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智慧园林绿化灌溉解决方案
一、 概  述  
   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。 
     现代园林草坪灌溉的方法主要有喷灌和微灌技术,如果我们想使整个面积都得到相同的水量,通常用喷灌,如草坪灌溉。如果我们想让某一特定区域湿润而使周围干燥时,可采用微喷灌或滴灌,如灌木灌溉。滴灌有时也用于草坪地下灌溉。园林草坪喷微灌技术以其节水、节能、省工和灌水质量高等优点,越来越被人们所认识。  
二、 园林草坪喷灌的特点  
园林草坪是为改善环境、增加美感、陶冶性情等目的而栽植的,因此 要求它们最好常年生长皆绿,每年只需剪而不必种植,另外,草坪使土壤渗吸速度降低,要求采用少量频灌法灌溉,而且为了节约劳力和资金、提高喷灌质量的要求,园林草坪灌溉大多采用自动化控制固定式喷灌系统。  
要求水质和喷洒质量较为严格,特别是对高级观赏植物和高尔夫球场的草皮,要求喷灌均匀度较高,如有漏喷或喷洒过量,都会造成严重损失。  
草坪喷灌多数在夜间进行,其原因之一是草坪白天喷灌,蒸发损失大。一般夜晚喷灌时能比白天少消耗10%以上的水量;原因之二是有些草坪白天不允许喷洒,如高尔夫球场进行比赛、公园娱乐区进行文娱活动等。  
喷灌系统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,需要选择特殊的设备。   
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。   
三、 喷灌系统的组成
      一个完整的喷灌系统一般由水源、首部枢纽、管网和喷头等组成。 
1. 水源:
    一般多用城市供水系统作为喷灌水源,另外,井泉、湖泊、水库、河流也可作为水源。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。  
2. 首部枢纽:
    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、恒压变频控制装置等。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。当城市供水系统的压力满足不了喷灌工作压力的要求时,可建专用水泵站或加压水泵室或专用水塔,有时可在自来水管路上加装一台管道泵即可。  
3.  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,如干管、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。
 4. 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。 
四、 园林草坪喷灌系统设计原理  
4.1 收集资料  
    收集现场资料是设计过程中非常重要的一步。完整和准确的田间信息资料对于喷灌系统的正确设计是很有必要的。如果没有田间现场的准确资料,就不可能有准确的灌溉系统设计。  
1. 园林的布局  
    应有标有尺寸或有比例的平面图,比例尺最好为1/100~1/200。图上应标有草地边界、建筑物(包括窗户和门的位置)、灌木、乔木、树篱、花坛、小路、电线杆、围墙等的形状、高度与位置及其他的地貌特征。在有斜坡面的时候,要注明坡度。
2. 了解植物的种类和特性      
     不同的花卉对水分的需求是明显不同的,应对植物的耗水特性有所了解,按对水分的不同需要量进行喷灌。  
3. 土壤种类      
  主要了解土壤对水的渗吸速度和保水能力,应了解土壤容重和质地、田间持水量等。  
4. 气象资料   
包括气温、降雨、风速风向、空气湿度等,用于确定用水高峰期的需水量和喷头组合形式。  
5、水源与能源  
包括可能使用的水源的类型(自来水、河流、井水、池塘等)和园林的相对位置,对于自来水系统则要了解靠得最近的管道的管径和压力及市政部门一天中对用水有时间的限制。如果以井为水源就要确定井的出水量、原配水泵的功率、扬程和电源位置  
五、 灌溉需水量的确定 
      作物需水量指园林草坪植物的株间蒸发和植株蒸腾之和。株间蒸发是指通过土壤和土壤表面的水分蒸发;植株蒸腾是指作物从土壤中吸收的水分。两者之和称为腾发量。     
植物需水量与下列参数有关:
最大ET值(蒸发蒸腾量):取决于气候条件,一般取月平均值,可以查参考表.
植物系数CF:取决于植物类型和养护要求,可以查参考表.
灌溉效率CI:取决于灌溉方式和灌水器,可以查参考表.
喷头分组效率CP:一般取95%
实际日需水量PDA=CF * ET / CI/CP
不同的植物,需水量不一样,要分成不同区域,分别进行计算。
气候与ET参考对照表
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
注: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21-32摄氏度;
热—指最高气温高于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%。
作物系数(CF)参考对照表
  
植物类型 系数范围
0.3 0.8
灌木 0.3 0.7
地衣 0.3 0.6
冷季性草
普通养护 0.65 0.7
高养护(如运动场) 0.7 0.75
最高养护(如四季常绿草坪) 0.8 0.85
暖季性草
普通养护 0.25 0.4
高养护(如运动场) 0.45 0.55
最高养护(如四季常绿草坪) 0.55 0.7
 
中国参考作物腾发量(ETO)-部分城市
 CI灌溉效率参考表 
灌溉类型 系数范围
滴灌 80-90%
旋转喷头 70-80%
散射喷头 60-70%
     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。
确定水和能源的供应
 
水源可以是河水、塘水和湖水等,但园林灌溉较多是以民用给水系统(即自来水)作为灌溉水源。  
如果水源为自来水,需要确定两个重要信息:
第一个是供水管网可以提供多大的流量;
第二个是供水管网可以提供多大的工作压力。  
为此,需要收集现场资料,包括:静水压力,水表尺寸,供水管尺寸、长度和材质。静水压力可以通过压力表来测定。夏季白天(或最不利条件)供水管网与喷灌系统连接处的静水压力一般为最低静水压力。水表的尺寸是决定供水管网可以向喷灌系统提供多大流量的一个重要因素。  
6.1 计算供水管网可以向喷灌系统提供的最大流量  
    我们可以用3个规则来确定灌溉系统可用的水的流量。每个规则得出的流量结果用L/min来表示。选择最小的流量作为系统可用的最大流量。 
    规则一:水表的水头损失不能超过规定的最小静水压力的10%。 
    这个规则用来防止灌溉系统发生太大的水头损失。查阅水表水头损失图表可以确定这个流量。  
规则二:最大流量不能超过水表最大刻度的75%。  
这个规则是为了保护水表不受破坏。如果设计流量过大,水表慢慢会不准,最后会失效。  
    规则三:水流通过管道的速度不能超过1.5-2.3 m/s。  
如果供水管道为塑料管,采用1.5m/s的速度,金属管可以采用较大值。 
    用这三个规则来计算系统流量,最后选择最小的流量作为供水管网可以向喷灌系统提供的最大流量。  
6.2 计算供水管网可以向喷灌系统提供的压力  
为了确定工作压力,需要计算从水源到与灌溉主管道连接点的所有组件的水头损失,并考虑地形高差。  
如果计算得到的压力不能满足喷灌系统的压力要求,就要考虑加设水泵来加压,水泵可以由电动机带动或内燃机带动,这要由当地条件来确定。如果采用离心泵,为了保护水泵机组,往往需要建立一个泵房,但是有时环境所不允许的,此时建议选用管道泵,这种泵噪音低、结构紧凑、直接安装在管道上,可以充分利用自来水的压力,而且可以不建泵房,只要做一个金属柜加以保护即可。  
六、  确定灌溉系统的形式  
    园林草坪喷灌系统一般设计标准较高,灌水比较频繁,而且管理人员少,所以大多采用固定式喷灌系统,并且每一个喷点都装有升降式固定喷头,并经常全部埋在地下。另外,由于许多草坪在白天要使用,例如高尔夫球场和足球场白天有赛事,公园草坪白天要向游人开放,因此只好在夜晚喷灌,这样固定式较为方便,而且最好能装有自动控制系统,以降低管理人员的劳动强度。 
七、 喷头选型  
喷头种类很多,每种喷头都有自己特有的使用范围,选择喷头时,应考虑以下一些因素:  
● 用户对喷头形式的要求; 
● 灌区大小和地形; 
● 植物类型; 
● 现有水压和流量;  
● 当地环境条件(风、温度和降雨量); 
● 土壤类型和入渗率; 
● 喷头的一致性;      
灌区大小和地形、灌溉植物的种类影响喷头的选择,例如,草坪、灌木、树林可能需要不同类型的喷头。  
在“水力学基础”中我们已经知道,水压和流量是设计者首先要考虑的因素。每一种喷头都有其自己的工作压力,如果不增加水泵,而直接使用自来水管网的水压,所选择的喷头应满足现场可提供水压力和流量要求。  
特殊气候条件的地区需要特殊的喷头,例如,有风地区需要低角度喷头,使水流紧贴地面以防被风吹走,炎热干旱地区需要大流量的喷头。  
在布置支管或把喷头按不同的控制阀分组时,最重要的原则是尽可能不要在同一阀所控制的管路上把不同类型的喷头混在一起使用,即灌水强度不同的喷头应该分开布置在不同的控制阀管路上。
 1 固定式喷头  
一般用于四周有障碍物和有阻挡旋转喷头工作的浓密树丛的情形,当植物混合种植和需要不同的灌水量时,也需要采用固定式喷头。     
固定式喷头工作时喷出的水流或是一束,或是多束,或是呈扇形(以固定的模式)。最常见的形式是全圆型、3/4圆弧型、2/3圆弧型、半圆型、1/3圆弧型和1/4圆弧型。除弧度喷洒外,还有一些特殊形式的喷洒方式,如带状。另外,还有喷洒角可调节的喷嘴(VAN)。其喷洒角度的调节范围一般为0到360度。  
固定式喷头的工作压力较低,大约在100—200 kPa之间,工作半径一般为1.5—7m,所以它们一般用在灌溉小块草坪和水源水压较低的情况。  
扇形喷洒的喷头的喷灌强度达25—100 mm/h,不宜用在在细质土壤或坡地上,这种情况采用8-38mm/h灌水强度的多束固定式喷头较为合适。      
道路边的灌木丛可以用弹出高度为15cm和30cm地埋式固定喷头。灌溉结束后,喷头降到地面以下,可减少对它恶意破坏的可能性,并增加行人的安全。 
2 旋转式喷头  
地埋式旋转喷头一般用于灌溉草坪。一般来说,每个旋转式喷头都有一个或两个喷嘴,其喷洒角度一般从20度到240度可调,许多还可以作全圆喷洒。  
与固定式喷头比较,旋转式喷头一般工作压力较高,绝大多数喷头的工作压力在150—700 kPa。这种喷头的射程范围比固定式喷头大的多,小的大约为6m,大的可大于30m。这种喷头的流量也较大,一般为90—450 L/min。  
尽管流量很大,但与固定式喷头比较,旋转式喷头的灌水强度要小,因为它的喷洒面积较大,其喷灌强度一般为6-50 mm/h,因此旋转式喷头适合于坡地灌溉、细质土壤以及其它低入渗率的土壤。  
在进行大面积喷灌时,选用大射程旋转式喷头是比较经济的。 
大块草坪,宜用喷洒距离远的旋转喷头
狭长小块草坪,宜用喷洒距离短的散射喷头
 
商用地埋旋转喷头系列
适用于大面积草坪、存在人为损坏(踢、拧)严重的地方。
 
八、 布置喷头  
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。  
9.1 喷头布置的一般规则
    一般先沿灌溉区域的边角布置,然后布置不规则场地中间区域。(沿周边布置的一个实用方法:先测得边长,用边长除以喷头设计喷洒半径,将结果向上取整得出喷头数量,最后再用边长除以喷头数量即可得出喷头间距)。
9.2 喷头间距
    为确保喷洒效果好,喷头叠加喷洒模式。一般用喷头喷洒直径(在给定的压力和喷嘴条件下)的50% 作为间距:
(喷头间距为喷射直径的50%)
风的影响
有些灌溉区域受风的影响,需要不同的喷头间距,其降雨强度也不一样,因此需要分区
风速                     间距(% 直径)
0-5 Km/hr                55%
5-11 Km/hr                 50%
11-20 Km/hr 45%
 
9.3 喷头布置形状
     喷头布置形状应该成正三角形、正方形、变形的三角形和变形的正方形,其中:
    A、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。
    B、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。
    C、有时地块形状十分复杂,或地块当中有障碍物,喷头的布置形式可以采用多种形式混合布置。
    D、尽量避免使用五角形:五角形布置通常会加大喷头间距并漏掉喷头。
 
正方形布置实例(布置简单,规则地形)
正三角形布置实例(均匀度好、省喷头,但会浇出场地、不规则地形)
喷头布置
一般喷头正方形和三角形布置,其灌溉强度不同,因此需要分区
 
计算灌溉强度
 
计算灌溉强度
 
           
注:三角形灌溉强度增加,均匀性好,对抗风效果好。
 
灌溉均匀性
(非常均匀)
(不均匀)
 
九、 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。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)。 
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:
土壤类型/入渗率
土壤类别 允许喷灌强度
砂土 20
砂壤土 15
壤土 12
壤粘土 10
粘土 8

类型  : 入渗率 (mm/hr)
Sand沙土 >20
Fine Sand细沙 15-20
Sandy Loam沙壤土 10-18
Loam壤土 10-15
Silt Loam粉沙壤土 8-12
Clay Loam粘壤土 5-10
Clay粘土 1-5
 
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。  

十、 水泵和过滤器的选型
11.1 泵的选型
选择水泵的主要任务是确定水泵的类型、流量和扬程。
泵的类型选择:
① 管道泵:管道直接加压(压力叠加)
② 卧式离心泵:地表水,维修方便,但占空间大,需要泵房
③ 潜水泵:地表水,维修不方便,但不占空间,不需要泵房
④ 深井泵:用于深井
确定泵的类型后,计算流量和扬程。
1) 水泵流量=最大轮灌组的流量,然后放大5%—10%余量来选型。 
2) 水泵扬程=最坏点喷头工作压力+阀门损失+沿程损失+管件损失+高差引起的损失:然后放大5%—10%余量来选型。 
3) 变频选择:在一个大的、综合性的灌溉系统中,如果轮灌组流量变化比较大,宜选择变频泵.
11.2 过滤器的选型
一般遵循以下原则:
    过滤器类型选择:这需要了解灌溉水中含有哪些杂质,通常来说地面水(江河湖泊):一般以砂石和有机物为主,宜选用砂石过滤器作为一级过滤,如果杂质体积比较大,还需要用拦污栅作初级拦污过滤;如果含沙量大,还需要设置沉沙池作初级拦污过滤。
    地下水(井水):杂质一般以砂石主,宜选用砂石分离器作为一级过滤。无论是砂石过滤器还是砂石分离器,都可以根据需要配备网式过滤器或叠片过滤器作为二级过滤。
    确定过滤器的过滤能力:根据灌水的要求确定,一般来说,喷灌要求80-100目过滤,微喷要求80-120目过滤,滴灌要求120-200目过滤。
确定过滤器的流量和尺寸:以灌溉系统的峰值流量作为过滤器的流量。 
确定过滤的冲洗类型:如果系统比较大、水质很差,需要经常冲洗,建议采用自动反冲洗类型,以减少日常维护和工作量。
十一、  划分轮灌组      
   灌溉系统的工作制度通常有续灌和轮灌两种。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 对于水泵供水且首部无恒压装置的系统,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。
快速连接阀安装示意图
十二、 灌水效果评价 
在喷灌系统投入使用后,可以直观地对草坪生长状况、绿色期的延长以及节 水、节省人工的情况进行评价。也可以通过实际测试,对系统的喷洒均匀度、灌 溉水的利用率等加以评估,以便及时修正灌水计划,并为提高今后喷灌系统的规 划设计水平提供参考。
 
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