草坪灌溉與排水課程設計的關鍵環節分析

王琦

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

關鍵詞：草坪灌溉與排水；課程設計；關鍵環節

中圖分類號：G 642文獻標識碼：A文章編號：1009-5500（2015）05-0105-05

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基礎，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，當草坪草含水量低于60%時，草坪草就會死亡[1，2]。草坪草體內水分不但維持細胞膨壓，還是許多化合物的溶劑，是草坪草體內生化反應的物質基礎，同時調節草坪草體內溫度。在中國大部分地區，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，水生產成本是草坪經營者最為關心問題，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境等，提高灌溉水利用效率成為維護和發展草坪業的重要措施[3]。

2課程目標和課程設計任務

研究草坪草用水規律、熟悉草坪灌溉設備、掌握草坪灌溉方法和排水技術、提高灌溉水利用效率是草業科學本科生必修課程內容之一，是草坪灌溉與排水的課程目標。課程以和草坪灌溉和排水相關的降水、徑流、截流、土壤水、入滲、蒸發、蒸騰、水量平衡方程、管道水利學原理等理論為基礎，重點介紹草坪草需水量估算、草坪噴灌設備、草坪噴灌系統規劃設計、草坪噴灌系統自動化控制、草坪噴灌系統加壓泵站、草坪排水系統規劃設計等，為草坪設計合理的灌溉和排水系統，從而提高灌溉水利用效率和減少生態污染[4]。

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

3課程設計涵蓋內容

3.1噴灌系統選擇

草坪需要經常性的修剪、病蟲害防治、施肥等作業，這些作業往往由機械完成，草坪安裝噴灌系統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發生碰撞，草坪噴灌系統設備選型和管網布置應適應草坪的種植方式。在草坪灌溉管理中，噴灌系統應該結合草坪病害防治，灌溉者應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系密切。通過精心設計布置噴灌系統，使噴灌系統能滿足草坪需水要求，同時形成水動景觀和環境效果。

3.2噴灌系統設計組成和依據

噴灌系統設計組成包括水源 （城市供水系統、湖泊、水庫、河流、地下水等）、首部樞紐 （動力設備、水泵、過濾器、加藥器、泄壓閥、逆止閥、水表、壓力表以及控制設備等）、管網 （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、開關閥、限壓閥、泄水閥）、噴頭、自動控制系統 （中央計算機、衛星分控箱、解碼器、氣象觀測站、ET系統等）等設備。在草坪灌溉與排水課程設計中，噴頭是噴灌系統中最重要的部件，噴頭質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，而且影響噴灌系統工程造價和運行費用[7]。草坪噴灌系統設計是以基本資料為基礎，以噴灌技術參數 （土壤入滲速率、田間持水量、凋萎含水量、草坪最大日用水量、潛在蒸發量、噴頭系統分區、每天噴灌運行小時數、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，按照一定的工作程序，尋求技術上可靠、經濟上合理、使用上方便的節水型噴灌系統。草坪噴灌系統設計應遵循節水性、經濟性、可靠性、實用性等原則。

3.3噴灌系統設計主要內容

噴灌系統設計內容主要包括噴灌系統的基本自然資料，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、當地市場噴灌系統設備供應情況等；人文資料包括業主設計要求、噴灌區域種植狀況、用戶資金狀況和噴灌系統擬用年限等的收集、噴灌用水分析和系統選型、噴灌系統整體規劃 （布置泵站、動力設備、水池、干管、支管、豎管、噴頭、自動控制系統等的方向和位置）、噴頭選型和布置、輪灌組劃分、管道水利計算、水泵設計等。

4我國南北方該課程設計的差異

我國北方草坪灌溉與排水課程內容與南方沒有明顯差異，但我國北方自然資源和社會資源與南方存在差異，導致其草坪灌溉與排水課程設計重點的差異。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，容易發生水土流失。我國北方開設草業科學專業的高校有蘭州大學、中國農業大學、北京林業大學、甘肅農業大學、內蒙古農業大學、新疆農業大學等，我國南方開設草業科學專業的高校有南京農業大學、四川農業大學、華南農業大學、中山大學、云南農業大學、西南大學等。我國大部分院校沒有單獨開設草坪灌溉與排水課程，將草坪灌溉與排水課程的內容在草坪學、草坪工程學、運動場草坪等課程中講授，只有少數院校，如北京林業大學、甘肅農業大學等單獨開設草坪灌溉與排水課程。甘肅農業大學草業科學本科生就業去向是我國北方和南方，課程設計時，應該分清我國南北方草坪灌溉與排水課程設計差異。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，大部分地區年降水量>800 mm，草坪以階段性灌溉為主，在降雨季節，尤其梅雨季節，為了防止草坪病害發生，經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和課程設計中，北方重點強調灌溉方面設計，兼顧排水；南方階段性干旱程度與北方長期性干旱類似，南方灌溉規劃設計與北方類似，南方草坪草灌溉量等于北方，灌溉天數少于北方，南方排水量和排水管系高于北方，排水方面教學和課程設計內容高于北方。

5學生在課程設計中面臨的困惑

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計中，要求每位學生單獨完成設計成果，不同學生有不同規劃思路和布置方式，即使規劃思路和布置方式相同，其設計成果隨設計公式及其參數選擇而變化，不同學生的課程設計成果完全不一樣，課程設計將考驗學生獨立性和創新性。在草坪灌溉與排水課程設計教學過程中，學生感覺最棘手問題為不知道設計各環節計算公式及不同公式的應用取值范圍，同時，理不清楚各環節之間聯系，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，學生在設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計參數（噴頭選型等）之間的聯系。筆者通過對多年教學過程的總結和概括，撰寫了草坪灌溉與排水課程設計的關鍵環節，以期指導學生進行草坪噴灌與排水系統課程設計。

6課程設計的關鍵環節

草坪灌溉與排水課程設計包括內容較多，其中設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科學本科生掌握的重點。灌水定額和灌水周期設計是課程設計切入點，是確定灌水周期、灌水時間、噴灌系統在1 d運行的時間和1次灌水持續時間等依據；噴頭為噴灌系統中最為關鍵設備，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；輪灌組劃分與噴灌系統運行效益、管理成本、工程運行費用等有關。

6.1設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為參數需水系數法、草坪草生物量為參數需水量法、參照植物需水量計算法等[8，9]。在草坪噴灌系統設計時，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）

kc=kc（Tab）+[0.04（μ2-2）-0.004（RHmin-45）]（h3）0.3（2）

ET0=0.408Δ（Rn-G）γ（900T+273）μ2（es-ea）Δ+γ（1+0.34μ2）（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，與草坪草種類、品種、生育階段、植物群體葉面積指數等因素有關。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 m2 d1），T是2 m高處空氣溫度（oC ），μ2是2 m高處風速（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（kPa/℃）。

設計灌水定額按公式計算：

m設=10×β1-β2ρ×γ×H（4）

式中：m設為設計灌水定額 （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20～30 cm。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。當土壤水吸力超過1.5 Mpa時，植物根系無法從土壤中吸收水分，而發生永久萎蔫，當土壤水吸力達到1.5 Mpa時，土壤含水量當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）。

設計灌水周期按公式計算：

T設=mηETc（5）

式中：T設為設計灌水周期（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計中，灌水定額和灌水周期是最初設計參數，沒有設計灌水定額和灌水周期，無法進行其他參數設計。學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缺點，不同國家和地區采用不同計算公式，應該參考已經建成的草坪工程確定的設計灌水定額和灌水周期，設計灌水定額和灌水周期應該符合草坪設計管理規范。設計灌水定額是確定噴頭流量和噴灑時間的依據，設計灌水周期是確定灌水頻率的依據。在草坪管理和運營中，設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、風速、溫度、濕度、土壤、病蟲害等情況變化而變化，在設計中靈活應用。

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則和地塊邊緣成直角的綠地條件。該布置設計簡便，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則地塊或地塊邊界為開放式，該布置抗風能力較強，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、草坪需水和設備情況，初選噴頭型號；根據噴頭射程及風速影響，在平面圖上繪出噴頭位置，并依分塊尺寸反復調整，做到不漏噴和不噴灑到區域外。

當噴頭布置完畢后，應根據實際布置結果對系統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，應重新調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）應小于等于土壤水入滲率，見公式6，避免產生地面積水和徑流，雨滴大小適中，霧化程度適宜，并取得良好經濟效益。各類土壤的允許噴灌強度（ρ允許）參考值見表1[11]。

ρ組合=KnqA

式中：K為組合系數（無量綱），n為同時工作的噴頭數（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 1The sprinkle intensity for different soil typesmm/h

土壤類別砂土壤砂土砂壤土壤土粘土允許噴灌強度（ρ允許）201512108在草坪灌溉與排水課程設計中，噴頭布置和選型是較難掌握的內容，影響噴頭布置和選型的因素（造價、運行費、地形、風速、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。在實際設計中，噴頭布置和選型主要參考已經建成草坪工程經驗，檢驗噴灌強度是最為關鍵環節，公式6中，n、A和q在噴頭選型和規劃設計中已確定，K參考風速和噴頭組合情況等確定。

6.3輪灌組劃分

在草坪噴灌系統設計中，為減少工程投資，提高設備利用率，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，輪灌組的數目取決于每天允許運行時間、灌水周期和一次灌水延續時間。對于固定式灌溉系統，其輪灌組數目按公式計算：

N

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

一次灌水持續時間是指每個輪灌區內達到灌水定額所需的灌水時間，按公式計算：

t=mAnq（8）

式中：t為1次灌水持續時間（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。

草坪水分循環（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。草坪灌溉與排水課程設計特點是公式多、難理解和難記憶，學生設計時經常找不到切入點，不知道各環節計算公式及公式的取值和應用范圍，理不清楚各環節之間聯系。通過對多年教學總結和概括，撰寫設計灌水定額和灌水周期、噴頭布置和選型、輪灌組劃分等設計的依據、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、輪灌組劃分之間聯系，以期指導學生進行草坪噴灌與排水系統課程設計。

參考文獻：

[1]孫吉雄.草坪學（第三版）[M].北京：中國農業出版社，2008.

[2]邱亦維，韓烈保.灌溉對草坪草生長發育的影響[J].草原與草坪，2002（2）：19-21.

[3]袁青彬，石凡濤，鄧艷芳.灌溉對草坪草返青的影響[J].安徽農業科學，2010，38（20）：10622-10623.

[4]蘇德榮.草坪灌溉與排水工程學[M].北京：中國農業出版社，2004.

[5]李廣竹.高爾夫球場草坪噴灌系統設計淺談[J].給水排水，2010，27（5）：64-65.

[6]韓建國，潘金山，王培.不同草種草坪蒸散量及各草種抗寒性的研究[J].草業科學，2001，10（4）：56-63.

[7]孫強，韓建國，毛培勝.草地早熟禾與高羊茅蒸散量的研究[J].草業科學，2003，20（1）：16-19.

[8]陳為峰，張志國.草坪噴灌系統規劃設計與施工應注意的問題[J].節水灌溉，1999（2）：1-2.

[9]夏欣欣.草坪噴灌水系統設計[J].中國給水排水，2001，17（3）：41-43.

[10]王瑛，范宗良，王剛，等.草坪噴灌系統的規劃設計及應用[J].排灌機械，2000，18（3）：13-15.

[11]韓烈保.高爾夫球場草坪[M].北京：中國農業出版社，2004.

[12]趙子娟.淺議園林綠化工程中噴灌系統的設計要點和施工方法[D].太原：山西林業職業技術學院，2008.

Key segments of curriculum design in course

of turfgrass irrigation and drainage

WANG Qi

（College of Pratacultural Science，Gansu Agricultural University/Key Laboratory of Grassland Ecosystem，

Ministry of Education/Pratacultural Engineering Laboratory of Gansu Province/Sino-U.S.Centers

for Grazingland Ecosystem Sustainability，Lanzhou 730070，China）

Abstract：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。

Key words：turfgrass irrigation and drainage；curriculum design；key segment