低压管道输水灌溉技术.ppt

低压管道输水灌溉技术 第一节概述一 低压管道输水灌溉技术低压管道输水灌溉简称管道输水灌溉 在田间灌水技术上 仍属于地面灌溉类 它是以管道代替明渠输水灌溉系统的一种工程形式 灌水时使用较低的压力 通过压力管道系统 把水输送到田间沟 畦 灌溉农田 低压管道输水 低压管道输水主要特点 低压管道输水是在低压条件下运用的 目前主要用于输配水系统层次少 一级或二级 的小型灌区 特别是井灌区 也可用于输配水系统层次多的大型灌区的田间配水系统 其工作压力相对于喷灌 微喷灌等较低 二 压力范围 根据低压管道输水灌溉的运用条件 通过研究和实践 其管道系统的压力一放不超过0 2MPa 在克服管道的输水压力损失之后 管道最远处出口压力应控制在0 002 0 003MPa 有时受管材承压能力的限制 管道的输水压力还得相应地降低 三 管道系统组成 低压管道输水灌溉系统 根据各部分承担的功能由 水源 机井 输水管道 给配水装置 出水口 给水栓 安全保护设施 安全阀 排气阀 田间灌水设施等部分组成 见图1 1所示 一 水源低压管道输水灌溉的水源有井 河 渠 水库 塘等 配套的提水动力多为机泵 有自压条件的除外 二 输水系统输水系统是由输水管道 管件 三通 四通 弯头 变径接头等 连接成的输水通道 按管道材料可分为混凝上管 水泥砂土管 缸瓦管 石棉水泥管 塑料管等 三 给配水装置由地下输水管道向田间沟 畦配水的给水装置 一般称出水口 如能连接下一级田间移动管道的 则称给水栓 四 保护设备为防止水泵突然关闭或其它事故等产生的水锤 在管道系统首部或适当位置安置调压或进排气阀等保护设置 五 田间灌水设施田间灌水设施一股是指与出水口相连接的闸管系统 第二节低压管道输水灌溉的优点 一 节水管道输水系统可以减少渗漏和蒸发损失 提高水的有效利用率 各地井灌区低压管道输水灌溉的实践表明 一般可比土渠输水节约水量30 左右 是一项有效的节水灌溉工程措施 二 输水快和省时 省力管道输水灌溉是在一定压力下进行的 一般比土渠输水流速大 输水快 供水及时 有利于提高灌水效率 适时供水 节约灌水劳力 三 减少土渠占地以管代渠在井灌区一般可比土渠减少占地2 左右 对于我国土地资源紧缺 人均占有耕地不足1 5亩的现实来说 这是一个很大的社会和经济效益 其意义极为深远 四 节能用管道输水灌溉 比土渠输水多消耗一定能耗 但通过节水 提高水的有效利用率所减少的能耗 一般可节省能耗20 一25 五 灌水及时促进增产增收管道输水灌溉 减少水量损失 同时改善了田间灌水条件 缩短了轮灌周期 从而有效地满足了作物生长的需水 可收到增产增收的效果 另外 采用管道输水 还便于管理便于机耕 第三节低压管道输水灌溉技术的发展与展望 一 国外发展概况 美国 早在20年代就在加利福尼亚州的图尔洛克灌区应用低比管道输水灌溉技术 其形式是地面闸管系统和地下管道阀门系统 前苏联 典型的 相当于农渠一级的 低压管网系统采用地下固定式石棉管或塑料硬管 从架空的 U 型槽的斗渠通道虹吸管或管式放水口引水 日本 灌溉输水系统已由部分管道输水向多级组合的完整的管道输水系统发展 以色列 以色列为干旱半干旱地区 有300万亩灌溉土地 90 以上实现了管道化 水的有效利用系数很高 全国主要水系已连结成统一水网 其他如罗马尼亚 保加利业等国家 管道输水灌溉发展也都比较快 二 我国发展概况 我国低压管道输水灌溉技术的运用为时已很早 但集中连片的使用 是在50年代以后 进入80年代以来 我国北方一些地区连年干旱 地面与地下水资源日益紧张 使得低压管道输水灌溉这项节水技术得到飞速发展 管道工程规划 第一节基本资料与技术参数 基本资料的收集及有关技术参数的选用 是搞好工程系统规划的前提 要求做到准确可靠 必要时应对有关数据进行观测 试验和分析论证 一 地形地貌 地形地貌可应用已有的航测图 乡村农田基本建设图作为规划参考 在理区规划阶段应有l 5000 l 10000地形图 灌区管网布置应有1 2000一1 5000地形图 在地形图上应标出行政区别 灌区位置及控制范围边界线耕地 衬庄 沟渠 道路 林带 池塘 井 河流 泵站 高 低 压输电线路等 二 农业气象 低压管道输水灌溉工程规划中需要的农业气象资料有 1 温度 2 风速 3 湿度 4 日照 5 气压 6 地温 7 降水 8 蒸发 9 无霜期始终日期 三 灌溉水源 灌溉水源为地下水时 应收集补给区内含水层厚度及埋藏深度 地下水位变幅 流速 给水度 渗透系数 影响半径和水力梯度 单位降深 涌水量等行关资科 灌溉水源为地表水时 应收集当地或相关水文测站中平水年 中等干旱年 丰水年的水量及年内分配 即上述各典型年的流量过程线 水位过程线 水位流量关系曲线 及年内含砂量的分配等资料 灌溉水源为小型水库时 应收集典型年的逐月逐旬流量 水位库容曲线 设计年的洪水流量过程线等 四 土壤及土壤特性 为编制作物灌溉制度 在规划区土壤普查资料的基础上 主要核实如下几项内容 1 土壤质地在野外可用指测法鉴定土壤质地 也可取样进行颗粒分析鉴定土壤质地 见表2 1 表2 1土壤质地分类表 2 土壤主要物理性能 1 土壤干容重自然状态下单位体积干土重 2 土壤田间持水量是土壤中作物有效水分含量的上限 也就是灌溉后土壤含水量的上限 一般作物的适宜含水量应保持田间持水量的60 100 不同土壤作物耕作层田间持水量见表2 2 表2 2耕作层土壤主要参数 五 土地利用现状1 规划区耕地面积 林果面积 滩涂和盐碱地面积 荒地面积 池塘水面面积及其他用地等项数量分布 2 作物种类 播种面积 种植比例 六 水利工程设施状况规划区内的灌 排工程及设备 七 社会经济重点收集规划区内人口 劳力 人均占行耕地 粮棉等作物产量 农 林 牧 副产值 第二节水源分析与供需水量计算 一 水源分析管道输水灌溉工程规划中进行水源分析的目的 是为准确的掌握不同设计保近率年份水源可供开采的水量 水位变化 水质等情况 为工程设计提供依据 一 管道输水灌溉对水源水质的要求农田灌溉水质标准见表2 3 表2 3农田灌溉水质标准值 据渠灌区研究资料认为 用含有平均粒径为0 028mm 其中粒径0 025mm占47 小于0 01mm的占9 含量大于6 重量比 的水灌溉农田 对玉米 棉花等作物生长不利 从低压管道输水防淤角度要求 粒径大于0 15mm的泥沙不允许进入管道 泥沙含量不得大于10kg m3 二 供水量的计算供水量的计算 通常是根据规划区的供水资科进行频率计算 选择与灌溉设汁标准相应的年份为设计代表年 灌溉设计保证率见表2 4 表2 4灌溉设计保证率 1 地下水可开采量地下水可开采量根据水文地质资料分析计算 单井出水量应根据抽水试验资料确定 在平原井灌区内发展 管灌 以开采潜层地下水为主 其地下水的来源主要有三部分 可根据当地水文地质资科分分析计算地下水量 1 降雨入渗量W1 0 001 PA式中 0 001 换算系数 入渗系数 从当地水文地质资料中查选 P 设计年降水量 mm A 补给地下水面积 m2 2 侧向补给W2 365Kh含LJ m3 a 式中 K 含水层渗透系数 m d h含 补给区中地下水含水层厚度 m L 补给区周边长度 m J 补给区内地下水坡度 3 灌溉回归水量W3 MA式中 灌溉回归系数 从当地水文地质资料中查选 M 灌溉定额 m3 亩 由灌溉试验资料提供 A 灌溉面积 m2 2 河 渠 水供给量首先根据河流水文测站提供的水文资料 进行频率分析与计算后 求出设计年的河流来水量 结合流域规划确定 管灌 引水流量和引水时段 3 水库 塘坝引水量根据设计年降水量P及库 塘坝 坝址以上的集雨面积Ar可供 管灌 引用的库容调蓄的水量W 按下式计算 W 1000 蓄fPAr m3 a 式中 W 调蓄水量 m3 蓄 考虑蒸发和渗漏后的蓄水有效利用系数 蓄 0 6 0 7 f 径流系数 P 设计年降雨量 Ar 水库 塘坝 坝址以上集雨面积 km2 二 灌溉用水量分析与计算 一 作物需水量的计算农作物生长发育过程中 从播种至收获消耗于植株叶面蒸腾和株间蒸发的水分的总和 称为作物需水量 也叫作物耗水量或腾发量 它是农田灌溉工程的一项基本参数 作物需水量常用的计算方法如下 1 修正彭曼公式法E KcET0式中 E 作物需水量 mm 或 m3 亩 Kc 作物系数 ET0 潜在腾发量 mm 或 m3 亩 计算ET0时按彭曼公式计算 关于彭曼公式农田水利学书上有详细的介绍 这里就不在赘述了 我国华北地区于 六五 期间对作物需水量进行大量试验 主要作物潜在腾发量见图2 l 图2 2 图2 3 供参考选用 2 作物系数Kc值的选择影响Kc值的主要因素是作物种类 作物生理特性 发育阶段 播种日期 生长期长短及常遇到的气候条件等 计算作物需水量时 选用Kc值通常参考联合国粮农组织灌溉及排水从书第24卷提出的作物生育四阶段标淮划分 初期 发展期 中期 后期 根据当地或条件相似地区的生产实践及试验资科确定作物生长阶段的大致天数 见表2 4 Kc值选择 初期见图2 4 中期见表2 5 发展期的Kc值由初期与中期内插 完熟时见表2 当最小湿度介于20 70 时内插 按华北地区 六五 期间灌溉试验资料 主要作物Kc值见表2 6 表2 7 表2 8 表2 4部分作物生长阶段天数 d 表2 5部分作物在生长中期和完熟时的Kc值 表2 6冬小麦作物系数Kc 表2 7夏玉米作物系数Kc 表2 8棉花作物系数Kc 2 需水系数法在确定规划地区作物需水量时 可以采用近似地区灌溉试验所提供的需水量值 通常称为需水系数 根据规划区计划产量计算作物需水量 见下式 E KY式中E 作物需水量 m3 亩 K 需水系数 m3 亩 Y 作物单位面积上的产量 kg 亩 六五 期间华北地区试验成果 见表2 9 表2 10 主要作物需水量与模系数见表2 11 表2 9冬小麦需水系数与产量关系 表2 10夏玉米需水系数与产量关系 表2 11棉花需水系数与产量关系 二 灌溉用水量 在灌溉设计年内 为保证作物各生育期需水要求 除该时段的降水供给水量外 尚有部分亏缺水量 需灌溉补给 这部分亏缺水量为净灌溉用水量 考虑各级输水损失及田间损失 要求水源提供的水量为毛灌溉水量 按式 2 5 计算 Mg 0 667 E Pe A 水式中Mg 毛灌溉水量 m3 亩 E 作物需水量 mm1 A 灌溉面积 亩 水 水利用系数 管灌 0 8 0 95 Pe 有效降水量 mm Pe P 为有效降雨系数 一般根据实测资料而定 规划时可根据一次降雨量大小取值 见表2 12 表2 12P 棉花需水系数与产量关系 三 供需水量平衡分析与计算 供需水量平衡分析与计算的目的在于 规划管道输水控制面积 确定作物种植结构及其种植比例 为合理开发利用水资源提供依据 确保在同一灌溉设计年内的供水量与需水量平衡 若出现需水量大于供水量时 应提出补源措施或调整灌溉面积和种植计划 例2 1某地平原井灌区拟采用低压管道输水灌溉 规划面积l0500亩 初步计划种植冬小麦8745亩 与夏玉米夏种8379亩 棉花1300亩 少量的瓜菜和工副业用水 试进行供需水量平衡分析与计算 解 1 可供开采地下水量计算根据当地水文气象及水文地质资料提供 该区地下水补给来源由降雨入渗 侧向补给 灌溉回归水入渗等三部分组成 1 降雨入渗补给量W1当地实测37年降水资料 经分析取多年平均降雨量P 603mm 降雨入渗系数 0 1 补给面积A 2200 3700 m2 W1 0 001 PA 490842m3 2 侧向补给量W2由当地水文地质资料中查得 该区范围内为砂质壤土 地下平均含水层厚度20m 层内渗透系数 20m d 周边主要承受南部边界地下水补给 北边界略有排除 东边界和西边界地下水坡降为0 由地下水等值线图分析确定补给区 南边长L1 3700m 坡降J1 0 004 西边长L2 2200m 坡降J2 0 东边长L3 2200m 被降J3 0 北边长L4 3700m 坡降J4 0 001 侧向补给量W2 365Kh含 L1J1 L2J2 L3J3 L4J4 1620600m3 3 田间灌溉回归水入渗量W3由当地灌溉试验提出 作物灌溉定额M 200m3 亩 实测灌溉回归系数 0 02 灌溉面积10500亩 W3 MA 42000m3 该区地下水总补给量 开发利用量 W W1 W2 W3 所以W 215 3442万m3 2 需水量计算 1 灌溉需水量根据当地灌溉试验资料选取作物各生育期作物需水量 设计年取中等干旱年即灌溉保证率75 时的作物阶段降水量 按降水有效利用系数 0 小麦 0 l 夏玉米 0 0 8 棉花 0 0 9 折算后得有效降水量 由作物需水量减去有效降水量 亏缺水量即为净灌溉水量 取管灌水利用系数 0 85 试计算毛灌溉水量 灌溉总需水量为202 03 15 05 20 8 237 88万m3 2 林 果 瓜 菜等及其他需水量按规划要求 林 果 瓜 菜总需水量30万m314 6万m3 工副业需水量42 9万m3 合计87 5m3 该区总需水量为237 88 87 5 325 38万m3 3 供需平衡分析及处理办法供水量215 34万m3需水量325 38万m3本区缺水325 38 2l5 34 110 04万mm3 为保持供需水量基本平衡 建议用两种办法解决 一是调整作物种植结构 改变作物布局 减少冬小麦种植面积 控制在6000亩左右为宜 适当增大复种指数 推行一年两熟制 加大瓜菜种植面积 错开灌水高峰期 二是有条件时建议采用补源措施 灌区外的某干渠 引水流量0 5m3 s 通过二级扬水 将干渠水调入本灌区 以达水资源来补平衡 第三节管道系统布置 一 管道系统布置的基本原则1 管道系统布置应做到排水 道路 林带 供电等系统紧密结合 统筹安排 并充分利用原有水利和其他工程设施 2 根据当地的交通 能源 材料供应等条件及经济 技术 劳力等情况 因地制宜地选择管材 3 管网布置力求管线总长度短 控制面积大 并作到管线平顺 减少拐弯 起伏等现象 达到投资少效益高的目的 4 支管 田间末级地埋管道 走向应与作物种植方向及地形坡度相适应 5 根据现行生产管理体制 确定出水口间距 使之适用于用户管理 有利于轮灌 达到省水 节能的目的 管路铺设 二 管网类型 1 移动式是指输水 配水管道均可移动 2 半固定式是指输水管固定 配水管移动 3 固定式是指输水 配水管道均固定 4 管渠结合式是指输水管固定 田间毛渠配水 三 固定管网布置 根据水源位置 控制范围 地面坡度 田块形状 作物种植方向等条件 管网布设成树枝状或环状两类 常见有以下几种形式 1 水源 机井 位于田块一侧常采用 一 字形 T 形 L 形三种形式 分别见图2 5 图2 6 图2 7 这三种形式适用于井的出水量20 40m3 h 控制灌溉面积50 100亩 田块的长宽比 1 b 不大于3 2 水源 机井 位于田块中心常采用 H 形或环形 分别见图2 8 图2 9 这两种形式适用于井出水量40 60m3 h 控制面积100 150亩 田块的长宽比 1 b 2 当长宽比 2时 采用长 一 字形布置 见图2 l0 3 水源位于田块一侧 控制面积较大成近似方形地块 作物种植方向与灌水方向不同时 可布置成梳齿形 或环状网 龟骨形 或环状网 两种形式 见图2 11 图2 l2 图2 13 这些布置形式适用于出水量60 100m3 h 控制面积150 300亩 h 田块的长宽比 1 b l的情况 四 移动管网使用移动管网管材可分为移动软管 移动硬管 软管硬管组合式三种类型 常用的使用方法主要有三种方式 长畦双浇 单口控制面积0 09 0 18亩 移动管长20m 畦田规格为 长 宽 15 20 4 6 m 地面坡度平缓 见图2 14 长畦单浇 地面坡度较陡 灌水方向不易双向控制时 采用长畦单浇 见图2 15 方畦双浇 畦的长宽比约等于l 或0 6 1 0 时 采用方畦双浇 管长不宜大于10m 畦长不宜大于10m 见图2 16 五 闸管在田间的使用移动闸管可以与机井连接 也可与固定输水管道给水拴连接 闸管或移动软管顺畦长方向放置 按畦的宽度设控制闸 使用时操作闸 直接向畦块配水 畦的规格及灌水方法与移动管网使用相同 闸管最大长度不得大于20m 管道工程设计 第一节管道设计流量的确定 管道输水灌溉设计流量是指灌水时期管道所需通过的最大流量 它由水源条件 作物灌溉制度 管道工作制度 灌溉面积 作物种植结构等因素综合考虑确定 它是管网布置 管径选择 管材强度复核 管道水力学计算等的主要依据 一 灌溉制度农作物的灌溉制度是指播种前及全生育期的灌水次数 灌水日期 灌水定额及灌溉定额 作物的灌水定额和灌水周期随年份和生育阶段不同而不同 在管道设计中 应选择符合设计代表年的最大灌水定额和灌水周期作为设计依据 具体的计算方法 等同于喷灌工程 这里就不在赘述 下面只介绍一些实际中的例子 一 灌水定额例3 1某试区各小麦抽穗期土壤计划湿润层深为0 6m 土壤平均干容重 1 45t m3 田间持水量 田 22 求冬小麦抽穗期灌水定额 解 m 667H 1 2 田 667 0 6 1 45 0 209 0 143 0 95 40 m3 亩 冬小麦抽穗期灌水定额为40m3 亩 灌水定额常以单位面积用水量表示 m3 亩 有时也可以水层深度 mm 表示 1mm 2 3m3 亩 例3 2某灌区冬小麦抽穗期日需水量Ep 7 5mm d 同期灌水定额40m3 亩 求冬小麦抽穗期灌水周期 解 T m Ep 40 7 5 2 3 8 d 一 灌水周期 第二节管网优化设计与管径选择 管网优化设计 主要是优化管网布置与各级管道管径的选择 为此 将管网布置要素 包括各级管道的位置 走向 间距 条数 长度 分水口个数及位置 出水口个数及田间分布等 及各级管道的管径作为优化分析的决策因素 影响管网系统费用的主要因素是管网系统的形式 布置方式 管材及管径等 管网系统投资由基建投资和运行管理费用两部分组成 当管网系统布置型式和管材一定时 管径增大 投资增大 由于管径增大 水头损失减少 从而减少了运行费用 反之 亦成立 因此 在各级管道管径的多种组合中 必有一种最优管径的组合 使总投资最低 优化设计是分析社会投入及产出大小的一种手段 可以采用不同的经济指标作入优化分析的目标 例如 在费用一定的条件下 效益最大 或在经济效益一定的前提下 投资最小 经济效益与费用比最大 具体的设计 参考喷灌工程设计 这里不在赘述 第三节管道水力计算 一 沿程水头损失计算 一 有压管道沿程水头损失计算有压管道沿程水头损失 常用达西公式计算 二 硬质塑料管道沿程水头损失计算 三 混凝土等当地材料的管道沿程损失计算 四 地面移动软管的沿程水头损失野外测试值 二 局部水头损失计算1 串联管道系统2 并联管道系统3 连续出流管道三 管网水力计算1 枝状管网2 环状管网四 多孔系数五 水击压强计算 例3 6有一地下输水管道 机井至出水口距离为200m 混凝土管直径100cm 壁厚10cm 管中流速1 5m s 求出水口在2 5s和10s时间内关闭时的最大水击压强升高值 解 经查表知 0 1 水击波速为 C 1435 1 d 0 5 1018 m s 判别水击类型 T传 2l C 2 200 1018 0 4 s T关 2 5s或10s T传 T关 均为间接水击 T关 2 5s时 H间 2lv0 g T传 T关 21 1 m T关 10s时 H间 2lv0 g T传 T关 5 9 m 水泵及其动力机 水泵按能量转换方式 通常可分为有转子泵和无转子泵两类 前一类如叶片泵 容积泵和涡漩泵等 后一类如水锤泵 射流泵电磁泵等 叶片泵效率高 成本低 结构紧凑 使用简便 运转可靠 适用范围广 是最通用的一种水泵 低压输水灌溉系统中应用的水泵都是叶片泵 而且多数都是离心泵和井泵 50NB 20型清水离心泵机组 一 水泵的分类低压输水管道灌溉系统中 主要采用叶片泵中的离心泵包括单级单吸离心泵 如BA型 B型 IB型 IS等 单级双吸离心泵 如Sh型 S型等 及井泵 包括长轴深井泵 如JD型 J型 JC型等及深井潜水电泵 如QJ型 JQ型 NQ型 等 对于其他的一些农用泵 如轴流泵 混流泵等 因低压输水灌溉系统比较少用 在此不作介绍 低压管灌中的水泵选型等与喷灌工程基本相同 请设计人员参考 这里就不在赘述了 井泵的几种安装形式 第二节动力机的选型配套 泵站动力机的选配 首先取决于建站地区的能源供应情况 然而结合工程实际选定 泵站最常用的动力机有电动机和柴油机 对于井泵而言 一般是成套供应的 尤其潜水电泵 其电动机与水泵是组合成整机销售的 只有当长轴井泵和电功机 或柴油机 不成套供应时 才需另行配套 一 选配原则1 对于离心泵站 或浅井 配用电动机时 应根据电源容量大小 电压等级 水泵轴功率 转速以及传动方式等条件来确定电动机的类型 容量 电压和转速等工作参数 2 对于小型泵站和井泵站中 一般选用三相交流感应电动机中的鼠笼式或绕线式电动机 当功率小于100kW时功率在100 300kw时 管材 管材是低压管道输水灌溉系统的重要组成部分 它直接影响工程质量和造价 本章除简要介绍国家标准塑料管外 将重点介绍 七五 攻关项日中各地研制应用的一批适合低压输水的新型管材 第一节塑料管塑料管具有重量轻 内壁光滑 输水阻力小 耐腐蚀 施工安装方便等特点 一 国家标准塑料管国家标准塑料管主要有聚氯乙烯管 PVC 高密度聚乙烯管 HDPE 低密度聚乙烯管 LDPFE 改性聚丙烯管 PP 国家标准中有关上述管材的规格 公称压力和壁厚的关系 管材的性能指标要求查相关规范 除规范中所列性能指标要求外 在选用时还要对管材的外观进行检查 如管材内外壁应光滑 平整 不允许有气泡 裂隙 显著的波纹 凹陷 杂质 颜色不均及分解变色线等 维塑软管 第二节水泥预制管近年来研制了多种预制管 如水泥砂土管 水泥砂管 水泥土管 水泥石屑管 水泥炉渣管 路壁混凝土管等 第三节现场连续浇注管现场连续浇注管 简称现浇管 指在现场浇注成型的素混凝土管或水泥砂浆管等 该类管材在现场连续浇注成型 整体性好且可应用当地材料 造价低廉 管件与附属设备 低压输水管道系统的管件把管道连接成完整的管路系统 管件包括三通 弯头 四通 堵头等 附属设备是指能使管道安全 正常运行并实施科学管理的装置 包括供水装置 保护装置和量测设施等 第一节管件 从材质上分 有混接土 塑料 钢 铸铁等不同原材料制成的管件 第二节给水装置给水装置是低压输水管道的主要田间灌水装置 给水装置有两类 一类是直接向土渠供水 称出水口 另一类是可以接下一级软管或闸管系统的 称给水栓 一般情况每个出水口 包括给水栓 控制面积在10亩左右 出水口压力个小于0 002MPa 选用出水口 包括给水栓 应从它的技术性能指标 造价和在田间工作的适应性综合考虑 尽量满足以下条件 1 结构简单 坚固耐用 2 密封性能好 关闭时不渗不漏 3 水力性能好 局部水头损失小 4 整体性好 开关方便 易于装卸 5 功能多 除供水外 尽