《灌溉排水工程學(xué)》教學(xué)用課件-第四章.ppt

1、第四章 灌溉管道系統(tǒng),農(nóng)田灌溉系統(tǒng),水流驅(qū)動(dòng)是否有壓力,灌溉渠道系統(tǒng) 灌溉管道系統(tǒng),灌溉管道系統(tǒng)的特點(diǎn)：水流為有壓狀態(tài)，過水?dāng)嗝婢鶠閳A形。,第一節(jié) 概述,國內(nèi)外已將對老灌區(qū)的技術(shù)改造、技術(shù)更新作為當(dāng)前農(nóng)業(yè) 水利工程的重點(diǎn)，其主要方向?yàn)楦那蹬渌疄楣芫W(wǎng)配水。 一、灌溉管道系統(tǒng)的特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)： （1）節(jié)水效益顯著； （2）土地利用率高； （3）適應(yīng)性強(qiáng)，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化； （4）輸水速度快，灌溉效率高； （5）維修養(yǎng)護(hù)省工、省時(shí)，管理方便； （6）灌水及時(shí)，作物增產(chǎn)增收效果明顯。 缺點(diǎn)： （1）需要的材料和設(shè)備較多； （2）投資較高； （3）規(guī)劃設(shè)計(jì)內(nèi)容較復(fù)雜； （4）對水源的水質(zhì)要求較高。,低壓輸水

2、管道灌溉系統(tǒng)簡稱管灌系統(tǒng)。 優(yōu)點(diǎn)：無需添置加壓設(shè)備，也不需承壓能力很高的管材， 投資降低，見效快。對水質(zhì)的要求不嚴(yán)格。 二、灌溉管道系統(tǒng)的組成 由水源、首部樞紐、輸配水管網(wǎng)、田間裝置（附屬建 筑物）組成。 1、水源 。灌溉管道系統(tǒng)一般對水源的水質(zhì)要求比較高。 2、首部樞紐。首部樞紐的作用是從水源取水，并進(jìn)行適 當(dāng)?shù)奶幚硪苑陷斉渌芫W(wǎng)在水量、水壓、水質(zhì)的要求。 3、輸配水管網(wǎng)。是由管道、管件和附屬管道裝置相連接 而成的輸配水管道網(wǎng)絡(luò)。 4、田間灌水裝置。 是灌溉管道系統(tǒng)最終將灌溉水均勻分 布于田間、濕潤土壤并轉(zhuǎn)化為田間土壤水分的裝置。,三、灌溉管道系統(tǒng)類型 灌溉管道系統(tǒng)類型可按下述兩個(gè)特點(diǎn)進(jìn)行

3、分類 1、按獲得壓力的來源分類 （1）機(jī)壓式灌溉管道系統(tǒng) （2）自壓式灌溉管道系統(tǒng) 2、按在灌溉季節(jié)中各組成部分的可移動(dòng)程度分類 （1）固定式灌溉管道系統(tǒng) （2）移動(dòng)式灌溉管道系統(tǒng) （3）半固定式灌溉管道系統(tǒng) 面積較大灌區(qū)主要采用半固定式管灌系統(tǒng)，其各級管道多 為固定式地埋暗管，田間灌水則采用地面移動(dòng)軟管。,第二節(jié) 灌溉管道系統(tǒng)規(guī)劃布置,灌溉管道系統(tǒng)的規(guī)劃布置一般包括水源引取水樞紐工程 的規(guī)劃布置、首部樞紐位置的選定與布局以及輸配水管 網(wǎng)和田間灌水系統(tǒng)的規(guī)劃布置等部分。 一、水源引取水樞紐工程布置 布置基本上與灌溉渠道系統(tǒng)的相同， 低壓管灌系統(tǒng)大都 從支、斗渠或農(nóng)渠上引水，其渠、管的聯(lián)接方式和

4、各種 設(shè)施的布置均取決于地形條件和水流特性以及水質(zhì)。 二、首部樞紐 首部樞紐的組成及其布置主要取決于灌水方法。,三、輸配水管網(wǎng)的規(guī)劃布置 按其功能可分為輸水管道和配水管道兩類。輸水管道 通常是指從水源輸送灌溉水到配水管道的管道，其主要任 務(wù)是輸水。配水管道是將輸水管道輸送的灌溉水分配到下 一級配水管道或灌溉農(nóng)田的管道，主要任務(wù)是分配水量。 1、輸配水管網(wǎng)規(guī)劃布置的原則與要求 1）應(yīng)使輸配水管網(wǎng)總長度最短，管道順直； 2）輸配水地埋固定管道應(yīng)盡可能布設(shè)在堅(jiān)實(shí)的地基上； 3）輸配水管網(wǎng)要結(jié)合具體地形布置； 4）輸配水管網(wǎng)的進(jìn)口設(shè)計(jì)流量和壓力由灌區(qū)需要決定； 5）輸配水管網(wǎng)各級管道必須設(shè)置相應(yīng)的閘、

5、閥； 6）盡可能發(fā)揮輸水管網(wǎng)綜合利用的功能。,2、輸配水管網(wǎng)的布置類型 輸配水管網(wǎng)可布設(shè)成樹枝狀、環(huán)狀和混合狀3種類型。 1）樹枝狀管網(wǎng)：一般由干、支、毛管組成，逐級向下級 管道配水，其管線如同樹枝狀的布置形式。 優(yōu)點(diǎn)：管線總長度較短，構(gòu)造簡單，投資較低； 缺點(diǎn)：管網(wǎng)內(nèi)的壓力不均勾、各條管道間的水量不能互相 調(diào)濟(jì)，某級管線損壞時(shí)，其下級管線就會(huì)斷水。 2）環(huán)狀管網(wǎng)。一般指干、支管或干、支、毛管各管線互 相連接成環(huán)形的管網(wǎng)形式。 優(yōu)點(diǎn)：供水可靠，管網(wǎng)內(nèi)水壓力比較均勻，管道內(nèi)的水流 條件好，供水保證率高，各條管道間水量可靈活調(diào)配； 缺點(diǎn)：管線總長度較長，管材和管件用量大，投資高。 3）混合狀管網(wǎng)。

6、混合狀管網(wǎng)是樹枝狀管網(wǎng)和環(huán)狀管網(wǎng)混 合組成的管網(wǎng)形式。,3、低壓管灌系統(tǒng)輸配水管網(wǎng)的布置形式 依其結(jié)構(gòu)可分為地埋固定式和地面移動(dòng)式兩種類型： （1）地埋固定式管網(wǎng)的布置形式。依水源的種類和位置 以及管網(wǎng)類型不同，其布置形式有如下幾種： 1）樹枝狀管網(wǎng)。 水源位于田塊一側(cè)，管網(wǎng)有以下幾種布置形式：,水源位于田塊中心，管網(wǎng)有以下幾種布置形式：,2）環(huán)狀管網(wǎng),水源位于田塊一側(cè),水源位于田塊中心,（2）地面移動(dòng)管網(wǎng)的布設(shè)和使用 地面移動(dòng)管網(wǎng)一般只有一級或兩級，使用的管材通 常有移動(dòng)軟管、移動(dòng)硬管和軟管硬管聯(lián)合運(yùn)用3種。 對于渠灌區(qū)，常采用多級半固定式或固定式低壓管 灌系統(tǒng)，并采用樹枝狀管網(wǎng)。,第三節(jié)

7、輸配水管道及管網(wǎng)設(shè)計(jì),內(nèi)容包括管道設(shè)計(jì)流量的確定、各級管道的管材和管徑的 選擇、管網(wǎng)水力計(jì)算、各級地埋管的縱斷面設(shè)計(jì)、管道系 統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和輸配水管網(wǎng)各控制點(diǎn)、給水栓以及出水口 處的壓力計(jì)算等。 一、輸配水管網(wǎng)的工作制度 輸配水管網(wǎng)的工作制度是指管道系統(tǒng)的運(yùn)行工作順序及進(jìn) 行輸水、配水和灌水的方式。管道系統(tǒng)最常用的工作制度 有續(xù)灌、輪灌和隨機(jī)灌3種方式。 1 、續(xù)灌方式：上級管道向所有下一級管道同時(shí)配水。 特點(diǎn)：上一級管道和所有下一級管道內(nèi)同時(shí)有水流通過。,2、輪灌方式：指上一級管道按預(yù)先劃分好的輪灌組分組 或逐一地向下一級管道配水或灌水的方式。 特點(diǎn)：下一級管道在灌水時(shí)期內(nèi)是輪流工作的。 優(yōu)

8、點(diǎn)：灌水時(shí)間和灌水量均較集中，有利于與農(nóng)業(yè)操作、 田間管理相配合，提高人工控制灌水的工作效率。 缺點(diǎn)：管道系統(tǒng)投資較大。（特別是集中輪灌） 灌溉組的劃分必須遵循以下原則： 1）輪灌編組應(yīng)便于運(yùn)行管理和農(nóng)事田間管理； 2）各輪灌組的流量應(yīng)接近； 3）輪灌組內(nèi)同時(shí)工作的管道應(yīng)靠近，便于控制和管理； 4）輪灌組劃分應(yīng)有利于提高管道設(shè)備利用率和降低水頭 損失； 5）各輪灌組管道的流量之和要與上一級管道供給的流量 相適應(yīng)； 6）盡量照顧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條和群眾的用水習(xí)慣，要便于調(diào)配 勞力和組織灌水。,3、隨機(jī)方式：由于灌溉系統(tǒng)面積較大、灌區(qū)內(nèi)的用水單 位多、各種作物種植比例分散，用水帶有一定的隨意性而 采用隨機(jī)

9、取用水的方式（或稱按需分配方式）。 特點(diǎn)：把管道系統(tǒng)各給水栓、配水井或出水口的取用水都 看作是一個(gè)個(gè)獨(dú)立的隨機(jī)事件，應(yīng)用概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)理 論推算各級管道的設(shè)計(jì)流量。此種方式要求出水口以上的 管網(wǎng)任何時(shí)候都有水。 二、管網(wǎng)與管道的設(shè)計(jì)流量 管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量是指為滿足灌溉需水要求而應(yīng)從水源管首引 取的總流量。管道設(shè)計(jì)流量是指在灌水時(shí)期，某一地埋固 定管道或地面移動(dòng)管道，為滿足作物需水要求所需要通過 的最大流量。,1、管道設(shè)計(jì)流量的計(jì)算,式中： Q 凈管道設(shè)計(jì)凈流量(m3/h)；Q毛管道設(shè)計(jì)流量(m3/h)； A為管道控制的灌溉面積(m2)； T為設(shè)計(jì)灌水周期，即灌水延續(xù)時(shí)間(d)； m為設(shè)計(jì)灌水定額

10、(mm)；t 為每天灌水小時(shí)數(shù)(h)， 為管道水的有效利用系數(shù)，般取 0.950.98。 2、管網(wǎng)各級管道設(shè)計(jì)流量的推算 （1）續(xù)灌方式。上一級管道的設(shè)計(jì)流量應(yīng)等于所有下一 級管道設(shè)計(jì)流量之和； （2）輪灌方式。上一級管道的沒計(jì)流量應(yīng)等于輪灌組中的最大設(shè)計(jì)流量值。,三、管徑的確定 粗選管徑可按下式計(jì)算,粗選管徑時(shí)，流速可采用經(jīng)濟(jì)流速值。經(jīng)濟(jì)流速是指管道造價(jià)較低以及運(yùn)行費(fèi)用也較低的適宜流速值。 四、管道及管網(wǎng)的水力計(jì)算 按水動(dòng)力學(xué)中有壓管流的理論與方法計(jì)算管道及管網(wǎng)的沿程水頭損失和局部水頭損失。 1、沿程水頭損失的計(jì)算 （1）各種管材管道沿程水頭損失,由于塑料管埋設(shè)于地下，地形局部起伏，以及管節(jié)

11、連接間難以平直，要增加部分水頭損失，故計(jì)算得出的hf值乘以系數(shù)1.2。,（2）地面移動(dòng)軟管的沿程水頭損失 與硬管相比，軟管的沿程水頭損失還與工作壓力有關(guān)。 （3）多口出流管道的沿程水頭損失 其近似計(jì)算方法的基本原理是：首先按管道內(nèi)流量不變求 出沿程水頭損失，然后再乘以多口系數(shù)，即：,式中：F為多口系數(shù)，m為流量系數(shù)。,2、局部水頭損失的計(jì)算 局部水頭損失的計(jì)算一般以流速水頭乘以局部水頭損失系 數(shù)表示。對于管道的總局部水頭損失則等于管道上所有各 局部水頭損失之和，即：,為簡化計(jì)算，通常可取沿程水頭損失的1015估算。 3、管網(wǎng)水力計(jì)算與水擊壓力校核 (1)樹枝狀管網(wǎng) 把水頭要求最高、通過流量最大

12、的點(diǎn)稱做控制點(diǎn)或最不利點(diǎn)。按最不利點(diǎn)進(jìn)行干管的設(shè)計(jì)。各管段的直徑通常根據(jù)所需流量，按經(jīng)濟(jì)流速計(jì)算。,(2)環(huán)狀管網(wǎng) 1)流入任一結(jié)點(diǎn)流量之和應(yīng)等于流出該結(jié)點(diǎn)流量之和，即,2)任一閉合環(huán)狀管路中的水頭損失之和應(yīng)等于零。,通常在一閉合環(huán)路中，均以順時(shí)針方向水流所產(chǎn)生的水頭損失為正值，以逆時(shí)針方向?yàn)樨?fù)值。要求正負(fù)水頭損失相等。若不相等，則應(yīng)進(jìn)行管網(wǎng)平差計(jì)算。 在有壓管道中，由于管內(nèi)流速突然變化而引起管道中水流壓力急劇上升或下降的現(xiàn)象，稱為水錘。 4、管網(wǎng)首部水頭壓力高程(管首水位)的推算 管網(wǎng)首部應(yīng)具有足夠的水位高程，通常應(yīng)從最不利的輪灌組向上逐級推算水位高程，即：,五、管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì) 管網(wǎng)的優(yōu)化布置

13、應(yīng)是管道總長度最短，分水口和出水口的 數(shù)量少，工程量最小。管徑小可減少投資，但水頭損失 大，但兩者總有最佳結(jié)合點(diǎn)，即最優(yōu)組合。 優(yōu)化理論有：線性規(guī)劃法、非線性規(guī)劃法、動(dòng)態(tài)規(guī)劃法。 1、目標(biāo)函數(shù)與約束條件 管網(wǎng)優(yōu)化多以年費(fèi)用最小為分析目標(biāo)，即目標(biāo)函數(shù)：,約束條件 (1)工作壓力約束：H min H i H max (2)流速約束： V min Vi V max (3)管徑約束：d min d i d max (4)流量約束 Q i Q max (5)井灌和抽灌區(qū)尚有水泵工作點(diǎn)約束 H max-H min H (6)基建投資約束, 不得超過規(guī)定的畝投資指標(biāo)值。,2、管材及管道附件 (1)管材的種類

14、 1)管材依其性質(zhì)可分為以下四類 水泥類管材，為硬管道； 金屬材料管，為硬管材； 塑料類管材，有硬管和軟管兩類； 當(dāng)?shù)夭牧瞎堋?2)管材依其柔性程度可劃分為：硬管、軟管、半柔性管 (2)對管材的主要技術(shù)要求 1)選用的管道要能承受設(shè)計(jì)要求的工作壓力； 2)要能通過設(shè)計(jì)要求的流量； 3)管材內(nèi)壁光滑，無可見裂縫，價(jià)格低廉，使用壽命長； 4)塑料管材要能防老化、鋼鐵管要耐腐蝕： 5)移動(dòng)管道還要求輕便、易快速拆卸、搬移和安裝，耐碰 撞、耐摩擦和能經(jīng)受風(fēng)吹日曬、不易被扎破等。,(3)管道附件 依其功能作用不同，可分為控制附件和連接附件兩類；依 材質(zhì)不同有混凝土、塑料、鋼和鑄鐵等材質(zhì)的附件： 1)對管

15、道附件的基本技術(shù)要求： 工作可靠，密封性能和止水效果好，出水流暢； 結(jié)構(gòu)簡單，取材方便，加工容易，生產(chǎn)設(shè)備要求低； 使用方便，裝卸簡單，堅(jiān)固耐用，侄于維修； 內(nèi)壁光滑，設(shè)計(jì)分理，與管道銜接過渡的水頭損失?。?防破壞效果好； 柔性附件應(yīng)有一定撓度，剛性附件應(yīng)有足夠剛度。 2)連接附件 即管件，常用的管件主要有同徑和異徑的三通、四通、接 頭、短管、彎頭、堵頭及異徑漸變管和快速接頭等多種。,3 )控制附件 作用是根據(jù)管道灌溉的要求，用來控制管道系統(tǒng)中的流量 和水壓的各種裝置。常用的控制附件有閥門、通氣閥、給 水栓、安全閥、帶閥門的配水井和帶閥門的放水井等。 給水栓 從地埋固定管道直接向田間輸水渠供水

16、的裝置，稱出水 口，其作用是防止出水水流沖刷田面和保護(hù)地埋固定管道 的安全；地埋固定管道與連接下一級地面移動(dòng)管道或地面 閘管的裝置稱給水栓，其作用是控制出水口的流量。 通氣閥及安全閥。 通氣閥：為防止管道因通氣、排氣不及時(shí)而產(chǎn)生負(fù)壓或水 力沖擊，而在管道上設(shè)置通氣閥。 安全閥：為防止管道閘閥因操作運(yùn)用不當(dāng)，或水泵不按規(guī) 程操作及因突然停電等原因而發(fā)生事故在管道上設(shè)置的安 全閥。,配水井。 主要用于低壓配水管網(wǎng)，其作用是配水及聯(lián)接上、下級管 道，管徑較大的也可用作檢修地下管道的進(jìn)出口。 放水井。是低壓配水管網(wǎng)向田間供水、灌水的控制建筑 物。配水管網(wǎng)內(nèi)的水由放水井流出進(jìn)入田間，進(jìn)行灌溉。,第四節(jié)

17、管道灌溉系統(tǒng)的運(yùn)行管理,一、地埋固定管道的管理與維護(hù) 1、地埋固定管道的初始運(yùn)行 地埋固定管道在初次投入使用或每年初始運(yùn)用時(shí)，應(yīng)全面 進(jìn)行檢查、試水并應(yīng)符合下列要求： 管道通暢，無污物雜質(zhì)堵塞和泥沙淤淀； 各類閘閥及安全保護(hù)裝置啟閉靈活； 無滲水漏水現(xiàn)象； 量測儀表或裝置能正常使用。 2、地埋固定管道的日常運(yùn)行與維修 (1)水擊破壞管道的預(yù)防 突然停水、供水而造成管內(nèi)高壓、負(fù)壓導(dǎo)致管道破裂。,(2)管道漏水的檢查 由于管道破裂、接頭不牢、閘閥銹蝕等導(dǎo)致漏水。其檢測 方法有如下幾種： 1)實(shí)地觀察法；2)聽漏法； 3)分區(qū)檢漏。 (3)定時(shí)測定管網(wǎng)水壓和流量 (4)管道維修 管材不同，相應(yīng)的維修方法也不同 1)硬塑料管；2)水泥制品管；3)石棉水泥管。 (5)管件與附屬設(shè)備的維修 1)金屬結(jié)構(gòu)防止生銹；