草坪灌溉与排水课程设计的关键环节分析

王 琦

(甘肃农业大学 草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/甘肃省草业工程实验室/中-美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃 兰州 730070)

草坪灌溉与排水课程设计的关键环节分析

王 琦

(甘肃农业大学 草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/甘肃省草业工程实验室/中-美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃 兰州 730070)

为了提高草业科学本科生创造性和独立性，要求学生完成喷灌系统课程设计。该课程设计特点是公式多、难记忆、抽象和难掌握。在课程设计过程中，学生经常找不到切入点，不知道各环节计算公式和各环节之间的联系。通过对多年教学过程的总结和概括，分析设计灌水定额和灌水周期、喷头布置和选型、轮灌组划分等关键环节，进一步阐明各关键环节之间的联系，以期指导学生更好掌握草坪灌溉与排水课程，达到满足草坪草用水、节约用水、形成水动景观效果、解决我国水资源紧张等目的。

草坪灌溉与排水;课程设计;关键环节

1 草坪灌溉的重要性

水是草坪草的重要组成成分，是草坪草生存的物质基础，水分占草坪草组织的80%～90%，草坪草含水量下降就会引起草坪草萎蔫，当草坪草含水量低于60%时，草坪草就会死亡[1，2]。草坪草体内水分不但维持细胞膨压，还是许多化合物的溶剂，是草坪草体内生化反应的物质基础，同时调节草坪草体内温度。在中国大部分地区，没有灌溉，就没有草坪。目前我国水资源存在着总量不足、分布不均、污染严重等问题，特别是我国北方大中型城市，全球性气温变暖，更加剧水资源紧缺趋势。另外，水生产成本是草坪经营者最为关心问题，较大灌溉量引起土壤肥料淋溶、水土流失、杀虫剂和除草剂污染环境等，提高灌溉水利用效率成为维护和发展草坪业的重要措施[3]。

2 课程目标和课程设计任务

研究草坪草用水规律、熟悉草坪灌溉设备、掌握草坪灌溉方法和排水技术、提高灌溉水利用效率是草业科学本科生必修课程内容之一，是草坪灌溉与排水的课程目标。课程以和草坪灌溉和排水相关的降水、径流、截流、土壤水、入渗、蒸发、蒸腾、水量平衡方程、管道水利学原理等理论为基础，重点介绍草坪草需水量估算、草坪喷灌设备、草坪喷灌系统规划设计、草坪喷灌系统自动化控制、草坪喷灌系统加压泵站、草坪排水系统规划设计等，为草坪设计合理的灌溉和排水系统，从而提高灌溉水利用效率和减少生态污染[4]。

草坪灌溉与排水课程设计任务是让草业科学本科生熟悉和设计城市绿地喷灌系统，设计成果包括设计说明书和设计计算书。设计计算书注重每一设计步骤的计算公式、计算依据、计算过程和计算结果，并说明计算公式符号代表含义和取值范围；设计说明书注重设计过程及原理的说明，每一设计步骤必须标明所采用的原理、方法、处理、计算公式适用性和范围、效果评价等，并对计算结果进行适当评价。设计计算书与设计说明书同步，但不要求设计计算书与设计说明书一一对应。同时，设计计算书写出每一过程的计算步骤、计算公式、数值带入和计算结果，要求计算步骤明确和避免计算过程繁琐。设计说明书应让使用者和施工者对设计结果采用的原理、方法和结果一目了然[5]。

3 课程设计涵盖内容

3.1 喷灌系统选择

草坪需要经常性的修剪、病虫害防治、施肥等作业，这些作业往往由机械完成，草坪安装喷灌系统只有满足其需水和维护等要求，才能保证草坪正常生长和运营[6]。通常选择草坪专用地埋式喷头，同时需精心施工，使之避免与草坪上的机械作业发生碰撞，草坪喷灌系统设备选型和管网布置应适应草坪的种植方式。在草坪灌溉管理中，喷灌系统应该结合草坪病害防治，灌溉者应该制定合理灌溉制度控制草坪病害，尤其是真菌类病害与草坪叶面湿度关系密切。通过精心设计布置喷灌系统，使喷灌系统能满足草坪需水要求，同时形成水动景观和环境效果。

3.2 喷灌系统设计组成和依据

喷灌系统设计组成包括水源 (城市供水系统、湖泊、水库、河流、地下水等)、首部枢纽 (动力设备、水泵、过滤器、加药器、泄压阀、逆止阀、水表、压力表以及控制设备等)、管网 (干管、支管、竖管等)、管件 (弯头、三通、直通接头、管箍、异径接头、螺纹接头、法兰接头等)、阀门(进气阀、排气阀、开关阀、限压阀、泄水阀)、喷头、自动控制系统 (中央计算机、卫星分控箱、解码器、气象观测站、ET系统等)等设备。在草坪灌溉与排水课程设计中，喷头是喷灌系统中最重要的部件，喷头质量和性能不仅直接影响喷灌强度、均匀度和水滴打击力度等，而且影响喷灌系统工程造价和运行费用[7]。草坪喷灌系统设计是以基本资料为基础，以喷灌技术参数 (土壤入渗速率、田间持水量、凋萎含水量、草坪最大日用水量、潜在蒸发量、喷头系统分区、每天喷灌运行小时数、喷灌频率等)、草坪种类、修剪、施肥、病虫害防治、灌溉制度等为依据，按照一定的工作程序，寻求技术上可靠、经济上合理、使用上方便的节水型喷灌系统。草坪喷灌系统设计应遵循节水性、经济性、可靠性、实用性等原则。

3.3 喷灌系统设计主要内容

喷灌系统设计内容主要包括喷灌系统的基本自然资料，包括使用面积、用途、目的、地形、地理位置、气候条件、土壤资料、水源、动力、灌溉要求、当地市场喷灌系统设备供应情况等；人文资料包括业主设计要求、喷灌区域种植状况、用户资金状况和喷灌系统拟用年限等的收集、喷灌用水分析和系统选型、喷灌系统整体规划 (布置泵站、动力设备、水池、干管、支管、竖管、喷头、自动控制系统等的方向和位置)、喷头选型和布置、轮灌组划分、管道水利计算、水泵设计等。

4 我国南北方该课程设计的差异

我国北方草坪灌溉与排水课程内容与南方没有明显差异，但我国北方自然资源和社会资源与南方存在差异，导致其草坪灌溉与排水课程设计重点的差异。我国南方水热资源丰富、草坪种类多、草坪生长速度快、绿期长，土壤肥沃、土层薄、地形平缓、排水性差、污染严重；我国北方水热资源短缺、草坪种类少、草坪生长速度慢、绿期短，土壤平瘠、土层厚、地形坡度大，容易发生水土流失。我国北方开设草业科学专业的高校有兰州大学、中国农业大学、北京林业大学、甘肃农业大学、内蒙古农业大学、新疆农业大学等，我国南方开设草业科学专业的高校有南京农业大学、四川农业大学、华南农业大学、中山大学、云南农业大学、西南大学等。我国大部分院校没有单独开设草坪灌溉与排水课程，将草坪灌溉与排水课程的内容在草坪学、草坪工程学、运动场草坪等课程中讲授，只有少数院校，如北京林业大学、甘肃农业大学等单独开设草坪灌溉与排水课程。甘肃农业大学草业科学本科生就业去向是我国北方和南方，课程设计时，应该分清我国南北方草坪灌溉与排水课程设计差异。我国北方年降水量少，草坪灌溉与排水课程以灌溉为主，兼顾草坪排水，草坪需要经常性灌溉，只有在暴雨和强降雨时进行排水，且以地表排水为主；我国南方年降水量多，大部分地区年降水量>800 mm，草坪以阶段性灌溉为主，在降雨季节，尤其梅雨季节，为了防止草坪病害发生，经常不灌溉或少量灌溉，草坪排水量大、排水时间长。鉴于我国北方自然资源和社会资源与南方存在差异，草坪灌溉与排水教学和课程设计中，北方重点强调灌溉方面设计，兼顾排水；南方阶段性干旱程度与北方长期性干旱类似，南方灌溉规划设计与北方类似，南方草坪草灌溉量等于北方，灌溉天数少于北方，南方排水量和排水管系高于北方，排水方面教学和课程设计内容高于北方。

5 学生在课程设计中面临的困惑

草坪灌溉与排水课程属于工科性课程，其特点是公式多、难理解和难记忆。在草坪灌溉与排水课程设计中，要求每位学生单独完成设计成果，不同学生有不同规划思路和布置方式，即使规划思路和布置方式相同，其设计成果随设计公式及其参数选择而变化，不同学生的课程设计成果完全不一样，课程设计将考验学生独立性和创新性。在草坪灌溉与排水课程设计教学过程中，学生感觉最棘手问题为不知道设计各环节计算公式及不同公式的应用取值范围，同时，理不清楚各环节之间联系，如，教科书中有多个灌水定额计算公式，不同灌水定额计算公式符号及取值范围不一样，学生在设计时不知道采取什么计算公式合适，同时，不知道灌水定额与其他设计参数(喷头选型等)之间的联系。笔者通过对多年教学过程的总结和概括，撰写了草坪灌溉与排水课程设计的关键环节，以期指导学生进行草坪喷灌与排水系统课程设计。

6 课程设计的关键环节

草坪灌溉与排水课程设计包括内容较多，其中设计灌水定额和灌水周期、喷头布置和选型、轮灌组划分等是草业科学本科生掌握的重点。灌水定额和灌水周期设计是课程设计切入点，是确定灌水周期、灌水时间、喷灌系统在1 d运行的时间和1次灌水持续时间等依据；喷头为喷灌系统中最为关键设备，喷头水力性能(喷头工作压力、射程、流量等)和喷头机械性能(安装、维修)与喷灌强度、雾化效果、喷灌均匀度、工程造价、工程运行费用等有关；轮灌组划分与喷灌系统运行效益、管理成本、工程运行费用等有关。

6.1 设计灌水定额和灌水周期

草坪草灌溉需水量的估算公式包括以水面蒸发为参数需水系数法、草坪草生物量为参数需水量法、参照植物需水量计算法等[8，9]。在草坪喷灌系统设计时，采用较多是参照植物需水量计算法，实际草坪草和参考草坪草的蒸散量按公式计算：

ETc=Kc×ET0

(1)

(2)

(3)

式中：ETc为实际草坪草蒸散量(mm/d)，ET0为参考草坪草蒸散量(mm/d)，kc称为草坪草系数，与草坪草种类、品种、生育阶段、植物群体叶面积指数等因素有关。kc(Tab)为Allen等(1998)表17提供kc参考值，RHmin为每天最低相对湿度平均值，h为植株高度，Rn是表面净辐射(MJ m2/d1)，G是土壤热通量(MJ m2d1)，T是2 m高处空气温度(oC )，μ2是2 m高处风速(m/s)，es和ea分别是饱和水汽压和实际水汽压(kPa)，Δ表示水汽压强与温度斜率(kPa/℃)，γ是干湿表常数(kPa/℃)。

设计灌水定额按公式计算：

(4)

式中：m设为设计灌水定额 (mm)，β1为适宜土壤含水量上限(%)，β2为适宜土壤含水量下限 (%)，γ为土壤容重 (g/cm)，H为计划湿润层深度 (cm)，ρ土壤湿润比(%)。草坪灌溉土壤计划层湿润层深度一般为20～30cm。确定适宜土壤含水量上限的简单方法是以田间持水量85%～90%作为适宜土壤含水量上限。当土壤水吸力超过1.5Mpa时，植物根系无法从土壤中吸收水分，而发生永久萎蔫，当土壤水吸力达到1.5Mpa时，土壤含水量当作适宜土壤含水量下限。湿润土体体积与整个计划湿润层土体的比值称为土壤湿润比(ρ)。

设计灌水周期按公式计算：

(5)

式中：T设为设计灌水周期(d)，η为灌溉水利用效率(%)，ETc实际草坪草耗水强度(mm/d)，约等于实际草坪草蒸散量。

在草坪灌溉与排水课程设计中，灌水定额和灌水周期是最初设计参数，没有设计灌水定额和灌水周期，无法进行其他参数设计。学生没有必要死记这些公式及其含义，只需记住不同公式试用范围及优缺点，不同国家和地区采用不同计算公式，应该参考已经建成的草坪工程确定的设计灌水定额和灌水周期，设计灌水定额和灌水周期应该符合草坪设计管理规范。设计灌水定额是确定喷头流量和喷洒时间的依据，设计灌水周期是确定灌水频率的依据。在草坪管理和运营中，设计灌水定额和灌水周期不是一成不变，随草坪草种类、生长状况、降雨、风速、温度、湿度、土壤、病虫害等情况变化而变化，在设计中灵活应用。

6.2 喷头布置和选型

喷头布置包括喷头组合形式、喷头沿支管间距及支管间距等。喷头组合形式主要取决于地块形状和风的影响，一般为矩形或三角形组合。矩形喷头布置适用于地块规则和地块边缘成直角的绿地条件。该布置设计简便，容易做到各条支管的流量均衡分配；三角形布置适用于不规则地块或地块边界为开放式，该布置抗风能力较强，喷洒均匀度要高于矩形或正方形喷头布置，同时所需喷头数量相对较少，但不易作到各条支管的流量均衡分配[10]。依土壤、草坪需水和设备情况，初选喷头型号；根据喷头射程及风速影响，在平面图上绘出喷头位置，并依分块尺寸反复调整，做到不漏喷和不喷洒到区域外。

当喷头布置完毕后，应根据实际布置结果对系统组合喷灌强度进行校核，如喷灌强度超过土壤允许喷灌强度，应重新调整喷头布局或更新选择喷头型号，直到满足要求为止。灌溉系统大多由多个喷头组合进行工作，草坪喷灌强度一般指组合喷灌强度，灌溉系统要求灌溉水落到地面后能渗入土壤，即要求喷头的组合喷灌强度(ρ组合)应小于等于土壤水入渗率，见公式6，避免产生地面积水和径流，雨滴大小适中，雾化程度适宜，并取得良好经济效益。各类土壤的允许喷灌强度(ρ允许)参考值见表1[11]。

(6)

式中：K为组合系数(无量纲)，n为同时工作的喷头数(无量纲)，A为喷灌面积(m2)，q为单喷头流量(m3/h)，Is为土壤允许喷灌强度(mm/h)。

表1 不同类型土壤的允许喷灌强度Table 1 The sprinkle intensity for different soil types mm/h

在草坪灌溉与排水课程设计中，喷头布置和选型是较难掌握的内容，影响喷头布置和选型的因素(造价、运行费、地形、风速、景观要求、喷灌强度、喷灌均匀度、水滴打击强度、允许喷灌强度等)多。在实际设计中，喷头布置和选型主要参考已经建成草坪工程经验，检验喷灌强度是最为关键环节，公式6中，n、A和q在喷头选型和规划设计中已确定，K参考风速和喷头组合情况等确定。

6.3 轮灌组划分

在草坪喷灌系统设计中，为减少工程投资，提高设备利用率，扩大灌溉面积，一般采用轮灌的工作制度，轮灌是将各支管系统分为若干组，每组包括一个或者多个阀门，喷灌时通过干管向各个支管轮流配水，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，其轮灌组数目按公式计算：

(7)

式中：N为轮灌组数，C为1 d运行的时间(h)，T为灌水周期 (为1～7 d)，t为1次灌水持续时间(h)。

一次灌水持续时间是指每个轮灌区内达到灌水定额所需的灌水时间，按公式计算：

(8)

式中：t为1次灌水持续时间(h)，A为喷灌面积(m2)，q为单喷头流量(m3/h)，n为同时工作的喷头数。

草坪水分循环(降雨或灌溉-截流-径流-土壤水分吸收-土壤水分下渗-地下水-土壤水分蒸散等)是研究和制定草坪灌溉制度的理论依据。草坪灌溉与排水课程设计特点是公式多、难理解和难记忆，学生设计时经常找不到切入点，不知道各环节计算公式及公式的取值和应用范围，理不清楚各环节之间联系。通过对多年教学总结和概括，撰写设计灌水定额和灌水周期、喷头布置和选型、轮灌组划分等设计的依据、计算公式、符号意义、符号取值范围等，进一步阐明灌水定额和灌水周期、喷头布置和选型、轮灌组划分之间联系，以期指导学生进行草坪喷灌与排水系统课程设计。

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WANG Qi

(CollegeofPrataculturalScience,GansuAgriculturalUniversity/KeyLaboratoryofGrasslandEcosystem，MinistryofEducation/PrataculturalEngineeringLaboratoryofGansuProvince/Sino-U.S.CentersforGrazinglandEcosystemSustainability,Lanzhou730070,China)

In order to improve independence and creativity of college students majored in grassland science,the students were required to make curriculum design of sprinkler irrigation.The formulas in this curriculum design are difficulty to be understood,mastered and remembered.It is hard for college students to find the beginning,and the proper formulas of calculate segments and connection between different segments of design.Key formulas (design irrigation quota,design irrigation cycle,sprinkler head selection and layout,irrigation group) and connection between different key segments of design were explained in this paper after summarizing experiences in teaching.This paper was used to guide college students in their curriculum design of sprinkler irrigation.The optimum design was used to meet turfgrass water requirement and water saving,form a good water scenery on trufgrass fields and resolve water resource scarcity in our country。

turfgrass irrigation and drainage；curriculum design；key segment

2014-00-00；

2014-00-00

国家自然基金 (41161090) 和 (41461062)资助

王琦(1969-),男,甘肃陇西人,副教授,博士,主要从事草坪、作物和牧草节水技术研究。 E-mail：wangqigsau@gmail.com

G 642

A

1009-5500(2015)05-0105-05