喷灌工程设计

一、西瓜喷灌工程规划设计宁夏旱作节水高效农业科技园内有198亩的规划区域，拟种植西瓜，实施喷灌节水工程。（一）基本情况（1）该规划园区位于同心县，属于是中部干旱带少雨偏旱区，易耕性和质量较好，地势比较平缓，地面坡度较小，可以忽略不计。（2）园区耕地均为板茬地和荒地，易耕性较差，特别是旱作区。3月下旬土壤解冻至20cm左右时，土壤返墒、墒情和易耕性较好，及时平田整地和机械深耕，耕层深18cm，种植西瓜，行距为0.8m，株距为0.7m，土壤平均干密度为1.32g/cm3,田间持水率为23%。（占干土重的百分比）（3）同心地区是中部干旱带少雨偏旱区气候，当地可利用水资源很少，人均占有量为64.6m3，亩均仅为6.8m3。同时区域内降雨量年内分布极不均衡，约为200-300毫m，大部分集中在7～9三个月，约占全年总降水量的60%～70%。4～6月为夏粮作物主要生长期，降水却仅占全年的25％，并多以暴雨、冰雹等灾害形式出现。（4）该规划园区的北方向有一泵站，水质符合喷灌的要求，供应整个规划园区的作物需水。（二）灌溉制度的制定(1)设计灌水定额，按照灌水定额的公式计算。𝑚设=0.1ℎγ(𝛽1−𝛽2)/η式中：m设-设计灌水定额，m3/hm2γ-土壤的干密度，1.32g/cm3h-计划湿润层深度，一般40-60cm,这里取40cmβ1，β2-适宜土壤含水量的上下限，这里取田间持水量的90%，65%,田间持水量为23%η-灌溉水利用系数，这里取0.85计算m=0.1*40*1.32*(0.9-0.65)*23/0.85=35.7mm=357m3/hm2（2）设计灌水周期。T=𝑚设η/Ea式中：T-设计灌水周期，dEa-作物的日需水量，mm/d,西瓜的最大日均耗水量出现在结瓜期，此后耗水量持续下降，这里取7.6mm/d；计算的T=35.7*0.85/7.6=3.99d，取4天。（3）一次灌水时间一次灌水时间按照下式计算t=𝑚设/𝜌平均计算得t=35.7/8.5=4.2h,式中8.5为平均喷灌强度（三）喷灌系统的选型综合考虑，选择固定式管道喷灌系统，除去喷头以外，其他所有组成部分均固定不动，各级管道埋入地下，固定式管道操作便捷，易于维修管理。（四）确定灌区的总体布置灌区地势平坦，公路贯穿东西，园区在南北方向布置，本规划园区内有一人工开挖的景观湖，将西瓜园区分为两部分，上部97亩，下部101亩，景观底部可以开挖一条管道连接两片区域，区域左面有一条河，水位不深，同样可以通过开挖将西瓜区域和大枣区域将结合，避免投资的浪费。整个规划区域共用一块水源。具体的喷灌方案，地下管道，地上喷头的布置见下图。（五）喷头的选型与组合（1）喷头的选型查《农业综合节水技术》中沙壤土的允许喷灌强度为ρ允=15mm/h，要求喷灌系统的平均喷灌强度应该小于土壤的允许喷灌强度。为了节省管道的布置和喷头的数目，同时考虑喷头的喷洒半径，选用DN25型号的喷头（塑料摇臂式喷头），喷头压力250-450kpa,流量3.0-6.0（m3/h），射程15-22m，喷嘴直径7mm（2）计算喷头平均喷灌强度。土壤的平均喷灌强度为：𝜌平均=1000qbl式中；q-一个喷头的流量,m3/hb-支管的间距,ml-沿支管的喷头间距,m（3）喷头的间距和支管间距支管的间距设计为b=1.42𝑅设系数，取0.8，R为喷头的射程，这里取20m，通过计算的支管的间距和喷头的间距都为23m，为正方形布置。则平均喷灌强度ρ平均=1000*4.5/（23*23）=8.5mm/hρ允,满足要求。（4）计算同时工作的喷头数和支管数。同时工作的喷头数N喷可以按照下式计算𝑁喷=(Abl)∗(t𝑇设C)式中A-喷灌系统的灌溉面积，m2；C-喷灌系统每天工作的有效工作小时数，考虑到夜间不工作，所以有效工作小时数为12小时。喷灌灌溉总面积为198亩，即为132006.6m2，b,L均为23m，t=4.2h,T设=4d,则N喷=22个同时工作的支管数N支为𝑁支=𝑁喷/𝑛喷式中n喷-一根支管上的喷头数对于97亩的规划区域，因为支管的长度较长，一根支管的喷头取6个，则N支=4对于101亩的规划区域，支管的长度较短，一根支管的喷头取4个，则N支=6，具体的喷灌轮灌组中同时工作的支管数目和喷头数目灵活取值，但不宜相差太大。（六）确定支管的轮灌方式支管的轮灌方式不同，干管中通过的流量也不同，因为景观把一个整体的区域划分为两个了，所以在规划设计中两块地方进行分别灌溉。对97亩的区域，进行分组灌溉，同时工作的支管有四条，因为每一条的支管的长度都不一样，从而导致每一条支管上的喷头的数目都是不一样的。设计中一组灌溉同时有四条支管，理论上每天的工作时间为12小时，一组轮灌的工作时间为4.2小时，拟定每天工作三组轮灌。对于101亩的区域，一组轮灌由6条支管，同样三组轮灌。（七）编制轮灌顺序区域支管的编号具体见下图支管轮灌顺序图轮灌顺序支管号喷头数支管号喷头数支管号喷头数支管号喷头数支管号喷头数支管号喷头数同时工作的喷头数每日工作的喷头数第一天11625354521642546575851939510611612724第二天41361461561662464517618619520522621422423324225126418第三天72742842943043142062832533534635521936537538439341421第四天104234334434544661939114764864955025112012根据上表的数据，可知同时工作的喷头数的最大数目为24个，而每个喷头的设计流量为4.5m3/h,则整个喷灌系统所需要的最大流量为108m3/h，而设计中考虑到平均工作的喷头为22个，系统所需要的流量为99m3/h，工程中考虑最不利的条件，所以在选择水泵的扬程的时候，我们拟定最大流量为108m3/h，选择的水泵流量大于这个流量即可。（八）管道设计（1）支管设计。支管是指直接安装竖管和喷头的管道。支管管径的选择主要依据喷洒均匀的原则。管径选的越大，支管运行时的水头损失就越小。为了保证同一支管上任意各喷头的实际喷水量的偏差不大于20%，国家标准GBJ85-85规定，同一支管上两个喷头的之间的工作压力差在设计工作压力的20%以内，显然，支管在水平的地方上铺设，其首末两端喷头间的压力差值应该最大。这里园区中地势平坦则有.ℎ𝑤≤0.2ℎ𝑝式中ℎ𝑤-同一条支管上相邻两个喷头之间的水头损失，mℎ𝑝-喷头设计的工作压力水头，m在这里，因为选择的是固定式管道喷灌，所有的支管都在地下埋设，只有喷头在地上，考虑到腐蚀和土体压力，还有造价，我们选用PVC管道（硬聚氯乙烯管），即对支1到支51均选用这样的管道。管径的确定根据下式计算ℎ𝑓=𝑓𝑙𝑄𝑚/𝑑𝑏式中；hf-沿程水头损失，mf-摩阻系数，与管材有关，这里等于0.948Q-管中流量（指计算管道的最大流量），m3/hd-管道内径，mmb-与管材有关的管径指数，4.77m-与管材有关的流量指数，1.77L-管长，m查《农业综合节水技术》可得，当m=1.77,x=0.5时，N=7（一条支管最多安装的喷头数目）时，多口系数F=0.395，工作水头压力350kpa,水头为35m，计算得35*0.2=0.395*0.948*105*173.69*31.51.77/D.4.77则D=64mm。为了安全起见，选择75mm的硬聚氯乙烯管作为支管。壁厚为1.5mm。（2）干管设计干管同样选择硬聚氯乙烯管前面的计算，整个喷灌系统所需的最大流量为108m3/h，实行分组轮灌时，先对景观上部进行灌溉，待上部灌溉完成后，再对下部进行灌溉。所以一条主干管分为了两条分干管，且主干管的布置在整个区域的中间，所以两条分干管的长度都是一样的，并且所分流量都是一样的都为54m3/h，在分组轮灌时，由于所规划的区域很不规则，一组轮灌同时运行的喷头的数目也各不相同，但相差不大，所以每一组轮灌中的流量也不相同，导致51条支管的流量也不相同，在这里干管的流量只考虑整体的布置，即按最大所需轮灌流量进行考虑，所有的分干管都按最大考虑，主干管另外计算。所以当干管流量为54m3/h时，干管长度为621.25m（两条干管的总长度，单个长度310.635m）时，根据公式360041000QD式中：D—管道直径，mm；Q—管道流量m3/h；v—经济流速，m/s，取1.5。计算的D=112.8mm,则实际选择管径160mm,材料为硬聚氯乙烯管,壁厚为3.2mm。（3）主干管设计主干管分为两段：一段为水泵的出水管，长假定2m左右，待水泵选定后，确定其内径；另外一段为输水管道，流量Q=108m3/h，长度为892m，需要穿过公路和景观湖。具体图如下根据经验公式360041000QD主干管直径D=159.6mm,则实际选择管径200mm,材料为硬聚氯乙烯管，壁厚为3.9mm.（九）管道系统各控制点的压力计算（1）支管进口的压力水头本设计中因最大水头差产生在支管首末段喷头间，所以应该用末端喷头入口压力作为计算基础。西瓜株高较低，选择内径为25mm,长度为0.5m的铝制薄壁管，f=0.861。因为地形很平坦，几乎没有地形的高差，假定支管入口与末端的高差为0.1m，喷头的工作水头以竖管上距喷头进口0.2m处的压力水头计算，根据公式𝐻支=ℎ𝑓′+∆𝑍+0.9ℎ𝑝式中H支-支管入口的压力水头h′f-用多口系数法计算的支管相应管段的沿程水头损失,mΔZ-支管入口地面高程到工作压力最低的喷头处的高程差，这里假定为0.1mhp-喷头设计工作压力水头，m计算得H=0.9*35+(0.5-0.2)+0.1+(0.861*105*0.3*4.51.74/254.74)+(0.948*105*173.69*31.51.77/（75-2*1.5)4.77)=42.20(m)即支管入口的压力水头需要保证有42.20m。(2)干管配水段入口压力水头一条主干管布置在两条分干管的中间，所以两条干管的长度相等，按最大的可能布置，已知一组轮灌中一条支管同时工作的喷头数最多有七个，即是支管12同时有7个喷头工作，单个喷头流量为4.5，则一条支管需要的最大流量为31.5，所以计算的支管入口压力水头就是该系统的支管最大压力水头，出现在第三组轮灌中，该支管距离配水点的距离为34m，则该段的沿程水头损失按式ℎ𝑓=𝑓𝑙𝑄𝑚/𝑑𝑏计算，计算得为2.03m，局部水头损失为0.1*2.03=0.203m，则该段的水头损失为2.233m，所以配水段的水头压力为44.433m，表格如下轮灌顺序123456距配水点距离218.625126.62534.62534.625126.625218.625支管入口流量31.531.531.531.531.531.5沿程水头损失12.87.442.032.037.4412.8局部水头损失1.280.7440.2030.2030.7441.28管段入口流量49.0843.18437.23337.23343.18449.08这里的管段入口流量都是根据最大单条支管所需要的流量最大进行计算的，所以满足该系统内所有的流量要求。所以干管的配水段入口的最大压力水头为56.28m,而且干管的入口压力水头同样为56.28m。（3）主干管的入口压力水头主干管入口接水泵出口，其所需要的压力水头等于干管入口的压力水头加上由入口到水泵出口之间的损失还有两者之间的高程差。即𝐻主=𝐻干+∆Z+Σℎ𝑓+𝛴ℎ𝑗通过计算ℎ𝑓=3.55m,ℎ𝑗=0.355m,H干=56.28m,假定ΔZ=2m,则H主=56.28+3.55+0.355+2=62.185m。（十）喷灌系统的设计流量和设计扬程喷灌系统的设计流量和设计扬程是选择水泵的依据（1）设计扬程。是在主干管入口所需压力的基础上，在考虑水泵吸水管的水头损失以及水源水位和水泵基准面的高程差得到的。根据主干管的流量和H主+（ΔZ），在这里ΔZ=3m,因为干管的直径为200mm,