灌溉排水工程学课程设计

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1、绪论根据青海大学水利电力学院农业水利工程专业教育计划拟定的 灌溉排水工程学专业课的教学大纲的要求，该门课程除了理论知 识的学习，还必须进行为期一周的课程设计。我国是一个农业大国，又是一个水资源不足、时空分布不均匀、 旱涝灾害频繁的国家。近代一位伟人曾说过：“水利是农业的命脉”。 作为一名学习水利水电工程专业的学生，我们任重而道远。灌溉排 水工程学是我们必修的专业课程。通过课程的学习，我们了解到我 国水资源的现状，学习并掌握了灌溉排水的基础理论与基本原理、灌 排技术和基本的节水灌溉系统设计。在此基础上通过课程设计的锻炼，切实接触灌溉系统的规划设 计，这是对我们理论知识的进一步回顾，更是理论和实践

2、相结合能力 的进一步加强。本次课程设计以组为单位，同学之间互相讨论研究， 即可以提高我们的学习，也是培养同学关系的一次好机会。第一章 基本资料本次灌溉排水工程学课程设计拟定地点是西北某城市郊区, 位于湟水河北岸、II级阶地上，海拔在22502350m之间，地处市中 心以西17km处，109国道和西湟高速穿过项目区，有大堡子镇多 巴镇等级公路与国道相通，交通十分便利。在常规灌溉情况下，灌溉施肥平整土地需要耗费大量劳动力，且 生产效率低。故拟兴建操作方便，运转灵活，生产率高，并可兼顾喷 化肥的固定式喷灌系统。1.1 地形河谷冲积平原区，地势较为平坦。田块面积为 151 亩,一侧有礼 让渠通过，为灌

3、溉水源，其水位高出地面 1-2m。1.2 气象该地区地处黄土高原向青藏高原的过渡地带，属冬寒夏凉半干旱 大陆性高原气候。气候温凉、降水量小、蒸发量大，冰冻期长、无霜 期短，日温差较大，日照时间长、太阳辐射强。冬季干燥、降雪少， 春季多风，干旱少雨，夏季雨时集中，降水时空分布不均。常见风速 1-3m/s，风向多变。1.3 土壤土壤为多年农作物生长的灌淤土和腐殖土，土壤属粘壤土，稳定 入渗强度为10mm/h。土壤肥力高，耕性适宜，适种性广，保水、保 肥性能好，土壤水、肥、气协调，完全适宜蔬菜和其它农作物生长。 冻土层深度约1.5m左右。1.4 水源灌溉水源有保证。农田一侧有礼让渠经过，在保证率P=

4、75%时多年平均径流量W=3.05X 108ma，多年平均流量Q=9.6ma/so1.5 灌溉设计保证率根据灌溉与排水工程规范（GB50288-1999）规定，干旱、半 干旱地区灌溉设计保证率采用 5075%，结合该地区实际情况，灌溉 设计保证率采用 P=75%o1.6 作物对喷灌的要求该地区均种植小麦，设计灌水定额为40mm,日平均需水量2mm/d。本地区要求喷灌灌水均匀，水滴雾化良好。1.7 现有设备供应情况本地区电源有保障，市内有pyi （金属）及pys （塑料）系列的 摇臂式喷头、输水管道（钢管、石棉水泥管、硬塑及铝合金管）和农田 水泵供应。第二章 喷头和支管的组合2.1 灌水定额和灌

5、水周期灌水定额是指一次灌水单位面积上的灌水量。本次课程设计给定 设计灌水定额为 40mm。2.2 设计灌水周期灌水周期是指两次灌水时间间隔。灌水周期采用下式计算：mn7设T设设计灌水周期，d ；e 作物日耗水量，mmd ； n =0.85已知：日耗水量e为2mm/d，m为40mm所以 t = ml =17d设 e2.3 喷头选择和组合间距喷头的选择包括喷头型号,喷嘴直径和工作压力的选择。在选定 喷头之后，喷头的流量，射程等性能参数也就随之确定。按照国家标 准GB85-89喷灌工程技术规范规定，选择喷头和确定间距应遵守 的具体原则为下列4点:（1）喷头必须是质量合格的正规产品，性能参数（工作压力

6、 ， 力量，射程等）符合设计要求。本设计选用质量合格、正规厂家生产 、 性能参数符合设计要求的优质喷头。（2）组合喷灌强度不超过土壤的允许喷灌强度值。在本设计中 喷头的组合喷灌强度均要求小于灌区土壤允许喷灌强度。（3）喷灌系统的喷洒均匀系数C值一般不应低于70%80%，本u设计取C 75%，在满足规范规定的均匀度的条件下，确定喷头和支 u管的间距。（ 4）小麦的雾化指标取值范围在 30004000，在选择喷头时作为依据，选择满足作物要求雾化指标的喷头。根据作物特点属性，现选择中压喷头（中射程喷头），喷头参数见表 1表 1 喷头参数型号接头形式 及尺寸工作压力kPa喷头流量m3 h喷头直径mm射

7、程m2602.857.0202.4 喷头的组合喷头的组合形式包括支管布置方向，喷头组合方式及喷头沿支管 的间距，支管和支管间距。2.4.1 支管布置方向支管布置的方向，除考虑灌区地形因素及作物种植方向外，还考 虑灌区风向和地形的坡度方向。喷头工作时受风的影响：无风条件下， 喷头喷嘴为圆形面积。有风时，顺风向一侧，喷头射程增加，逆风向 一侧，喷头射程减小，而平行风向的两侧，射程也相应的变小。所以， 在一般情况下，支管布置在垂直主风向的位置，干管则布置在平行主 风向的位置。地面坡度也会影响支管的布置方向，地面有坡度时，下 坡方向，喷头射程加大，上坡方向，喷头射程变小。一般情况，支管 平行等高线布置

8、，干管垂直等高线布置。在该区，地势比较平坦，将 以风向作为判断支管方向的主要依据。该地区风向多变，因此可不考 虑风向对喷头的影响。2.4.2 确定组合及间距该灌区多风且风向多变，以减小风的影响采用全圆喷洒以保证灌区的喷灌质量。喷头组合形式的支管间距、喷头间距和有效控制面积见表 2：表2喷头组合形式的支管间距、喷头间距和有效控制面积喷头方式组合方式支管间距a喷头间距l有效面积全圆正方形1.42 R”设L42幔1.0扇形矩形1.73R”设人设汰设根据变系数法在满足喷洒均匀系数大于75% 的条件下，喷头间距 和支管间距按参考文献中的公式计算：R设二 KR = 0.7 x 20 = 14m式中： R

9、喷头的设计射程， m 。设K 系数，根据设计资料可确定此地为多风地区，可采用 0.7 。R 喷头的射程（或称最大射程）， m 。 全圆喷头正方形组合：l = 1.42 R 设=1.42 x 14 = 19.88 ma = 1.42 R 设=1.42 x 14 = 19.88 m2.4.3 雾化程度按雾化指标公式：P =1000伫计算dd式中：h为喷头工作压力水头，m ； d为喷嘴直径，mm； P值越pd大，说明其雾化程度越高，水滴直径就越小，打击强度也越小，式中h选260Kp的喷头，可换算成26m的水柱高。p对于小麦，P 值控制在 30004000，所以所选喷头满足雾化指标1000hP =pd

10、d1 % 26 = 37147要求。第三章 轮灌顺序3.1 喷头平均喷灌强度1000qq已知：q = 2.85 m 3 / h ，A有效=a x l = 19 .88 m x 19 .88 m = 395 .21 m 2所以1000 x 2.85 x 0.85P = 6.13 mm / h全395.21式中：q 喷头的喷水量；P全A有效耳一喷灌水的有效利用系数；n =0.85；A 在全圆转动时一个喷头的湿润面积 有效忑一喷灌系统的平均喷灌强度。全3.2 计算喷头在一个喷点上的工作时间t 二=P全式中：t 一个喷点上的工作时间;即喷头在一个喷点上的工作时间是m 40t = 6.53h，取 t =

11、 6.5h。P 全 6.133.3 计算同时工作的喷头数170 x 1556.5x20 x 2015 x 17式中： N 同时工作的喷头数；C 天中喷灌系统的有效工作小时数，由李宗尧主编节水灌溉技术p /26查得C取15 h （多风地区C值较小,但不宜小于8 h ）；（2）支管上的喷头数170（个）式中：n根支管的上的喷头数。L 支管的长度。l 喷头的间距。3）N= 155 沁 根）支管数 L 20式中： N 一块地的支管数支管数4）同时工作的的支管N 2 1N =4头=（根）取1根支 n 8 4式中： N 同时工作的支管。支因为考虑到实际需要，所以在每一块田上加扇形喷头，即在条田边上布置扇形

12、喷头。即一根支管上有9个喷头，一个区有9根支管。3.4 确定支管的轮灌方式每块田上有一根支管同时工作，轮灌时延分干管依次灌水。第四章 管道系统的平面布置如附图所示（管道系统平面规划图），将整个灌溉区分为四个小的罐区，每个区面积近似相等。每个区域内分别布置8 条支管，在干管始末间隔20m处各布置一条支管，选py 20工作压力为300kp的喷头， 1a喷头间距为20m，每条支管布置9个喷头，采用圆形喷洒。其他每隔20m布置一条支管，选用py20工作压力为260Kp的喷头，支管上喷头间距和喷头数与始末支管上的喷头间距圆形的一样。第五章 管道设计及水力计算5.1 管材的选择管材的选择应当根据本地区的具

13、体情况，地质、地形、气候、运 输、供应以及使用环境和工作压力等条件，结合各种管材的特性以及 使用条件进行选择。根据本设计资料，干、支管采用硬聚氯乙烯管。5.2 管径的选择在管道系统布置以及喷灌工作制度确定之后，各级各段管道的长 度以及通过的流量为已知，这时可将各管道的流量按轮灌顺序列成表 格，据此进行管道水力计算和选择管径。（1）由表 1 喷头参数查得喷头流量为：260kpa工作水头喷头的流量：q二2.85m3/h（2） 支管、干管的流量及管径选择（由喷灌工程学查得经验公 式）：当 Q 120 m 3/h d = 11.5 Q 干=11.51 205.2 = 164 mm根据灌溉工程技术规范中

14、硬聚氯乙烯管的性能参数表(下表3) 选官径d = 160mm，壁厚为5.0mm，头际内径为150mm。表 3 硬聚氯乙烯管的性能参数表序号外径(mm)壁厚(mm)计算内 径(mm)S0(Q以m3 / s计)S0(Q以m3 / h计)1251.5227.380 x 1043.745 x 10-22321.5291.976 x 1041.003 x 10-23402.0367.045 x 1033.575 x 10-34502.0462.188 x 1031.110 x 10-35632.5587.242 x 1023.675 x 10-46752.5702.953 x 1021.499 x 10

15、-47903.0841.238 x 1026.281x 10-581103.510346.792.375 x 10-591254.011725.481.293 x 10-5101404.513114.867.541 x 10-6111605.01507.7893.952 x 10-6121805.51694.4102.238 x 10-6132006.01882.6531.346 x 10-65.3 沿程水头损失计算LQmdb式中： h 沿程水头损失， m ；ff 摩阻系数，与摩阻损失有关L 管长，m；Q 流量，m3/ h ；m 流量指数，与摩阻损失有关d 管内径， mm ；b 管径指数，与摩

16、阻损失有关。各种管材的f m、b值可以按照下表4确定:表4 f, m , b数值表管材种类fmb混凝土及 当地材料 管糙率为n = 0.0131.312 x 1062.005.33糙率为n = 0.0141.516 x 1062.005.33糙率为n = 0.0151.749 x 1062.005.33旧钢管、旧铸铁管6.250 x 1052.905.10石棉水泥管1.455 x 1051.854.89硬塑料管0.948 x 1051.774.77铝质管及铝合金管0.861 x 1051.744.74由表 4 塑料硬管：f = 0.948xIO5，m = 1.77， b = 4.77。1) 最

17、远距离支管的沿程水头损失为：已知：L = 170m， d = 90mm， Q 二 25.65 m 3 / h支h厂fLQJ.77cc “ “V 170 x(25.65.77支=0.948 x 105 x= 2.40md b90 4.77即支管的沿程水头损失2.40m。2) 干管的沿程水头损失为：已知：L=350m， d =160mm， Q = 205.6m3 /h ，则干hfrLQJ.77350 x(205.2.77“=f 支=0.948 x 105 x= 12.58md b1604.77总的沿程水头损失为：hf总=1258 + 240 = 1498 m局部水头损 失一般为总沿程水头损 失的

18、10% ， 即h 二 14.98 x 0.1 二 1.498mj总水头损失：hw血 hf 匹 hj = 14-98 + 1-498 = 1648m第六章 首部枢纽的布置6.1 水泵的设计流量由下式计算得水泵的设计流量：Q = N头 qN 喷头数量； 头q 单喷头流量。即 Q = N头=2.85 x9x 8 = 205.2Eh6.2 泵的扬程计算喷管的竖管高度：水泵的设计扬程为：式中：H = h + h + h + AZ1wwH 水泵设计扬程， m ；h 支管入口压力，m ；1h 支管以上水头损失， m；wh 吸水管水头损失， m； wAZ 典型喷头高程与水源水面高差， m则：AZ = 1.5

19、+1.5 = 3mh = 14.89m ；wP 260 ；h = 26.51 沁 27m ；1 p g 1 x 9.807h = h + Ah + h= 1 +1.5 + 0.6 = 3.1m ；w泵泵入水式中：h 泵的高度, m ； 泵Ah 水网水位距地面咼，（取1.5m）；1.5mh泵入水一泵深入水面的深度，m ；H = h + h + h +AZ = 31 +16.48 + 3.1 + 3 = 53.58m1 w w即水泵的设计扬程为 53.58m。6.3 水泵的选型及动力配套水泵的选型应先考虑扬程的要求，而且还要满足流量的要求，由 上述计算出的扬程和流量分别为53.58m和205.2m

20、3 /h，考虑到扬程的 因素，扬程不能太大，所以用二台正常工作水泵和一台备用水泵。根据计算出的喷灌系统水泵设计流量和总扬程，查表5 选定的水 泵 生 产 厂 家 的 水 泵 技 术 参 数 表 ， 选 出 合 适 的 水 泵 型 号 S L S - 250(I)流量 130 m 3 /h,扬程 68m )的单级吸悬臂式清水离心泵。此块 地需要 2 台水泵，考虑到水泵工作时可能出现故障，所以还需要1 台 备用水泵。表 5 水泵性能参数型号流量Q扬程(m)效率耳%电机功率P(kW)转速n(r / min)必需气蚀余量 r (m)m3/ hL / s6116.941SLS80 -100(/)B872

21、4.238711529004.011331.4327019.48762SLS80 - 250(1)10027.880713729004.013036.1686865.418.27661SLS80 - 250(/) A93.526.070683029004.012133.859.5676116.965SLS80 - 250(/)B8724.250662229004.011331.4516.4 沉淀池的设计当水中泥沙含量大于过滤器的处理能力时，使用筛网过滤器和 介质过滤器将因频繁的冲洗而不能正常工作时，此时需要借助于沉淀 池对灌溉水进行初步沉淀处理。它的目的是去除水中的大量泥沙。表 6用水悬浮物浓

22、度与堵塞程度等级悬浮物浓度mg / l堵塞程度0140（1）设计参数的选用a. 表面负荷率卩:h = Q （建议取 0.2 2mm / s）这里取 u = 0.2mm/ s。0 A0b. 水平流速v :在沉淀池中，增大水平流速，一方面提高了雷诺数 R 而不利于 ed泥沙颗粒下沉，但另一方面却提高了弗劳德数 F ，而增加了水流的稳 r定性，利于提高沉淀效果。沉淀池的水平流速易取v= 1025 mms。则v = 10 mm s。C.停留时间t :沉淀池的停留时间应考虑原水水质和沉淀池水质要求，并根据沉淀池运行经验，采取t = 1 3h，这里取T = 2h。d. 长宽比：一般认为，沉淀池沉淀区的长度

23、和宽度之比不得小于 4。若计 算得出沉淀池的宽度较大时，应进行分格，每格宽度易为38m， 最大不超过15m。e. 池的长深比：沉淀池的长度与深度之比不得小于10。(2)沉淀池设计计算沉淀池的表面积：205.2A Q 3600205.2 x 1000A =Xu 0.23600 0.2 = 285加o1000式中：Q 一产水量205.2m3/h ；沉淀池长度：L = 3.6vT = 3.6 x 10 x 2 = 72m式中：l 沉淀池长度(m)；v 水平流速(mmis)；T 停留时间(h)；沉淀池的宽度：B = A = 285 = 3.9m 沁 4.0m L 72式中：B 沉淀池的宽度(m)；A

24、沉淀池表面积(2)；L 一沉淀池长度(m)；沉淀池的有效水深：H、= QT = 205.2% 2 = 1.42m 沁 1.5m 1 BL 72 x 4.0式中：H沉淀池的有效水深(m)；Q 产水量(m 3 / h)；T 停留时间(h )；由以上数据可知泵深入水面的深度，可设为0.6m。6.5 施肥罐的选择施肥罐的选型一般根据喷灌地的规划面积选择，面积大的选用较 大容积的，面积小的选用较小容积的。向压力管道内注入可溶性肥料 或农药溶液的设备及装置称为施肥装置。常用的施肥装置有以下几 种：压差式施肥罐，开敞式肥料罐自压施肥装置，文丘里注入器，注 射泵。本系统工程规划面积为 151 亩，选用压差式施

25、肥罐，型号为SFG300。测控保护装置：包括水表、压力表、止回阀、排气阀等。6.6 镇墩 镇墩设置要考虑传递力的大小和方向，并使之安全的传递给地基，一般在管道分岔，拐弯，变径，末端，阀门后置和连管处每隔一定距 离设置一个镇墩。镇墩采用混凝土墩(C20)，镇墩尺寸为 0.6x 0.6x0.6m 的 12 个和 0.4x0.4x0.4m 的 30 个。6.7 阀门井 为了方便灌区管段的检修、维护、使用，需要修建阀门井。6.8 泵房为了使系统首部能够正常的使用和便于维护，需修建泵房，根据 过滤器、施肥罐尺寸，在首部修建20m 2泵房。6.9 喷灌系统辅助设备在灌溉管道系统中，除直管和接头外，还有一些

26、特别的配件，这 些配件可以分成两类：一使控制件，二是连接件。控制件的作用是根据灌溉的需要来控制管道系统中水流的流量 和压力，如给水阀、阀门、安全阀、逆制阀、空气阀、流量调节器、 配水井、放水井等。连接件的作用根据需要将管道连接成一定形状繁荣管网，也称管 件，如三通和四通、异径通、堵头、一字管、短管等。表 7 管材设备名称管材内径 （mm ）管长（m）数量（根）型号干管1603501大支管90544032小表 8 三通名称个数型号异径三通接头（二级主干管与分干管 处）1大三通接头（支管与分干管处）56大三通接头（支管与竖管处）784小表 9 喷头喷灌型号工作压力（KP ）a喷灌直径（mm ）喷头

27、个数PY20全圆2607255表 10 闸阀名称管材外径 （mm ）闸阀内径 （mm ）数量（个）型号干管1601501大支管9010032大排水管403070小表 11 其它设备名称数量（个 ）备注排水井22异径四通接头1堵头60分干管和支管尾部弯头4吸水管3排水井4在分干官末端阀门井2压力表3水表1过滤器1施肥罐1参考文献1 汪志农.2009.灌溉排水工程学. 北京:中国农业出版社2 李宗尧.2003.节水灌溉技术. 北京:中国水利水电出版社3 国家标准.灌溉与排水工程设计规范(GB/502881999)4 周世峰. 2004. 喷灌工程学. 北京:北京工业大学出版社5 国家标准.喷灌工程

28、技术规范(GB/T500852007)6 行业标准.喷灌与微灌工程技术管理规程(SL2361999)致谢时光荏苒，五天的灌溉排水工程学课程设计即将画上了圆满 的句号。在王黎君老师的悉心指导和耐心讲解下，我们组基本上按要 求圆满的完成了根据教学安排布置的灌溉排水工程学课程设计， 通过这次设计，使我们对所学的基础理论知识有了进一步的认识和体 会，能将所学的课程进行综合利用，提高了自身的理论知识水平，有 效的将理论和实践结合起来。介于我们的知识储备，在设计过程中还是遇到了不少问题，可幸 上午是王老师每天能够不辞辛苦坚持到学校，帮助我们释疑解惑，遇 到我们未曾接触的知识面，在课堂上也为我们做了很全面的补充。正 因如此我们组的设计才能够较好的如期完成。在此，向我们的王老师 致以最诚挚的谢意。当然，由于我们能力有限，而且实践经验较少，设计中还有诸多 不足之处，希望王老师能多多批评指正。