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节水灌溉技术设计

关于旱情发展预测及立即采取应对措施项目

节水灌溉部分

技术设计说明书

北京市水利规划设计研究院—房山分院

二O一一年五月

管灌工程技术设计

1基本资料

1.1地形资料

大石窝镇高庄村1#地块面积240亩，地块形状较规整，位于高庄村村南。

详见管网布置图。

1.2土壤资料

该地块所处地区的土壤为中壤土，种植作物土壤土层平均干容重为1.40g/cm3，田间持水量22%（占干土重量的%）。

1.3作物种植情况

该地块内全部种植小麦和玉米，采用复种形式，冬小麦和夏玉米。

1.4气象资料

根据房山地区气象资料，项目区属于暖温带半湿润、半干旱大陆性季风气候，四季分明，多年平均降水量587.6mm，降水年内年际分布不均，降水多集中在7月～9月。

多年平均蒸发量1598.5mm，平均气温12.1℃，大于10℃积温4148.5℃，平均年日照时数2541.4小时，多年平均相对湿度62%，风速1.6m/s，冬季多行西北风，天气晴朗少雨、寒冷干燥，夏季多行偏南风。

无霜期约191天，冰冻期142天，最大冻土深度82cm。

1.5水文、水资源

该地块现状无灌溉水源，需建设水源井1眼，参照周围岩石井情况，井深300m，出水量50m3/h，动水位50m。

水质情况满足《农田灌溉水质标准》（GB5084-2005）对水质的要求。

1.6运行管理

由本村村委会和用水者协会负责本灌溉工程的运行维护、用水管理、水费征收等工作。

系统首部安装水表，计量用水量。

1.7设计依据

《节水灌溉工程技术规范》（GB/T50363-2006）；

《田间低压管道输水灌溉工程技术规范》（GB/T20203-2006）；

《节水灌溉工程施工质量验收规范》（DB11/T558-2008）；

《节水灌溉工程实用手册》

2.灌溉制度设计

2.1基本参数

由于冬小麦的需水量高于夏玉米的需水量，因此在以下设计灌溉制度中就冬小麦进行设计。

根据管灌工程相关设计规范，并结合项目区的实际情况，设计参数选择如下表：

表2-1灌溉制度设计参数表

内容

单位

参数

内容

单位

参数

日耗水强度Ea

mm/d

4

适宜土壤含水率上限（重量百分比）

%

90

计划湿润深度

m

0.5

适宜土壤含水率下限（重量百分比）

%

65

土壤容重

g/cm3

1.4

灌溉水利用系数η

0.9

田间持水率FC

%

22

2.2灌溉制度设计

（1）最大净灌水定额或最大净灌水深度mmax

mmax=1000γz（θmax-θmin）

式中：

mmax——最大净灌水定额（最大净灌水深度），mm；

γ——土壤容重，g/cm3；

z——计划土壤湿润层深度，m；

θmax，θmin——适宜土壤含水率上、下限，

经计算得：

mmax=38.5mm=25.68m3/亩。

（2）设计灌水周期T

T≤Tmax

Tmax=

式中：

mmax——最大净灌水定额，mm；

Ea——设计耗水强度，mm/d；

Tmax——最大灌水周期，d；

T——设计灌水周期，d。

经计算得：

取T=9.5d。

（3）设计灌水定额

m=T·Ea

m＇=

式中：

m——设计净灌水定额，mm；

m＇——设计毛灌水定额，mm；

Ea——设计耗水强度，mm/d；

——灌溉水利用系数。

经计算得：

m＇=42.78mm=28.53m3/亩。

（4）一次灌水延续时间t

灌溉系统以一眼井为一个单元，灌溉系统同时工作的给水栓数为1个，一个给水栓的设计流量为q=50m3/h。

式中：

m＇——设计毛灌水定额，mm，（42.78mm）；

Se——给水栓间距，m，（48m）；

Sl——支管间距，m，（60m）；

qa——给水栓流量，m3/h，（50m3/h）；

经计算得：

每个出水口的净灌溉时间为2.64h。

（5）水量平衡计算

根据水源供水流量和设计耗水强度，确定灌溉面积：

Q=

Ia=Ea+IL

式中：

Qs——灌溉系统设计流量，m3/h；

A——可灌溉面积，hm2；

Ia——设计供水强度，mm/d，；

Ea——设计耗水强度，mm/d；

IL——设计淋洗强度，mm/d；（本次设计中无淋洗要求，取值为0）

td——水源每日供水时间，18h/d；

η——灌溉水利用系数。

经计算得：

Q=39.5m3/h，该水源可提供水量为50m3/h，因此井出水量满足灌水要求。

3轮灌制度设计

最大轮灌组

式中：

Nmax——最大轮灌组数；

T——设计灌水周期，d，根据上述计算得T=9.5d；

C——日灌溉最大运行时间，C=18h；

t——一次灌水延续时间，t=2.64h。

经计算得：

Nmax=轮灌组最大64组，该地块共46个给水栓，小于最大轮灌组，满足轮灌组划分要求。

4水力计算

4.1系统布置

（1）系统布置

1）系统首部：

系统首部采用自动自耦减压启动箱式控制柜，首部管道、管件、阀门等全部为钢制材料。

2）管道布置：

系统管道共分两级，输水干管和输水分干管，管道的公称压力为0.63MPa，输水干管和输水分干管之间通过三通或弯头连接。

3）给水栓出露地面15cm，分为三通连接和弯头连接两种。

4.2水力计算

1）输水管网水力计算：

该地块地形平坦，按照一般规律能够确定最不利管道的路游，根据管网布置及地形高差等条件，确定最不利点为距离水源最远的给水栓。

计算公式：

式中：

hf——沿程水头，m；

hj——局部水头，m；

f——摩阻系数，取94800；

m——流量指数，取1.77；

b——管径指数，取4.77；

D——管道内径，mm，管道内径为103.6mm；

L——管道长度，m，分干管长度312m、干管长度522m；

k——局部水头加大系数。

取1.05。

经计算得：

分干管沿程水头hf=7.33m，分干管局部水头hj=0.37m，分干管全部水头H干=hf+hj=7.69m，因此，分干管进口压力为0.5+7.69=8.19m。

干管沿程水头hf=12.62m，干管局部水头hj=0.61m，干管全部水头H干=hf+hj=12.87m，因此，干管进口压力为8.19+12.87=21.06m。

2）系统首部水力计算

系统首部设备、阀门及管件的局部水头按照3m计，钢管规格为内径DN80：

计算公式：

式中：

f——摩阻系数，取625000；

m——流量指数，取1.9；

b——管径指数，取5.1；

D——管道内径，mm，80mm；

L——管道长度，m，53m；

k——局部水头加大系数。

取1.05。

Zp——最不利灌水单元进口的高程，m，59.7m；

Z0——田间管网系统干管进口的高程，m，60.9m；

Zd——机井动水位，-50m；

——水泵吸水管进口至管道系统进口之间的管道沿程水头，m，（由第一个公式计算得11.33m）；

——水泵吸水管进口至管道系统进口之间的管道局部水头，m，（由第一个公式计算得0.55m）；

经计算得：

H系统首部=60.38m，整个灌溉系统的设计扬程H=21.06+60.38+3=84.44m。

根据机井出水量50m3/h和系统总损失84.44m，因此选择水泵为200QJ50-91，即水泵的额定流量为50m3/h，扬程91m，电机功率22Kw，配备的自耦减压一控一XJ01-28Kw。

参见水力计算表，如下：

管网水力计算表

地块名称：

大石窝镇高庄1#地块

项目

内容

单位

计算结果

灌溉方式

管灌

设计参数

灌水器（给水栓）设计流量

m3/h

50

灌水器（给水栓）设计压力

m

0.5

输水分干管管网水力计算

管道材质

0.63MPaPVC-U

长度

m

312

管道内径

mm

103.6

计算流量

m3/h

50

摩阻系数f

94800

流量指数m

1.77

管径指数b

4.77

支管沿程水头损失

m

7.33

支管局部水头损失

m

0.37

支管进口流量

m3/h

50

支管进口压力

m

8.19

输水干管管网水力计算

管道材质

0.63MPaPVC-U

长度

m

522

管道内径

mm

103.6

摩阻系数f

94800

流量指数m

1.77

管径指数b

4.77

计算流量

m3/h

50.00

干管沿程水头损失

m

12.26

干管局部水头损失

m

0.61

干管进口流量

m3/h

50.00

干管进口压力

m

21.06

系统水力计算

管道材质

钢管

长度

m

53

管道内径

mm

80

摩阻系数f

625000

流量指数m

1.9

管径指数b

5.1

计算流量

m3/h

50.00

地下水动水位

m

50

地形高程差

m

-1.2

水泵管道沿程水头损失

m

11.03

水泵管道局部水头损失

m

0.55

系统首部枢纽局部水头损失

m

3.00

系统管道进口流量

m3/h

50.00

系统进口压力

m

84.44

4.3附属建筑物设计

根据灌溉系统首部设备、各类阀门及管件的连接要求并且考虑日后操作维护的需要确定泵房的建筑尺寸为15平米。

地震设防烈度为7度。

详细结构见泵房施工图。

泄水井采用砖砌圆形结构，泄水井内设有管卡、支墩、变径、泄水阀，底部为卵石垫层。

泄水井设置在田块内地势较低或管网末端。

当灌溉结束后排出管道内水量防止冻裂管道。

（详细结构见图纸）。

在田间管道转折处和各级管道的连接处均设置支墩，支墩采用C15混凝土固筑，支墩参见国家标准图集03SS504。

喷灌工程技术设计

1基本资料

1.1地形资料

城关镇田各庄村2#地块，占地面积120亩，地势平坦。

详细参见管网布置图。

1.2土壤资料

该地块所处地区的土壤为中壤土，种植作物土壤土层平均干容重为1.40g/cm3，田间持水量22%（占干土重量的%）。

1.3作物种植情况

该地块内采用复种形式，种植冬小麦和夏玉米。

1.4气象资料

根据房山地区气象资料，项目区属于暖温带半湿润、半干旱大陆性季风气候，四季分明，多年平均降水量587.6mm，降水年内年际分布不均，降水多集中在7月～9月。

多年平均蒸发量1598.5mm，平均气温12.1℃，大于10℃积温4148.5℃，平均年日照时数2541.4小时，多年平均相对湿度62%，风速1.6m/s，冬季多行西北风，天气晴朗少雨、寒冷干燥，夏季多行偏南风。

无霜期约191天，冰冻期142天，最大冻土深度82cm。

1.5水源情况

该地块内现有1眼大口井，由于近几年持续干旱，已经无法使用。

新打1眼机井，井深30m，静水位20m，动水位25m，单井出水量50m3/h。

1.6运行管理

由本村村委会对该地块用水管理、水费征收等工作。

灌溉设施产权归当地政府所有，该地块承包人有使用权，并且负责灌溉设施运行时的日常维护与维修。

系统首部安装水表，计量用水量，系统首部安装IC卡式电表计量用电量收取适当的费用。

1.7设计依据

《节水灌溉工程技术规范》（GB/T50363-2006）；

《喷灌工程技术规范》GBJ85-85；

《田间低压管道输水灌溉工程技术规范》（GB/T20203-2006）；

《节水灌溉工程施工质量验收规范》（DB11/T558-2008）；

《节水灌溉工程实用手册》。

2.喷灌制度设计

2.1基本参数

根据《喷灌工程技术规范》和有关作物资料，并结合当地实际情况，采用的规划设计参数见表2-1，选用的喷头性能参数见表2-2：

表2-1喷灌工程设计参数

内容

单位

参数

内容

单位

参数

日耗水强度Ea

mm/d

4

田间持水率FC

%

22

计划湿润深度

m

0.5

灌溉水利用系数η

0.9

土壤容重

g/cm3

1.4

灌溉设计保证率

%

85.00

适宜土壤含水率上限（重量百分比）

%

95

设计灌水均匀度Cu

0.85

适宜土壤含水率下限（重量百分比）

%

65

表2-2喷头性能参数表

喷头型号

喷咀直径（mm）

工作压力（KPa）

流量（m3/h）

射程（m）

hp/d

ZY-2

7.0

250

2.92

18.1

3571

确定喷头组合间距为a×b=18m×18m，采用正方形组合形式。

2.2灌溉制度设计

（1）设计最大净灌水定额：

指一次灌水单位灌溉面积上的灌水量。

式中：

——设计最大净灌水定额，mm；

γ——土壤容重，1.40g/cm3；

z——计算湿润土层深度，m；

θmax——适宜土壤含水量上限；

θmin——适宜土壤含水量下限；

经计算得：

=46.20mm=30.80m3/亩

（2）设计灌水周期T

式中：

——最大灌水周期，d；

T——灌水周期，d；

——最大净灌水定额，mm；

Ea——作物高峰期耗水强度，取Ea=4mm/d。

经计算得：

=11.55d，则T＝11.5d。

（3）设计灌水定额

式中：

-设计净灌水定额，mm；

-设计毛灌水定额，mm。

=11.5×4=46mm=30.67m3/亩；

=11.5×4÷0.9=51.11mm=34.08m3/亩。

（4）喷头在每一工作点的喷洒时间

t=

式中：

a——喷头间距（18m）；

b——支管间距（18m）；

q——喷头流量（2.92m3/h）。

经计算得：

喷头在每一工作点上的喷洒净时间为5.67小时。

（5）支管一天移动次数

为充分利用喷灌时间，避免湿地移动支管，每一套工作支管配备一套备用支管，每日工作时间按18小时计算，考虑交替工作的损失时间，每天每组支管按6小时移动一次计，则每天可移动3次。

由于地块形状和管网布置形式存在差别，在实际工作当中，可以根据具体情况作出调整。

（6）同时工作的喷头数

根据喷灌区地块形状、面积及机井出水量，确定同时工作的支管数为2条，喷头数为15到11个。

（7）设计流量及水量平衡计算

根据水源供水流量和设计耗水强度，确定微灌面积：

Q=

Ia=Ea+IL

式中：

Qs——灌溉系统设计流量，m3/h；

A——可灌溉面积，hm2，120亩=8.00hm2；

Ia——设计供水强度，mm/d；

Ea——设计耗水强度，mm/d；

IL——设计淋洗强度，mm/d；（本次设计中无淋洗要求）

td——水源每日供水时间，17.5h/d（只考虑灌溉时间）；

η——灌溉水利用系数，取0.9。

经计算得：

Q=20.32m3/h，小于机井出水量50m3/h，因此可知水量满足灌溉要求。

（8）系统的设计流量Q

系统设计流量按同时工作15个喷头计算。

Q=同时工作的喷头数×喷头流量=15×2.92m3/h=43.8m3/h。

3轮灌制度设计

（1）最大轮灌组

式中：

Nmax——最大轮灌组数；

T——设计灌水周期，d，根据上述计算得T=11.5d；

C——日灌溉最大运行时间，C=17.5h；（只考虑灌溉时间）

t——一次灌水延续时间，t=5.67h。

经计算得：

Nmax=轮灌组最大35组，实际轮灌组23组小于最大轮灌组35组，满足轮灌组划分要求。

表3-1轮灌制度表

灌水时间

开始时间

结束时间

移动次序

流量（m3/h）

第一天

4:

00

9:

40

1

43.8

10:

00

15:

40

2

43.8

16:

00

21:

40

3

43.8

第二天

4:

00

9:

40

4

40.88

10:

00

15:

40

5

40.88

16:

00

21:

40

6

37.96

第三天

4:

00

9:

40

7

35.04

10:

00

15:

40

8

35.04

16:

00

21:

40

9

32.12

第四天

4:

00

9:

40

10

32.12

10:

00

15:

40

11

32.12

16:

00

21:

40

12

32.12

第五天

4:

00

9:

40

13

32.12

10:

00

15:

40

14

32.12

16:

00

21:

40

15

32.12

第六天

4:

00

9:

40

16

32.12

10:

00

15:

40

17

32.12

16:

00

21:

40

18

32.12

第七天

4:

00

9:

40

19

32.12

10:

00

15:

40

20

32.12

16:

00

21:

40

21

32.12

第八天

4:

00

9:

40

22

32.12

10:

00

15:

40

23

32.12

4水力计算

4.1系统布置及选材

（1）系统首部：

系统首部采用变频控制，首部管道、管件、阀门等全部为钢制材料。

选用4寸离心+网式组合过滤器。

（2）管道分级：

管网分3级：

干管、分干管、移动支管。

干管、分干管规格为0.8Mpa，dn110PVC管，移动支管为dn76薄壁铝管，喷头流量为2.92m3/h，工作压力为25m。

（3）管道布置：

分干管和干管通过三通或弯头连接，支管和分干管通过三通或弯头连接。

干管分干管为固定式，埋于地下；支管为移动式，给水栓间距18m，喷头间距18m。

在地势较低的管网末端设置泄水井，泄水井内安装2寸泄水阀。

（4）系统控制：

该地块采用半移动式喷灌系统。

灌溉区分23个灌水小区（轮灌组）进行轮灌。

当需要灌溉时，操作者需首先开启需要灌溉的支管控制阀门，再开启水泵。

当灌溉完毕后，先关闭水泵，再关闭最后灌溉的轮灌组阀门。

喷灌系统支管采用薄壁铝管，所以在移动过程中禁止拖拉，严禁挤压变形，保持管道的密闭，使其不漏水。

4.2水力计算

该地块地形平坦，根据管网布置及地形高差等条件，确定最不利支管为长度最长的且位于最远处给水栓的支管。

（1）管材选型

以地块内最长的支管为计算对象，选择管材型号。

该支管控制8个喷头，单根支管总流量为8×2.92m3/h=23.36m3/h，单根支管进口流量为43.8m3/h。

管径的选择是根据其适宜流速而确定的，塑料管的适宜流速应控制在1.0～1.5m/s之间，本设计采用V=1.5m/s。

根据经验公式d=

计算，并根据管材规格，取支管管径d=76（mm），干管、分干管管径d=110（mm）。

支管全部采用耐久性好，便于搬运的薄壁铝合金管。

支管管径的确定，应满足同一条支管上相邻两个喷头之间的工作压力差不超过喷头工作压力的20%，hw+△Z≤0.2hp，按8个喷头计，总流量23.36m3/h，选用DN76铝管，首末端压力差为1.36m，满足要求。

支管设计参数见表。

表4-1支管设计参数表

管材

管径（mm）

首段长（m）

支管间距（m）

喷头间距（m）

喷头个数

支管首末端压差（m）

铝合金

DN76

9

18.0

18.0

8

1.36

（2）多喷头支管水头损失

hf′=F·hf

hf=f

H=khf′

F=

式中：

hf′——多喷头支管水头损失；

F——多口系数；

f——摩阻系数，86100；

L——管长，m；

Q——流量，m3/h；

d——管内径，mm；

m——流量指数，1.74；

b——管径指数，4.74。

N——喷头数；

X——多孔支管首孔位置系数，即支管入口至第一个喷头的距离与喷头间距之比。

k——局部水头加大系数。

取1.05。

经计算得：

F=0.39，支管水头损失为1.36m，则支管进口水头H支进=25+1.5+1.36=27.86m。

（3）分干管、干管水力计算：

计算公式：

式中：

f——摩阻系数，取94800；

m——流量指数，取1.77；

b——管径指数，取4.77；

D——管道内径，mm；

L——管道长度，m；

k——局部水头加大系数。

取1.05。

经计算得：

干管水头损失为4.71m，干管进口压力水头H分干进=27.86+4.71=32.57m。

2）系统首部水力计算

系统首部设备、阀门及管件的局部水头按照8m计，钢管规格为内径DN80，最不利点处与出水口地形高差为1m：

计算公式：

式中：

f——摩阻系数，取625000；

m——流量指数，取1.9；

b——管径指数，取5.1；

D——管道内径，mm；

L——管道长度，m；

k——局部水头加大系数。

取1.05。

Zp——最不利灌水单元进口的高程，m；

Z0——田间管网系统干管进口的高程，m；

Zd——机井动水位，-25m；

——水泵吸水管进口至管道系统进口之间的管道沿程水头，m，；

——水泵吸水管进口至管道系统进口之间的管道局部水头，m；

经计算得：

H系统首部=29.76m，整个灌溉系统的设计扬程H=32.57+29.76+8+1=71.33m。

根据机井出水量50m3/h和系统总损失71.33m，因此选择水泵为200QJ50-78，即水泵的额定流量为50m3/h，扬程70-90m，电机功率18.5Kw，配备的自耦减压一控一XJ01-22Kw。

具体计算参见水力计算表，如下：

管网的水力计算表

地块名称：

田各庄村

2#地块

项目

内容

单位

计算结果

设计参数

同时工作的喷头数量

个

15

喷头设计流量

m3/h

2.92

喷头设计压力

m

25

立管高度

m

1.5

支管水力计算

管道材质

薄壁铝管

长度

m

132

管道内径

mm

76

计算流量

m3/h

23.36

摩阻系数f

86100

流量指数m

1.74

管径指数b

4.74

多孔系数

0.39

支管沿程水头损失

m

1.30

支管局部水头损失

m

0.06

支管进口流量

m3/h

43.8

支管进口压力

m

27.86

干管水力计算

管道材质

0.8MPaPVC-U

长度

m

237

管道内径

mm

103.2

摩阻系数f

94800

流量指数m

1.77

管径指数b

4.77

计算流量

m3/h

44

干管沿程水头损失

m

4.48

干管局部水头损失

m

0.22

干管进口流量

m3/h

43.80

干管进口压力

m

32.57

系统水力计算

管道材质

钢管

长度

m

28

管道内径

mm

80

摩阻系数f

625000

流量指数m

1.9

管径指数b

5.1

计算流量

m3/h

44

地下水动水位

m

25

地形高程差

m

1

水泵管道沿程水头损失

m

4.53

水泵管道局部水头损失

m

0.23

系统首部枢纽局部水头损失

m

8.00

系统管道进口流量

m3/h

44

系统进口压力

m

71.33

4.3附属建筑物设计

根据灌溉系统首部设