第一节 概述
喷灌是一种先进的灌水技术，近年来已广泛运用于世界各国农业灌溉中。我国自20世纪50年代开始，对喷灌技术进行了大量的研究和推广。据统计，截至2016年年底，全国喷灌、微灌面积已达995.4万hm2。
一、喷灌及其优缺点
喷灌是利用水泵加压或自然水头将水通过压力管道输送到田间，经喷头喷射到空中，形成细小的水滴，均匀喷洒在农田上，为作物正常生长提供必要水分条件的一种先进灌水技术。与传统的地面灌水方法相比，喷灌具有明显的优点，但也还存在不足。
（一）喷灌的优点
1.节约用水
由于喷灌用管道输水，输水损失很小，而且灌溉时能使水比较均匀地洒在地面，基本上不产生深层渗漏和地面径流，所以，一般可比地面灌溉省水30%～50%，灌溉水有效利用系数可达80%以上。
2.增加产量
由于喷灌能适时适量地进行灌溉，便于控制土壤水分，使土壤中的水、气、热营养状况良好，并能调节田间小气候，增加近地表层空气湿度，有利于作物的生长，一般大田作物可增产10%～20%，经济作物可增产30%，蔬菜可增产1～2倍，并可同时改变产品品质。
3.适应性强
喷灌适用于各种类型的土壤和作物，不受地形条件的限制，对平整土地要求不高，特别适宜于地形复杂、进行地面灌溉有困难的岗地和缓坡地，以及透水性强的砂土。
4.少占耕地
喷灌可减少田间内部沟渠、田埂的占地，可提高耕地利用率7%～15%。
5.节省劳力
喷灌机械化程度高，可以大大降低灌水劳动强度和提高劳动生产率，节省大量的劳动力。各种喷灌机组可以提高工效20～50倍。
（二）喷灌的缺点
1.受风的影响大
在有风的情况下，由于风力的影响，水的飘移损失增加，会大大降低灌溉水的利用系数和喷灌均匀度。
2.设备投资高
由于喷灌需要一定的设备和管材，因而投资一般较高，如固定管道式喷灌系统每亩需投资900～1200元，半固定管道式喷灌系统每亩需投资300～450元。
3.耗能
地面灌溉只要将水通过渠道或管道输送到田间即可实现自流灌溉，喷灌则要利用水的压力使水流破碎成细小的水滴并喷洒在规定范围内，显然喷灌需要消耗一部分能源。从节省能源的角度考虑，喷灌可向低压化方向发展。
二、喷灌系统的组成与分类
（一）喷灌系统及其组成
喷灌系统是指从水源取水到田间喷洒灌水整个工程设施的总称。一般由水源工程、水泵及动力设备、输水管道系统和喷头等部分组成，如图1-1所示。
图1-1 喷灌系统组成示意图
1.水源工程
河流、渠道、湖泊、塘库、井泉等均可作为喷灌水源。水源提供的水量、水质必须符合喷灌的要求。为了满足加压的需要，有时还要修建泵站及附属设备、蓄水池和沉淀池等建筑物，这些统称为水源工程。
2.水泵及动力设备
大多数情况下，水源的水位不足以满足喷灌所要求的水头时必须用水泵加压。常用的水泵有离心泵、长轴井泵、潜水电泵等。在有电力供应的地方常用电动机作为水泵的动力设备，也可用柴油机、汽油机、手扶拖拉机上的动力机等带动。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输送并分配到田间。通常由干、支两级管道组成。干管起输配水作用，支管是工作管道，支管上按一定间距装有用于安装喷头的竖管。在管道系统上还装有各种连接和控制的附属配件，如弯头、三通、接头、闸阀等。为便于在灌水的同时施肥、喷药，在干管或支管上还要配置药、肥储存罐等注入装置。
4.喷头
喷头是喷灌系统的专用设备，一般安装在竖管上，或者安装在支管上。喷头的作用是将压力水通过喷嘴喷射到空中，形成细小的水滴，均匀地洒落在土壤表面或作物上。
（二）喷灌系统的分类
喷灌系统可按不同方法分类。按系统获得压力的方式可分为机压喷灌系统和自压喷灌系统；按系统设备组成可分为管道式喷灌系统和机组式喷灌系统；按喷灌系统中主要组成部分是否移动的程度可分为固定式、移动式和半固定式三类。
1.机压喷灌系统和自压喷灌系统
（1）机压喷灌系统。机压喷灌系统是指由动力机和水泵为喷头提供工作压力的喷灌系统。在没有自然水头可利用时，为使喷灌水流具有一定的压力，必须用水泵加压，同时配备电动机、柴油机等动力设备。加压水泵的流量要满足灌溉要求，其扬程除应保证喷头工作压力外，还要考虑克服管道沿程和局部水头损失，以及水源和喷头之间的高差。
（2）自压喷灌系统。当水源位置高于田面，且有足够的落差时，利用水源具有的自然水头，用管道将水引到灌区实现喷灌的一种灌溉系统。自压喷灌系统多建在山丘区或库区下游。
2.管道式喷灌系统和机组式喷灌系统
（1）管道式喷灌系统。管道式喷灌系统是为区别机组式喷灌系统而命名的。由于管道是系统中主要设备，故称管道式喷灌系统。根据管道的可移动程度，又可分为固定管道式喷灌系统、半固定管道式喷灌系统和移动管道式喷灌系统三种。
固定管道式喷灌系统的各组成部分除喷头外，在整个灌溉季节或常年都是固定的，水泵和动力构成固定的泵站，干管和支管多埋于地下，喷头装在固定的竖管上（有的竖管可以拆卸）。这种喷灌系统生产效率高，运行管理方便，运行费用低，工程占地少，有利于自动化控制；缺点是工程投资大，设备利用率低。因此，适用于灌水频繁、经济价值高的蔬菜及经济作物区。
半固定管道式喷灌系统的动力、水泵和干管是固定的，支管和喷头是移动的，故称为半固定管道式喷灌系统。这种形式在干管上装有很多给水栓，喷灌时把支管接在干管给水栓上进行喷灌，喷洒完毕再移接到下一个给水栓继续喷灌。由于支管可以移动，减少了支管数量，提高了设备利用率，降低了投资。适用于矮秆大田粮食作物，其他作物适用面也比较宽，但不适宜对高秆作物、果园使用。为便于移动支管，管材应为轻型管材，如薄壁铝管、薄壁镀锌钢管、塑料管等，并且配有各类快速接头和轻便连接件、给水栓。
移动管道式喷灌系统的干、支管道均为移动使用。这种喷灌系统设备利用率高，投资较低，但劳动强度较大。
（2）机组式喷灌系统。由喷头、管道、加压泵及动力机等部件组成，集加压、行走、喷洒于一体，称为喷灌机组。以喷灌机组为主体的喷灌系统称为机组式喷灌系统。按喷灌机组运行方式可分为定喷式和行喷式两类。
定喷式喷灌机组是指喷灌机工作时，在一个固定的位置进行喷洒，达到灌水定额后，按预先设定好的程序移动到另一个位置进行喷洒，在灌水周期内灌完计划灌溉的面积。包括手推（抬）直连式喷灌机、拖拉机悬挂式（或牵引式）喷灌机、滚移式喷灌机等。
图1-2 手推直连式喷灌机（电动机配套）
1—喷头；2—竖管；3—水泵；4—电动机；5—开关；6—电缆；7—吸水管；8—底阀；9—机架；10—车轮
行喷式喷灌机组是在喷灌过程中一边喷洒一边移动(或转动)，在灌水周期内灌完计划灌溉的面积。包括拖拉机双悬臂式喷灌机、中心支轴式喷灌机、平移式喷灌机、卷盘式喷灌机等。
按配用动力的大小，喷灌机组又分为大、中、小、轻等多种规格品种。我国应用最多的是轻小型喷灌机，图1-2、图1-3为我国常用的小型喷灌机，它们具有结构简单、使用灵活、价格较低等优点，缺点是机具移动频繁，特别是在泥泞的道路上移动困难。此外，像平移式喷灌机、滚移式喷灌机、软管牵引卷盘式喷灌机等大中型喷灌机也有一定范围的应用。
三、主要喷灌技术要素
喷灌强度、喷灌均匀系数和喷灌雾化指标是衡量喷灌质量的主要指标。因此，进行喷灌时要求喷灌强度适宜，喷洒均匀，雾化程度好，以保证土壤不板结，结构不被破坏，作物不损伤。
1.喷灌强度ρ
喷灌强度是指单位时间内喷洒在单位面积上的水量，或单位时间内喷洒在田面上的水层深，一般用mm/h或mm/min表示。由于喷洒时水量分布常常是不均匀的，因此喷灌强度有点喷灌强度、喷头平均喷灌强度和系统的组合喷灌强度。
（1）点喷灌强度ρi。是指某一单位时段Δt内喷洒到田面某点的水深Δh，即
（2）喷头的平均喷灌强度
。是指单位时间内单喷头喷洒时喷灌面积上各点喷灌水深的平均值，以平均喷灌水深
与相应的喷洒时间t的比值表示，即
图1-3 手扶拖拉机配套的悬挂式喷灌机
1—水源；2—吸水管；3—水泵；4—手扶拖拉机；5—皮带传动系统；6—输水管；7—竖管及支架；8—喷头
当单喷头作全圆周喷洒时，其平均喷灌强度
式中 qp——喷头设计流量，m3/h；
ηp——喷洒水利用系数；
A——全圆周喷洒时一个喷头的湿润面积，m2。
当单喷头作扇形喷洒时，其平均喷灌强度为
式中 α——扇形喷洒范围的中心角，如图1-4所示。
图1-4 扇形喷洒示意图
（3）喷灌系统的组合喷灌强度
。组合喷灌强度是指喷灌系统喷洒面积上各点喷灌强度的平均值。由于喷灌系统中各喷头的喷洒面积有一定重叠，所以喷灌系统的组合喷灌强度比单喷头的平均喷灌强度要大一些，其表达式为
式中 AL——单喷头喷洒时的实际有效湿润面积，若支管间距为b，支管上喷头间距为a，则AL=ab；
ρ允——土壤的允许喷灌强度。
土壤的允许喷灌强度ρ允是表示土壤入渗能力的一个指标。如果系统组合喷灌强度超过ρ允值，喷灌水就不能充分入渗，会出现地面径流和积水，致使灌水不均匀和耕层土壤湿润不足，这是喷灌不允许出现的现象。因此，组合喷灌强度必须不大于土壤允许喷灌强度，各类土壤允许喷灌强度值参考表1-1、表1-2。
表1-1 各类土壤允许喷灌强度
注 有良好覆盖时，表中数值可提高20%。
表1-2 坡地允许喷灌强度降低值
2.喷灌均匀系数Cu
喷灌均匀系数是表示喷洒水量在喷灌面积上分布的均匀程度的系数，它是衡量喷洒质量好坏的主要指标之一，多用均匀系数Cu表示，计算公式为
式中
——喷洒水深的平均值，mm；
——喷洒水深的平均离差，mm。
GB/T 50085—2007《喷灌工程技术规范》中规定：“定喷式喷灌系统喷灌均匀系数不应低于0.75，行喷式喷灌系统不应低于0.85。”
3.喷灌雾化指标Wh
喷灌雾化指标是表示喷洒水在空中裂散程度的特征值。雾化不充分，喷洒水滴过大，会打伤作物，破坏土壤团粒结构，影响作物生长；雾化过度，细小水滴易被风吹失，飘移蒸发损失过大，且耗能多、不经济。所以，水滴雾化程度要恰当，以不损坏作物为度。工程规划设计中，通常用喷头工作压力水头hp（m）与喷头主喷嘴直径d（m）的比值作为设计依据，即
Wh值越大，表示雾化程度越高，水滴直径就越小，打击强度也越小。对于主喷嘴为圆形且不带碎水装置的喷头，设计雾化指标应符合表1-3要求。
表1-3 不同作物的适宜雾化指标
