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第五节喷灌机械
喷灌是一种先进的灌溉技术，目前全世界喷灌面积每年约以10%的速度增长。喷灌技术已由灌溉蔬菜、苗圃和果园向大田作物喷灌发展。
一、喷灌系统分类
喷灌系统一般包括水源，田间渠道工程的水利设施、水泵、动力机、输水管路及喷头等机具设备。根据喷灌系统各组成部分可移动的程度，分成固定式、移动式和半固定式三种。
1．固定式喷灌系统固定式喷灌系统除喷头外，所有各组成部分都是固定不动的，动力机和水泵构成固定的抽水站。干管和支管埋在地下，竖管伸出地面。喷头固定或轮流安装在竖管上使用。
固定喷灌系统的设备固定在一个地块使用，所以每亩投资较高，而且需要大量管材，固定在田间的竖管对机械耕作有一定的妨碍。但使用时操作方便，生产效率高，运行成本较低，便于实现自动化控制，工程占地少，且易于保证喷灌质量，结合施肥和农药的喷洒也较方便。尤其适用灌水频繁，经济价值较高的蔬菜和经济作物区。
2．移动式喷灌系统移动喷灌系统在田间仅布置供水点，而整套喷灌设备可以移动，可在不同地块的供水点抽水作定点喷洒。这样就节省了投资，提高了设备利用率。比较适合我国农村当前的需要。但沟渠占地大，管理所需的劳力多。
3．半固定式喷灌系统半固定式喷灌系统的动力机，水泵和干管是固定的，而喷头和支管是可以移动的，在一个位置喷洒完毕，既可移到下一位置。由于支管和喷头可移动，因而减小了其数量，从而降低了系统投资。半固定管道式喷灌系统近年来发展比较快。
二、喷头的种类和工作原理
喷头是喷灌机最重要的组成部件，其作用和任务是将水流中的压能转变为动能，喷到空中形成雨滴，喷洒到灌溉面积上，对作物进等行灌溉。
喷头的品种很多，一般都是按压力和喷洒特征进行分类。按压力分类时，喷头可分为低压喷头(近射程喷头)，中压喷头(中射程喷头)和高压喷头(远射程喷头)三种，其工
作性能指标见表9—2。
表9—2喷头按工作压力和射程分类
类别
工作压力(kPa)
喷水量(m3／h)
射程(m)
低压喷头
中压喷头
高压喷头
100~200
200~500
500~800
O．3～2.5
O．8～40
>40
5～14
14~40
>40

按喷洒特征分类时，分为固定散水式和旋转射流式两大类。是我国喷灌系统使用最普遍的喷头型式。
1．固定散水式喷头固定散水式喷头在整个喷洒过程中与竖管没有相对运动，其喷洒特点是喷出的水沿经向向外同时洒开，湿润面积是一个圆形(或扇形)，湿润圆半径一般只有5～lOm，喷灌强度较高。固定散水式喷头具有结构简单，水滴对作物的打击强度小等优点，它要求的工作压力也比较低，所以在温室、菜地、花圃中常使用，这种喷头的缺点是喷孔易被堵塞。固定散水式喷头按结构和喷洒特点又可分为折射式、缝隙式和离心式三种。
(1)折射式喷头由喷嘴、折射锥和支架组成(图9—18)，水流由喷嘴垂直射出后遇到折射锥阻挡，形成薄水层沿四周射出，在空气阻力作用下裂散为小水滴降落到地面。
喷嘴多为5～15mm的圆孔，折射锥是一个锥角为120°(这样喷射仰角为30°可以喷射得最远)，锥高为6～13mm的圆锥体。折射式喷头因其射出水流分散，故射程不远，一般为5～10m．喷灌强度为15～20mm／h以上。

图9一18折射式喷头
(a)外支座式(b)内支座式
1．折射锥2．喷嘴3．支架4．管接头

图9一19缝隙式喷头
1．缝隙2．喷体3．管接头
(2)缝隙式喷头它是在封闭的管端附近开出一定形状的缝隙，大约3～6mm (图9-1 9)。水流沿喷管自缝隙均匀射出散成水滴，散落到地面，缝隙与水平面多成30°夹角，目的是取得较大的喷洒半径。缝隙式喷头比折射式喷头更简单，但可靠性差，因其缝隙易被污物堵塞，故要求水源清洁，其结构简单，易于制作，一般用扇形喷洒。
(3)离心式喷头由喷嘴、锥形轴和蜗形外壳等组成(图9—20)。喷头工作时水流沿切线方向进入蜗壳，并绕铅直的锥形轴旋转。这样，经喷嘴射出的薄水层，同时具有沿半径向外的速度和转动速度，因此在空气阻力作用下，水层很快被粉碎成细小的水滴，散落在喷头周围。离心式喷头的优点是水滴对作物的打击强度很小，缺点是控制面积太小。离心式喷头均为全园喷洒，以安装在平行喷式喷灌机上使用好，因其可借机组行走弥补控制面积小的缺陷。
2．旋转射流式喷头它是目前国内外使用得最普遍的一类喷头。喷头可具有单喷嘴、双喷嘴和三喷嘴三种。因之有压力水通过喷嘴形成一股、二股或三股集中射流。朝一个方向或两个方向射出，与此同时，驱动机构使喷头绕铅垂轴旋转，在空气阻力和粉碎机构的作用下，射流逐步裂散成细小水滴。喷洒在喷头四周，形成一个以射程为径的湿润圆，由于水流是以射流形式喷出，射程较远，所以旋转射流式喷头是属于中、高压型喷头。

图9—20离心式喷头
1．喷嘴2．蜗壳3．锥形轴

图9—21摇臂式喷头结构
1．密封圈2．摆块3．摇臂4．防水罩
5．导水板6．偏流板7．喷嘴8．摇臂轴
(1)摇臂式喷头摇臂式喷头是我国目前使用较普遍的一种喷头，主要由喷体、摇臂转动机构、旋转密封装置和扇形机构等部分组成(图9-21)。压力水流通过喷嘴形成一股集中水舌射出，由于水舌内有涡流．又在空气阻力作用下，水舌被裂碎成细小的水滴，并且传动机构使喷头绕竖轴缓慢旋转，这样水滴就均匀喷洒在喷头四周，形成一个半径等于喷头射程的扇形灌溉面积。

图9—22稳流器的形式
(a)三角形(b)管形(c)星形(d)蜂巢形
①喷体包括空心轴、弯头、喷管、喷嘴和稳流器。空心轴在轴套内转动，因而要求它的摩擦阻力不大，弯头里面的流道要光滑平缓，以减少阻力损失。为了消除水流进入弯头后产生的涡流和流速分布的不均匀性，常在喷管内装上稳流器(图9—22)。
在喷管后装有一锥管与喷嘴相连，锥管内壁要求平滑。有的喷头整个喷管就是一个长锥管。要求喷嘴有最好的锥角和光洁度，喷嘴直径和锥角是影响射程、流量和雾化的重要因素。喷嘴的喷射仰角为28°～30°时射程最远，为了使从喷嘴射出的水柱集中而密实减小喷头内水力损失，一般喷头进口直径D≥2．5d(d为喷嘴直径)。
②摇臂转动机构其结构包括导流器、摇臂轴、摇臂弹簧和摇臂体等部件组成。在摇臂前端的导流器有一偏流板和勺形导水板，喷水前它置于喷嘴的正前方，当喷头工作时水柱通过偏流板冲到导水板上，并从侧面转向射出。摇臂导水器获得水流的反作用力，使摇臂外摆转动，并把摇臂弹簧扭紧，但在弹簧力作用下摇臂又回位使导水器进入水柱，偏流板先受水，使水柱偏流。一部分水被拍击细碎落于近处，另一部分水则由偏流板与导水板的间隔中射出，落于稍远处。与此同时，水流对偏流板的反作力则继续对摇臂加速，使摇臂具有很大的角速度，摇臂撞击喷体，使喷管转动3°～5°，如此周而复始，便使喷头绕铅垂轴线旋转。
③扇形机构(又称换向机构)其作用是使喷头作扇形运动。其结构类型很多，有转钓、转块、卧沟、挺杆、摆块等五种。摆块式换向机构突出构件的受力情况优于其它形式，结构也比较简单，工作时拨杆工作角度小。因此，我国的摇臂喷头多采用这种形式。如摇臂式喷头PY1系列全部采用摆块式扇形机构(图9—23)。它包括摆块、换向弹簧、拨杆和限位销等部件。扇形机构装在喷管后面。摆块由于换向弹簧的控制，只有两个稳定位置。在一个位置时，摆块突起挡住摇臂的后部，限制了摇臂的摆幅，摇臂在水力作用下直接撞击摆块，使喷体作反向转动。在另一位置时，摆块收缩挡不住摇臂，摇臂可以自由转动使喷头作正向旋转。这突变摆块是由两个装在轴套上的限位销通过拨杆来控制的。这样，只要调节限位销的相对位置，就可以使喷头作任意角度的扇形喷灌。

图9—23摆块式扇形机构
1．摆块2．换向弹簧3．摆块轴4．拨杆轴5．拨杆
④旋转密封装置由于喷体空心轴在套轴内转动，因而既要保证其转动灵活，又要密封水。因此，喷头内设置有旋转密封装置，一般采用三层密封圈(O型密封圈、防沙密封圈、减磨密封圈)。
旋转密封机构是保证正常工作的一个关键，所以要求各零部件必须有足够的强度和合理结构尺寸，在相对运动部件间要有适应的动配合。
摇臂式喷头的另一种型式是垂直摇臂式，它由改变射流方向产生的反作用力推动其间歇旋转的。它的主要优点是：受力情况较摇臂式喷头好，这是因为摆臂不直接撞击喷管．振动很小。和其它反作用式喷头相比，它没有很复杂的限速机构和易损件。
这种喷头国外用得较多，它是一种适于中、高压型的喷头，在各种喷灌机上都可适用，它还可喷洒污水或粪液等含杂质的混合液体。典型垂直摇臂式喷头的主要结构部件如图9-24所示。
(2)叶轮式喷头它由射流冲击叶轮并通过传动机构带动喷体旋转。由于射流速度大，所以叶轮的转速很快，但是喷体只要求每分钟0.2～0．35转，同时需要较大驱动力矩，因此必须大幅度降速。叶轮式喷头的降速是通过两级蜗轮蜗杆实现的，所以这种头也称为蜗轮蜗杆式喷头。

图9—24垂直摇臂式喷头
1．喷嘴2．正转摆臂3．平衡重
4．喷管5．压力表6．限速机构
7．反转定位器8．正转定位器9．推杆
lO．反转驱动板11．正转驱动导水板
叶轮式喷头的优点是转速稳定，并且不会因振动引起旋转失灵，其主要缺点是结构复杂，制造工艺要求较高，成本大，因此，这种喷头使用不够广泛。
三、喷头的基本参数和喷头的选择
喷头的基本参数。喷头的基本参数有以下几项：
(1)喷嘴直径d喷嘴直径反映喷头在一定压力下的过水能力。在压力一定的情况下，嘴径大，喷水量也大，射程也远，但雾化相对要差；反之嘴径小，喷水量就少，射程近，但雾化程度好。
(2)工作压力H指工作时喷头附近的水流压力，可用压力表测定，它是一个重要参数，单位用Pa表示。
(3)喷水量Q喷水量即流量，是单位时问内喷头喷出水的体积，单位是m3／h，在估算时可用下式表示或以米水柱表示：

式中μ一流量系数，可取0．85～0．95估算；
ω—— 喷嘴过水断面面积(m2)；
g--重力加速度(m／s2)；
H一工作压力以米水柱表示(m)。
(4)射程R喷头喷出水流的水平距离叫射程，也称喷洒半径，单位以米表示。射程是一项很重要的基本参数，在喷灌系统的规划设计中需要进行估算，在喷头的喷射仰角为30°～32°时估算公式为：

式中d——喷嘴直径；
H嘴——喷嘴和以米水柱表示。
(5)喷头的转动速度n喷头转动速度喷头转动速度过快，会减少射程；过慢又会造成地面积水和径流，喷头的转动速度以不产生径流积水为宜。一般低压喷头每转一圈约l分钟左右，中压喷头每转一圈约3～4分钟左右，高压喷头每转一圈约6～7分钟左右。
选择喷头时，工作压力是喷灌系统的重要技术参数。它直接决定喷头的射程。并关系到设备投资，运行成本，喷灌质量和工程占地等。如果采用高压喷头，则射程远，但因配套功率大，运行成本高，喷出的水滴粗，受风影响大，喷灌质量不易保证。如果采用低压喷头，则水滴细，喷灌质量容易保证，而且运行成本低，但管道用量大，投资高。因此，选择喷头工作压力时，要根据农业技术要求、经济条件及喷头型号、性能等综合进行经济技术比较而确定。
选择喷头时还要考虑使喷头各方面水力性能适合于喷灌作物和土壤特点。对于蔬菜和幼嫩作物要选用具有细小水滴的喷头；而玉米、高粱、茶叶等大田作物则可采用水滴较粗的喷头。对于粘性土，要选用喷灌强度低的喷头；而砂质土，则可选用喷灌强度高的喷头，此外，根据喷洒方式的要求不同，有时可选用扇形或圆形喷洒的喷头。
四、喷头的喷洒方式与组合形式
喷头的喷洒方式不外乎全圆喷洒或扇形喷洒两种。
圆形喷洒多用于固定式、半固定式喷灌系统以及多喷头移动式机组中作定位喷洒。圆形喷洒喷头间距大，可减少喷头数和投资，降低喷洒强度，为此，应尽量选用圆形喷洒。
扇形喷洒多用在单喷头移动式机组中作行进喷洒。扇形灌洒适合在下列条件下应用。
(1)在风较大时，采用顺风向扇形喷洒，可以减少逆风向对射程的影响。
(2)在喷灌系统中、地边、地角或不规则的地块中应用扇形喷洒，可减少漏喷或重喷，
避免将水、肥和农药等喷出界外而造成损失。
固定式喷灌系统中，扇形喷洒的喷头应占有一定比例。当喷洒地面大于一个喷头一次定位喷洒的控制面积时，便需要多喷头定位喷洒或单喷头间断定位喷洒，各个喷头之间需要一个合理的布置形式。当喷头射程相同而组合形式不同时，则喷头、支管、渠道间距、喷头有效控制面积及组合均匀度等，也各有不同。
喷头的组合原则是保证喷洒不留空白和有较高的组合均匀度的前提下，尽量扩大每次组合的控制面积，以减少喷头、支管移动次数，取得较好的喷灌效益。
常用的喷头组合形式有六种(图9-25)，这六种组合形式的支管问距6和喷头间距L见表9—3。由表可见，全圆喷洒的正方形和正三角形布置，其有效控面积A最大，但是在有风的影响下，往往不能保证喷灌的均匀性，即喷头喷洒图形不再是圆形，而变为椭圆形。
因此考虑到喷头射程在风影响下的变化特点，进行平行于风的喷头组合时，平行于风的方向，其间距可大些；而垂直于风的方向，由于两侧射程都缩小，必须布置得密些。由此，用矩形和等腰三角形的组合形式为佳。
表9—3各种喷头组合形式支管间距和喷头间距
喷洒方式
组合形式
支管间距／b
喷头间距/L
有效控制面积／A
图形编号

全园

正方形
矩形
正三角形
等腰三角形
1.42R
(1.0～1.5)R
1.5R
(1.2～1.5)R
1.42R
(O．6～1.3)．R
1.73R
(1～1.2)R
2Rz
(O．6～1.3)R2
2.6R2
(1.2～1.8)R2
d
b
C
d
扇形
矩形
三角形
1.73R
1.865R
R
R
1.73R2
1.865R2
e
f

扇形喷洒矩形组合和扇形喷洒等腰三角形组合常用于移动式单喷头喷灌机组。其喷洒中心角常取α=2400～2700。

图9 -25儿种常用的喷头组合形式
(a)圆形喷洒正方形组合(b)圆形喷洒矩形组合
(c)圆形喷洒正三角形组合(d)圆形喷洒等腰三角形组合
(e)扇形喷洒矩形组合(e)扇形喷洒等腰三角形组合
第六节滴灌
滴灌是将水以点滴的方式，经常地、缓慢地滴人作物根部附近。使作物主要根区的土壤经常保持最优含水状况的一种先进灌溉方法。
将水源工程和滴灌用的各种设备组合在一起，称为滴灌系统(图9--26)。水流出滴头后，在重力和毛细管作用力的作用下进入土壤，形成一定范围的含水量带，作物根系趋向于集中在水分充足、通气良好、盐分较少、吸收水条件最好的地方。
一、滴灌系统的组成与分类
滴灌系统主要由首部枢纽、管路和滴头三大部分组成。
1．首部枢纽包括水泵(及动力机)、化肥罐、过滤器、控制与测量仪表等。其作用从水源抽水加压，施入化肥，过滤，将一定压力，一定数量的水肥送入干管。
2．管路包括干管、支管、毛管及必要的调节设备(如压力表、闸阀、流量调节器等)，其作用是将加压水均匀地输送到滴头。
3．滴头其作用是使水流经过微小的孔道，形成能量损失，减少其压力，使水以点的
方式灌人作物根系的土壤中。
滴灌系统的分类有固定式滴灌系统和移动式滴灌系统两类。
固定式滴灌系统是最常见的，在这种系统中，毛管和整个灌水区是不动的。显然毛管和滴头用量很大，因此系统的设备投资较高。移动式滴灌系统近年来都在开展研究，它的毛管和滴头可以移动，但须用较大长度的毛管，靠人工或机械移动，劳动强度大，操作不便。

图9—26滴灌系统示意图
1.水源2.水泵3.流量计4.压力表
5.化肥罐6.过滤器7.作物8.滴头
9.毛管10.支管11.流量调节器12.干管
二、滴灌设备
滴灌系统的成套设备，除有些灌溉系统的通用设备外，还有滴头、流量调节器、过滤器、化肥罐等部件。
l.滴头滴头直接控制着毛
管进人士壤的水流，它的工作好坏，密切关系到滴灌系统能否正常运行。所以被称作滴灌系统的心脏。
目前国内外滴灌系中常用的滴头有以下几种。
(1)长流道滴头它是靠一个螺纹形式直的狭长细小的流道来形成水头损失(图9-7)。另外还采用其它方法来增加阻力损失，如增加流道的粗糙度等，使出水口处压力近于零,水在自重作用下成滴状滴出。
(2)管嘴或孔口滴头这种滴头是用一个小管嘴或孔口使水流压力消散(图9—28)，有时，还将一个细而长的管子接在出水口上，作为一种涡流式孔口滴头，为了增加消能效果，在进水口处增加切线方向的小孔，使水流中造成涡流。
(3)透水毛管水从其管壁上的许多小孔中渗出。压力得以消散，常将简单的多孔管用于地下滴灌。双壁毛管(图9一-29)是以管路的主管腔作毛管输送压力水流，为数不多，间距较大的小孑L连通了主管与辅管，辅管单位长度的孔眼是主管的5～10倍，水由辅管上的出水小孔流出管外。内外孔口尺寸相同。内孔的作用是减压，外孔的作用是向土壤灌水。

图9---27长流道滴头

图9—28孔口滴头
1.滴头罩2.出水口3.滴头体
4.毛管管壁5．减压孔6．进水口
2.毛管、支管与干管毛管是滴灌系统最末一级管路，滴头就装在其上面。材料采用高压聚氯乙烯，常用毛管内径是lOmm。毛管一般铺设在地面上，布置间距取决于作物的行距。
干、支管用于输水，它将灌溉水由首部枢纽输送到各条毛管，材料采用较多的是硬聚氯乙烯管，一般埋于冻层以下，避免防止老化和碰接破损。在干、支管的进水端，一般都安装流量调节器，以保证稳定地按设计流量供水。
3.流量调节器常用的流量调节器，有两种结构型式。一是阀式，用手操作阀门，使其处于一定的开度，通过一定流量。另一种是保持固定流量的流量调节器(图9—30)。其工作原理是，当进口压力不超过正常值时，弹性橡胶环处于图中(a)所示脱凸起位置，这时过流孔口断面大；当进口压力升高时，橡胶环被压缩至图中(b)所示平直位置，其过流孔口断面减小了。因此，尽管水的压力增加了，但因过水断面积减小，通过的流量仍可保持不变，这种流量调节器的设计要求是，在进口压力为200～500kPa范围内，流量偏差不超过额定流量的±10％。
4．过滤器过滤器的形式很多，在滴灌系统中经常采用的有滤网式、砂砾滤层式等。
(1)滤网式过滤器是一种最简单和最有效的过滤器具。其外壳和滤网都呈圆柱形。滤网分内、外两层，由塑料或耐腐蚀的金属做成，各孔眼的大小和它的总面积决定了它的效率和使用条件。这种过滤器对除去水中的极细砂是有效的，但容易被大量藻类和其它有机质堵塞。通常在水头压力降低2米时，即需清洗过滤器。

图9—29双管滴头
1.辅管腔上外孔2．主、辅管腔之间的内孔
3．辅管腔4．主管腔

图9-30流量调节器
1．橡胶环2．压环3．过流孔口

图9—3l砂砾层式过滤器
1．调压阀2．十字形进水管
3．进水管4．滤网5．细砂
6．中砂7．砾石8．出水管

图9—32压差式肥料注入系统
1．调节器阀门2．出水软管3．化肥罐
4．减压阀5．干管6．逆止阀7．快速连接阀
8．进水软管9．肥料溶液
(2)砂砾料层式过滤器在滴灌实践中，这种过滤器(图9—31)也能收到良好的过滤效果。当灌溉水中含有大量细砂并夹杂粗砂粒时，用此种过滤器就较为合理。这种过滤器是一定容量的金属罐，顶盖上设调压阀，罐底依次铺放粒砾石、粗砂、细砂。水由顶盖进水管注入，过滤后的水由罐压阀门流出。为了使上部注水时不冲乱砂石或过滤层，进水管进入罐后分叉成十字形，水由许多孔口注入。
除上述两种过滤器外，有时也使用离心式以及沉砂池等过滤装置。
5.化肥罐滴灌时可同时施入化肥，盛化肥的设备称化肥罐，罐的容量为50～1.0升，由化肥罐将化肥液注入滴灌系统的干管。
化肥有两种注入方法，一是利用差压系统注入，一是采用泵把肥液打入灌溉水中。
差压式肥料注入系统如图9—32所示，化肥罐有良好的密封性能，能承受罐内水压力。
罐上的进、出水管与干管连接，在于管上位于进、出水管连接点的中问，设减压阀(流量调节阀)。干管上减压阀部分关闭、即形成相应的水头损失，从而引起部分水经过化肥罐。当供水中断时，可能出现由灌溉系统向水源的反向流动。在这种情况下，必须防止含肥料的水倒流进水源。为此，在肥料注入系统前干管上安装一个真空截断逆止阀。
采用注入泵式的化肥罐不承受罐内水压力，可用薄金属或塑料作成，这样成本较低，但是，注入泵均需要一定的动力。
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