喷灌规划设计报告.docx
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喷灌规划设计报告
绪言
某县某喷灌项目区位于某县东北部某盆地内,地理位置为东径47°02′-89°56′04″,北纬47°02′09″-47°02′42″，距县城38公里，交通方便。
项目区是某乡政府所在地。
因此，70年代在此修建了某水库,总库容580万立方,兴利库容385万立方,南北干渠两条,可控制面积万亩,其中耕地面积5万亩,主要种植小麦、苜蓿、豆类等。
因水库大坝渗漏量大，水库多年来一直限制水位运行，汛限水位1388米，相应库容219万立方，历年保证耕种面积只有2万亩。
由于该区灌溉面积太少，饲草饲料严重不足，牲畜主要靠自然草场放牧，造成与草原畜牧业牲畜过往采食争食，还致使周边自然草场严重退化，生态环境日趋恶化，严重制约该区的发展。
为保证该区农牧业生产持续快速发展，在项目区实施节水灌溉，增加灌溉面积，建立稳产、高产优质饲草饲料基地，发展生态畜牧业，同时对自然草场实施科学轮灌，恢复和改善生态环境是十分必要的，也是非常迫切的。
喷灌具有节能、省水、省工、增地、增产等优点，是一项先进的灌溉技术。
项目区具有较好的兴建喷灌的多方面条件，实施喷灌是切实可行的，为此，某县委和县政府提出某兴建喷灌工程。
这完全代表当地农牧民的心愿，也符合党的十六大提出的“大力推进科教兴农，发展高产、优质、高效农业和节水农业”的方针。
实施喷灌工程，对提高灌溉技术水平，节约用水和科学灌溉，促进区域经济发展具有重要作用，应尽早实施。
项目区概况
1.2.1水源
水源为某水库库水。
水库最大坝高18米，总库容580万m3，兴利库容385万m3，汛限水位以下库容219万m3。
某河多年平均径流量为4511万m3，灌区五万亩地面灌溉时用水量为4100万m3，喷灌用水量为2050万m3，水源有保障。
1.2.2地形
项目区地形由北向南倾斜，地面坡度为1/100-1/150，属一面坡地形。
自水源向下可获得10－20米余米水头，适宜兴建半固定式加压喷灌。
1.2.3土壤
项目区土壤为棕钙土，土层较厚，土质适中，土壤肥沃，土壤容量为1.45g/cm3，土壤田间持水量为37%（占体积百分数），土壤渗水条件较好，允许喷灌强度15mm/h。
管网规划
1.3.1喷灌技术参数
1、灌水定额m=65.3mm；
2、根据项目区土壤情况，允许喷灌强度为15mm/h；
3、设计灌水周期为6天；
4、喷洒水利用系数采用；
5、在设计风速下，喷灌均匀系数不低于75%；
6、雾化指标hp/d大于3500；
7、喷头的实际工作压力不低于设计喷头工作压力的90%；
8、同一条支管上任意两个喷头之间的工作压力差不大于设计喷头工作压力的20%；
9、喷头组合间距按规范表3、0、8、确定。
1.3.3管网布置
喷灌管网采用主干管、分干管、移动支管三级管道布置，以地形地势为主要因素。
喷洒支管尽量平行等高线布置，配水系统的主干管、分干管尽量垂直等高线布置。
喷灌支管尽量与作物耕作方向平行，并避免平行风向布置，给支管配水的干管，其布置应使多数支管长度相等。
项目区管网布置详见某县某喷灌规划布置图。
主干管、分干管均采用UPVC管，移动支管采用薄壁铝合金管。
主干管、分干管干管抗压强度为。
为运行管理方便，管网中设置了进水闸阀，节制闸阀和泄水闸阀，给水栓及快速接头等。
喷头型号采用PY1—20型，其组合间距为沿支管方向喷头间距a=18m，支管间距b=20m。
投资估算
1.4.1根据阿勒泰地区单位估价表价格和市场价格确定综合单价计算。
综合取费按直接费12%计取。
1.4.2投资估算
喷灌工程总投资为万元，单位指标为485元/亩。
综合取费后总投资为万元，单位指标为543元/亩。
经济评价
经济内部收益率%，大于社会折现率12%。
经济净现值万元，大于零。
由此可见，该工程经济上是合理的。
2基本情况
地理位置
某县地处新疆维吾尔自治区最北部的阿勒泰地区的东面，位于北纬45o00'-48o03',东经88o10'-90o31'之间。
北部以阿勒泰山与蒙古人民共和国分界，东临青河县，西接福海县，南延准噶尔盆地与昌吉回族自治洲的奇台，吉木萨尔等县毗邻，县域南北最长处约413公里，东西最宽处约180公里。
行政区域面积万平方公里，历史形成放牧面积为万平方公里。
某喷灌项目区是某乡农牧业生产基地之一，位于某县城东北38公里处，东径47o02,-89。
56,04,北纬47。
02,09″-47。
02,42″，某乡与县城为柏油公路相接，交通方便。
项目区具体位置见某喷灌工程规划图。
社会经济概况
某乡现有人口万人，全乡2001年牲畜最高饲养量达万头,年末牲畜存栏万头,粮食总产1058万公斤。
现拥有灌溉面积万亩，主要种植小麦、玉米、油料、豆类、苜蓿等，人均收入2098元。
项目区为某乡政府所在地。
因此，70年代在此修建了某水库,总库容580m3,兴利库容385m3,南北干渠两条,可控制面积万亩,其中耕地面积5万亩,主要种植小麦、苜蓿、豆类等。
因水库大坝渗漏量大，水库多年来一直限制水位运行，汛限水为1388米，相应库容219m3，历年保证耕种面积只有2万亩。
喷灌工程实施，将使灌区灌溉面积增加到五万亩，为该区的经济发展奠定基础，也将对某乡脱贫致富，经济发展起到示范作用。
气象与水文
某喷灌项目区属大陆性北温带寒冷气候区，春旱多风，夏季凉爽，秋季短暂，冬季寒冷漫长，降水量少，蒸发量大，气候干燥，日照充足，气温年日较差大，无霜期短。
项目区年平均气温1.9℃，最低气温－45℃，无霜期120－140天，大于10℃积温2100℃，年日照时数小时，日照率为65%，年辐射总量为千卡/cm2，作物生长期4—9月份可达千卡/cm2，多年年平均降水量160mm，蒸发量为1560mm。
项目区主要水源是某水库库水，根据多年观察，某河多年平均径流量为4511万m3，灌区五万亩地面灌溉时用水量为4100m3，喷灌用水量为2050万m3，水源有保障。
地形地貌
项目区位于山前冲洪积扇上中部位，整个地形由北向南倾斜，地面坡度为1/100－1/150，属一面坡地形。
土壤及水文地质概况
项目区土壤主要为棕钙土。
灌区土层较厚，较平坦，土壤耕性较好，质地适中。
40cm深土土壤孔隙率40%，田间持水率为37%。
土壤养分含量有机质%，碱解氮56ppm，速效磷3ppm，速效钾183ppm，为全国土壤分级标准的四级。
灌区位于山前冲洪积扇带上中部，表层土以砂壤土为主，60cm以下土层夹有少量砾质，第四层覆盖较厚，地下水埋深较深，水量很小。
3发展喷灌的必要性和可行性
发展喷灌的必要性
项目区是某乡主要的产粮区。
自70年代以来，仅有20000亩地的灌溉面积已远远适应不了人口增长，农牧业生产和经济发展的要求，特别是近几年来，由于牲畜头数猛增，受饲草、饲料所限，人工补饲率极低，主要靠天然牧场放牧，造成周边自然草场严重退化，生态环境日趋恶化，项目区灌溉面积太少已成为农牧民脱贫致富和农牧业生产、经济发展的重要制约因素。
喷灌是一种先进的灌水方法，可以减少深层渗漏和田面无效蒸发，比常规灌溉节水40%－50%，而且又有灌水均匀，不产生地面径流、保肥、省工省地等优点。
根据项目区水土资源条件，发展高技术的节水灌溉，扩大灌溉面积，促进牧民定居发展现代化畜牧业，增加农牧民收入，发展区域经济和改善周边生态环境都是十分必要的，也是当地农牧民急切的愿望。
发展喷灌的可行性
项目区为某乡农牧业生产的重要基地，交通方便，自然条件优越：
土地较平坦，一面坡，土质适中，土壤肥沃，气候条件较好，适宜种植小麦、玉米、油料、苜蓿、蔬菜等多种作物，且产量较高，上游某河水水量有保障，自渠边到灌区可获得10－20余米的水头，项目区农牧民对节水灌溉，增加灌溉面积有着较高的积极性，因此，在项目区发展加压喷灌各方面条件都已具备，切实可行。
4设计思想及设计依据
设计指导思想
坚持“节水型建设和增水型建设相结合，以节水型建设为主”的水利建设方针，建立节水型农牧业，走节水灌溉的道路，实现灌溉用水从粗放型向集约型转变，实现传统农牧业向现代农牧业的转变。
设计依据
一、《某县农业综合区划》；
二、《某县“十一五计划”》；
三、《某县产业结构调整意见》；
四、《喷灌工程设计手册》。
5水源规划与作物种植计划
水源规划
灌区水源为水库水，灌区建有南北两条干渠,南干渠控制万亩,北干渠控制万亩,现在渠首高程为1390米，工程规划时选择了两个方案进行比较，第一方案是利用水库自然水头，管线垂直等高线，南干渠长18.5公里，经水力计算，（成果见表5--1）从表中可以看出由于管线长，水头损失大，至各个灌区后，水头损失无几，还需再加压50米才能进行喷洒。
第二方案是直接在干渠边修建一蓄水池。
加压50米后进行喷洒，显然这一方案，较为经济，所以优先考虑第二方案。
第二方案包括：
进水闸、蓄水池、加压泵站、管网等。
表5--1
某方案一
用水量m3/h
长度（km）
管径（mm）
损失（米）
水压标高（米）
单价（元）
复价（万元）
9944
1
1200
1400
140
8056
1200
1400
490
6667
1000
1100
275
5833
1000
1100
1667
600
520
78
833
8
600
520
416
作物种植计划
该地适宜种植小麦、玉米、苜蓿、蔬菜、油料等多种作物，目前灌溉的20000亩地，主要种植小麦和苜蓿，小麦单产在350kg/亩以上，苜蓿单产在450kg/亩以上，土豆单产在2000kg/亩以上。
采用喷灌节约水量增加灌溉面积后的种植计划，根据当地条件和农业结构调整，拟定如表5—2
灌区农作物种植结构表
表5—2
项目
总面积
（亩）
其中
小麦
玉米
苜蓿
油料
蔬菜
其他
面积（亩）
50000
10000
5000
20000
2500
2500
10000
比例（%）
100
20
10
40
5
5
20
6喷灌系统规划布置
规划原则
喷灌工程的规划应遵守以下原则：
1、喷灌工程的总体设计应根据灌区地形、土壤、气象、水文以及水文地质、作物种类以及社会经济条件，通过技术经济比较确定。
2、应符合农田水利规划的要求，应与道路、林带、供电等系统以及居民点的规划相结合，统筹安排。
3注意经济效益，在保证喷洒质量，运行安全可靠和管理方便的前提下，尽量降低投资造价和运行费用，并尽可能考虑喷灌设备的综合利用。
4、注意节省能源，充分利用自然水头，尽量发展加压喷灌综合考虑水源水位，灌区地面高程变化地块分布，输水距离以及可供选择的设备规格等因素，对全灌区进行压力规划，作出压力分区。
喷灌系统的布置原则
喷灌系统的布置一般应遵循以下原则：
1、喷灌支管应尽量与耕地方向平行；
2、喷洒支管应尽量与作物种植的垄向保持一致；
3、喷洒支管最好平行等高线布置，至少应尽量避免逆坡布置；
4、在风向比较恒定的灌区，喷洒支管应尽量避免平行风向布置；
5、给支管配水的干管或分干管，其布置的位置应尽量使多数的喷洒支管长度相同。
喷灌系统规划布置方案
因地处山前倾斜平原，地形坡度较大，距灌区1-2km处落差可达10-20米，且此处地形坡度变缓，土质也好，适宜种植，故拟定采用加压喷灌。
考虑该乡自筹能力较差，主要依据国家和县上投资，地形为一面坡，便于支管移动，拟采用半固定式喷灌系统，即干管为固定管道，支管为移动管道。
根据地形，主干管平行等高线布置，分干管采用梳子形布置，垂直于等高线和干管，移动支管垂直于分干管平行等高线布置，并且垂直于主风向南风。
考虑运行方便，主干管进口处设置一进水闸阀，每条分干管进口设置1个闸阀。
因分干管较长，落差较大，结合条田规划，在每条分干管中布设一节制阀。
为放空管道，每条分干管末端设一泄水闸阀，闸阀后设变径，再由Φ50软管接于地面。
出地管下端由三通和分干管相接，上端与给水栓相接，为便于运行管理，各支管接头设置给水栓，并配置快速接头。
灌区最大冻土层深为2.2米，拟定埋地管净埋深为3米。
7喷灌系统设计
灌水定额和灌水周期
m=（β1—β2）1/n
式中：
m—设计灌水定额（mm）；
h—计划湿润层深度（cm）
一般大田作物取40—60cm，本地取h=40cm；
β1—灌溉后土层允许达到的含水量上限；β1=27%；
β2—灌溉前土层含水量下限，β2=21%；
η—喷洒水的有效利用系数；
本地全年平均风速4.5m/s，η=；
r—土壤容量，r=1.45g/cm3；
m=××40×（27－22）/=65.3mm；
折合为每亩立方：
×667/1000=40m3/亩。
7.1.2设计灌水周期
T=M/w×η
式中T—设计灌水周期（天）；
m—设计灌水定额（mm）；
w—日需水量（mm/d）取临界期日平均需水量，根据相邻地区的实测资料，取w=4.5mm/d。
则灌水周期T=×=（d）
取灌水周期为7天。
确定喷灌面积
项目区包括南岸灌区万亩，北岸灌区万亩，南岸灌区包括团结一、二队，五队、胜利一、二队及四小队，北岸灌区包括几格尔拜、反帝二、三队，根据地形条件，南岸胜利一、二队及北岸反帝二、三队灌区面积集中连片，面积分别为2万亩和1万亩，率先在这两个灌区进行喷灌供水工程，可取得示范作用，其它灌区2万亩作为后续开发项目。
喷头的选择和组合间距。
7.3.1喷头选择和组合间距的基本要求
选择喷头和确定组合间距的具体要求为：
1、喷灌强度不超过土壤的允许灌溉强度值；
2、本地区土壤为砂壤土，允许喷灌强度为15mm/h。
喷灌均匀系数应大于75%；
3、雾化指标（hp/d）值不低于作物要求的数值。
本项目区以种植小麦、玉米、苜蓿为主，故雾化指标hp/d应大于3000—4000；
4、喷灌工程在技术上应为技术先进，运行费用低。
7.3.2喷头选择和组合间距的确定
1、喷头及其参数
根据产品目录选择PY1—20型喷头，具体参数详见表7—1。
喷头PY1—20型喷头工作参数
表—1
喷咀直径
（mm）
工作压力
（kpa）
喷头流量
（m3/h）
喷头射程
（m）
喷灌强度
（mm/h）
8
300-400
、喷头及其组合间距的设计
因本项目区主风向为南风，设计风速4m/s，根据GBJ85—85表，垂直风向~R，平行风向~1）R，用内插法求垂直风向，平行风向，采用全圆式喷洒矩形布置，则：
支管垂直风向布置，沿支管的喷头间距a与风向垂直。
PY1型喷头，垂直主风向间距a==0.0.8×20=16m，取a=18m。
平行主风向间距b==×20=21m，取b=21m。
本喷灌系统支管垂直主风向布置，喷头间距采用18m，支管间距采用20m，这样喷头组合形式采用圆形喷洒矩形布置，在设计风速时喷灌均匀系数不低于75%（见《规范》3·07条）。
3、喷头及其组合间距的校核
A、雾化指标
p=h/d
式中：
h—压力水头，取PY1—20型喷嘴压力300kpa；
d—喷嘴直径（mm），取8mm。
代入上式：
p=h/d＝300×100/8＝3750
满足规范要求，大于作物允许雾化指数3000—4000。
B、组合喷头的均匀系数Cη
R≥a/ka
式中R—喷头射程（m），取20m；
a—喷头间距（m）取18m；
Ka—间距射程，取。
代入上式R18/=17.14m，满足规范要求，喷头组合间距要求，故Ca＞75%，满足大田作物水量分布要求。
C、校核组合喷洒的喷灌强度
设计喷灌强度P=KW×CP×PS
式中：
P—设计喷灌强度；
KW—风系数（多支管多喷头同时喷洒，所以取KW=1）；
Cp—布置系数；
Cp—πR2/（a×b）=×202）/（15×20）=
PS—单喷头全圆喷洒一，设计喷灌强度，查表=3.13mm/h
代入上式
p=Kw×Cp×PS=1××=13.1mm/h＜15mm/h,
满足要求。
设计单喷头喷洒强度
PS=p/（Kw×Cp）
式中：
p—设计喷灌强度，取15mm/h；
Kw—风力系数，查表10—2《喷灌设计手册》
支管移动方向与风向平行，则其风向夹角为β=0o,根据GBJ85—85表平行风向间距射程比Ka=，垂直风向间距射程比Kσ=.
Kw=当Ka=,由图10—8查得间距系数Cp=；
将Cp×Kw×p代入上式
PS=15/×=5.69mm/h＞3.13mm/h，满足要求。
作业方式
7.4.1确定喷头在工作点上喷洒的时间
t=ab×m/1000q
式中：
t—喷头在工作点上喷洒的时间（h）；
a—喷头沿支管的布置间距，取18m；
b—支管的布置间距，取20m；
m—设计灌水定额（mm），65.3mm；
q—喷头流量（m3/h），取。
h
代入上式
t=（18×20×/（1000×=（h）
取t=4（h）。
7.4.2喷头每日可喷洒的工作点数
n=tr/（t+ty）
式中：
n—每日可喷洒的工作点数；
tr—每日喷灌作业的时间（h），取24h；
t—喷头在工作点上喷洒的时间（h），取24h；
ty—移动，拆装和启闭喷头所需时间，取0。
为避免在刚喷灌过的湿地上拆装支管，配备两套移动支管，因此支管的拆装不占用喷洒作业时间。
n=24/4=6
即支管每天可喷洒6个位置。
7.4.3每次同时喷洒的喷头数
按水源可供的最小流量来计算
N=Q/q
式中:
N—每次同时喷洒的喷头数；
Q—水源可供的最小水量（m3/h），按0.82m3/s计算；
q—喷头流量（m3/h），取3.94m3/h
代入上式：
N=×3600/=750（个）
取N=750（个）
7.4.4每次同时喷洒的支管数
根据每次同时喷洒的喷头数，考虑喷头间距，拟定每条支管上安装10个喷头，即喷洒200米，同时喷洒的支管数为75条。
8条田规划和轮灌制度
条田规划
根据移动支管长度，为便于机械化作业根据灌区地形拟定条田宽为667米，除去8米机耕路，实际喷洒宽度为659米，包括机耕路两边各6米的林带，长400米，除去8米机耕路，实际喷洒长度为382米，每块条田为200亩，共计75块条田。
轮灌制度
8.2.1制定轮灌制度遵循以下要点：
A、轮灌的编组应该有一定规律，以方便运行管理。
B、各轮灌组的工作喷头总数应尽量接近，从而使系统的流量保持在较小的变动范围内。
C、制定轮灌顺序时，应将流量分散到各配水管道，避免流量集中于某一条干管配水。
D、轮灌编组应该有利于提高管道设备利用率。
8.2.2轮灌制度
遵循以上要点，考虑同时工作支管数为75米，灌区共75块条田，拟定每块条田安排1条支管工作。
干管续灌，支管轮灌。
为了避免在刚喷洒过的湿地上拆装支管，拟配置两套备用移动支管，为减少分干管路损失，拟每块条田同时工作的两条支管分别由条田两端向中间移动或由条田向两端移动。
9管材选择和水力计算
管材选择
选择喷灌用管材主要以其工作可靠，价格低廉，使用年限长，内壁光滑以及安装施工容易等方面选材。
通过近几年我县的改水防病工程及恰布拉喷灌工程，选择管材400mm以下选用PVC管材，400mm以上选用玻璃钢管材，移动支管选用铝合金管。
水力计算
9.2.1主干管、干管、分干管设计流量计算
因各条分干管控制面积相等，各分干管上工作的支管数量相同，所以各分干管设计流量相等，即：
Q分干=n喷×q
式中：
Q分干—分干管设计流量（m3/h）；
n喷—每条分干管上同时工作的喷头数；
q—喷头在设计工作压力下喷水量（m3/h）。
代入上式：
Q分干=n喷×q=×10=39.4m3/h。
主干管设计流量：
Q主干=n分干×Q分干
Q主干—主干管设计流量（m3/h）；
n分干—同时工作的分干管条数；
Q分干—分干管设计流量。
代入上式：
Q主干=n分干×Q分干=13×=（m3/h）
干管设计流量Qi干=Q主干－i×Q分干（i从1到10）
式中：
Qi干—第i条分干管后的干管；
i——分干管编号，i从1到10；
Q分干—分干管的设计流量。
2、主干管、干管、分干管的水头损失计算
（1）管径的确定
根据各级管道的设计流量，进口水头，地形高差和喷头工作压力，利用可供损失的水头反求管径。
通过计算，确定主干管直径为800mm,600，分干管直径350mm，300mm，250mm详见管网水头计算表。
（2）各管段的水头损失计算
沿程水头损失计算采用公式：
hf=Q2L/K2
式中：
hf—沿程水头损失（mm）；
Q—管道设计流量（m3/s）；
K—K=WC
C—谢才系数，m1/2/s;；
R—水力半径（m）。
局部水头损失计算采用公式：
hf=ξv2/2g
式中：
ξ—局部水头损失系数；
v—流速，（m/s）；
g—重力加速度（m/s2）；
水头损失计算及结果详见表9—1
灌区主干管、干管水头计算表
表9-1
管段
长度
（m）
流量
（m3/h）
管径
（mm）
沿程水
头损失
（m）
主干管
1
400
4167
800
2
400
3473
600
3
400
2779
600
4
400
2085
600
5
400
1391
500
6
400
694
500
分干管
1
694
400
350
2
625
400
350
3
556
400
350
4
487
400
350
5
418
400
350
6
349
400
300
7
280
400
250
8
211
400
250
9
142
400
200
10
73
400
200
9.2.2支管计算
1、支管设计流量计算
Q=qn=×10=39.4m3/h=0.011m3/s。
2、支管水头损失计算
支管的沿程水头损失计算采用公式：
hf=f×LQm/Db×F
式中：
hf—水头损失（m）；
f—摩阻系数，铝材取f=×105；
b—管径指数，m=；
L—支管长度，182m；
Q设计流量（m3/h）；
D—管道直径，D=76mm，D内径=73.6mm；
F—多口系数，当n=10，x=时，F=。
hf=f×（LQm/Db）×f=×105×182×4m。
3、设计水头计算
喷灌支管端的设计水头，按下式计算：
Hz=Zd－Zz＋Hs＋Hp＋Hfz＋Hgz
式中：
Hz—支管管端的设计水头（m）;
Zd—支管末端的地面高程（m）;
Zz—支管首端的地面高程（m）;
Hs—喷头竖管的高度（m），取1m；
拟竖管高度为1m，选用Φ33铝质竖管，内径为25mm。
Hfz—支管和竖管水头损失（m）；
Hfz=×105×1×Hgz—局部水头损失（忽略不计）；
Hp—喷头工作压力（m）；此处按设计喷头工作压力的90%计算：
30×90%=27（m）；40×90%=36（m）
代入上式：
Hzmin=27＋1＋=
Hzmax=36＋1＋=
某方案一主干管材料表
名称
800（mm）
600（mm）
500（mm）
450（mm）
400（mm）
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