山地高尔夫球场喷灌主管道的系统设计和水力计算

作者：王绍新 王继民

摘 要:从喷灌角度来说，山地高尔夫球场与平原高尔夫球场最大差别是地形高差的显著不同。在进行山地高尔夫球场喷灌系统设计时,如果没有充分考虑地形高差对喷灌水压力的影响，就会出现系统局部区域水压力过高或者不足，喷头喷洒效果不理想，甚至出现经常性的因超负荷引起的设备损坏等情况。本文就山地高尔夫球场喷灌系统主管网的水力计算和系统设计进行一些介绍，希望能给球场建造者或喷灌设计人员提供有益的借鉴。

关键词：水头损失；灌溉均匀度；水力计算；

1 引言

    随着高尔夫事业的蓬勃发展和国家政策的调控，高尔夫球场的选址发生了较大变化，越来越多的球场远离了平整的耕地，转而选择了荒地、山地。从土地资源利用的角度看，这种转变无疑是有益的，也是发展的趋势。但山地高尔夫球场的设计、建造难度要远大于平原球场。具体到与之配套的喷灌系统来说，平原球场在进行喷灌系统设计时，由于地形高差不大（一般小于10m），进行水力计算时一般不需考虑地形的影响。而山地球场的地形高差通常有数十米甚至更大，如何保证整个喷灌管道系统任意点的水压力差不超过允许范围，为喷头提供适当的压力水，对水力计算和系统设计就有了更高的要求。

    从已建成的山地球场看，部分球场在进行喷灌系统设计和建造时未充分考虑地形高差的变化，仍然简单的照搬平原球场喷灌管道的做法，致使出现喷灌系统局部区域水压力严重不足或压力过高，系统不能运行。例如某山地球场地形高差60余米，在最低处的人工湖设了一个泵站，最初设定首部工作水头90m 。喷灌系统运行后，发现大范围的高处的喷头明显压力不足，不能正常工作。后采取减小系统流量加大首部系统压力的方法，使高处的喷头基本正常工作，但是，地形低处的管道和其它设备由于压力过高经常损坏。该球场喷灌系统是较常见的一种错误做法。

    山地高尔夫球场的喷灌主管道应该根据地形高差的大小和地形的变化，分级、分区控制，经过水力计算，在适当的位置设置加压泵或减压阀二次或多次调整管道压力，使管道任意一点的压力保持在一个适当的范围之内。下面是山地高尔夫球场喷灌系统主管道水力计算和系统设计的一些常用的典型做法。

2 高尔夫球场喷灌系统主管道的水力计算

    进行管网水力计算之前的工作是管道系统设计，即各级管道的平面布置设计，内容包括管道的线路布置、管材和管径的选择、相关设备设施的布置，然后进行水力计算，核算、确定系统设计各参数是否满足设计要求，并根据水力计算结果进行调整。

    管道系统设计和水力计算的目的就是建立一个能够为设计范围内所有喷头提供适宜压力水的输水系统，使喷头在设计压力范围内工作，获得预期的喷灌均匀度。

    喷灌均匀度不仅影响草坪生长，也影响灌溉水的利用率，也就是影响喷灌系统的运行成本。所以说，喷灌均匀度是衡量喷灌系统优劣的最基本，也是最重要的指标。喷灌均匀度不仅取决于喷头的制造水平，也取决于输水系统是否能够提供满足喷头要求的设计压力。

    喷灌均匀系数可按下式计算：

    C_u=1-△h/h

    式中  Cu­—喷灌均匀系数；

           h—喷洒水深的平均值，mm；

         △h—喷洒水深的平均离差，mm.。

    在设计风速下，喷灌均匀系数不应低于85%

2.1 环状管网的水力计算

    在高尔夫球场灌溉系统中，绝大多数的管道系统为环状管网系统。对于环状管网系统的水力计算是相当复杂的，在实际计算时可采用分解、简化的方法。

    有压管道的水头损失采用下式计算：

    h_ƒ =ƒLQ^m/d^bK

    式中 h_ƒ—沿程水头损失，mm;

     ƒ —摩擦系数，随水流的雷诺数Re而变化。

     L —管道长度，m；

     Q —流量，m³/h;

     d —管道内径，mm;

     m —流量指数，与摩阻损失有关；

     b —管径指数，与摩阻损失有关；

     K —局部水头损失系数；取1.1

    各种管材的ƒ、m 、b值按下表选用。其它管材应按《喷灌工程技术规范》GB/T50085的规定选用。^[3]

    在计算时，需要先将管网简化为仅由管段和节点两类元素组成的管网模型^[4]。如下图。

    在管网模型中，管段与节点相互关联，即管段的两端为节点，节点之间通过管段连通。在计算中，管段只能输送水量，而不允许改变水量，即管段中间不允许有流量的输入或输出，但管段中可以改变水的能量，如具有的水头损失，可以加压或减压等。节点是管线交叉点、端点或流量出入的抽象形式。节点只能传递能量，面不能改变水的能量，即节点上水的能量（水头值）是惟一的。但节点可以有流量的输入或输出。

    管段和节点的属性包括构造属性、拓扑属性和水力属性三个方面。

    管段的构造属性有：管段长度，管段直径和管段材料。

    管段的拓扑属性有：管段的方向，起端节点和终端节点。

    管段的水力属性有：管段流量，管段流速，管段扬程，管段摩阻和管段压降。

    节点的构造属性有：节点高程和节点的位置。

    节点的拓扑属性有：与节点关联的管段及其方向和与节点有关联的管段数。

    节点的水力属性有：节点的流量，节点的水头（机械能）和自由水头。

    建完管网模型后，利用管段的属性试确定管段的管径，按照适宜流速来确定每段管段的过流量。在建筑给水排水设计规范中规定，管道公称直径50-70mm时的水流速度≤1.5m/s，当管道的公称直径≥80mm是的水流速度≤1.8m/s^[5]。因此，设计中常选用水流速度为1.5-1.7m/s。根据管段和节点的属性，通过流量法来反复试算各管段的流量、管径和水头损失。以下图为例。

    已知泵站的总流量，根据每个管段及管段以下区域的面积分配总流量到各个管段，根据各个管段分配的流量来初步设定每个管段的管径和水流方向。在此过程中，假设了一些次要的管段是断开的，如管段35和管段58。这样可以将复杂的管道系统进行一定的简化，可以方便管道系统的水力计算。简化掉的管段是管径最小的非主要管段。如此计算出来的管径既不会过大，又能保证系统的安全与稳定运行。计算各管段的水头损失。每条管路的各管段的水头损失相加的结果相差在0.2-0.5m以内即可。经过反复试算，最终确定各管段的直径和各节点的水头。

2.2 泵站扬程的确定

   完成管网的水力计算后，就可以确定泵站的扬程，其扬程的计算公式为^[3]：

H= Z_p-Z_b+h₀+∑h_f+∑h_j+∑h_s

    式中H—为泵站系统的设计扬程，m；

        Z_p—最不利支管（或喷头）进口高程，m；

Z_b—系统水源设计水位，m；

h₀—最不利支管喷头进口设计水头，m；

∑h_f—系统进口至最不利支管喷头进口的管道沿程水头之和，m；

∑h_j—系统进口至最不利支管喷头进口的管道局部水头之各，m;

∑h_s—首部枢纽各个部件水头损失之和，m。

    喷头进口设计水头是由喷头本身的性能决定，厂家在设备说明中都有明确规定。

2.3 加压泵的设计

    设计规范中规定，化学管材的压力等级应为设计内水压力的1.4-1.5倍^[1]。也就是说，压力等级为1.25MPa的PVC管组成的管道系统任意一点允许的最大内水压力为0.9MPa。

    山地高尔夫球场的地形高差如果超过一定范围，即使泵站将系统压力加大至允许的最大值水头，仍然不能满足高处喷头需要的工作压力。在这种情况下就需要在适当位置设加压泵站，一级甚至多级加压，以满足系统压力要求。

2.3.1确定加压泵站的位置

    以下图为例，设计水位至最高点合计高差为50m，喷头的设计工作水头为50m，即使首部系统水头达到最大的90m，仍然不能满足喷头的工作水头要求，显然需要设加压泵站。

    首先将加压泵站试设定在2处，由前述的水力计算方法对12管段进行水力计算，计算结果该管段水头损失∑h_f=6m，则最不利支管喷头进口剩余水头    H_t的计算方法为：

H_t= H-( Z_p-Z_b)-∑h_f-∑h_j

    式中 H—为泵站系统的设计扬程，H=90m；

    Z_p—最不利支管（或喷头）进口高程，Z_p=30 m；

    Z_b—系统水源设计水位，Z_b=0 m；

    ∑h_f—系统进口至最不利支管喷头进口的管道沿程水头之和，∑h_f= 8m；

    ∑h_j—系统进口至最不利支管喷头进口的管道局部水头之各，∑h_j =2m;

    则：H_t=50m，满足喷头要求的设计工作水头。

    如果计算结果过大于或过小于喷头设计工作水头，则需要调整加压泵站位置或该管段的管径，直到满足要求为止。

2.3.2确定加压泵站的参数

    上图，首先计算23管段水头损失，假定计算结果为∑h_f=7m，则加压泵站的扬程H_b的计算方法为：

    H_b= Z_p-Z_b +∑h_f+∑h_s- H_t

    式中 H_b—加压泵站的设计扬程，m；

    Z_p—最不利支管（或喷头）进口高程，Z_p=50 m；

    Z_j—加压泵站高程，Z_j=30m；

    ∑h_f—系统进口至最不利支管喷头进口的管道沿程水头之和，∑h_f= 7m；

    ∑h_s—首部枢纽各个部件水头损失之和，取∑h_s= 2m。

    H_t—最不利支管喷头进口剩余水头，H_t=50m

    h₀—最不利支管喷头进口设计水头，h₀=50m；

    则：H_b=29m

    加压泵站的流量根据其控制的灌溉面积确定。

2.3.2加压泵站的组成

    水泵 选择符合设计参数的水泵，通常选用立式多级离心泵。

    变频控制系统 加压泵站仍然需要安装变频控制系统，为所控制的灌溉区域提供恒压水源，并根据水力计算结果设定系统压力。

    进排气阀 加压泵站处易于产生水锤和聚积空气，所以，安装进排气阀是必要的。

    泄水阀 北方地区还要考虑加压泵站对主管道泄水的影响，所以，应该在适当位置安装泄水阀，用于排出加压泵站以上主管道中的水。

    逆止阀由于加压泵出口端能量大于进口端，停泵后水流会逆向流动对系统造成不利影响，所以，应在加压泵出口端安装逆止阀。

    隔离阀 水泵两端都应该安装闸阀，便于水泵维修。

2.4 减压阀的设计

   在山地高尔夫球场中，管道的输水方向不一定只是由低至高的，有时也会出现由高至低的情况，例如下图。节点3至节点4、5方向以及节点1至节点6、7方向地势逐渐下降，相应的，管道中的内水压力也会逐渐加大，当该压力超过允许的压力值时，就需要设置减压阀。

2.4.1减压阀位置的确定

    在经过加压泵站加压，然后地势下降需要减压时，减压阀一般可设置在和加压泵站相同高程的位置。如上图减压阀V1。

    如果泵站一侧地势下降，则在达到允许最大内水压力值处设置减压阀。如上图减压阀V2。

2.4.2减压阀参数的确定

减压阀的出口压力一般是可调节的，其设定值应满足该阀控制范围内最高点喷头设计工作压力。

    一般情况下不需要考虑减压阀的过流能力，与安装位置的管道管径匹配即可。

需要特别注意的是，减压阀的工作原理采用的是阻尼原理，当过流量小于一定值或为零时，减压阀不能起到减压作用。这时管道承受的是静水压力，其压力水头为泵站或加压泵的出口水头加上泵站或加压泵的位置高程与管道位置高程之差。这样，在减压阀以下的管道内水压力将增大，甚至超过允许最大内水压力。另外，由于减压阀损坏而失去调压能时，下游管道的内水压力将急剧增大，出现破坏性后果。所以，在进行喷灌系统设计时应合理调整管道布置和各类泵站的位置、参数，尽量避免设置减压阀。

3 结语

山地高尔球场灌溉系统的设计是一个相对比较复杂的工作，设计者必须全面的了解各种设备的性能和水力学知识才能做出合理的设计。尤其是高差对管道系统压力的影响更需要准确的计算和合理的系统设计，任何设计上的错误和疏忽都可能会给喷灌的使用造成不利影响，甚至严重影响喷灌系统的安全性，出现破坏性后果。希望这篇文章能给高尔夫球场的设计者、建造者或管理者提供有益的帮助，建造出更多高品质的高尔夫球场。

参考文献

[1] GB 50332-2002 给水排水工程管道结构设计规范.

[2] GB/T50085  喷灌工程技术规范.

[3]CECS243：2008 园林绿地灌溉工程技术规范.

[4] 严煦世，刘遂庆.给水排水管网系统.出版地:中国建筑工业出版社,2002年

[5] GB 50015-2003 建筑给水排水设计规范.