灌溉排水工程学课程设计

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2250~2350m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=75%时多年平均径流量W=3.05×108m3，多年平均流量Q=9.6m3/s。 1.5 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50~75%，结合该地区实际情况，灌溉设计保证率采用P=75%。 1.6 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PY1（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：

T设

m

e

；

=0.85

T设—设计灌水周期，d

e—作物日耗水量，d；η

已知：日耗水量e为2mm/d，m为40mm 所以 T设m=17d

e

2.3 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 ，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Cu值一般不应低于70%~80%，本设计取Cu75%，在满足规范规定的均匀度的条件下，确定喷头和支管的间距。

（4）小麦的雾化指标取值范围在3000~4000，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

2.4 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，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：

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KR0.72014m

式中：R设—喷头的设计射程，m。

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1.42R设1.421419.88m

a1.42R设1.421419.88m

2.4.3雾化程度

按雾化指标公式：Pd

1000hp

d

计算

式中：hp为喷头工作压力水头，m；d为喷嘴直径，mm；Pd值越大，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

hp选260Kp的喷头，可换算成26m的水柱高。

Pd

1000hp

d



100026

3714 7

对于小麦，Pd值控制在3000~4000，所以所选喷头满足雾化指标要求。

第三章 轮灌顺序

3.1喷头平均喷灌强度

全

1000q有效

A有效al19.88m19.88m395.21m2 已知： q2.85m3/h，

所以 全

10002.850.85

6.13mm/h

395.21

式中： q—喷头的喷水量；

—喷灌水的有效利用系数；η=0.85；

A有效—在全圆转动时一个喷头的湿润面积；

全

—喷灌系统的平均喷灌强度。

3.2计算喷头在一个喷点上的工作时间

t

m

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：

t

m

全



40

6.53h，取t6.5h。 6.13

3.3 计算同时工作的喷头数 （1）N喷头

At

alT设C

1701556.5

2.0 

202015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15h（多风地区C值较小，

但不宜小于8h）；

(2)支管上的喷头数

n



L170（个）8l20

式中：n—根支管的上的喷头数。

L—支管的长度。 l —喷头的间距。

l （3）N支管数干

L

155

8根 20

式中：N支管数—一块地的支管数 （4）同时工作的的支管

N支

N喷头n



21

（根）取1根 84

式中：N支—同时工作的支管。

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PY120工作压力为300kpa的喷头，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PY120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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＜120m3/h

时，d 当Q≥120m3/h

时，d。

式中： d—管道内径(mm)； Q—喷灌系数设计流量(m3

h)。

支管：Q支qn2.85925.65m3/h d13Q支13

25.5665.83mm

根据《灌溉工程技术规范》中硬聚氯乙烯管的性能参数表

（下表3）支管选管径d90mm，壁厚为3.0mm,实际内径为84mm的硬聚氯乙烯管。

（3）干管是指支管以上的各级管道

一般在喷灌所需压力得到满足的情况下，选用尽可能小的管径是经济的，由计算结果进行适当的调整。

对于规模不大的喷灌工程，也可用如下经验公式来估算干管的管径。

干管： Q干25.65m38205.2m3/h120m3/h

d11.5Q干11.5205.2164mm

根据《灌溉工程技术规范》中硬聚氯乙烯管的性能参数表（下表3）选管径d160mm，壁厚为5.0mm,实际内径为150mm。

5.3 沿程水头损失计算

LQm

hffdb

式中： hf—沿程水头损失，m； f—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

由表4塑料硬管：f0.948105 ，m1.77，b4.77。

（1） 最远距离支管的沿程水头损失为：

已知：L170m，d90mm，Q支25.65m3/h

hff

LQ支

1.7717025.650.94810

5

1.77

2.40m

d

b

904.77

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干205.6m3/h，则

1.77h支

ff

LQ0.948105

1.77



350205.2d

16012.58m

总的沿程水头损失为： hf总`12.582.4014.98m

局部水头损失一般为总沿程水头损失的

10%

，hj14.980.11.498m

总水头损失：

hwhfhj14.981.49816.48m

：

即

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q

N头—喷头数量；

q—单喷头流量。

即 QN头q2.8598205.2m3/h 6.2 泵的扬程计算 水泵的设计扬程为：

Hhh'

1hwwZ

式中： H—水泵设计扬程，m； h1—支管入口压力，m； hw—支管以上水头损失，m；

h'

w—吸水管水头损失，m；

Z—典型喷头高程与水源水面高差，喷管的竖管高度：1.5m 则： Z1.51.53m

hw14.89m；

hP1

g260

19.807

26.5127m； hw'h泵hh泵入水11.50.63.1m；

式中： h泵—泵的高度, m；

h—水网水位距地面高, 取1.5m；

m；

h泵入水—泵深入水面的深度,m；

Hh1hwhw'Z3116.483.1353.58m

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205.2m3/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

SL80S250I流量130m3/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

6.4 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 用水悬浮物浓度与堵塞程度

（1）设计参数的选用 a.表面负荷率0：

0

Q

（建议取0.2~2mm/s）这里取u00.2mm/s。 A

b.水平流速：

在沉淀池中，增大水平流速，一方面提高了雷诺数Red而不利于泥沙颗粒下沉，但另一方面却提高了弗劳德数Fr，而增加了水流的稳定性，利于提高沉淀效果。沉淀池的水平流速易取10~25mms。则

10s。

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3~8m，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：

205.2

Q205.21000A285m2

u036000.21000

式中：Q—产水量205.2m3/h； 沉淀池长度：

L3.6vT3.610272m

式中： L—沉淀池长度(m)； v—水平流速(mm

s)；

T—停留时间(h)； 沉淀池的宽度：

B

A2853.9m4.0m L72

式中： B—沉淀池的宽度m ；

A—沉淀池表面积m2；



L—沉淀池长度m；

沉淀池的有效水深：

H1

QT205.22

1.42m1.5m BL724.0

式中：H1—沉淀池的有效水深(m)；

Q—产水量m3/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，选用压差式施肥罐，型号为SFG—300。

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0.60.60.6m的12个和0.40.40.4m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20m2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

表8 三通

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/50288—1999） [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.喷灌工程技术规范（GB/T50085—2007） [6] 行业标准.喷灌与微灌工程技术管理规程（SL236—1999）

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。