第六章旱区雨水集蓄灌溉工程2012幻灯片.ppt

1 第六章旱区雨水径流集蓄灌溉工程 2 本章的教学目的讲述雨水径流集蓄灌溉工程的组成与类型 雨水聚集技术 蓄水设施的类型及其优化设计方法 要求了解旱区雨水径流集蓄灌溉工程的一般知识及设计方法 3 主要内容 庭院窖群 第六章旱区雨水径流集蓄灌溉工程 雨水径流集蓄灌溉工程的组成与类型雨水聚集技术蓄水设施雨水径流集蓄灌溉系统的优化设计方法 4 一 雨水径流集蓄灌溉工程的组成与类型 干旱区雨水农业利用主要形式 自然利用 叠加利用 聚集利用 5 自然利用 指对雨水的就地直接利用 通过蓄水保墒技术增加雨水的就地入渗 减小径流 土壤冲蚀及蒸发 从而最大限度地利用自然降水 一 雨水径流集蓄灌溉工程的组成与类型 6 叠加利用 指在农田就地聚集雨水 将非耕地上的雨水引导到耕地中 或减少有效耕作面积以实现 雨量叠加增值 的技术 一 雨水径流集蓄灌溉工程的组成与类型 鱼鳞坑种草拦蓄雨水集流 7 叠加利用可以在较小范围内进行空间调节以弥补某地区某时段雨量的不足 但不能进行时间上的调节使有限的降水应用于作物的关键需水期 该技术主要指小区集水种植技术 隔坡 集流 梯田 平地起垄地膜覆盖增墒技术等 一 雨水径流集蓄灌溉工程的组成与类型 梯田与林草结合雨水集流 8 聚集利用 指利用一系列工程措施 将天然降水聚集并储存起来用于生活或灌溉 使自然降水变成时空均可调节的现实水资源 一 雨水径流集蓄灌溉工程的组成与类型 9 雨水径流集蓄灌溉工程是导引 收集雨水径流 并把它蓄存起来 作为一种有效水资源而予以灌溉利用的工程技术措施 一 雨水径流集蓄灌溉工程的组成与类型 10 雨水径流集蓄灌溉工程包括集导引技术 储水技术和灌溉利用技术三个方面 由三大部分组成 即集水工程 蓄水工程和灌溉工程 集水工程与导引工程是雨水集蓄工程的基础 蓄水工程为雨水聚集工程的核心 灌溉工程是雨水聚集工程的目的 1 雨水径流集蓄灌溉工程的组成 11 集水工程主要包括建立集水区 应用工程技术措施处理集水面 提高集水效率 聚集天然降水 为旱区农业持续发展提供保证 一 雨水径流集蓄灌溉工程的组成与类型 1 集水工程 1 雨水径流集蓄灌溉工程的组成 天然坡面集流 12 集水区位置应尽量靠近并稍高于蓄水设施位置 或与蓄水设施组合形成为一个整体 集水区面积的大小 既取决于聚集水量 又与灌溉利用方式 灌溉用水量有密切关系 需通过优化设计确定 一 雨水径流集蓄灌溉工程的组成与类型 1 集水工程 1 雨水径流集蓄灌溉工程的组成 13 一 雨水径流集蓄灌溉工程的组成与类型 1 集水工程 1 雨水径流集蓄灌溉工程的组成 柏油路面雨水集流 生物道路雨水集流面 14 一 雨水径流集蓄灌溉工程的组成与类型 1 集水工程 1 雨水径流集蓄灌溉工程的组成 庭院雨水集流面 北方旱区典型屋面雨水集流 15 蓄水工程通常由引水渠沟或管道 入水口 拦污栅 沉沙槽 蓄水设施以及放水装置等部分组成 一 雨水径流集蓄灌溉工程的组成与类型 2 蓄水工程 16 利用集蓄雨水径流灌溉作物 通常都采用最为节水的灌溉方式 目前主要选用滴灌 微喷灌和渗灌 由于灌溉田块蓄水设施的位置不同 以及各种灌水方式下工作水头大小的要求不同 所以蓄水设施的灌溉取水 放水方式也不同 一 雨水径流集蓄灌溉工程的组成与类型 3 灌溉工程 17 雨水径流集蓄灌溉工程的分类方法有多种 一般常依据雨水径流微型聚集区域的结构性质划分为4种类型 1 田面集蓄灌溉工程类 2 坡面集蓄灌溉工程类 3 路面集蓄灌溉工程类 4 屋面庭院集蓄灌溉工程类 一 雨水径流集蓄灌溉工程的组成与类型 2 雨水径流集蓄灌溉工程类型 18 利用轮作 间作套种或宽窄行种植的休闲田块 暂时性未种植的农田条带以及打谷场等农业用地修建临时性的集水区 配合蓄水设施 进行灌溉的工程类型 1 田面集蓄灌溉工程类 一 雨水径流集蓄灌溉工程的组成与类型 19 利用坡面人工营造集水区聚集雨水径流 并在靠近集水区适当位置处修筑蓄水设施 利用蓄水设施内贮存的雨水 进行灌溉的类型 2 坡面集蓄灌溉工程类 一 雨水径流集蓄灌溉工程的组成与类型 20 利用村内 村间道路以及交通大路和公路作为集水区 沿道路一侧或两侧开挖导引雨水径流进入蓄水设施的截水沟渠或暗管 并修筑蓄水设施群 以分段集蓄径流而进行灌溉的工程类型 3 路面集蓄灌溉工程类 一 雨水径流集蓄灌溉工程的组成与类型 21 在干旱严重缺水或水质极劣的地区 往往利用屋面和庭院集蓄天然降水 主要为人畜饮用提供水质良好的水源 多余的水量则可适当灌溉房前屋后庭院作物 位于我国西北黄土高原沟壑区的甘肃省 从上个世纪80年代就开始探索 雨水资源化 的路子 并从1995年开始全面实施 121雨水集流工程 即每户修建一个100平方米的雨水集流场 修建两眼水窖 发展一亩水浇地 3 屋面庭院集蓄灌溉工程类 一 雨水径流集蓄灌溉工程的组成与类型 22 位于我国西北黄土高原沟壑区的甘肃省 从上个世纪80年代就开始探索 雨水资源化 的路子 并从1995年开始全面实施 121雨水集流工程 即每户修建一个100平方米的雨水集流场 修建两眼水窖 发展一亩水浇地 3 屋面庭院集蓄灌溉工程类 一 雨水径流集蓄灌溉工程的组成与类型 23 121工程 在解决干旱缺水地区群众饮水困难和温饱问题的基础上 形成了以集雨工程为纽带 梯田 地膜 集雨 科技 结构调整 的旱作农业发展模式 是旱地农业指导思想和发展史上的一次历史性突破 引发了干旱地区农村经济社会发展的一系列深刻变化 一 雨水径流集蓄灌溉工程的组成与类型 24 甘肃省称 121工程 陕西称 甘露工程 内蒙古称 112集雨节灌工程 四川称 川北微水工程 贵州称 渴望工程 北京称 山区水利富民工程 山西称 旱井集雨微灌工程 等等 都是 九五 期间各地解决农村饮水困难的成功之举 据统计到 九五 末 集雨工程已经遍及全国半数省 自治区 直辖市 解决了2380多万人 1730多万头牲畜的饮水困难和近1740万人的温饱问题 一 雨水径流集蓄灌溉工程的组成与类型 25 拦截与聚集雨水径流技术一般包括集水面的处理 集水效率的确定和聚集水量的分析计算等三部分内容 二 雨水聚集技术 26 首先应充分利用道路 庭院 打谷场 天然荒坡地等现有的集流面 当现有集流面较小 不能满足集水量要求时 则需修建人工集流面 人工集流面应尽量利用空闲土地 不占或少占耕地 位置要选在靠近住房和需要灌溉的农田 选择集水面材料应遵循因地制宜 就地取材 提高集流效率 降低工程造价的原则 二 雨水聚集技术 1 集水面处理 27 二 雨水聚集技术 1 集水面处理 屋面雨水集流 28 集水面的处理国外主要采用 植被管理 地表处理 化学处理三类方法 国内外常用的集水面材料及其处理措施有 混凝土集水面水泥土夯实处理塑料薄膜三七灰土夯实处理原土夯实处理水泥瓦 青瓦屋面钠盐处理粗石蜡处理硅有机树脂处理沥青喷洒处理 二 雨水聚集技术 1 集水面处理 29 二 雨水聚集技术 1 集水面处理 混凝土集流面 塑料薄膜集流面 30 灌溉排水工程学 HEC土壤固化剂集流面 改进的HEC土壤固化剂集流面 油毡集流面 高分子有机硅与土壤混合夯实集流面 31 我国集水面多采用混凝土板处理 集水效率较高 60 80 而且使用年限长 是一种比较好的集水面处理方法 利用道路 公路和屋面作为集水面也是我国旱区广泛采用的集水方法 二 雨水聚集技术 1 集水面处理 32 若当地砂石材料丰富且运距较近时 优先采用混凝土和水泥瓦集流面 耕地较多的地区 可采用土地轮休的办法 选用塑料薄膜覆盖耕地作为集流面 为了提高塑膜使用寿命 宜对地面进行处理后铺设 在小流域治理区或荒坡地便于利用地区 可利用荒山荒坡地作为集流面 并按一定间距修截流沟或输水沟 把水引入蓄水设施 二 雨水聚集技术 1 集水面处理 33 在集流面材料确定后 通过来用水分析计算 依据集水 用水平衡的原则可确定集流面尺寸 全年单位集水面积可集水量 不含导引过程的输水损失 二 雨水聚集技术 2 集流面规模设计 式中 Fp为保证率等于P的年份单位集水面积上全年可集水量 m3 m2 Ey为某种材料集流面全年集流效率 Rp为保证率等于P的全年降雨量 mm 34 集水效率通常是指某时段内或某次集水面的集水量占同一时期内的降雨量的比值 对于经特别处理过的集水区 其集水面积都很小 表面平整 集流路径和汇流时间短 故集水效率都较高 影响集水效率的因素主要是降水特征 次降雨量 降雨强度 和集水面质地 坡度 前期含水量与集水面尺寸 二 雨水聚集技术 3 集水效率 35 蓄水工程是蓄集雨水的储水主体 是集雨窖灌工程的核心 蓄水工程的类型有涝池 旱井 田间蓄水池 水窖 水窑窖等多种形式 应优先采用现有蓄水设施 或进行必要的修复改造后利用 三 蓄水工程 1 蓄水设施类型的选择 36 蓄水工程的类型有涝池 田间蓄水池 水窖 旱井 水窑窖等多种形式 水窖建筑容易 使用方便 蒸发渗漏少 水质基本不受污染 在干旱半干早地区得到了比较广泛的应用 在干旱半干旱的北方山丘地区 若有地形为一定落差的台地 陡坡或矮崖 且土质较好宜于挖窑洞时 蓄水设施则以选择水窑窖为宜 三 蓄水工程 37 窑窖 38 三 蓄水设施 特点 沿崖面挖窑 水窖设在窑内 不占或少占耕地 有窑的保护 可有效地防止水面蒸发 且可使其水质基本不受污染 可沿窑身长度方向发展 容易增大水窖容积 水窖较浅 取水较方便 有利于发展自流灌溉 技术简单 施工容易 相对于旱井来说 其工作面大 可同时容纳许多人作业 出土方便 省工 缩短施工时间 同样容积的水窑窖比旱井能省工2 3倍 2 水窑窖 39 三 蓄水设施 2 水窑窖 水窑窖的基本结构形式 40 灌溉排水工程学 三 蓄水设施 2 水窑窖 水窑窖的基本结构形式 41 三 蓄水设施 2 水窑窖 42 水窖又称旱井 水窖种类主要有瓮形 瓶形 缸形 球形等多种形式 选用时应根据当地土质及群众经验确定 三 蓄水设施 3 水窖 水窖 43 山西闻喜县采用的一种三角瓶式水窖结构 三 蓄水设施 3 水窖 44 甘肃白银市采用素混凝土衬砌的球形水窖结构 三 蓄水设施 3 水窖 45 灌溉排水工程学 三 蓄水设施 3 水窖 46 庭院和屋顶集水贮水常用的缸扣缸式水窖 三 蓄水设施 3 水窖 47 称杆式自动控制的瓮形水窖 三 蓄水设施 3 水窖 48 河川径流量的影响 植被影响 集蓄雨水水质情况 讨论 集雨工程是否对环境造成负面影响 49 河川径流量的影响 考察这一问题 要看对河川径流量的影响有多大 因为黄河流域的径流系数平均仅为0 2 而在实施集雨节灌的黄土山丘区 径流系数还不到0 1 西南山区虽然径流系数要大得多 但集雨工程积蓄的主要是雨洪季节的水 对下游水资源利用的影响较小 从长远看为了改善生存条件 这些地区的用水问题总是要解决的 既使不集蓄雨水 也要从河流中取水 而这对下游河川径流的影响将更大 从总体发展规模来看 到2010年 规划区内的集雨工程面积达到5285万亩 其中西北及华北为4500万亩 每年需集蓄雨水17亿立方米 加上人畜用水 共需集蓄雨水18 6亿立方米 估算减少径流约2 2亿立方米 仅占黄河流域年径流量的3 3 其影响是非常小的 集雨工程是否对环境造成负面影响 50 集蓄雨水水质情况 长期以来 西北 西南一些地区群众饮用的就是水窖 水池集蓄的雨水 根据甘肃 内蒙 云南等地检测 水窖中的水基本没有化学和重金属污染 作为饮用水 主要是细菌和大肠杆菌超标 通过煮沸即可达到安全饮用的标准 用于灌溉 其水质完全可以满足要求 西南地区在水池里养鱼 养鸭 可能会使池中的水富营养化 影响水池周围的环境卫生 但西南地区降雨较大 经常给水池换水 上述问题可以得到较好的解决 同时利用这种水进行灌溉 对作物生长有利 饮水一般有专门的清洁水窖或水井 集雨工程是否对环境造成负面影响 51 四 雨水径流集蓄灌溉系统的优化设计方法 1 系统的基本结构与需要研究问题 雨水径流集蓄与灌溉利用系统主要由集水区域A 蓄水设施V和灌溉利用区域AM的基本结构3个主体部分组成 52 四 雨水径流集蓄灌溉系统的优化设计方法 雨季集水区域应尽量多地截留雨水径流 并输送引入蓄水设施中贮存 以备作物需水时灌溉利用 需研究问题 集流面集雨效率与集水量计算 作物对水分的反应 蓄水设施的容积及其调蓄能力研究 各种投入和产出的费用分析 集水区面积与灌溉利用区面积的比例等 1 系统的基本结构与需要研究问题 53 在集流面材料确定后 通过来用水分析计算 依据集水 用水平衡的原则可确定集流面尺寸 全年单位集水面积可集水量 不含导引过程的输水损失 式中 Fp为保证率等于P的年份单位集水面积上全年可集水量 m3 m2 Ey为某种材料集流面全年集流效率 Rp为保证率等于P的全年降雨量 mm 四 雨水径流集蓄灌溉系统的优化设计方法 集雨效率与集水量计算 54 集水效率通常是指某时段内或某次集水面的集水量占同一时期内的降雨量的比值 影响集水效率的因素主要是降水特征 次降雨量 降雨强度 和集水面质地 坡度 前期含水量与集水面尺寸 对于经特别处理过的集水区 其集水面积都很小 表面平整 集流路径和汇流时间短 故集水效率都较高 四 雨水径流集蓄灌溉系统的优化设计方法 集雨效率与集水量计算 55 四 雨水径流集蓄灌溉系统的优化设计方法 集流面集雨效率计算 主要通过试验确定 甘肃水科所根据次降雨量 降雨强度 前期含水量可获得程度得出以下公式形式 公式使用注意问题 自然集水区集水效率 集雨与集水量计算 56 四 雨水径流集蓄灌溉系统的优化设计方法 集水量计算 灌溉作物对水分的反应 灌溉作物对水分的反应 57 四 雨水径流集蓄灌溉系统的优化设计方法 各种投入和产出的费用分析 集水区面积与灌溉利用区面积的比例 雨水径流集蓄与灌溉利用系统的收益主要取决于集水区状况 当地的次降水状况及其可拦截与收集的径流量 以及灌溉作物对水分的反应与各种投入和产出的费用 并据此确定出该系统集水区面积与灌溉利用区面积的最佳比例 1 系统的基本结构与需要研究问题 58 四 雨水径流集蓄灌溉系统的优化设计方法 蓄水设施的容积及其调蓄能力研究蓄水设施的容积及其调蓄能力将对最佳面积比例起着决定性的影响 雨水径流集蓄利用灌溉系统的优化设计就是要建立系统的优化调蓄模式 1 系统的基本结构与需要研究问题 59 四 雨水径流集蓄灌溉系统的优化设计方法 2 降雨量的分析计算 采用经验频率拟合理论频率的适线法设计年降雨量 与作物生育期相对应的年度内时段降水量的分析计算 次降水量的分析计算 60 四 雨水径流集蓄灌溉系统的优化设计方法 2 降雨量的分析计算 采用经验频率拟合理论频率的适线法设计年降雨量优化设计雨水径流集蓄利用系统必须以次降水为基础 可采用水文频率计算适线法进行年降水量的分析计算 选用随机相关解集模型法分析计算灌溉年度内的各时段降水量 利用同倍比缩放法确定各时段降水量的次降水量 61 四 雨水径流集蓄灌溉系统的优化设计方法 2 降雨量的分析计算 与作物生育期相对应的年度内时段降水量的分析计算可采用随机水文相关解集模型进行分析计算 62 四 雨水径流集蓄灌溉系统的优化设计方法 2 降雨量的分析计算 次降水量的分析计算可采用同倍比缩放法 同频率缩放法或典型解集模型等方法 生产实践中常采用同倍比缩放法计算 简便 直观 可靠 63 蓄水设施某时段可获得的总水量WA取决于集水区面积A与该时段内集水区面积上各次降水状况和蓄水设施状况 灌溉利用区单位面积上可获得利用的水量Wm 作物产量对灌溉的反应 调蓄模型的目标函数应使灌溉总费用C达到最小或使系统净效益B达到最大 调蓄模型的约束条件 四 雨水径流集蓄灌溉系统的优化设计方法 3 优化调蓄模型的建立 64 调蓄模型的最终目标是要确定集水区面积A 灌溉利用区面积AM与蓄水设施容积V的最佳组合方案 其目标函数应使灌溉总费用C达到最小或使该系统净效益B最大 四 雨水径流集蓄灌溉系统的优化设计方法 65 即目标函数 式中 C为作物产品的价格 A 为集水设施总费用 包括集水区防渗处理 管理与占地等费用之和 V 为蓄水设施总费用 包括蓄水设施主体费用与其辅助设施费用之和 AM 为灌溉利用区总费用 主要为灌溉利用输水管道和灌水设备等费用 一般可表示为灌溉面积的函数 四 雨水径流集蓄灌溉系统的优化设计方法 66 优化调蓄模型的建立依据不同的目标函数与各自约束条件 不同条件下调蓄模型优化设计中考虑的组合方案的求解 有三种约束条件 四 雨水径流集蓄灌溉系统的优化设计方法 67 灌溉面积AM已确定 寻求最佳蓄水设施容积V和集水面积A 集水区面积A已确定 寻求最佳蓄水设施容积V和灌溉利用区面积AM 雨水径流集蓄 集水区面积 与灌溉利用系统总面积 已确定 求解集水区面积A 灌溉利用区面积AM蓄水设施容积V的最佳组合 四 雨水径流集蓄灌溉系统的优化设计方法 68 式中 WAi为第i时段单位面积可集水量 Mi为第i时段单位面积灌溉用水量 n为总时段内的灌水次数或集水总时段数 Wj为j时段蓄水设施有效容积 其余符号意义同前 四 雨水径流集蓄灌溉系统的优化设计方法 灌溉面积AM已确定 寻求最佳蓄水设施容积V和集水面积A 69 集水区面积A已确定 寻求最佳蓄水设施容积V和灌溉利用区面积AM 四 雨水径流集蓄灌溉系统的优化设计方法 式中 WAi为第i时段单位面积可集水量 Mi为第i时段单位面积灌溉用水量 n为总时段内的灌水次数或集水总时段数 Wj为j时段蓄水设施有效容积 其余符号意义同前 70 集水区面积与灌溉利用系统总面积 已确定 求解集水区面积A 灌溉利用区面积AM蓄水设施容积V的最佳组合 四 雨水径流集蓄灌溉系统的优化设计方法 式中 WAi为第i时段单位面积可集水量 Mi为第i时段单位面积灌溉用水量 n为总时段内的灌水次数或集水总时段数 Wj为j时段蓄水设施有效容积 其余符号意义同前 71 4 推求蓄水设施有效容积的逆时序法 某一典型年水量调配过程 假定到年末蓄水设施放空 即年末所需蓄水量为0 逆时序往前推算 遇缺水相加 遇余水相减 减后若小于0 即取为0 这样便可求得各特征时刻所需要的蓄水量 取其大者 即为该年所需的蓄水设施有效容积 四 雨水径流集蓄灌溉系统的优化设计方法 72 4 推求蓄水设施有效容积的逆时序法 四 雨水径流集蓄灌溉系统的优化设计方法 73 1 蓄水设施的调蓄能力复蓄次数应为每次集水入蓄水设施的次数之和 理论上的复蓄次数是一个反映蓄水设施调蓄能力的概念 它等于由蓄水设施所提供的总水量与蓄水设施的有效容积之比 N W V 复蓄次数主要决定于集水与用水的配合协调情况 A Am V N 四 雨水径流集蓄灌溉系统的优化设计方法 5 蓄水设施调蓄能力及其容积与个数 74 2 蓄水设施的容积与个数经济性 大小 个数合理性 实际条件约束方便性 实际条件约束 四 雨水径流集蓄灌溉系统的优化设计方法 5 蓄水设施调蓄能力及其容积与个数 75 庭院和房屋贮水常用的缸扣缸式水窖 称杆式自动控制的瓮形水窖 水窖制作一 76 庭院和房屋贮水常用的缸扣缸式水窖 称杆式自动控制的瓮形水窖 水窖制作二 77 庭院和房屋贮水常用的缸扣缸式水窖 称杆式自动控制的瓮形水窖 水窖制作三 78 圆形水窖 方口水窖 北方旱区封闭蓄水池 太行山蓄水井 79 灌溉排水工程学