U形渠道等，由于适应冻胀变形的能力强，能在一定程度上减轻冻胀变形的不均匀性，在北方地区得到了推广应用。U形渠道自20世纪70年代在我国开始应用，在渠道上目前已得到了广泛的应用。其主要优点是：①水力条件好，近似最佳水力断面，可减少衬砌工程量，输沙能力强，有利于高含沙引水；②在冻胀性和湿陷性地基上有一定的适应地基不均匀变形的能力；③渠口窄，节省土地，减少挖填方量；④整体性强，防渗效果优于梯形渠道；⑤便于机械化施工，可加快施工进度。

暗渠具有占地少、在城镇区安全性能好、水流不易污染等优点。在冻土地区，暗渠可避免冻胀破坏。因此，在土地资源紧缺地区应用较多。

2.安全超高

衬砌护面应有一定的超高，以防风浪对渠床的冲刷。衬砌超高指加大水位到衬砌层顶端的垂直距离。小型渠道可采用20～30cm，大型渠道可采用30～60cm。衬砌层顶端到渠道的堤顶或岸边也应有一定的垂直距离，以防衬砌层外露于地面，易受交通车辆等机械损坏；也可防止地面径流直接进入衬砌层下面，威胁渠床和衬砌层的稳定。这个安全高度一般为20～30cm。

3.防渗渠道的设计参数

防渗渠道的设计参数除渠道的设计流量外，还有边坡系数、糙率、超高、不冲不淤流速、伸缩缝间距及填缝材料、砌筑缝及其填筑缝材料、渠底比降、稳定渠床的宽深比、堤顶宽度和封顶板等。设计参数选择的是否正确，关系到渠道的工程量大小、输水能力、防渗效果、渠床是否稳固和安全运用，以及工程效益的发挥等，因此设计参数必须谨慎设计，认真选择。本节对参数如何设计与选择不作介绍，请参阅有关书籍。

4.防渗渠道的水力断面计算

（1）梯形、矩形渠道的水力计算。梯形、矩形渠道的水力计算主要是试算确定过水断面的水深h和底宽b的数值。试算步骤如下：

1）假设b、h值。为施工方便，底宽b应取整数。因此，一般先假设一个整数的b值，再选择适当的宽深比α，用式h＝b/α计算相应的水深值。

2）计算渠道过水断面的水力要素。根据假设的b、h值计算相应的过水断面面积A、湿周x、水力半径和谢才系数C。计算公式如下：

用曼宁公式计算谢才系数C。

3）计算渠道流量。

4）校核渠道流量。上面计算出来的渠道流量（Q）是与假设的b、h值相应的输水能力，一般不等于渠道的设计流量（Qd），通过试算，反复修改b、h值，直至渠道计算流量等于或接近渠道设计流量为止。要求误差不超过5%，即设计渠道断面应满足的校核条件是

在试算过程中，如果计算流量和设计流量相差不大，只需修改h值，再进行计算；如二者相差很大，就要修改b、h值，再进行计算。

5）校核渠道流速。设计断面尺寸不仅满足设计流量的要求，还要满足稳定渠道的流速要求。用式（1.2.5）计算经流量校核选择的渠道断面通过设计流量时所具有的流速：

然后按不冲流速（vcs）和不淤流速（vcd）校核，计算出来的流速应满足以下条件：

如不满足流速校核条件，就要改变最初假设的底宽b值，重新按以上步骤进行计算，直到既满足流量校核条件又满足流速校核条件为止。

（2）采用水力最佳断面时，其水力计算可按以下步骤直接求解：

1）计算渠道的设计水深。水力最佳断面的渠道设计水深hd为

2）计算渠道的设计底宽bd。

bd＝α0 hd

3）校核渠道流速。流速计算和校核方法与采用一般断面时相同。如果设计流速不满足校核条件，说明不宜采用最优断面形式，就要按采用一般断面时的试算步骤设计渠道断面尺寸。

2.2　低压管道输水技术

管道输水灌溉是以管道代替明渠输水灌溉的一种工程形式，水由分水设施输送到田间。直接由管道分水口分水进入田间沟、畦。管道输水有多种使用范围，大中型灌区可以采用明渠输水与管道有压输水相结合，有专门为喷灌供水的压力输水管道，还有为田间沟畦灌供水的低压管道输水。本章主要介绍工作压力低于0.2MPa，自成独立灌溉系统的低压输水。管道输水灌溉的特点是出水口流量大，不会发生堵塞。

2.2.1　管道输水系统的组成

管道输水灌溉系统由水源与取水工程部分、输水配水管网系统和田间灌水系统3部分组成，如图1.2.4所示。

1.水源与取水工程

管道输水灌溉系统的水源有井、泉、沟、渠道、塘坝、河湖和水库等。水质应符合《农田灌溉水质标准》（GB 5084—2005），且不含有大量杂草、泥沙等杂物。井灌区的取水工程应根据用水量和扬程大小，选择适宜的水泵和配套动力机、压力表及水表，并建有管理房。自压灌区或大中型提水灌区的取水工程还应设置水闸、分水闸、拦污栅及泵房等配套建筑物。

2.输水配水管网系统

输配水管网系统是指管道输水灌溉系统中的各级管道、分水设施、保护装置和其他附属设施。在面积较大的灌区，管网可由干管、分干管、支管和分支管等多级管道组成。

3.田间灌水系统

田间灌水系统指出水口以下的田间部分，它仍属地面灌水，因而应采取地面节水灌溉技术，以达到灌水均匀并减小灌水定额的目的。

2.2.2　管道输水系统的分类

管道输水系统按其压力获取方式、管网形式、管网可移动程度的不同等可分为以下类型。

1.按压力获取方式分类

按压力获取方式不同可分为机压输水系统和自压输水系统。

（1）机压（水泵提水）输水系统。它又分为水泵直送式和蓄水池式。当水源水位不能满足自压输水要求时，要利用水泵加压将水输送到所需要的高度或蓄水池中，通过分水口或管道输水至田间。目前，井灌区大部分采用直送式。

（2）自压输水系统。当水源较高时，可利用地形自然落差所提供的水头作为管道输水所需要的工作压力。在丘陵地区的自流灌区多采用这种形式。

2.按管网形式分类

按管网形式不同可分为树状网和环状网两种类型。

（1）树状网。管网呈树枝状，水流通过“树干”流向“树枝”，即从干管流向支管、分支管，只有分流而无汇流。

（2）环状网。管网通过节点将各管道连接成闭合环状网。根据给水栓位置和控制阀启闭情况，水流可作正逆方向流动。

目前国内低压管道输水灌溉系统多采用树状网，环状网在一些试点地区也有应用。3.按固定方式分类

低压管道输水灌溉系统按固定方式可分为移动式、半固定式和固定式。

（1）移动式。除水源外，管道及分水设备都可移动，机泵有的固定，有的也可移动，管道多采用软管，简便易行，一次性投资低，多在井灌区临时抗旱时应用。但是劳动强度大，管道易破损。

（2）半固定式。其管道灌溉系统的一部分固定，另一部分移动。一般是水源固定，干管或支管为固定地埋管，由分水口连接移动软管输水进入田间。这种形式工程投资介于移动式和固定式之间，比移动式劳动强度低，但比固定式管理难度大，经济条件一般的地区，宜采用半固定式系统。

（3）固定式。管道灌溉系统中的水源和各级管道及分水设施均埋入地下，固定不动。给水栓或分水口直接分水进入田间沟、畦，没有软管连接。田间毛渠较短，固定管道密度大，标准高。这类系统一次性投资大，但运行管理方便，灌水均匀。有条件的地方应逐渐推行这种形式。

2.2.3　管网布置系统

管网系统布置是管道输水工程设计的关键内容之一。一般管网工程投资占管道系统总投资的70%以上。管网系统布置的合理与否，对工程投资、运行和管理维护都有直接的影响。因此，应从技术、经济和运行管理等方面，对管网系统的布置方案应进行充分、科学地论证比较，选择最佳的方案。

2.2.3.1　管网系统布置的原则

（1）井灌区的管网一般以单个井为单元进行布置。在井群统一管理调度情况下，也可采用多井汇流管网系统，但应进行充分的技术经济论证。渠灌区应根据地形条件、地块形状及水源位置和作物布局、灌溉要求等分区布置管网。

（2）应根据水源位置（机井位置或管网入口位置）、地块形状、种植方向及原有工程配套等因素，通过比较，确定采用树状管网或环状管网。

（3）管网布置应满足地面灌水技术指标的要求，在平原区，各级管道尽可能采用双向供水。

（4）管网布置应力求控制面积大，且管线平顺，减少折点和起伏。若管线布置有起伏时，应避免管道内产生负压。

（5）管网布置应紧密结合水源位置、道路、林带、灌溉明渠和排水沟以及供电线路等，统筹安排，以适应机耕和农业技术措施的要求，避免干扰输油、输气管道及电信线路等。

（6）管网布置时应尽量利用现有的水利工程，如穿路倒虹吸和涵管等。

（7）管道级数，应根据系统灌溉面积（或流量）和经济条件等因素确定。井灌区旱作物区，当系统流量小于30m3/h时，可采用一级固定管道；系统流量在30～60m3/h时，可采用于管（输水）、支管（配水）两级固定管道；系统流量大于60m3/h，可采用两级或多级固定管道。渠灌区，目前主要在支渠以下采用低压管道输水灌溉技术，其管网级数一般为斗管、分管、引管3级。

对于渗透性强的砂质土灌区，末级还应增设地面移动管道。在梯田上，地面移动管道应布置在同一级梯田上，以便移动和摆放。

（8）管线布置应与地形坡度相适应。如在平坦地形，为充分利用地面坡降，干（支）管应尽量垂直等高线布置；若在山丘区，地面坡度较陡时，干（支）管布置应平行等高线，以防水头压力过大而需增加减压措施。田间最末一级管道，其布置走向应与作物种植方向和耕作方向一致，移动软管或田间垄沟垂直于作物种植行。

（9）给水栓和出水口的间距应根据生产管理体制、灌溉方法及灌溉计划确定，间距宜为50～100m，单口灌溉面积宜为0.25～0.6hm2。单向浇地取较小值，双向浇地取较大值。在山丘区梯田中，应考虑在每个台地中设置给水栓，以便于灌溉管理。

（10）在已确定给水栓位置的前提下，力求管道总长度最短，管径最小。

（11）充分考虑管路中量水、控制和安全保护装置的适宜位置。渠灌区、丘陵自压灌区、河网提水灌区的取水工程根据需要可设置进水闸、分水闸、拦污栅、沉沙池。

2.2.3.2　管网规划布置的步骤

根据管网布置原则，按以下步骤进行管网规划布置：

（1）根据地形条件分析确定管网形式。

（2）确定给水栓的适宜位置。

（3）按管道总长度最短布置原则，确定管网中各级管道的走向与长度。

（4）在纵断面图上标注各级管道桩号、高程、给水装置、保护设施、连接管件及附属建筑物的位置。

（5）对各级管道、管件、给水装置等，列表分类统计。

2.2.3.3　管网布置形式

1.井灌区管网典型布置形式

（1）机井位于地块一侧，控制面积较大且地块近似成方形，该布置形式适合于井出水量60～100m3/h、控制面积10～20hm2。地块长宽比约等于1的情况。

（2）机井位于地块一侧，地块呈长条形，可布置成“一”字形、L形、T形。这些布置形式适合于井出水量20～40m3/h，控制面积3～7hm2，地块长宽比不大于3的情况。

（3）机井位于地块中心时，常采用H形布置形式。这些布置形式适合于井出水量40～60m3/h、控制面积7～10hm2。地块长宽比不大于2的情况。当地块长宽比大于2时，宜采用长“一”字形布置形式。

2.渠灌区管网典型布置形式

渠灌区管灌系统主要采用树枝状管网，影响其具体布置的因素有：水源位置及其与管灌区的相对位置，控制范围和面积大小及其形状，作物种植方式、耕作方向和作物种类。

3.丘陵区管网的布置

（1）对于谷深坡平、耕地相对集中、相对高差在50m以内水低田高的山丘，可利用管道逆坡远距离输水灌溉。该灌溉系统由水源、机泵、管路系统、田间工程4部分组成，工作压力一般在0.2～0.4MPa之间，灌溉面积的确定要遵循“以供水能力确定面积”的原则。管网布置形式有树枝形、马鞍形、鱼骨形等。干管较长，一般在1000m左右，垂直于等高线布置；支管沿等高线布置。

（2）丘陵区自流管道输水灌溉系统。自渠道取水时，干管（一级管）尽量沿山脊或中间高顺坡布置，支管（二级管）尽量沿等高线布置；直接自水库、引水坝取水的，干管尽量沿等高线布置，支管尽量沿山脊或中间高布置。支管间距一般为100～200m。

4.河网提水灌区管网的布置

河网提水灌区管灌系统的泵站大多位于河、沟、渠的一边，这就决定了河网提水灌区管灌系统主要有以下两种布置形式。

（1）梳齿式。

（2）鱼骨式。

2.2.4　工程设计

2.2.4.1　灌溉制度与工作制度

1.设计灌水定额

灌水定额是指单位面积一次灌水的灌水量或水层深度。管网设计中，采用作物生育期内各次灌水量中最大的一次作为设计灌水定额，对于种植不同作物的灌区，通常采用设计时段内主要作物的最大灌水定额作为设计灌水定额。小麦、棉花和玉米不同生育期灌水湿润层深度和适宜含水率见表1.2.5。

式中：m为设计净灌水定额，m3/hm2；h为计划湿润层深度，m，一般大田作物取0.4～0.6m，蔬菜取0.2～0.3m，果树取0.8～1.0m；γs为计划湿润层土壤的干容重，kN/m3；β1为土壤适宜含水率（重量百分比）上限，取田间持水率的85%～95%；β2为土壤适宜含水率（重量百分比）下限，取田间持水率的60%～65%。

2.设计灌水周期

根据灌水临界期内作物最大日需水量值按式（1.2.9）计算理论灌水周期，因为实际灌水中可能出现停水，故设计灌水周期应小于理论灌水周期，即

式中：T理为理论灌水周期，d；Tc为设计灌水周期；Ed为控制区内作物最大日需水量，mm/d。

2.2.4.2　灌溉设计流量

根据设计灌水定额、灌溉面积、灌水周期和每天的工作时间可计算灌溉设计流量。在井灌区，灌溉设计流量应小于单井的稳定出水量。当管灌系统内种植单一作物时，按式（1.2.10）计算灌溉设计流量：

式中：Q0为管灌系统的灌溉设计流量，m3/h；η为灌溉水利用系数，取0.80～0.90；a为控制性的作物种植比例；t为每天灌水时间，取18～22h（尽可能按实际灌水时间确定）。

当Q0大于水泵流量时，应取Q0等于水泵流量，并相应减小灌溉面积或种植比例。

2.2.4.3　灌溉工作制度

1.概念

灌溉工作制度是指管网输配水及田间灌水的运行方式和时间，是根据系统的引水流量、灌溉制度、畦田形状及地块平整程度等因素制定的。有续灌、轮灌和随机灌溉3种方式。

（1）续灌方式。灌水期间，整个管网系统的出水口同时出流的灌水方式称为续灌。在地形平坦且引水流量和系统容量足够大时，可采用续灌方式。

（2）轮灌方式。在灌水期间，灌溉系统内不是所有管道同时通水，而是将输配水组，以轮灌组为单元轮流灌溉。系统同时只有一个出水口出流时称为集中轮灌；有两或两个以上的出水口同时出流时称为分组轮灌。井灌区管网系统通常采用这种灌水方式。

系统轮灌组数目是根据管网系统灌溉设计流量、每个出水口的设计出水量及整个的出水口个数按式（1.2.11）计算的，当整个系统各出水口流量接近时，采用式（1.2.12）计算：式中：N为轮灌组数；qi为第i个出水口设计流量，m3/h；int为取正符号；n为系统出水口总数。

轮灌组数划分的原则：①每个轮灌组内工作的管道应尽量集中，以便于控制和管理；②各个轮灌组的总流量尽量接近，离水源较远的轮灌组总流量可小些，但变动幅度不能太大；③地形地貌变化较大时，可将高程相近地块的管道分在同一轮灌组，同组内压力应大致相同，偏差不宜超过20%；④各个轮灌组灌水时间总和不能大于灌水周期；⑤同一轮灌组内作物种类和种植方式应力求相同，以方便灌溉和田间管理；⑥轮灌组的编组运行方式要有一定规律，以利于提高管道利用率并减少运行费用。

（3）随机方式。随机方式用水是指管网系统各个出水口在启闭时间和顺序上不受出水口工作状态的约束，管网系统随时都可供水，用水单位可随时取水灌溉。

2.流量计算

（1）树状管网各级管道流量计算。对于单井出水量小于60m3/h的井灌区，通常开启一个出水口的集中轮灌方式运行，此时各条管道的流量均等于系统设计流量。同时开启出水口个数超过两个时，按式（1.2.13）计算各级管道流量：

式中：Q为管道设计流量，m3/h；n栓为管道控制范围内同时开启的给水栓个数；N栓为全系统同时开启的给水栓个数。

（2）环状管网流量计算。

3.水头损失计算

（1）沿程水头损失。在管道输水灌溉管网设计计算中，根据不同材料管材使用状态，通常采用通式（1.2.14）计算有压管道的沿程水头损失：

式中：f为沿程水头损失摩阻系数；m为流量指数；b为管径指数。

各种管材的f、m、b值见表1.2.6。

对于地面移动软管，由于软管壁薄、质软并具有一定的弹性，输水性能与一般硬管不同。过水断面随充水压力而变化，其沿程阻力系数和沿程水头损失不仅取决于雷诺数、流量及管径，而且明显受工作压力影响，此外还与软管铺设地面的平整程度及软管的顺直状况等有关。在工程设计中，地面软管沿程水头损失通常采用塑料硬管计算公式计算后乘以1.1～1.5的加大系数，该加大系数根据软管布置的顺直程度及铺设地面的平整程度取值。

（2）局部水头损失。局部水头损失一般以流速水头乘以局部水头损失系数来表示。管道的总局部水头损失等于管道上各局部水头损失之和。在实际工程设计中，为简化计算，总局部水头损失通常按沿程水头损失的10%～15%考虑。

式中：ξ为局部水头损失系数，可由相关设计手册中查出；v为断面平均流速，m/s；g为重力加速度，g＝9.81m/s2。

2.2.4.4　管径确定

管道系统各管段的直径，应通过技术经济计算确定，在初估算时，可按表1.2.7选择管内流速，按式（1.2.16）计算：

式中：D为管道直径，mm；v为管内流速，m/s；Q为计算管段的设计流量，m3/s。

2.2.4.5　水泵扬程计算与水泵选择

（1）管道系统设计工作水头，管道系统设计工作水头按式（1.2.17）计算：

式中：H0为管道系统设计工作水头，m；H max为管道系统最大工作水头，m；H min为管道系统最小工作水头，m；Z0为管道系统进口高程，m；Z1为参考点1地面高程；在平原井区，参考点1一般为距水源最近的出水，m；Z2为参考点2地面高程；在平原井区，参考点2一般为距水源最远的出水，m；ΔZ1、ΔZ2为参考点1与参考点2处出水口中心线与地面的高差，m，出水口中心线高程，应为所控制的田间最高地面高程加0.15m；∑hf1、∑hj1为管道系统进口至参考点1的管路沿程水头损失与局部水头损失，m；∑hf2、∑hj2为管道系统进口至参考点2的管路沿程水头损失与局部水头损失，m。

（2）水泵扬程计算。灌溉系统设计扬程按式（1.2.20）计算：

式中：HP为管道系统设计扬程，m；Zd为机井动水位，m；∑hf0、∑hj0为水泵吸水管进口至管道进口之问的管道沿程水头损失与局部水头损失，m。

根据以上计算的水泵扬程和系统设计流量选取水泵，然后根据水泵的流量-扬程曲线和管道系统的流量水头损失曲线校核水泵工作点。

为保证所选水泵在高效区运行，对于按轮灌组运行的管网系统，可根据不同轮灌组的流量和扬程进行比较，选择水泵。若控制面积大且各轮灌组流量与扬程差别很大时，可选择两台或多台水泵分别对应各轮灌组提水灌溉。

2.2.4.6　水锤压力计算与水锤防护

有压管道中，由于管内流速突然变化而引起管道中水流压力急剧上升或下降的现象称为水锤。在水锤发生时，管道可能因内水压力超过管材公称压力或管内出现负压而损坏管道。

在低压管道系统中，由于压力较小，管内流速不大，一般情况下水锤压力不会过高。因此，在低压管道输水灌溉工程计算中，可不进行水锤压力计算。但对于在水锤情况下管道出现负压或超过管道公称压力，应进行水锤防护措施。

2.3　喷灌技术

2.3.1　喷灌系统的组成

喷灌系统通常由水源工程、首部装置、输配水管道系统和喷头等部分组成（图1.2.5）。

（1）水源工程。包括河流、湖泊、池塘和井泉等都可作为喷灌的水源，但都必须修建相应的水源工程，如泵站及附属设施、水量调蓄池和沉淀池等。

（2）水泵及配套动力机。水泵将灌溉水从水源点吸提、增压、输送到管道系统。喷灌系统常用的水泵有离心泵、自吸式离心泵、长轴井泵、深井潜水泵等。在有电力供应的地方常用电动机作为水泵的动力机；在用电困难的地方可用柴油机、手扶拖拉机或拖拉机等作为动力机与水泵配套。动力机功率的大小根据水泵的配套要求而定。

（3）管道系统。管道系统的作用是将压力水流输送并分配到田间。通常管道系统有干管和支管两级，在支管上装有用于安装喷头的竖管。在管道系统上装有各种连接和控制的附属配件，包括弯头、三通、接头、闸阀等。为了在灌水的同时施肥，在干管或支管上端还装有肥料注入装置。

（4）喷头。喷头是喷灌系统的专用部件，安装在竖管上，或直接安装于支管上。喷头的作用是将压力水流通过喷嘴，喷射到空中，在空气阻力作用下，形成水滴状，洒落在土壤表面。

（5）田间工程。移动喷灌机组在田间作业，需要在田间修建引水渠和调节池及相应的建筑物，将灌溉水从水源引到田间，以满足喷灌的需要。

2.3.2　喷灌工程规划设计的原则和内容

2.3.2.1　喷灌工程规划设计的原则

1.管道工程分级

喷灌系统较小时，管道分成两级，干管和支管；有三级管道时分为干管，分干管和支管；有四级管道时，分总干管、干管、分干管和支管。最末一级，带有喷头的工作管道，称为支管。连接喷头与支管的管道称竖管。

2.管道布置原则

（1）管道布置应使管道总长度尽量短，管径小，造价省，有利于防止水击。

（2）山丘区布置喷灌系统时，一般应使干管沿主坡向布置，支管平行等高线布置。

（3）管道布置应考虑各用水单位的需求，便于用水管理，有利于进行轮灌分组。

（4）平原地区，支管尽量与作物耕作方向一致。

（5）充分考虑地块的地形变化，力求使支管长度一致，规格统一。管线纵剖面应力求平顺，减少折点，尽量避免管线出现驼峰。

（6）管线的布置应结合排水系统，道路林带，供电系统及行政村的规划统一规划。

2.3.2.2　喷灌工程规划设计的基本资料

1.地形资料

喷灌系统的规划布置应有实测的地形图，其比例视灌区大小、地形的复杂程度以及设计阶段要求的不同而定。在规划阶段，5000亩以上灌区要求1/5000～1/10000的地形图，5000亩以下灌区，要求1/2000～1/5000地形图。对于小地块要求1/500～1/1000的地形图，对于地势平坦的小块灌区，至少应有平面位置图，包括田块高程，水源位置（水位、高程）等资料。

2.土壤资料

（1）土壤质地。土壤质地是指土壤颗粒的机械组成，即按不同粒径的矿物质颗粒在土壤中所占比例对土壤进行分类。土壤一般分为：砂土、砂壤土、轻壤土、中壤土、重壤土、黏土、分类方法有颗粒分析法和野外手测法。

（2）土壤容量。单位体积自然状态下的干土的重量。

（3）田间持水量。土壤田间持水量是指在有良好排水条件下的土壤中，排水后不受重力影响而保持在土壤中的水分含量，常用占干土重的百分数表示。在有条件的地方可对灌区土壤田间持水量进行野外测定。

（4）土壤入渗能力。土壤入渗能力一般用土壤入渗速度来表示，主要是选定允许喷灌强度。

（5）土壤化学性。包括pH值，含盐量，有机质含量以及氮、磷、钾等含量。

（6）土壤最大冻土层深度。

3.气象资料

喷灌工程规划设计应收集的气象资料有：降雨量（年降雨量、典型年日降雨量），蒸发量（水面、陆面），气温（最高、最低、极端），湿度，日照，无霜期（被霜期、冬霜期）。喷灌的缺点之一就是受风影响大，所以做喷灌工程设计应特别注意此问题。风速风向是确定喷头布置形式和管道布置方式的重要依据。设计风向是指灌区主要农作物灌水时期内灌水日的主风向。如此季节没有时显的主风向，应按多风向设计。

风力等级与风速关系为：0级（0～0.2m/s）；1级（0.3～1.5m/s）；2级（1.6～3.2m/s）；3级（3.3～5.5m/s）；4级（5.5～7.9m/s）。当风力等级大于3级风时应停止喷灌。

4.水源条件

喷灌所用水源有：河流、水库、池塘、山泉、湖泊、井水等。对水源的调查内容包括：①来水量；②水位；③水质；④含沙量等。其资料应有一定的代表性（长系列水文资料，典型年日来水量资料），特别要注意灌溉季节的水位流量变化。应用地下水作喷灌工程水源时，应查明灌区地下水的情况，包括可供开采的单井出水量、水质等，要了解地下水多年平均降深的变化，做到在多年的运行中保证地下水采补平衡，保护地下水资源。在多泥沙河流上取水，要特别注意河流的含沙量，重要工程要做沉沙工程，以保证喷灌工程的正常运行。应用城市污水灌溉时，应对污水进行水质处理。喷灌水源的水质应满足《农田灌溉水质标准》（GB 5084—2005）。

5.农作物资料

灌区作物种类、种植面积、种植方式、作物布局和结构、复种指数。其中作物耗水资料，作物根系活动层有条件时应做试验，无条件时可查阅相关农田试验站的实验资料或有关书籍如《农田水利学》《作物耗水量》等。

6.其他相关资料

（1）灌区农业发展规划，水利工程现状，农业机械化程度。

（2）灌区农业收入情况，粮食单产，价格、生产费用等。

（3）交通条件。

（4）行政区划。

（5）动力设备情况。

2.3.3　喷灌工程类型选择

喷灌工程的类型应根据作物种类、经济条件、动力设备条件、地形条件等因素确定。经济价值高的作物可采用固定管道式喷灌工程；大田作物宜采用半固定式或机组式喷灌系统；有自然水头的地方尽量采用自压喷灌工程。

2.3.4　喷灌制度的制定

喷灌制度包括：①灌溉定额；②灌水定额；③灌水次数；④灌水周期等。灌溉定额指各次灌水定额之和；灌水定额指一次灌水时，单位面积上的灌水量。

2.3.4.1　设计灌水定额

设计灌水定额按式（1.2.21）计算：

式中：m设计灌水定额，mm；H为喷灌土壤计划湿润层深度，cm，对于大田作物可取40～60cm；γ为土壤干容重，g/cm3；θmax土壤含水率上限（取田间持水率）；θmin为土壤含水率下限（取田间持水率的60%）；η为喷洒水利用系数。一般取0.85～0.95。

2.3.4.2　设计灌水周期

设计灌水周期指两次灌水的时间间隔，以天数表示。设计灌水周期可按式（1.2.22）确定：

式中：T为设计灌水周期，d；m为设计灌水定额，mm；η喷洒水利用系数；Ea为作物临界耗水期日平均耗水量，mm/d。

2.3.4.3　喷灌制度确定方法

1.水量平衡法

（1）播前灌水定额。

式中：M0为播前灌水定额，mm。

（2）生育期内。以农田水利学中水量平衡法来制定生育内的灌水定额和灌水次数：

式中：Wt、W0为时段初和时段t时的土壤计算湿润层的储水量，mm；Wγ为由于计划湿润层增加而增加的水量，mm；P0为保存在土壤计划湿润层内的有效雨量，mm；K为时段t内的地下水补给量；M为时段t内的灌溉水量，mm；ET为时段t内的作物田间需水量，mm。

（3）全生育期。

2.彭曼公式法

（1）参照作物需水量计算。参照作物是指土壤水分充分、地面完全覆盖、生长正常、高矮整齐的开阔（地块长宽大于200m）的矮草地（草高8～15cm），以苜蓿草为代表作物，计算ET0

（2）实际需水量的计算。

式中：Kc为作物系数。

2.3.5　喷灌工作制度

喷灌工作制度是指喷灌工程运行中，喷头在固定位置的喷灌时间，同时工作的喷头数以及喷头轮灌组的划分等内容。

1.喷头在一个位置（工作点）的喷灌时间

按式（1.2.27）确定：

2.同时工作的喷头数和支管数

同时工作的喷头数可按式（1.2.28）计算：

式中：Nt为同时工作的喷头数；A为喷灌工程控制面积，m2；C为一天中喷灌工程有效工作的时间（20～24h）；T为设计灌水周期。

同时工作的支管数：

式中：NZ为同时工作的支管数；N为一根支管安装的喷头数，以上计算结果均应取整数。

3.轮灌方案

（1）轮灌组划分要点：

1）轮灌的编组应有一定的顺序，以便管理。

2）相同类型的轮灌组的工作喷头总数应尽量接近，从而使喷灌工程的流量变幅较小。

3）轮灌编组时，应使地形较高或路程较远的组别的喷头式支管数略少，以利于保持喷灌泵均在高效区工作。

4）编制轮灌组轮灌顺序，应将流量分散到各配水管中，避免集中在某一条干管配水。

（2）支管轮灌方式：

1）两根支管从地块一头齐头并进，干管从头到尾的流量等于两根支管流量之和。

2）两根支管由地块两端向中间交叉前进。

3）两根支管由中间向两端交叉前进。

2），3）两种方案只有前半段干管通过流量等于两根支管流量之和，而后段干管通过的流量只等于一根支管的流量。这样，水头损失小或可以减少后半段干管的管径。

2.3.6　喷灌系统组合距的确定

2.3.6.1　喷头的选择及喷洒方式

（1）喷灌方式。喷头的喷灌方式有圆形喷灌（也叫全圆喷灌）和扇形喷灌两种。一般在管道喷灌工程中，除了位于地块边缘的喷头作扇形喷灌外，其余喷头均采用全圆喷灌。在机组式喷灌系统中，为避免喷湿机道，一般采用扇形喷灌方式。

（2）喷头参数的选择。①工作压力；②喷头型号；③喷嘴直径；④射程；⑤喷头量。

（3）计算和校核雾化指标H/D值是否满足要求。

2.3.6.2　喷头的组合形式

喷头的组合形式包括支管布置方向、喷头组合方式及喷头沿支管的间距，支管和支管的间距等。

1.支管布置方向

支管布置的方向，除考虑地形因素及作物种植方向外，还应考虑风向和地形坡度的方向。

（1）受风影响。无风条件下，喷头喷灌为一个圆形面积。有风时，顺风向一侧，喷头射程增加；逆风向一侧，喷头射程减小；而平行风向的两侧，射程也相应变小。所以，在一般情况下，支管布置在垂直主风向的位置，干管则布置在平行主风向的位置。

（2）地面坡度影响。地面有坡度时，下坡方向，喷头射程加大，上坡方向，喷头射程变小。一般情况，支管平行等高线布置，干管垂直等高线布置。

2.喷头的组合形式

喷头组合形式也称布置形式，指喷灌工程中每个喷头所处的相对位置的排列方式。一般用相邻4个喷头平面位置组成的图形表示。喷头组合形式有长方形、正方形、三角（正三角和等腰三角形）3种形式。

在灌水季节主风向明显时，采用支管垂直主风的长方形布置，加大支管间距，可以减少管道的投资。当灌水季节主风向多变时，要采用正方形布置，以减小风的影响。三角形布置复杂且不实用，一般较少采用。

2.3.7　喷灌管道水力计算

1.管道布置形式

（1）分级。固定式、半固定式喷灌工程，视系统控制的面积大小对管道进行分级，面积大时，可布置成总干、干、分干、支4级；干管、分干管、支管3级，面积较小时一般布置成干管和支管两级。支管是田间末级管道，支管上安装喷头。

（2）管网布置形式。管网布置形式有：树状网、环状网、混合网。树状管网是喷灌工程管道布置应用最多的一种形式，这种管道布置简单，适应于各种地形，水力计算也较简单。环状管网是一种闭合网，由很多闭路环组成，又称闭路网。这种管网在供水工程中应用较多，在喷灌工程中应用较少。优点是某一水流方向的管道出事故，可由另一方向的管道继续供水。环状管网的布置和水力计算可参阅供水工程有关书籍。

2.喷灌支管设计

支管是喷灌工程中最末一级管道，支管上装有竖管，竖管上安装喷头。竖管高度可依据喷灌作物高度确定。

喷灌支管设计时，支管的工作压力差的选取应符合设计要求，即同一支管上任意两个喷头之间的水头差应在喷头设计工作压力的20%以内。

3.管道水力计算

（1）沿程水头损失计算。

式中：hf为沿程水头损失，m；f为沿程阻力系数；L为管道长度，m；Q为管道设计流量，m3/h；d为管道内径，mm；m为流量指数；b为管径指数。

各种管材的f、m、b值可查相关表格。

有沿程出水时，管道的水头损失为

式中：F为多口系数；N为喷头数目或出流孔口数；m为流量指数；X为支管入口至第一个喷头（或孔口）的距离与喷头（或孔口）间距之比值。

（2）局部水头损失。

式中：hj为各管件局部水头失，m；ε为各管件局部阻力系数；v为管道中流速，m/s。

2.3.8　水泵与动力选型

1.设计扬程

式中：Δ为典型喷头高程与水源水位高差，m。

2.设计流量

式中：Nt为同时工作喷头数。

根据Hp和Qp，可直接由水泵样本中选定水泵。

2.4　微灌技术

微灌是利用安装在末级管道上的灌水器，将有压水以微小的流量湿润作物根部附近土壤的一种灌水技术。

2.4.1　微灌系统的组成及分类

2.4.1.1　微灌系统的组成

微灌系统由水源、首部枢纽、输配水管网和灌水器以及流量、压力控制部件和量测仪表等组成，如图1.2.6所示。

1.水源

河流、渠道、湖泊、水库、井、泉等均可作为微灌水源，但其水质需符合微灌要求。

2.首部枢纽

首部枢纽包括水泵、动力机、肥料和化学药品注入设备、过滤设备、控制阀、进排气阀、压力流量量测仪表等。其作用是从水源取水增压并将其处理成符合微灌要求的水流送到微灌系统中去。

微灌常用的水泵有潜水泵、深井泵、离心泵等，动力机可以是柴油机、电动机等。

在供水量需要调蓄或含沙量很大的水源，常要修建蓄水池和沉淀池。沉淀池用于去除灌溉水源中的大固体颗粒，为了避免在沉淀池中产生藻类植物，应尽可能将沉淀池或蓄水池加盖。

过滤设备的作用是将灌溉水中的固体颗料滤去，避免污物进入系统，造成系统堵塞。过滤设备应安装在输配水管道之前。

肥料和化学药品注入设备用于将肥料、除草剂、杀虫剂等直接施入微灌系统，注入设备应设在过滤设备之前。

流量压力量测仪表用于测量管线中的流量或压力，包括水表、压力表等。水表用于测量管线中流过的总水量，根据需要可以安装于首部，也可以安装于任何一条干、支管上，如安装在首部，须设于施肥装置之前，以防肥料腐蚀。压力表用于测量管线中的内水压力，在过滤器和密封式施肥装置的前后各安设一个压力表，可观测其压力差，通过压力差的大小能够判定施肥量的大小和过滤器是否需要清洗。

控制器用于对系统进行自动控制，一般控制器具有定时或编程功能，根据用户给定的指令操作电磁阀或水动阀，进而对系统进行控制。

阀门是直接用来控制和调节微灌系统压力流量的操纵部件，布置在需要控制的部位上，其型式有闸阀、逆止阀、空气阀、水动阀、电磁阀等。

3.输配水管网

输配水管网的作用是将首部枢纽处理过的水按照要求输送分配到每个灌水单元和灌水器，输配水管网包括干、支管和毛管3级管道。毛管是微灌系统的最末一级管道，其上安装或连接灌水器。

4.灌水器

灌水器是微灌设备中最关键的部件，是直接向作物施水的设备，其作用是消减压力，将水流变为水滴或细流或喷洒状施入土壤，包括滴头、滴灌带、滴灌管、微喷头、微喷带、渗灌管等，灌水器多数是用塑料制成的。

2.4.1.2　微灌系统的分类

由于组成微灌系统的灌水器不同，相应地分为滴灌系统、微喷灌系统、小管出流系统以及渗灌系统等。

根据配水管道在灌水季节中是否移动，每一类微灌系统又可分为固定式、半固定式和移动式。

固定式微灌系统的各个组成部分在整个灌水季节都是固定不动的，干管、支管一般埋在地下，根据条件，毛管有的埋在地下，有的放在地表或悬挂在离地面一定高度的支架上。固定式微灌系通常用于经济价值较高的经济作物。

半固定式微灌系统的首部枢纽及干、支管是固定的，毛管连同其上的灌水器是可以移动的。根据设计要求，一条毛管可以在多个位置工作。

移动式微灌系统各组成部分都可移动，在灌溉周期内按计划移动安装在灌区内不同的位置进行灌溉。移动式微灌系统提高了微灌设备的利用率，降低了单位面积微灌的投资，但操作管理比较麻烦，适合在经济条件较差的地区使用。

2.4.2　灌水器

灌水器的作用是把末级管道（毛管）的压力水流均匀而又稳定地灌到作物根区附近的土壤中，灌水器质量的好坏直接影响到微灌系统的寿命及灌水质量的高低。灌水器的种类繁多，各有特点，适用条件也各有差异。

1.滴头

通过流道或孔口将毛管中的压力水流变成滴状或细流状的装置称为滴头。其流量一般不大于12L/h。按滴头的压力补偿与否可把它分为如下两种。

（1）非压力补偿滴头。非压力补偿滴头是利用滴头内的固定水流流道消能，其流量随压力的提高而增大。

（2）压力补偿型滴头。压力补偿型滴头的流量不随压力而变化。在水流压力的作用下，滴头内的弹性体（片）使流道（或孔口）形状改变或过水断面面积发生变化，当压力减小时，增大过水断面积，压力增大时，减小过水断面积，从而使滴头出流量保持稳定，压力补偿滴头同时还具有自清洗功能。

2.滴灌带（管）

滴头与毛管制造成一个整体，兼具配水和滴水功能的带（管）称为滴灌带（管）。按滴灌带（管）的结构可分为两种。

（1）内镶式滴灌带（管）。内镶式滴灌带（管）是在毛管制造过程中，将预先制造好的滴头镶嵌在毛管内的滴灌带（管）。内镶滴头有两种，一种是片式，另一种是管式。

（2）薄壁滴灌带。薄壁滴灌带为在制造薄壁管的同时，在管的一侧热合出各种形状的流道，灌溉水通过流道以滴流的形式湿润土壤。滴灌带也有压力补偿式与非压力补偿式两种。

2.4.3　首部枢纽

首部枢纽一般由取水阀、止回阀、进排气阀、计量装置、施肥器、过滤器等部分组成。

1.取水阀

一般起打开取水和闭和断水的作用，常用的取水阀类型有闸阀、蝶阀、球阀等，材质有铸铁、钢质、塑料等。这些阀门参数都有标准可循。

2.止回阀

也叫逆止阀或单向阀，水流只能沿一个方向流动。当切断水流时，用于防止含有肥料的水倒流进水源，还可防止水流倒流引起水泵叶轮倒转，进而保护水泵。

3.进排气阀

也叫空气阀，一般安装在微灌系统的最高处，用于放出管网中积累的空气，防止管道发生震动破坏，或在系统需要泄水时，起到进气作用。

4.量测装置

（1）水表。微灌工程中常用水表来计量管道输水流量大小和计算灌溉用水量的多少。水表一般安装在首部枢纽中过滤器之后的干管上。设计时，根据微灌系统的设计流量大小、选择大于或接近额定流量的水表为宜，绝不能单纯以输水管径大小来选定水表口径，否则，容易造成水表的水头损失过大。

（2）压力表。微灌系统中经常使用弹簧管压力表测量管路中的水压力。压力表内有一根椭圆形截面的弹簧管，管的一端固定在插座上并与外部接头相通，另一端封闭并与连杆和扇形齿轮连接，可以自由移动。当被测液体进入弹簧内时，在压力作用下弹簧管的自由端产生位移，这位移使指针偏移，指针在度盘上的指示读数就是被测液体的压力值。测正压力的表称为压力表，测负压力的表称为真空表。

5.施肥器

微灌系统中常用的施肥装置有压差式施肥罐、文丘里施肥器、比例自动施肥泵等。6.过滤器

微灌技术要求灌溉水中不含造成灌水器堵塞的污物和杂质，而实际上任何水源，如湖泊、库塘、河流和沟溪水中，都不同程度含有污物和杂质，即使是水质良好的井水，也会含有一定数量的沙粒和可能产生化学沉淀的物质。因此对灌溉水进行严格的过滤是微灌工程中的首要步骤，是保证微灌系统正常运行、延长灌水器使用寿命和保证灌水质量的关键措施。

微灌系统中常用的过滤设备有：砂石过滤器、离心过滤器、筛网过滤器、叠片式过滤器等。在选配过滤设备时，主要根据灌溉水源的类型、水中污物种类、杂质含量等，同时考虑所采用的灌水器的种类、型号及流道断面大小等来综合确定。

2.4.4　微灌工程的规划设计

2.4.4.1　作物需水量计算

作物需水量包括作物蒸腾量和棵间土壤蒸发量。估算作物需水量的方法很多，可参见《农田水利学》等资料。

1.设计耗水强度

设计耗水强度是指在设计条件下微灌作物的耗水强度。它是确定微灌系统最大输水能力的依据，设计耗水强度越大，系统的输水能力越高，但系统的投资也就越高，反之亦然。因此，在确定设计耗水强度时既要考虑作物对水分的需要，又要考虑经济上合理可行。

2.设计灌水均匀度

为保证微灌的灌水质量，灌水均匀度应达到一定的要求。在田间，影响灌水均匀度的因素很多，如灌水器工作压力的变化，灌水器的制造偏差，堵塞情况，水温变化，地形变化等。目前在设计微灌工程时能考虑的只有水力（水压变化）和制造偏差两种因素对均匀度的影响。

建议采用的设计均匀度为：当只考虑水压力因素时，取Cu＝0.95～0.98，或qv＝10%～20%；当考虑水力和灌水器制造偏差两个因素时，取Cu＝0.9～0.95。

3.灌溉水利用系数的确定

只要设计合理、设备可靠、精心管理，微灌工程不会产生输水损失、地面径流和深层渗漏。微灌的主要水量损失是由灌水不均匀和某些不可避免的损失所造成的。微灌水利用系数一般采用0.9～0.95。SL 103—95《微灌工程技术规范》规定：对于滴灌，灌溉水利用系数应不低于0.9；微喷灌应不低于0.85。

2.4.4.2　设计灌溉制度

不同的灌溉方法有不同的设计灌溉制度，但对喷灌、微喷灌、滴灌等来说，其原则和计算方法是一样的。由于在整个生育期内的灌溉是一个实时调整的问题，设计中常常只计算一个理想的灌溉过程。设计灌溉制度是指作物全生育期（对于果树等多年生作物则为全年）中设计条件下的每一次灌水量（灌水定额）、灌水时间间隔（或灌水周期）、一次灌水延续时间、灌水次数和灌水总量（灌溉定额），它是确定灌溉工程规模的依据，也可以作为灌溉管理的参考数据，但在具体灌溉管理时应根据作物生育期内土壤的水分状况而定。

1.设计灌水定额的计算

微灌系统的设计灌水定额可由式（1.2.37）计算求得

式中：m净为设计灌水定额，mm；β为土壤中允许消耗的水量占土壤有效水量的比例（β取决于土壤、作物和经济等因素，一般为30%～60%，对土壤水分敏感的如蔬菜等，采用下限值，对土壤水分不敏感的如成龄果树，可采用上限值），%；Fd、W0为土壤田间持水率和作物凋萎系数（占土体积的%），（Fd-W0）表示土壤中保持的有效水分数量；Z为土壤计划湿润层深度（根据各地的经验，各种作物的适宜土壤湿润层深度：蔬菜为0.2～0.3m，大田作物为0.3～0.6m，果树为1～1.5m），m；PW为土壤湿润比（PW取决于作物种类、生育阶段及土壤类型等因素），%。

式中：NP为每棵作物滴头数，个；Se为滴头沿毛管上的间距，m；w为湿润带宽度（也

等于单个滴头的湿润直径），m；SP为作物株距，m；SR为作物行距，m。

设计灌水定额也可用式（1.2.39）计算：

式中：β′max为田间持水率，以占干土重的百分数为计，%；β′0为灌前土壤含水率，为作物允许土壤含水率下限，以占干土重的百分数计，%；γ、γ水为土壤的干容重和水的密度，t/m3；其余符号意义同前。

2.设计灌水周期的确定

设计灌水周期是指在设计灌水定额和设计日耗水量的条件下，能满足作物需要，两次灌水之间的最长时间间隔。这只是表明系统的能力，而不能完全限定灌溉管理时所采用的灌水周期，有时为了简化设计，可采用1d。设计灌水周期可按式（1.2.40）计算：

式中：T为设计灌水周期，d；m净为设计净灌水定额，mm；Ea为设计时选用的作物耗水强度，mm/d。

3.一次灌水延续时间的确定

单行毛管直线布置，灌水器间距均匀的情况下，一次灌水延续时间由式（1.2.41）确定。对于灌水器间距非均匀安装的情况下，可取Se为灌水器的间距的平均值。

式中：t为一次灌水延续时间，h；Se为灌水器的间距，m；Sl为毛管间距，m；m净为设计净灌水定额，mm；η为田间水利用系数，η＝0.9～0.95；q为灌水器流量，L/h。

对于果树，每棵树装有n个灌水器时，则

式中：Sr、St为果树的株距和行距，m；其余符号意义同前。

4.灌水次数与灌溉定额

使用微灌技术，作物全生育期（或全年）的灌水次数比传统的地面灌溉要多。根据我国使用的经验，北方果树通常一年灌水15～30次；在水源不足的山区也可能一年只灌3～5次。灌水总量为生育期或一年内（对于多年生作物）各次灌水量的总和。

2.4.4.3　微灌系统工作制度的确定

微灌系统的工作制度通常分为全系统续灌和分组轮灌两种情况。不同的工作制度要求的流量不同，因而工程费用也不同。在确定工作制度时，应根据作物种类，水源条件和经济条件等因素综合作出合理的选择。

1.全系统续灌

全系统续灌是对系统内全部管道同时供水，对设计灌溉面积内所有作物同时灌水的一种工作制度。它的优点是灌溉供水时间短，有利于其他农事活动的安排。缺点是干管流量大，管径粗，增加工程的投资和运行费用；设备的利用率低；在水源流量小的地区，可能缩小灌溉面积。

2.分组轮灌

较大的微灌系统为了减小工程投资，提高设备利用率，增加灌溉面积，通常采用轮灌的工作制度。一般是将支管分成若干组由干管轮流向各组支管供水，而支管内部同时向毛管供水。

（1）划分轮灌组的原则。

1）轮灌组控制的面积应尽可能相等或接近，以使水泵工作稳定，效率提高。

2）轮灌组的划分应照顾农业生产责任制和田间管理的要求。例如，一个轮灌组包括若干片责任地，尽可能减少农户之间的用水矛盾，并使灌水与其他农业措施如施肥、修剪等得到较好的配合。

3）为了便于运行操作和管理，通常一个轮灌组管辖的范围宜集中连片，轮灌顺序可通过协商自上而下进行。有时，为了减少输水干管的流量，也采用插花操作的方法划分轮灌组。

（2）确定轮灌组数。按作物需水要求，全系统划分的轮灌组数目如下：

式中：N为允许的轮灌组最大数目，取整数；C为一天运行的小时数，一般为12～20h，对于固定式系统不低于16h；T为灌水时间间隔（周期），d；t为一次灌水持续时间，h。

实践表明，轮灌组过多，会造成各农户间的用水矛盾，按式（1.2.43）计算的N值为允许的最多轮灌组数，设计时应根据具体情况灵活确定合理的轮灌组数目。

（3）轮灌组的划分方法。通常在支管的进口安装闸阀和流量调节装置，使支管所管辖的面积成为一个灌水单元，称为灌水小区。一个轮灌组可包括一条或若干条支管，即包括一个或若干个灌水小区。

2.4.4.4　微灌系统的流量计算

1.毛管流量的计算

一条毛管的进口流量为灌水器或出水口流量之和，即

式中：Q毛为毛管进口流量，L/h；N为毛管上灌水器或出水口的数量；qi为第i个灌水器或出水口的流量，L/h。

设毛管上灌水器或出水口的平均流量为qa，则

Q毛＝Nqa

为了方便，设计时可用灌水器的设计流量qd代替平均流量qa，即

2.支管流量计算

通常支管双向给毛管配水，如图1.2.7所示，支管上有N排毛管，由上而下编号为1、2、…、N-1、N，每段编号相应于下端毛管的编号，任一支管段n的流量为

式中：Q支n为支管第n段的流量，L/h；Q毛Li、Q毛Ri为第i排左侧毛管和右侧毛管进口流量，L/h；n支管分段号。

支管进口流量（n＝1）：

当毛管流量相等时，即

Q毛Li＝Q毛Ri＝Q毛

Q支n＝2（N-n＋1）Q毛

Q支＝2NQ毛

3.干管流量推算

（1）续灌情况。任一干管段的流量等于该段干管以下支管流量之和。

（2）轮灌情况。任一干管段的流量等于通过该管段的各轮灌组中最大的流量。

2.4.4.5　管道水力计算

管道水力计算是压力管网设计非常重要的内容，在系统布置完成之后，需要确定干、支管和毛管管径，均衡各控制点压力以及计算首部加压系统的扬程。管道水力计算的主要内容：①计算各级管道的沿程水头损失；②确定各级管道的直径；③计算各毛管入口工作压力；④计算各灌溉小区入口工作压力；⑤计算首部水泵所需扬程。

1.微灌管道水力计算常用公式

有压管道沿程摩阻损失基本表达式是达西-韦斯巴赫公式：

式中：Hf为沿程水头损失，m；λ为沿程阻力系数；v为管道过水断面平均流速，m/s；L为管道长度，m；D为管道内径，m。

达西-韦斯巴赫公式是有压管道水力计算的通用公式。由于沿程阻力系数与管内壁的粗糙度和管道内的流态有关，因而计算较为复杂。

微灌系统常用的塑料管，其流态除滴头内部和毛管末端可能处于层流外，毛管大部、支管及干管均属于光滑管紊流，因而可采用式（1.2.49）计算沿程损失：

式中：f为系数；Q为流量，L/h；d为管内径，mm；L为管长，m；其余符号意义同前。

2.多口出流管道的沿程水头损失计算

多口出流管道在微灌系统中一般是指毛管和支管。在滴灌系统中，由于毛管一般由厂家提供了不同管径、不同滴头和不同间距条件下铺设长度与水头损失关系曲线，故一般不需要计算。如厂家提供的数据中滴头间距不能满足设计要求，此时需进行计算，但滴头和微喷头与毛管连接处的局部水头损失应充分考虑，可初选一个值，利用厂家提供的数据反推，得出适宜的局部水头损失值。在微喷灌系统中，也可使用厂家提供的水头损失与管径、微喷头流量和间距的关系曲线。因而多孔出流管沿程水头计算一般指支管的计算。

（1）管道沿程压力分布。管道沿程任一断面的压力等于进口压力水头、进口至该断面处的水头损失及地形高差的代数和，即

式中：hi为断面i处的压力水头，m；H为进口处的压力水头，m；ΔHi为进口至i断面的水头损失，m；ΔH′i为进口处与i断面处的地形高差，顺坡为正，逆坡为负，m。

（2）多口出流管道的沿程损失计算。可以分别计算各分流口之间管段的沿程水头损失，然后再累加起来，得到多口出流管全长的沿程水头损失。将管段从上游往下游顺序编号，第n管段水头损失计算式为

式中：Ln为第n段管的长度，亦即第n-1号与第n号出流口间距，m；qi为第i出流口的流量，L/h。

当出水口较多时，分段计算将很繁琐。对于等距、等量的多口出流管的沿程水头损失可按下述的简易方法计算。

先以多口管进口流量按式计算出无分流管道的沿程水头损失，再乘以多口系数F，即

式中：Ht为多口管沿程水头损失，m；F为多口系数；Hf为无多口出流时的沿程水头损失，m。

微灌中支毛管均为塑料管，为了便于计算，通常取m＝1.77，并将多孔系数制成表格备查，此处不再详述。

（3）多口管局部水头损失计算。多口管分流口多，局部损失一般不宜忽略，应按供应商的资料选用。无资料时，局部水头损失可按沿程损失的一定比例估算，这一比例支管为0.05～0.1，毛管为0.1～0.2。

2.4.4.6　支、毛管设计

1.设计原则

毛管设计的内容是在满足灌水均匀度要求下，确定毛管长度、毛管进口的压力和流量。在平整的地块上，一般最经济的布置是在支管的两侧双向布置毛管。毛管入口处的压力相同，毛管长度也相等。

在沿毛管方向有坡度的地块上，支管布置应向上坡移动，使逆坡毛管的长度适当减少，而顺坡毛管长度适当加大。这样地形变化加上水头损失使得整条毛管出流均匀。

支管的间距是由地形条件、毛管和滴头的水力特性决定的。

2.支管设计

微灌系统支管是指连接干管与毛管的管道，是从干管取水分配到毛管中。支管同毛管一样也是多孔出流管道，与毛管不同的是其流量要大得多，因而支管一般是逐段变细的，这主要是为了在一定压力差范围内使投资更小。

支管设计包括确定管径以及支管入口压力。当沿支管地形坡度小于3%时，通常情况下最经济的方式是支管沿干管双向布置。当沿支管地形坡度大于3%时，干管应向上坡方向移动，使逆坡支管长度减少，而顺坡的支管长度增加。

为了降低投资，支管一般设计成由2～4种管径组成，为了保证支管的冲洗，最小管径不应小于最大管径的一半。通常支管内流速应限制在2m/s以内。

3.毛管设计

微灌系统毛管是指安装有灌水器的管道，毛管从支管取水，然后通过灌水器均匀地分配到作物根部。一般采用耐老化、低密度聚乙烯制造，毛管直径一般为10～25mm，有时也用到32mm。由于滴灌工程毛管数量相对较大，因此一般选用较小直径的毛管，最常用的毛管直径为10～20mm。毛管一般选用同一直径，中间不变径。

毛管设计是在确定了灌水器类型、流量和布置间距后进行的，通常只有选用单个滴头时，必须进行毛管设计，对于一体化滴灌管，可依靠厂家提供有关毛管的参数。毛管设计的任务是确定毛管直径和在该地形条件下允许铺设最大长度。对于这个问题，由于选用不同类型的灌水器，其设计方法也是不同的。

（1）毛管允许水头偏差和灌水器最大、最小工作水头及流量的确定。根据设计标准和灌水器的设计流量，在较小的坡度下，灌水小区内灌水器最大、最小出流量可按式（1.2.54）和式（1.2.55）估算：

相应灌水器水头为

为了计算方便，以设计灌水器工作水头hd计算允许的水头偏差率为

此时灌水器的流量偏差率为

式中：q max、q min为灌水器最大和最小流量，L/h；qd为灌水器的设计流量，L/h；hd为灌水器的设计水头，m；h max、h min为与q max、q min相对应的灌水器最大和最小工作水头，m；x为灌水器流态指数；qv为设计流量偏差率；Hv为设计水头偏差率。

当在毛管进口安装调压装置后，允许水头偏差将全部分配到每条毛管上。h max、h min就是每条毛管上灌水器的最大、最小水头。

（2）按供应商提供的资料选择毛管。若毛管入口处安装有调压阀，也就是说一条毛管上各滴头流量偏差率不超过10%，即压力偏差率不超过20%。如沿毛管方向坡度小于3%，可按供应商所提供的最大毛管铺设长度表选择。

2.4.4.7　干管及首部枢纽设计

1.干管设计

干管是指从水源向田间支毛管输送灌溉水的管道。干管的管径一般较大，灌溉地块较大时，还可分为总干管和各级分干管。干管设计的主要任务是根据轮灌组确定的系统流量选择适当的管材和管道直径。

微灌系统干管一般选用塑料管道，可选用的管材有聚氯乙烯（PVC）管、聚乙烯管（PE）和聚丙烯（PP）管。

干管的管径选择与投资造价及运行费用、压力分区等密切相关。管径选择较大，其水头损失较小，所需水泵扬程降低，运行费用减少，但管网投资相应提高。管径选择较小，其水头损失较大，所需水泵扬程较大，运行费用增加，但管网的投资可减少。由于微灌系统年运行时数较少，运行费用相对较低，一般情况下，应根据系统的压力分区以及可选择水泵的情况综合考虑，通过技术经济比较来选择干管直径。

2.水泵选型计算

（1）系统设计扬程的确定。由最不利轮灌组推求的总水头就是系统的设计扬程。设计扬程的计算式为

式中：H为系统设计扬程，m；H0为最不利轮灌组所要求的干管进口工作水头，m；ΔHj为干管进口至水源的水头损失（包括首部各组成部分的水头损失），m；Z1为干管进口处的地面高程，m；Z2为水源动水位，m。

干管进口所要求的工作水头H。干管进口所要求的工作水头应按式（1.2.61）计算：0

式中：H支为最不利灌水小区的进口水头，m；ΔH干为从最不利灌水小区的进口处至干管进口各级管短的水头损失，m；Z3为最不利灌水小区的进口处高程，m。

水泵进水管入口至干管入口处的损失ΔHj。这部分损失包括水泵的吸水管、水泵出口至干管进口段、阀门、接头、肥料注入装置、过滤器及水表等水头损失。需特别指出的是，过滤器的水头损失是这部分水头损失最大的一部分，应根据系统流量和所选过滤器的级数、规格和型号，参照有关过滤器的性能曲线选择。

（2）系统设计流量的确定。流量可用式（1.2.62）计算：

式中：Qp为系统设计流量，m3/h；m为毛灌水定额，mm；S为灌溉面积，hm2；T为轮灌周期，d；tp为水泵的日工作时间，h/d。

当只用一台水泵工作时，式（1.2.62）即为水泵流量。当用多台水泵工作时，则可按水泵进行流量分配。

（3）水泵选型。根据系统设计扬程和流量可以选择相应的水泵型号，一般所选择的水泵参数应略大于系统的设计扬程和流量，然后再由该水泵的性能曲线校核其他轮灌组要求的流量和压力是否满足。