灌溉排水工程學(xué)課程設(shè)計(jì)

1、青海大學(xué) 灌溉排水工程學(xué)課程設(shè)計(jì) 緒 論根據(jù)青海大學(xué)水利電力學(xué)院農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè)教育計(jì)劃擬定的灌溉排水工程學(xué)專業(yè)課的教學(xué)大綱的要求，該門課程除了理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，還必須進(jìn)行為期一周的課程設(shè)計(jì)。 我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，又是一個(gè)水資源不足、時(shí)空分布不均勻、旱澇災(zāi)害頻繁的國(guó)家。近代一位偉人曾說過：“水利是農(nóng)業(yè)的命脈”。作為一名學(xué)習(xí)水利水電工程專業(yè)的學(xué)生，我們?nèi)沃囟肋h(yuǎn)。灌溉排水工程學(xué)是我們必修的專業(yè)課程。通過課程的學(xué)習(xí)，我們了解到我國(guó)水資源的現(xiàn)狀，學(xué)習(xí)并掌握了灌溉排水的基礎(chǔ)理論與基本原理、灌排技術(shù)和基本的節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上通過課程設(shè)計(jì)的鍛煉，切實(shí)接觸灌溉系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)，這是對(duì)我們理論知識(shí)的進(jìn)一

2、步回顧，更是理論和實(shí)踐相結(jié)合能力的進(jìn)一步加強(qiáng)。本次課程設(shè)計(jì)以組為單位，同學(xué)之間互相討論研究，即可以提高我們的學(xué)習(xí)，也是培養(yǎng)同學(xué)關(guān)系的一次好機(jī)會(huì)。第一章 基本資料本次灌溉排水工程學(xué)課程設(shè)計(jì)擬定地點(diǎn)是西北某城市郊區(qū),位于湟水河北岸、II級(jí)階地上，海拔在22502350m之間，地處市中心以西17km處，109國(guó)道和西湟高速穿過項(xiàng)目區(qū)，有大堡子鎮(zhèn)多巴鎮(zhèn)等級(jí)公路與國(guó)道相通，交通十分便利。在常規(guī)灌溉情況下，灌溉施肥平整土地需要耗費(fèi)大量勞動(dòng)力，且生產(chǎn)效率低。故擬興建操作方便，運(yùn)轉(zhuǎn)靈活，生產(chǎn)率高，并可兼顧噴化肥的固定式噴灌系統(tǒng)。1.1 地形河谷沖積平原區(qū)，地勢(shì)較為平坦。田塊面積為151畝,一側(cè)有禮讓渠通過，為

3、灌溉水源，其水位高出地面1-2m。1.2 氣象 該地區(qū)地處黃土高原向青藏高原的過渡地帶，屬冬寒夏涼半干旱大陸性高原氣候。氣候溫涼、降水量小、蒸發(fā)量大，冰凍期長(zhǎng)、無(wú)霜期短，日溫差較大，日照時(shí)間長(zhǎng)、太陽(yáng)輻射強(qiáng)。冬季干燥、降雪少，春季多風(fēng)，干旱少雨，夏季雨時(shí)集中，降水時(shí)空分布不均。常見風(fēng)速1-3m/s，風(fēng)向多變。1.3 土壤土壤為多年農(nóng)作物生長(zhǎng)的灌淤土和腐殖土，土壤屬粘壤土，穩(wěn)定入滲強(qiáng)度為10mm/h。土壤肥力高，耕性適宜，適種性廣，保水、保肥性能好，土壤水、肥、氣協(xié)調(diào)，完全適宜蔬菜和其它農(nóng)作物生長(zhǎng)。凍土層深度約1.5m左右。1.4 水源 灌溉水源有保證。農(nóng)田一側(cè)有禮讓渠經(jīng)過，在保證率P=75%時(shí)多

4、年平均徑流量W=3.05×108m3，多年平均流量Q=9.6m3/s。1.5 灌溉設(shè)計(jì)保證率根據(jù)灌溉與排水工程規(guī)范（GB50288-1999）規(guī)定，干旱、半干旱地區(qū)灌溉設(shè)計(jì)保證率采用5075%，結(jié)合該地區(qū)實(shí)際情況，灌溉設(shè)計(jì)保證率采用P=75%。1.6 作物對(duì)噴灌的要求 該地區(qū)均種植小麥，設(shè)計(jì)灌水定額為40mm，日平均需水量2mm/d。本地區(qū)要求噴灌灌水均勻，水滴霧化良好。1.7 現(xiàn)有設(shè)備供應(yīng)情況本地區(qū)電源有保障，市內(nèi)有（金屬）及（塑料）系列的搖臂式噴頭、輸水管道(鋼管、石棉水泥管、硬塑及鋁合金管)和農(nóng)田水泵供應(yīng)。第二章 噴頭和支管的組合2.1 灌水定額和灌水周期灌水定額是指一次灌水單

5、位面積上的灌水量。本次課程設(shè)計(jì)給定設(shè)計(jì)灌水定額為40mm。2.2 設(shè)計(jì)灌水周期灌水周期是指兩次灌水時(shí)間間隔。灌水周期采用下式計(jì)算：設(shè)計(jì)灌水周期，；作物日耗水量，；=0.85 已知：日耗水量為2mm/d，為40mm 所以 =17 2.3 噴頭選擇和組合間距噴頭的選擇包括噴頭型號(hào),噴嘴直徑和工作壓力的選擇。在選定噴頭之后，噴頭的流量，射程等性能參數(shù)也就隨之確定。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB85-89噴灌工程技術(shù)規(guī)范規(guī)定，選擇噴頭和確定間距應(yīng)遵守的具體原則為下列4點(diǎn):（1）噴頭必須是質(zhì)量合格的正規(guī)產(chǎn)品，性能參數(shù)（工作壓力 ，力量，射程等）符合設(shè)計(jì)要求。本設(shè)計(jì)選用質(zhì)量合格、正規(guī)廠家生產(chǎn) 、性能參數(shù)符合設(shè)計(jì)要求的優(yōu)

6、質(zhì)噴頭。（2）組合噴灌強(qiáng)度不超過土壤的允許噴灌強(qiáng)度值。在本設(shè)計(jì)中噴頭的組合噴灌強(qiáng)度均要求小于灌區(qū)土壤允許噴灌強(qiáng)度。（3）噴灌系統(tǒng)的噴灑均勻系數(shù)值一般不應(yīng)低于，本設(shè)計(jì)取，在滿足規(guī)范規(guī)定的均勻度的條件下，確定噴頭和支管的間距。 （4）小麥的霧化指標(biāo)取值范圍在30004000，在選擇噴頭時(shí)作為依據(jù)，選擇滿足作物要求霧化指標(biāo)的噴頭。根據(jù)作物特點(diǎn)屬性，現(xiàn)選擇中壓噴頭（中射程噴頭），噴頭參數(shù)見表1 表1 噴頭參數(shù)型號(hào)接頭形式及尺寸工作壓力噴頭流量噴頭直徑射程2602.857.0202.4 噴頭的組合噴頭的組合形式包括支管布置方向，噴頭組合方式及噴頭沿支管的間距，支管和支管間距。2.4.1 支管布置方向支管

7、布置的方向，除考慮灌區(qū)地形因素及作物種植方向外，還考慮灌區(qū)風(fēng)向和地形的坡度方向。噴頭工作時(shí)受風(fēng)的影響：無(wú)風(fēng)條件下，噴頭噴嘴為圓形面積。有風(fēng)時(shí)，順風(fēng)向一側(cè)，噴頭射程增加，逆風(fēng)向一側(cè)，噴頭射程減小，而平行風(fēng)向的兩側(cè)，射程也相應(yīng)的變小。所以，在一般情況下，支管布置在垂直主風(fēng)向的位置，干管則布置在平行主風(fēng)向的位置。地面坡度也會(huì)影響支管的布置方向，地面有坡度時(shí)，下坡方向，噴頭射程加大，上坡方向，噴頭射程變小。一般情況，支管平行等高線布置，干管垂直等高線布置。在該區(qū)，地勢(shì)比較平坦，將以風(fēng)向作為判斷支管方向的主要依據(jù)。該地區(qū)風(fēng)向多變，因此可不考慮風(fēng)向?qū)婎^的影響。2.4.2確定組合及間距該灌區(qū)多風(fēng)且風(fēng)向多變

8、，以減小風(fēng)的影響采用全圓噴灑以保證灌區(qū)的噴灌質(zhì)量。噴頭組合形式的支管間距、噴頭間距和有效控制面積見表2：表2 噴頭組合形式的支管間距、噴頭間距和有效控制面積噴頭方式組合方式支管間距噴頭間距有效面積全圓正方形1.0扇形矩形根據(jù)變系數(shù)法在滿足噴灑均勻系數(shù)大于的條件下，噴頭間距和支管間距按參考文獻(xiàn)中的公式計(jì)算： 式中：噴頭的設(shè)計(jì)射程，。系數(shù)，根據(jù)設(shè)計(jì)資料可確定此地為多風(fēng)地區(qū)，可采用0.7。 噴頭的射程（或稱最大射程），。全圓噴頭正方形組合： 2.4.3霧化程度按霧化指標(biāo)公式：計(jì)算 式中：為噴頭工作壓力水頭，；為噴嘴直徑，；值越大，說明其霧化程度越高，水滴直徑就越小，打擊強(qiáng)度也越小，式中選260Kp的

9、噴頭，可換算成26m的水柱高。對(duì)于小麥，值控制在30004000，所以所選噴頭滿足霧化指標(biāo)要求。第三章 輪灌順序3.1噴頭平均噴灌強(qiáng)度已知： ，所以 式中： 噴頭的噴水量；噴灌水的有效利用系數(shù)；=0.85；在全圓轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)一個(gè)噴頭的濕潤(rùn)面積；噴灌系統(tǒng)的平均噴灌強(qiáng)度。3.2計(jì)算噴頭在一個(gè)噴點(diǎn)上的工作時(shí)間 式中： 一個(gè)噴點(diǎn)上的工作時(shí)間；即噴頭在一個(gè)噴點(diǎn)上的工作時(shí)間是：，取。3.3 計(jì)算同時(shí)工作的噴頭數(shù)（1） 式中：同時(shí)工作的噴頭數(shù)；天中噴灌系統(tǒng)的有效工作小時(shí)數(shù)，由李宗堯主編節(jié)水灌溉技術(shù)查得?。ǘ囡L(fēng)地區(qū)值較小，但不宜小于8）；(2)支管上的噴頭數(shù) 式中：根支管的上的噴頭數(shù)。 支管的長(zhǎng)度。 噴頭的間距。

10、（3） 式中：一塊地的支管數(shù)（4）同時(shí)工作的的支管（根）取1根式中：同時(shí)工作的支管。因?yàn)榭紤]到實(shí)際需要，所以在每一塊田上加扇形噴頭，即在條田邊上布置扇形噴頭。即一根支管上有9個(gè)噴頭，一個(gè)區(qū)有9根支管。3.4 確定支管的輪灌方式 每塊田上有一根支管同時(shí)工作，輪灌時(shí)延分干管依次灌水。第四章 管道系統(tǒng)的平面布置如附圖所示（管道系統(tǒng)平面規(guī)劃圖），將整個(gè)灌溉區(qū)分為四個(gè)小的罐區(qū)，每個(gè)區(qū)面積近似相等。每個(gè)區(qū)域內(nèi)分別布置8條支管，在干管始末間隔20m處各布置一條支管，選工作壓力為的噴頭，噴頭間距為20m，每條支管布置9個(gè)噴頭，采用圓形噴灑。其他每隔20m布置一條支管，選用工作壓力為260Kp的噴頭，支管上噴頭

11、間距和噴頭數(shù)與始末支管上的噴頭間距圓形的一樣。第五章 管道設(shè)計(jì)及水力計(jì)算5.1管材的選擇管材的選擇應(yīng)當(dāng)根據(jù)本地區(qū)的具體情況，地質(zhì)、地形、氣候、運(yùn)輸、供應(yīng)以及使用環(huán)境和工作壓力等條件，結(jié)合各種管材的特性以及使用條件進(jìn)行選擇。根據(jù)本設(shè)計(jì)資料，干、支管采用硬聚氯乙烯管。5.2管徑的選擇在管道系統(tǒng)布置以及噴灌工作制度確定之后，各級(jí)各段管道的長(zhǎng)度以及通過的流量為已知，這時(shí)可將各管道的流量按輪灌順序列成表格，據(jù)此進(jìn)行管道水力計(jì)算和選擇管徑。（1）由表1噴頭參數(shù)查得噴頭流量為：工作水頭噴頭的流量： （2） 支管、干管的流量及管徑選擇（由噴灌工程學(xué)查得經(jīng)驗(yàn)公式）：當(dāng)時(shí)，；當(dāng)時(shí)，。式中： 管道內(nèi)徑； 噴灌系數(shù)設(shè)

12、計(jì)流量。支管： 根據(jù)灌溉工程技術(shù)規(guī)范中硬聚氯乙烯管的性能參數(shù)表（下表3）支管選管徑，壁厚為,實(shí)際內(nèi)徑為的硬聚氯乙烯管。（3）干管是指支管以上的各級(jí)管道一般在噴灌所需壓力得到滿足的情況下，選用盡可能小的管徑是經(jīng)濟(jì)的，由計(jì)算結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。對(duì)于規(guī)模不大的噴灌工程，也可用如下經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)估算干管的管徑。干管： 根據(jù)灌溉工程技術(shù)規(guī)范中硬聚氯乙烯管的性能參數(shù)表（下表3）選管徑，壁厚為,實(shí)際內(nèi)徑為。表3 硬聚氯乙烯管的性能參數(shù)表序號(hào)外徑壁厚計(jì)算內(nèi)徑5.3 沿程水頭損失計(jì)算式中： 沿程水頭損失，； 摩阻系數(shù)，與摩阻損失有關(guān)； 管長(zhǎng)，； 流量，； 流量指數(shù)，與摩阻損失有關(guān)； 管內(nèi)徑，； 管徑指數(shù)，與摩阻損失

13、有關(guān)。各種管材的值可以按照下表4確定：表4 ,數(shù)值表管材種類混凝土及當(dāng)?shù)夭牧瞎懿诼蕿椴诼蕿椴诼蕿榕f鋼管、舊鑄鐵管石 棉 水 泥 管硬 塑 料 管鋁質(zhì)管及鋁合金管 由表4塑料硬管： ，。 （1） 最遠(yuǎn)距離支管的沿程水頭損失為：已知：， 即支管的沿程水頭損失。（2） 干管的沿程水頭損失為：已知：L=350m，則總的沿程水頭損失為： 局部水頭損失一般為總沿程水頭損失的，即： 總水頭損失：第六章 首部樞紐的布置6.1 水泵的設(shè)計(jì)流量由下式計(jì)算得水泵的設(shè)計(jì)流量：噴頭數(shù)量；單噴頭流量。即 6.2 泵的揚(yáng)程計(jì)算 水泵的設(shè)計(jì)揚(yáng)程為：式中： 水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程，； 支管入口壓力，； 支管以上水頭損失，； 吸水管水頭損

14、失，；典型噴頭高程與水源水面高差，；噴管的豎管高度： 則： ； ；式中： 泵的高度, ；水網(wǎng)水位距地面高, ；泵深入水面的深度,；即水泵的設(shè)計(jì)揚(yáng)程為53.58m。6.3 水泵的選型及動(dòng)力配套水泵的選型應(yīng)先考慮揚(yáng)程的要求，而且還要滿足流量的要求，由上述計(jì)算出的揚(yáng)程和流量分別為53.58m和，考慮到揚(yáng)程的因素，揚(yáng)程不能太大，所以用二臺(tái)正常工作水泵和一臺(tái)備用水泵。根據(jù)計(jì)算出的噴灌系統(tǒng)水泵設(shè)計(jì)流量和總揚(yáng)程，查表5選定的水泵生產(chǎn)廠家的水泵技術(shù)參數(shù)表，選出合適的水泵型號(hào)的單級(jí)吸懸臂式清水離心泵。此塊地需要2臺(tái)水泵，考慮到水泵工作時(shí)可能出現(xiàn)故障，所以還需要1臺(tái)備用水泵。表5 水泵性能參數(shù)型號(hào)流量Q揚(yáng)程效率電

15、機(jī)功率轉(zhuǎn)速必需氣蝕余量6.4 沉淀池的設(shè)計(jì) 當(dāng)水中泥沙含量大于過濾器的處理能力時(shí)，使用篩網(wǎng)過濾器和介質(zhì)過濾器將因頻繁的沖洗而不能正常工作時(shí)，此時(shí)需要借助于沉淀池對(duì)灌溉水進(jìn)行初步沉淀處理。它的目的是去除水中的大量泥沙。表6 用水懸浮物濃度與堵塞程度等級(jí)懸浮物濃度堵塞程度輕微輕微中度嚴(yán)重（1）設(shè)計(jì)參數(shù)的選用a.表面負(fù)荷率：（建議?。┻@里取。b.水平流速：在沉淀池中，增大水平流速，一方面提高了雷諾數(shù)而不利于泥沙顆粒下沉，但另一方面卻提高了弗勞德數(shù)，而增加了水流的穩(wěn)定性，利于提高沉淀效果。沉淀池的水平流速易取。則。c.停留時(shí)間：沉淀池的停留時(shí)間應(yīng)考慮原水水質(zhì)和沉淀池水質(zhì)要求，并根據(jù)沉淀池運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，采取

16、，這里取。d.長(zhǎng)寬比：一般認(rèn)為，沉淀池沉淀區(qū)的長(zhǎng)度和寬度之比不得小于4。若計(jì)算得出沉淀池的寬度較大時(shí)，應(yīng)進(jìn)行分格，每格寬度易為，最大不超過。e.池的長(zhǎng)深比：沉淀池的長(zhǎng)度與深度之比不得小于10。（2）沉淀池設(shè)計(jì)計(jì)算沉淀池的表面積：式中：產(chǎn)水量；沉淀池長(zhǎng)度：式中： 沉淀池長(zhǎng)度； 水平流速； 停留時(shí)間；沉淀池的寬度：式中： ；沉淀池的有效水深：式中：沉淀池的有效水深；由以上數(shù)據(jù)可知泵深入水面的深度，可設(shè)為。6.5施肥罐的選擇施肥罐的選型一般根據(jù)噴灌地的規(guī)劃面積選擇，面積大的選用較大容積的，面積小的選用較小容積的。向壓力管道內(nèi)注入可溶性肥料或農(nóng)藥溶液的設(shè)備及裝置稱為施肥裝置。常用的施肥裝置有以下幾種：

17、壓差式施肥罐，開敞式肥料罐自壓施肥裝置，文丘里注入器，注射泵。本系統(tǒng)工程規(guī)劃面積為151畝，選用壓差式施肥罐，型號(hào)為SFG300。測(cè)控保護(hù)裝置：包括水表、壓力表、止回閥、排氣閥等。6.6 鎮(zhèn)墩 鎮(zhèn)墩設(shè)置要考慮傳遞力的大小和方向，并使之安全的傳遞給地基，一般在管道分岔，拐彎，變徑，末端，閥門后置和連管處每隔一定距離設(shè)置一個(gè)鎮(zhèn)墩。鎮(zhèn)墩采用混凝土墩（），鎮(zhèn)墩尺寸為的個(gè)和的個(gè)。6.7閥門井為了方便灌區(qū)管段的檢修、維護(hù)、使用，需要修建閥門井。6.8泵房為了使系統(tǒng)首部能夠正常的使用和便于維護(hù)，需修建泵房，根據(jù)過濾器、施肥罐尺寸，在首部修建泵房。6.9噴灌系統(tǒng)輔助設(shè)備在灌溉管道系統(tǒng)中，除直管和接頭外，還有一

18、些特別的配件，這些配件可以分成兩類：一使控制件，二是連接件?？刂萍淖饔檬歉鶕?jù)灌溉的需要來(lái)控制管道系統(tǒng)中水流的流量和壓力，如給水閥、閥門、安全閥、逆制閥、空氣閥、流量調(diào)節(jié)器、配水井、放水井等。連接件的作用根據(jù)需要將管道連接成一定形狀繁榮管網(wǎng)，也稱管件，如三通和四通、異徑通、堵頭、一字管、短管等。表7 管材設(shè)備名稱管材內(nèi)徑()管長(zhǎng)()數(shù)量(根)型號(hào) 干管1603501大支管90544032小表8 三通名稱個(gè)數(shù)型號(hào)異徑三通接頭（二級(jí)主干管與分干管處）大三通接頭（支管與分干管處）大三通接頭(支管與豎管處)小表9 噴頭噴灌型號(hào)工作壓力噴灌直徑噴頭個(gè)數(shù)全圓2607255表10 閘閥名稱管材外徑()閘閥內(nèi)徑()數(shù)量(個(gè))型號(hào)干管1大支管90