草坪灌溉與排水課程設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)分析

王 琦

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室/甘肅省草業(yè)工程實驗室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070)

草坪灌溉與排水課程設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)分析

王 琦

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室/甘肅省草業(yè)工程實驗室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070)

為了提高草業(yè)科學(xué)本科生創(chuàng)造性和獨立性，要求學(xué)生完成噴灌系統(tǒng)課程設(shè)計。該課程設(shè)計特點是公式多、難記憶、抽象和難掌握。在課程設(shè)計過程中，學(xué)生經(jīng)常找不到切入點，不知道各環(huán)節(jié)計算公式和各環(huán)節(jié)之間的聯(lián)系。通過對多年教學(xué)過程的總結(jié)和概括，分析設(shè)計灌水定額和灌水周期、噴頭布置和選型、輪灌組劃分等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，進一步闡明各關(guān)鍵環(huán)節(jié)之間的聯(lián)系，以期指導(dǎo)學(xué)生更好掌握草坪灌溉與排水課程，達到滿足草坪草用水、節(jié)約用水、形成水動景觀效果、解決我國水資源緊張等目的。

草坪灌溉與排水;課程設(shè)計;關(guān)鍵環(huán)節(jié)

1 草坪灌溉的重要性

水是草坪草的重要組成成分，是草坪草生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，水分占草坪草組織的80%～90%，草坪草含水量下降就會引起草坪草萎蔫，當(dāng)草坪草含水量低于60%時，草坪草就會死亡[1，2]。草坪草體內(nèi)水分不但維持細(xì)胞膨壓，還是許多化合物的溶劑，是草坪草體內(nèi)生化反應(yīng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，同時調(diào)節(jié)草坪草體內(nèi)溫度。在中國大部分地區(qū)，沒有灌溉，就沒有草坪。目前我國水資源存在著總量不足、分布不均、污染嚴(yán)重等問題，特別是我國北方大中型城市，全球性氣溫變暖，更加劇水資源緊缺趨勢。另外，水生產(chǎn)成本是草坪經(jīng)營者最為關(guān)心問題，較大灌溉量引起土壤肥料淋溶、水土流失、殺蟲劑和除草劑污染環(huán)境等，提高灌溉水利用效率成為維護和發(fā)展草坪業(yè)的重要措施[3]。

2 課程目標(biāo)和課程設(shè)計任務(wù)

研究草坪草用水規(guī)律、熟悉草坪灌溉設(shè)備、掌握草坪灌溉方法和排水技術(shù)、提高灌溉水利用效率是草業(yè)科學(xué)本科生必修課程內(nèi)容之一，是草坪灌溉與排水的課程目標(biāo)。課程以和草坪灌溉和排水相關(guān)的降水、徑流、截流、土壤水、入滲、蒸發(fā)、蒸騰、水量平衡方程、管道水利學(xué)原理等理論為基礎(chǔ)，重點介紹草坪草需水量估算、草坪噴灌設(shè)備、草坪噴灌系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計、草坪噴灌系統(tǒng)自動化控制、草坪噴灌系統(tǒng)加壓泵站、草坪排水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計等，為草坪設(shè)計合理的灌溉和排水系統(tǒng)，從而提高灌溉水利用效率和減少生態(tài)污染[4]。

草坪灌溉與排水課程設(shè)計任務(wù)是讓草業(yè)科學(xué)本科生熟悉和設(shè)計城市綠地噴灌系統(tǒng)，設(shè)計成果包括設(shè)計說明書和設(shè)計計算書。設(shè)計計算書注重每一設(shè)計步驟的計算公式、計算依據(jù)、計算過程和計算結(jié)果，并說明計算公式符號代表含義和取值范圍；設(shè)計說明書注重設(shè)計過程及原理的說明，每一設(shè)計步驟必須標(biāo)明所采用的原理、方法、處理、計算公式適用性和范圍、效果評價等，并對計算結(jié)果進行適當(dāng)評價。設(shè)計計算書與設(shè)計說明書同步，但不要求設(shè)計計算書與設(shè)計說明書一一對應(yīng)。同時，設(shè)計計算書寫出每一過程的計算步驟、計算公式、數(shù)值帶入和計算結(jié)果，要求計算步驟明確和避免計算過程繁瑣。設(shè)計說明書應(yīng)讓使用者和施工者對設(shè)計結(jié)果采用的原理、方法和結(jié)果一目了然[5]。

3 課程設(shè)計涵蓋內(nèi)容

3.1 噴灌系統(tǒng)選擇

草坪需要經(jīng)常性的修剪、病蟲害防治、施肥等作業(yè)，這些作業(yè)往往由機械完成，草坪安裝噴灌系統(tǒng)只有滿足其需水和維護等要求，才能保證草坪正常生長和運營[6]。通常選擇草坪專用地埋式噴頭，同時需精心施工，使之避免與草坪上的機械作業(yè)發(fā)生碰撞，草坪噴灌系統(tǒng)設(shè)備選型和管網(wǎng)布置應(yīng)適應(yīng)草坪的種植方式。在草坪灌溉管理中，噴灌系統(tǒng)應(yīng)該結(jié)合草坪病害防治，灌溉者應(yīng)該制定合理灌溉制度控制草坪病害，尤其是真菌類病害與草坪葉面濕度關(guān)系密切。通過精心設(shè)計布置噴灌系統(tǒng)，使噴灌系統(tǒng)能滿足草坪需水要求，同時形成水動景觀和環(huán)境效果。

3.2 噴灌系統(tǒng)設(shè)計組成和依據(jù)

噴灌系統(tǒng)設(shè)計組成包括水源 (城市供水系統(tǒng)、湖泊、水庫、河流、地下水等)、首部樞紐 (動力設(shè)備、水泵、過濾器、加藥器、泄壓閥、逆止閥、水表、壓力表以及控制設(shè)備等)、管網(wǎng) (干管、支管、豎管等)、管件 (彎頭、三通、直通接頭、管箍、異徑接頭、螺紋接頭、法蘭接頭等)、閥門(進氣閥、排氣閥、開關(guān)閥、限壓閥、泄水閥)、噴頭、自動控制系統(tǒng) (中央計算機、衛(wèi)星分控箱、解碼器、氣象觀測站、ET系統(tǒng)等)等設(shè)備。在草坪灌溉與排水課程設(shè)計中，噴頭是噴灌系統(tǒng)中最重要的部件，噴頭質(zhì)量和性能不僅直接影響噴灌強度、均勻度和水滴打擊力度等，而且影響噴灌系統(tǒng)工程造價和運行費用[7]。草坪噴灌系統(tǒng)設(shè)計是以基本資料為基礎(chǔ)，以噴灌技術(shù)參數(shù) (土壤入滲速率、田間持水量、凋萎含水量、草坪最大日用水量、潛在蒸發(fā)量、噴頭系統(tǒng)分區(qū)、每天噴灌運行小時數(shù)、噴灌頻率等)、草坪種類、修剪、施肥、病蟲害防治、灌溉制度等為依據(jù)，按照一定的工作程序，尋求技術(shù)上可靠、經(jīng)濟上合理、使用上方便的節(jié)水型噴灌系統(tǒng)。草坪噴灌系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)遵循節(jié)水性、經(jīng)濟性、可靠性、實用性等原則。

3.3 噴灌系統(tǒng)設(shè)計主要內(nèi)容

噴灌系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容主要包括噴灌系統(tǒng)的基本自然資料，包括使用面積、用途、目的、地形、地理位置、氣候條件、土壤資料、水源、動力、灌溉要求、當(dāng)?shù)厥袌鰢姽嘞到y(tǒng)設(shè)備供應(yīng)情況等；人文資料包括業(yè)主設(shè)計要求、噴灌區(qū)域種植狀況、用戶資金狀況和噴灌系統(tǒng)擬用年限等的收集、噴灌用水分析和系統(tǒng)選型、噴灌系統(tǒng)整體規(guī)劃 (布置泵站、動力設(shè)備、水池、干管、支管、豎管、噴頭、自動控制系統(tǒng)等的方向和位置)、噴頭選型和布置、輪灌組劃分、管道水利計算、水泵設(shè)計等。

4 我國南北方該課程設(shè)計的差異

我國北方草坪灌溉與排水課程內(nèi)容與南方?jīng)]有明顯差異，但我國北方自然資源和社會資源與南方存在差異，導(dǎo)致其草坪灌溉與排水課程設(shè)計重點的差異。我國南方水熱資源豐富、草坪種類多、草坪生長速度快、綠期長，土壤肥沃、土層薄、地形平緩、排水性差、污染嚴(yán)重；我國北方水熱資源短缺、草坪種類少、草坪生長速度慢、綠期短，土壤平瘠、土層厚、地形坡度大，容易發(fā)生水土流失。我國北方開設(shè)草業(yè)科學(xué)專業(yè)的高校有蘭州大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、北京林業(yè)大學(xué)、甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)、內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)、新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)等，我國南方開設(shè)草業(yè)科學(xué)專業(yè)的高校有南京農(nóng)業(yè)大學(xué)、四川農(nóng)業(yè)大學(xué)、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)、中山大學(xué)、云南農(nóng)業(yè)大學(xué)、西南大學(xué)等。我國大部分院校沒有單獨開設(shè)草坪灌溉與排水課程，將草坪灌溉與排水課程的內(nèi)容在草坪學(xué)、草坪工程學(xué)、運動場草坪等課程中講授，只有少數(shù)院校，如北京林業(yè)大學(xué)、甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)等單獨開設(shè)草坪灌溉與排水課程。甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)科學(xué)本科生就業(yè)去向是我國北方和南方，課程設(shè)計時，應(yīng)該分清我國南北方草坪灌溉與排水課程設(shè)計差異。我國北方年降水量少，草坪灌溉與排水課程以灌溉為主，兼顧草坪排水，草坪需要經(jīng)常性灌溉，只有在暴雨和強降雨時進行排水，且以地表排水為主；我國南方年降水量多，大部分地區(qū)年降水量>800 mm，草坪以階段性灌溉為主，在降雨季節(jié)，尤其梅雨季節(jié)，為了防止草坪病害發(fā)生，經(jīng)常不灌溉或少量灌溉，草坪排水量大、排水時間長。鑒于我國北方自然資源和社會資源與南方存在差異，草坪灌溉與排水教學(xué)和課程設(shè)計中，北方重點強調(diào)灌溉方面設(shè)計，兼顧排水；南方階段性干旱程度與北方長期性干旱類似，南方灌溉規(guī)劃設(shè)計與北方類似，南方草坪草灌溉量等于北方，灌溉天數(shù)少于北方，南方排水量和排水管系高于北方，排水方面教學(xué)和課程設(shè)計內(nèi)容高于北方。

5 學(xué)生在課程設(shè)計中面臨的困惑

草坪灌溉與排水課程屬于工科性課程，其特點是公式多、難理解和難記憶。在草坪灌溉與排水課程設(shè)計中，要求每位學(xué)生單獨完成設(shè)計成果，不同學(xué)生有不同規(guī)劃思路和布置方式，即使規(guī)劃思路和布置方式相同，其設(shè)計成果隨設(shè)計公式及其參數(shù)選擇而變化，不同學(xué)生的課程設(shè)計成果完全不一樣，課程設(shè)計將考驗學(xué)生獨立性和創(chuàng)新性。在草坪灌溉與排水課程設(shè)計教學(xué)過程中，學(xué)生感覺最棘手問題為不知道設(shè)計各環(huán)節(jié)計算公式及不同公式的應(yīng)用取值范圍，同時，理不清楚各環(huán)節(jié)之間聯(lián)系，如，教科書中有多個灌水定額計算公式，不同灌水定額計算公式符號及取值范圍不一樣，學(xué)生在設(shè)計時不知道采取什么計算公式合適，同時，不知道灌水定額與其他設(shè)計參數(shù)(噴頭選型等)之間的聯(lián)系。筆者通過對多年教學(xué)過程的總結(jié)和概括，撰寫了草坪灌溉與排水課程設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，以期指導(dǎo)學(xué)生進行草坪噴灌與排水系統(tǒng)課程設(shè)計。

6 課程設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

草坪灌溉與排水課程設(shè)計包括內(nèi)容較多，其中設(shè)計灌水定額和灌水周期、噴頭布置和選型、輪灌組劃分等是草業(yè)科學(xué)本科生掌握的重點。灌水定額和灌水周期設(shè)計是課程設(shè)計切入點，是確定灌水周期、灌水時間、噴灌系統(tǒng)在1 d運行的時間和1次灌水持續(xù)時間等依據(jù)；噴頭為噴灌系統(tǒng)中最為關(guān)鍵設(shè)備，噴頭水力性能(噴頭工作壓力、射程、流量等)和噴頭機械性能(安裝、維修)與噴灌強度、霧化效果、噴灌均勻度、工程造價、工程運行費用等有關(guān)；輪灌組劃分與噴灌系統(tǒng)運行效益、管理成本、工程運行費用等有關(guān)。

6.1 設(shè)計灌水定額和灌水周期

草坪草灌溉需水量的估算公式包括以水面蒸發(fā)為參數(shù)需水系數(shù)法、草坪草生物量為參數(shù)需水量法、參照植物需水量計算法等[8，9]。在草坪噴灌系統(tǒng)設(shè)計時，采用較多是參照植物需水量計算法，實際草坪草和參考草坪草的蒸散量按公式計算：

ETc=Kc×ET0

(1)

(2)

(3)

式中：ETc為實際草坪草蒸散量(mm/d)，ET0為參考草坪草蒸散量(mm/d)，kc稱為草坪草系數(shù)，與草坪草種類、品種、生育階段、植物群體葉面積指數(shù)等因素有關(guān)。kc(Tab)為Allen等(1998)表17提供kc參考值，RHmin為每天最低相對濕度平均值，h為植株高度，Rn是表面凈輻射(MJ m2/d1)，G是土壤熱通量(MJ m2d1)，T是2 m高處空氣溫度(oC )，μ2是2 m高處風(fēng)速(m/s)，es和ea分別是飽和水汽壓和實際水汽壓(kPa)，Δ表示水汽壓強與溫度斜率(kPa/℃)，γ是干濕表常數(shù)(kPa/℃)。

設(shè)計灌水定額按公式計算：

(4)

式中：m設(shè)為設(shè)計灌水定額 (mm)，β1為適宜土壤含水量上限(%)，β2為適宜土壤含水量下限 (%)，γ為土壤容重 (g/cm)，H為計劃濕潤層深度 (cm)，ρ土壤濕潤比(%)。草坪灌溉土壤計劃層濕潤層深度一般為20～30cm。確定適宜土壤含水量上限的簡單方法是以田間持水量85%～90%作為適宜土壤含水量上限。當(dāng)土壤水吸力超過1.5Mpa時，植物根系無法從土壤中吸收水分，而發(fā)生永久萎蔫，當(dāng)土壤水吸力達到1.5Mpa時，土壤含水量當(dāng)作適宜土壤含水量下限。濕潤土體體積與整個計劃濕潤層土體的比值稱為土壤濕潤比(ρ)。

設(shè)計灌水周期按公式計算：

(5)

式中：T設(shè)為設(shè)計灌水周期(d)，η為灌溉水利用效率(%)，ETc實際草坪草耗水強度(mm/d)，約等于實際草坪草蒸散量。

在草坪灌溉與排水課程設(shè)計中，灌水定額和灌水周期是最初設(shè)計參數(shù)，沒有設(shè)計灌水定額和灌水周期，無法進行其他參數(shù)設(shè)計。學(xué)生沒有必要死記這些公式及其含義，只需記住不同公式試用范圍及優(yōu)缺點，不同國家和地區(qū)采用不同計算公式，應(yīng)該參考已經(jīng)建成的草坪工程確定的設(shè)計灌水定額和灌水周期，設(shè)計灌水定額和灌水周期應(yīng)該符合草坪設(shè)計管理規(guī)范。設(shè)計灌水定額是確定噴頭流量和噴灑時間的依據(jù)，設(shè)計灌水周期是確定灌水頻率的依據(jù)。在草坪管理和運營中，設(shè)計灌水定額和灌水周期不是一成不變，隨草坪草種類、生長狀況、降雨、風(fēng)速、溫度、濕度、土壤、病蟲害等情況變化而變化，在設(shè)計中靈活應(yīng)用。

6.2 噴頭布置和選型

噴頭布置包括噴頭組合形式、噴頭沿支管間距及支管間距等。噴頭組合形式主要取決于地塊形狀和風(fēng)的影響，一般為矩形或三角形組合。矩形噴頭布置適用于地塊規(guī)則和地塊邊緣成直角的綠地條件。該布置設(shè)計簡便，容易做到各條支管的流量均衡分配；三角形布置適用于不規(guī)則地塊或地塊邊界為開放式，該布置抗風(fēng)能力較強，噴灑均勻度要高于矩形或正方形噴頭布置，同時所需噴頭數(shù)量相對較少，但不易作到各條支管的流量均衡分配[10]。依土壤、草坪需水和設(shè)備情況，初選噴頭型號；根據(jù)噴頭射程及風(fēng)速影響，在平面圖上繪出噴頭位置，并依分塊尺寸反復(fù)調(diào)整，做到不漏噴和不噴灑到區(qū)域外。

當(dāng)噴頭布置完畢后，應(yīng)根據(jù)實際布置結(jié)果對系統(tǒng)組合噴灌強度進行校核，如噴灌強度超過土壤允許噴灌強度，應(yīng)重新調(diào)整噴頭布局或更新選擇噴頭型號，直到滿足要求為止。灌溉系統(tǒng)大多由多個噴頭組合進行工作，草坪噴灌強度一般指組合噴灌強度，灌溉系統(tǒng)要求灌溉水落到地面后能滲入土壤，即要求噴頭的組合噴灌強度(ρ組合)應(yīng)小于等于土壤水入滲率，見公式6，避免產(chǎn)生地面積水和徑流，雨滴大小適中，霧化程度適宜，并取得良好經(jīng)濟效益。各類土壤的允許噴灌強度(ρ允許)參考值見表1[11]。

(6)

式中：K為組合系數(shù)(無量綱)，n為同時工作的噴頭數(shù)(無量綱)，A為噴灌面積(m2)，q為單噴頭流量(m3/h)，Is為土壤允許噴灌強度(mm/h)。

表1 不同類型土壤的允許噴灌強度Table 1 The sprinkle intensity for different soil types mm/h

在草坪灌溉與排水課程設(shè)計中，噴頭布置和選型是較難掌握的內(nèi)容，影響噴頭布置和選型的因素(造價、運行費、地形、風(fēng)速、景觀要求、噴灌強度、噴灌均勻度、水滴打擊強度、允許噴灌強度等)多。在實際設(shè)計中，噴頭布置和選型主要參考已經(jīng)建成草坪工程經(jīng)驗，檢驗噴灌強度是最為關(guān)鍵環(huán)節(jié)，公式6中，n、A和q在噴頭選型和規(guī)劃設(shè)計中已確定，K參考風(fēng)速和噴頭組合情況等確定。

6.3 輪灌組劃分

在草坪噴灌系統(tǒng)設(shè)計中，為減少工程投資，提高設(shè)備利用率，擴大灌溉面積，一般采用輪灌的工作制度，輪灌是將各支管系統(tǒng)分為若干組，每組包括一個或者多個閥門，噴灌時通過干管向各個支管輪流配水，輪灌組的數(shù)目取決于每天允許運行時間、灌水周期和一次灌水延續(xù)時間。對于固定式灌溉系統(tǒng)，其輪灌組數(shù)目按公式計算：

(7)

式中：N為輪灌組數(shù)，C為1 d運行的時間(h)，T為灌水周期 (為1～7 d)，t為1次灌水持續(xù)時間(h)。

一次灌水持續(xù)時間是指每個輪灌區(qū)內(nèi)達到灌水定額所需的灌水時間，按公式計算：

(8)

式中：t為1次灌水持續(xù)時間(h)，A為噴灌面積(m2)，q為單噴頭流量(m3/h)，n為同時工作的噴頭數(shù)。

草坪水分循環(huán)(降雨或灌溉-截流-徑流-土壤水分吸收-土壤水分下滲-地下水-土壤水分蒸散等)是研究和制定草坪灌溉制度的理論依據(jù)。草坪灌溉與排水課程設(shè)計特點是公式多、難理解和難記憶，學(xué)生設(shè)計時經(jīng)常找不到切入點，不知道各環(huán)節(jié)計算公式及公式的取值和應(yīng)用范圍，理不清楚各環(huán)節(jié)之間聯(lián)系。通過對多年教學(xué)總結(jié)和概括，撰寫設(shè)計灌水定額和灌水周期、噴頭布置和選型、輪灌組劃分等設(shè)計的依據(jù)、計算公式、符號意義、符號取值范圍等，進一步闡明灌水定額和灌水周期、噴頭布置和選型、輪灌組劃分之間聯(lián)系，以期指導(dǎo)學(xué)生進行草坪噴灌與排水系統(tǒng)課程設(shè)計。

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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

國家自然基金 (41161090) 和 (41461062)資助

王琦(1969-),男,甘肅隴西人,副教授,博士,主要從事草坪、作物和牧草節(jié)水技術(shù)研究。 E-mail：wangqigsau@gmail.com

G 642

A

1009-5500(2015)05-0105-05