《灌溉排水新技术》PPT课件.ppt

灌溉排水新技术第一讲闫玉民 第一章水分与作物 一 作物对水分状况的要求 1 水对作物的生理作用水对作物的生理作用主要表现在以下几个方面 水是作物细胞原生质的重要组成部分原生质是细胞的主体 很多生理过程都在原生质中进行 在正常情况下 原生质内含水量为80 以上 如果水分不足 原生质内的生理活动便会减弱 甚至停止 水是光合作用的重要原料在光合作用中 水是不可缺少的原料 水分不足 就会使光合作用受到抑制 水是一切生化反应的介质各种有机质的合成与分解也必须以水为介质 在水的参与下才能进行 水是养分溶解和输送的载体作物所需的矿质养分必须溶解于水中才能被利用 各种有机质也只有溶于水才能输送至植物的各个部位 水可使作物保持一定的形态作物体内水分充足时 细胞常保持数个大气压的膨压 以维持细胞及作物的形态 使正常的生长 生理活动得以进行 2 水对作物的生态作用 水对作物的生态作用 主要表现在以下五个方面 水分可以调节土壤空气在一定土壤中 土壤水分与土壤空气共同占有土壤孔隙 水多则气少 水少则气多 二者互为消长 水分能够调节土壤温度水的热容量和水的导热率比空气大得多 为了调节农田土壤温度或稻田水温 常常通过调控土壤水的含量来解决 水分可以调节土壤肥力养分的吸收和转化 都是以一定的水分条件为基础的 土壤水分的多少直接影响土壤肥力状况 水分能够改善农田小气候通过合理的灌排措施 不仅可以调节土壤温度而且也可以调节农田内部一定空气层的气温 空气湿度等因素 当农田水分多时 蒸发蒸腾强烈 空气湿度就高 气温就低 反之亦然 水分可提高耕作质量和效率旱田土壤含水量适宜 土壤的物理机械性介于粘结性与可塑性之间时 耕作质量和效率最佳 水稻田泡田以及边耕边放水的方法 也是通过调节水分来满足耕作要求的措施 3 衡量作物蒸腾的强弱有三个指标 蒸腾速率是指作物在一定时间内单位叶面面积蒸腾的水量 一般用每小时每平方分米叶面蒸腾水量的克数表示 蒸腾系数作物制造每克干物质所需要的水的克数 通常在100 500之间 蒸腾效率作物每消耗一千克水所形成的干物质的克数 通常在2 10之间 二 土壤水分运动的基本理论 1 土壤水分状况土壤中水分分为气态和液态两种 气态水分难以被作物吸收 能够被作物吸收的主要是液态水 根据作用力的类型和被作物利用的难易程度 通常把土壤水中的液态水划分为以下几种类型 吸湿水与膜状水 吸湿水 又称紧束缚水 是在分子引力作用下 干燥土粒从土壤空气中吸附的气态水分 膜状水 又称松束缚水 当吸湿水达到最大量之后 在吸湿水层的外面形成膜态的液态水叫膜状水 毛管水 受毛管力作用 被吸附于土壤细小孔隙中的水称为毛管水 它又可以分为以下两种 毛管悬着水 若地形部位较高 地下水埋藏较深 降雨和灌溉后借助毛管力而保持在上层土壤中的水分 毛管上升水 如果地下水埋藏较浅 在毛管力作用下上升至根区的水称为毛管上升水 重力水 当土壤含水量达到毛管悬着水的最大含量时 多余水分由于不能为毛管力所保持 在重力作用下 沿着土壤中大孔隙向下渗透至根区以下 这部分水叫做重力水 2 几个重要的土壤水分常数和土壤含水量的表示方法 常用的土壤水分常数有以下几种 最大分子持水量 当膜状水达到最大数量时的土壤含水量称为最大分子持水量 田间持水量 当毛管悬着水达到最大数量时的土壤含水量称为田间持水量 毛管持水量 当毛管上升水达到最大数量时的土壤含水量称为毛管持水量 饱和含水量 当土壤全部孔隙被水分所充满时 土壤便处于水分饱和状态 这时土壤的含水量称为饱和含水量或全持水量 凋萎系数 当土壤含水量降至一定程度时 由于植物的吸水力小于土壤的持水力 植物便因水分亏缺而发生永久性凋萎 此时的土壤含水量称做凋萎系数 也叫永久凋萎含水量 土壤含水量表示方法土壤含水量表示方法有以下几种 以重量百分数表示土壤含水量土壤含水量以土壤中所含水分重量占烘干土重的百分数表示 以容积百分数表示土壤含水量土壤含水量以土壤水分容积占单位土壤容积的百分数表示 以水层厚度表示土壤含水量将一定深度土层中的含水量换算成水层深度的mm表示 相对含水量将土壤含水量换算成占田间持水量或全蓄水量的百分数 以表示土壤水的相对含量 3 土壤水分运动的基本方程 在质量守恒定律基础上运用运动方程和连续方程建立了描述土壤水分运动的基本方程 式中 称为扩散度 表示单位含水率梯度下通过单位面积的土壤水流量 其值为土壤含水率的函数 K 称为水力传导度 其物理意义与渗透系数相近 由于土壤含水率与土壤压力水头之间存在着函数关系 渗透系数K也可以写成压力水头 非饱和土壤中的为负值 的函数 因此 土壤水运动基本方程也可以写成另一种以为变量的形式 式中 表示压力水头减小一个单位时 自单位体积土壤中所能释放出来的水的体积 被称为土壤的容水度 上述基本方程配以一定的定解条件 可解决灌溉排水中的实际问题 例如入渗条件下土壤水分运动和蒸发条件下土壤水分运动 灌溉排水新技术第二讲闫玉民 第二章作物水分生产函数 一 作物水分生产函数概念 农业生产的本质就是如何充分利用自然资源 物质资源和劳动资源 获得尽可能多的产出 以满足人类需要 一般情况下 生产资源投入数量不同 所能获得的产出数量也就不同 反映这种投入与产出之间技术经济数量关系的函数称为生产函数 影响作物产量的因素分为可控因素 如水量 种子 肥料等 和不可控因素 如气候 在研究作物与水分生产关系时 主要探求可控制且数量有限的水分施加量与产量之间的函数关系 对于不能控制的和供应数量变化的另外一些因素 一般视为固定因素 构成单因子的水分生产函数 作物产量与水分因子之间的数学关系称为作物水分生产函数 水分作为生产函数的自变量一般用三种指标表示 灌水量 实际腾发量 土壤含水量表示因变量产量的指标也有三种 单位面积产量 平均产量 边际产量 因变量的确定因变量只有一个 即产量 按经济目标不同 产量可以是果实 根茎或整个地上部分 产量可以表示成绝对值 亦可取相对值如实际产量与最高产量的比值 自变量的确定为了方便 现有的作物水分生产函数模型多以腾发量或其相对值作为自变量 许多学者 都对腾发量ET与产量之间的关系进行过研究 文字教材图2 1至图2 3列举了这方面一些结果 同学们可参考 二 按总量计算的作物水分生产函数这种函数是在供水受限制的条件下 可以按全生育期内总供水量满足作物最大需水量程度及其对最终产量的影响来确定的 这种生产函数通常是以产量反应系数解释相对产量的下降与全生育期相对腾发量差额之间的关系 因此可简称为值法 三 分阶段考虑的作物水分生产函数上面介绍的按总量计算的作物水分生产函数 不能反映不同阶段多次缺水对作物产量的影响 因此 许多学者相继研究了分阶段考虑的作物水分生产函数模型 按阶段缺水效应的综合方式不同 可将生产函数模型分为下列三种 1 加法模型这种模型不考虑各阶段之间缺水对产量影响 同时认为各阶段的缺水效应可简单地叠加 例如 斯梯瓦尔特提出的模型 该模型考虑了各阶段不同水平缺水对总产量的影响 使用也较简单 但是 它将各阶段缺水对产量的影响孤立起来 并简单地叠加 显然不够合理 在干旱地区是否适用 须根据当地情况分析评价或用实验资料进行验证与改进 2 相乘函数模型这种模型以乘法形式反映各阶段缺水效应之间的联系 这样 每一阶段的缺水不仅影响本阶段 还对以后的阶段产生影响 若其中某一阶段严重缺水 相对腾发量接近于零 则最后形成的产量亦接近于零 这一概念符合干旱 半干旱地区的籽实或块根为产量的作物情况 在相乘模型中 詹森 Jensen 公式最为典型 它是用各阶段相对腾发量来计算相对产量 该模型在我国应用较多 原武汉水利电力大学 中国农科院等多家单位对此进行了研究 相关成果见文字教材第二章第二节表2 2 综合模型它是由加法与乘法两类模型式综合而成 也可看成是加法模型的改进 保加利亚学者提出用三项积和式建立产量增值与阶段供水的函数关系 该函数的优点是采用了灌溉定额来反映供水的充分程度 其资料容易获得 但是 公式过于复杂 而且未发现有更多的试验验证资料 以上各模型中符号的物理意义见文字教材第二章第二节 四 灌溉供水准则 作物水分生产函数为确定灌溉供水准则提供了有力的基础 为了便于说明 我们选择以供水量为自变量的模型进行讨论 投入水量与作物产量之间存在一定的关系 可写成函数 从生产函数还可得到边际产量 为了说明他们之间的相互关系 我们结合下图予以描述 大量的灌溉试验证明了作物产量和投入水量的关系曲线如图中上半部分所示 图中的下半部分为供水效率 边际产量与投入水量的关系曲线 从图中我们可以看出他们之间的关系 存在着三个明显的变化阶段 图中在阶段1内作物产量与投入水量的关系近似直线 产量随投入水量的增加而增加 阶段2内产量随投入水量的增加也呈增加趋势 但其增加幅度较阶段1有明显的降低 阶段3内作物产量随投入水量的增加而减少 水量投入越多减产幅度越大 另外 第一阶段中 供水效率随增加而增大 边际产量总是大于平均产量 至阶段末 两者才相等 也就是此阶段产量增加的幅度大于投入量的增加幅度 因此 只要供水条件允许 就不应对供水量限制 而应以获得最大产量为追求目标 第二阶段是从平均产量最高点到总产量最高点的阶段 其特点是边际产量低于平均产量 即产量增加幅度小于水的投入量增加幅度 因此 出现了 报酬递减 规律 水量投入仍可继续增高 直至边际产量为零时 产量达到最高 第三阶段为边际产量转为负值阶段 投入的水越多越减产 显然这是不合理阶段 如果以获得最高产量为目标 则应根据第二阶段末对应的值确定灌溉供水准则 如果以获得最高的供水效率为目标 则应根据第二阶段初对应的值确定灌溉供水准则 显然 这两种目标不可能同时达到 由于我国幅员辽阔 各地自然条件不同 应根据具体情况确定灌溉供水准则 这也是在试验基础上确定出作物水分生产函数的原因 五 灌溉制度 概括的讲灌溉制度是指一种科学的灌水方案 它包括灌水次数 灌水日期 灌水定额和灌溉定额 灌水定额和灌溉定额灌水定额是指一次灌水单位灌溉面积上的灌水量 各次灌水定额之和 叫灌溉定额 通常用以下三种方法和途径确定灌溉制度 总结群众丰富灌水经验 根据灌溉试验资料制定灌溉制度 按水量平衡原理分析制定作物灌溉制度该方法理论基础是水量平衡原理 为了加深对此平衡方程的理解 我们结合下图来说明式中各符号的物理意义 图中将计划湿润层厚度H视为一平衡体 从图中可以看出 P0 M K Wr为平衡体水量补给项 ET为消耗项 其中P0为计算时段内保存在平衡体内的有效降雨量 M为灌溉水量 K为地下水补给量 Wr为由于计划湿润增加而增加的土壤含水量 ET为计算时段内的作物田间需水量 使用水量平衡原理方法确定灌溉制度 可采用列表法或图解法逐时段进行推求 详细过程可参见文字教材第二章第三节有关内容 上述三种方法各有其优缺点 实际应用中要酌情考虑 有条件时可将三种方法结合使用 灌溉排水新技术第三讲闫玉民 第三章节水灌溉技术 本章重点 1 渠道防渗技术 2 低压管道输水灌溉规划设计 3 喷灌规划设计内容与方法 一 节水灌溉的内涵 节水灌溉是根据供水条件和作物需水规律 采用各种方法和措施 提高自然降水和灌溉水的利用率和利用效率 获取农业最佳经济效益 社会效益和生态环境效益 灌溉水从水源到田间的各个环节都存在水量的无益损耗 凡是在这些环节中能够减少水量损耗 提高灌溉水利用率的各种措施 均属于节水灌溉范畴 因此 把 节水灌溉 仅仅理解为节约灌溉用水是不全面的 广义的节水灌溉内涵不仅包括灌溉过程中的节水工程措施 还包括提高农业用水效率的其它措施 如雨水集蓄 非充分灌溉 水资源优化管理技术等 二 节水灌溉的主要技术措施 节水灌溉的技术措施很多 按其性质不同分为以下三类 1 减少输水损失的措施这一环节的节水措施主要包括渠系配套和渠道衬砌防渗措施 2 节水型灌水方法节水型灌水方法主要有 喷灌 微灌 渗灌和改进的地面灌溉等技术 水稻节水灌溉常用的技术主要包括 湿润灌溉 薄露灌溉 薄 浅 湿 晒 等灌溉技术 3 提高节水灌溉管理技术节水灌溉管理技术 是指根据作物的需水规律 控制和调配水源 以最大限度地满足作物对水分的需求 实现区域效益最佳的农田水分调控管理技术 三 渠道防渗的作用 1 节水 未经衬砌的渠道 渗漏损失量很大 一般占总灌溉引水量的一半 进行渠道防渗能充分发挥水资源的效益 挖掘灌区已有水源的节水潜力 并可扩大灌溉面积 2 提高输水能力 渠道防渗后 渠床糙率显著降低 渠中流速加大 因而输水能力明显提高 一般渠道采取防渗措施后其输水能力提高30 以上 同时 渠道断面和建筑物尺寸相对可以缩小 减少了工程量 节约了投资 还提高了渠道的防冲能力 减少了渠道淤积 3 降低地下水位 改良盐碱地 渠道长期大量渗漏 会引起灌区地下水位上升 而渠道防渗后 则可使灌区地下水位 特别是沿渠道两侧的地下水位显著降低 有利于改良盐碱地和沼泽地 4 有利于渠道的安全运用 采取防渗措施后 可以提高渠床的稳定性 防止渠道滑坡 坍塌变形和溃决等事故的发生 渠道防渗还可以防止渠床长草 减少冲刷和淤积 因而可以减少大量的防险 清淤 除草等养护 维修的工作量 四 渠道防渗工程措施 1 土料类护面防渗土料类护面防渗是指用压实素土 粘砂混合土 灰土 三合土 四合土等土料进行渠槽护面防渗的一种工程措施 利用土料类护面防渗 能就地取材 造价低 施工简便 但是土料类护面防渗效果较差 使用年限较短 2 水泥土护面防渗水泥土是一种性能较好而且比较价廉的新型地方性建筑材料 它主要由土料 水泥和水等原料 按一定比例配合拌匀后 在渠槽表面铺衬 经过压实和养护后 形成防渗护面 水泥土护面防渗具有一定的强度和耐久性 可就地取材 施工也较容易 造价较低 但抗冻性较差 3 砌石护面防渗砌石护面防渗是指用料石 块石 卵石等进行浆砌 作为渠道护面而进行防渗的技术 石料衬砌渠道抗冻 抗冲 抗磨及抗腐蚀性能好 施工简易 耐久性强 能适应渠道流速大 推移质多 气候严寒等特点 适用于石料资源丰富 能就地取材的地区 以及有抗冻和抗冲要求的渠道 4 膜料防渗渠道护面衬砌膜料防渗 渠道护面主要采用塑料薄膜和沥青玻璃毡作为防渗材料结合渠道护面的防渗技术 目前我国用于渠道防渗的塑料薄膜材料主要有 聚氯乙烯 聚乙烯等多种 采用塑料薄膜衬砌渠槽防渗 其防渗能力强 质轻 运输便利 有较高的抗冻性和抗热性 并具有良好的柔性和延伸性 施工技术简单 群众容易掌握 5 混凝土衬砌渠道防渗混凝土衬砌渠道 防渗性能好 可减少渗漏水量达80 95 使用年限较长 糙率小 抗冲性能好 在地形坡度较陡地区可节省连接建筑物 缩小渠道断面 减少土方工程量和占地面积 强度高 耐久性强 便于管理 但造价较高 五 渠道防治冻胀措施 1 降低渠基土壤水分 防止冻结过程的水分转移降低渠基土壤水分的主要措施有 修建填方渠道或暗渠 排除渠堤顶面的雨雪积水 处理好伸缩缝和沉降缝 渠岸植树 通过生物排水降低渠基土壤水分 防渗体下铺设反滤层 2 采用有利于防治冻胀的衬砌结构形式及防渗材料为适应冻胀变形 采用沥青混凝土衬砌或采用沥青玻璃纤维布 塑料薄膜与混凝土预制板两种材料复合衬砌结构形式 3 采用砂砾料换基对混凝土 沥青混凝土和砌石防渗渠道 当冻胀量较大时 可采用以砂砾料换基的措施 4 铺设保温层在防渗层下铺设保温层 也是一种效果显著的防冻胀措施 保温层厚度可按 渠道防渗工程技术规范 的要求确定 灌溉排水新技术第四讲闫玉民 一 低压管道输水灌溉系统组成 低压管道输水灌溉系统组成如下图所示 可分为以下几个部分 1 水源与取水工程管道输水灌溉系统的水源有井 泉 沟 渠道 塘坝 河湖和水库等 井灌区取水部分除选择适宜机泵外 还应安装压力表及水表 并建管理房 而在自压灌区或大中型提水灌区的取水工程还应设置进水闸 分水闸 拦污栅 沉淀池和水质净化处理设施及量水建筑物 2 输水配水管网系统输配水管网系统 是指管道输水灌溉系统中的各级管道 分水设施 保护装置和其他附属设施 在面积较大的灌区 管网可由干管 分干管 支管 分支管等多级管道组成 3 给配水装置一般称出水装置或出水口 它的主要作用是由地下输水管道向田间沟 畦配水 如果出水口能连接下一级田间移动管道 则称为给水栓 4 保护设备保护设备主要指调压或进排气阀等 为防止水泵突然关闭或其它事故产生的水锤 导致管道产生负压而变形 弯曲 破裂等 在管道系统首部或适当位置应安装保护设备 二 低压管道灌溉系统的规划布置 1 规划原则规划的主要原则有以下三个方面 应准确掌握规划区自然地理 水文气象等资料 规划应在当地农业区划和地下水资源评价基础上进行 应与农田水利基本建设总体规划相适应 规划中应进行多方案的技术经济比较 2 畦沟灌水技术要素的确定低压管道灌溉条件下 畦田与灌水沟规格及适宜流量 应根据当地试验资料确定 无资料地区可参照教材表3 7和表3 8选定 3 管道系统布置 管网布置形式根据水源位置 控制范围 地面坡度 田块形状 作物种植方向等条件 管网可布设成树枝状或环状两类 常见的布置形式有三种 可参见文字教材第三章第三节图3 8 管道系统布置原则应尽量采用单井管道系统 应根据机井位置 地块形状 种植方向等因素 通过比较确定采用何种形式 应根据系统灌溉面积 或流量 和经济条件等因素确定管道级数 应力求总长度短 管线平直 减少折点和起伏 应按灌溉面积均衡布设给水栓 4 管材选择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 设计时应根据当地的具体情况 进行管材的选择 常用的管材有以下几种 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 水泥预制管该管材优点是造价低 可就地取材 宜于推广 缺点是笨重 加工养护时间长 施工中管道接口难处理 现浇混凝土管现浇混凝土管指在现场浇注成型的混凝土管 这类管材在现场连续浇注成型 整体性能好 施工机械化程度高 且可应用当地材料 造价低廉 5 管件及附属设备管件主要包括三通 四通 弯头 堵头等 目前生产中常用的管件主要有混凝土管件 塑料管件 钢管和铸铁管件 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 主要有给水装置和保护装置 给水装置给水装置是低压输水管道的主要田间灌水装置 给水装置形式较多 目前常用的有螺杆压盖型 丝盖型 提拉型等 管道保护装置为确保管道系统可靠运行和长期正常工作 管道系统必须安装保护装置 保护装置包括进气装置 排气装置 过压保护装置和调压装置 三 低压管灌系统水力计算 1 设计流量的确定2 水头损失计算第一步初选管径 可用经济流速法确定 第二步计算水头损失 主要包括沿程水头损失和局部水头损失 3 管道系统设计扬程确定设计扬程时 需要计算管道系统的最大和最小工作水头以及设计工作水头 各种水头的计算方法可参见第三章第三节有关内容 4 水泵选型与配套选用水泵的流量和扬程应满足各项要求 并对配套机井装置加以改造 以提高机井装置效率 使其符合 农用机井技术规范 规定的指标 5 管道系统工作压力校核管道系统各管段的工作压力 正常情况下应为设计工作压力 最大不得超过设计工作压力的1 4倍 管道工作压力一般不得为负值 灌溉排水新技术第五讲闫玉民 一 地面灌溉节水技术 1 土地平整技术2 地面灌水技术该项技术包括以下五项内容 小畦灌长畦分段灌水平畦灌细流沟灌隔沟灌溉其详细内容见文字教材第三章第四节 3 合理确定灌水技术要素 二 膜上灌水技术 膜上灌水 是在地膜覆盖栽培的基础上 把膜侧灌水改为膜上灌水 通过放苗孔和膜侧入渗 给作物供水的灌水方法 它是畦灌 沟灌和局部灌水方法的综合 利用地膜输水 不仅防止了传统地面灌的深层渗漏损失 而且大大减少了作物棵间的无效蒸发 从而使灌溉水大为节约 膜上灌水是干旱缺水地区或季节性干旱地区一种行之有效的节水灌溉技术 可适用于棉花 玉米 小麦 瓜菜和果树等多种作物 1 膜上灌水的节水增产机理 膜上灌水节水原因膜上灌水是可控的局部灌溉 施水面积仅占灌溉面积的2 左右 且输水速度快 靠主孔和附加孔调整首尾入渗量 灌水均匀度高 大幅度减少了深层渗漏 而且灌溉水集中于膜下土壤中 从而大大减少了棵间的无效蒸发 膜上灌水的土壤水热效应膜上灌水技术 不仅具有节水保水作用 而且具有明显的增温保温作用 根据灌水前后对地温的观测 膜上灌23天积温比膜侧沟灌积温高5 2度 平均每天高0 23度 可见 膜上灌水对土壤水热效应明显改善 原因是土壤水分集中于膜下 增大了膜下土壤的热容量 所以 地温高而稳定 膜上灌水增产效果棉花的灌溉对比试验表明 地膜覆盖棉花利用膜上灌水 具有提高地温 节水保墒 防风的作用 增产效果明显 膜上灌比沟灌棉花株高增加3 2厘米 叶片多2 4片 果枝多2 4个 蕾数多4 4个 平均增产可达50 2 膜上灌水的灌水形式 膜畦膜上灌是在畦田上覆盖地膜种植作物 灌水时将水引入畦内 水在膜上流动并由放苗孔和膜缝渗入土中 按筑埂方法可分为培埂膜畦膜上灌和膜孔膜畦灌 膜沟灌膜沟灌适合于瓜菜类作物的灌溉 又分为膜孔沟灌和膜缝沟灌两种形式 膜孔沟灌这种方法是先将土地修成沟垄相间的地块 再在沟底和沟坡上铺膜 作物种在沟坡或垄背上 沟的规格因作物而异 灌水时 水流通过沟中的地膜孔渗入土中 再通过毛细作用浸润作物根区 孔距 孔径因土质和作物灌水量而定 膜缝沟灌此种形式为膜孔灌的改进型 它是将膜铺在沟坡上 在沟底两膜相会处预留2 4cm的缝隙 水流通过缝隙渗入土中 细流膜上灌它是在普通地膜种植下 利用第一次灌水前追肥时 用专门机械将作物行间的地膜划开一条膜缝 再压成一个U形小沟 灌水时 将水放人U形小沟内进行灌溉 类似膜缝沟灌 但进沟流量很少 约为0 5l s 这种方法适合于坡度在1 以上的地区 格田膜上灌是将土地平整成网格形式的畦田 畦埂成三角形 高15 20cm 每块畦田可由零点几公顷到数公顷 畦田内要求平整 然后铺膜灌溉 此法适合于稻田膜上灌水 三 波涌灌水技术 波涌灌水 是对地面沟 畦灌的发展 又称涌流灌溉或间歇灌溉 波涌灌溉是把灌溉水断续性的 按一定周期向灌水沟 畦 供水 在第一次输水进入沟 畦 达到一定距离后 暂停供水 过一定时间再继续供水 如此分几次间歇反复的向灌水沟 畦 供水 下面介绍波涌灌溉的田间灌水方式 灌水设备和灌水技术要素 1 波涌灌溉的田间灌水方式 第一种为定时段变流程法 是指在灌水的全过程中 每个灌水周期的放水流量和放水时间一定 而水流推进长度不相同 这种方式对灌水沟 畦 长度小于400m的情况很有效 需要的自动控制装置比较简单 操作也方便 而且在灌水过程中也很容易控制 第二种为定流程变时段法 是指在每个灌水周期内 水流新增推进的长度和放水流量相同 而放水时间不相等 这种灌水方式适用于灌水沟 畦 长度大于400m的情况 但是不易控制 劳动强度大 灌水设备也相对复杂 2 波涌灌溉的灌水设备 波涌灌溉的灌水设备主要有以下几部分组成 多孔闸管系统 多孔闸管可用作管道输水系统的地面配水设备 也可用于波涌灌水设备 灌水时 通过交替开关多孔闸管上的一组或两组阀门 就可完成间歇灌水过程 波涌灌专用阀门 目前应用的有两种可转变水流方式的阀门类型 即用水或空气驱动的囊状阀和用水或电力驱动的机械阀 控制器 波涌灌控制器大多用电力驱动 也可用太阳能电池驱动 这种控制器一般都具有自动开关和控制时间的能力 3 波涌灌溉的灌水技术要素 一般情况下 需要通过灌水试验或参考类似条件下的实践经验确定 也可用理论分析方法或经验分析方法确定 主要有流量和供水时间两个要素 1 流量确定波涌灌溉适宜流量较好的方法 是在应用中观察波涌灌的运行情况 当水流推进速度太慢 灌水效率不高时 可以通过减少同时供水的每一组沟 畦 的数量来增加入沟 畦 流量 2 供水时间确定供水时间的方法是根据已有试验资料来确定 无实验资料时 也可用连续沟 畦 灌水所需时间来估算 灌溉排水新技术第六讲闫玉民 一 喷灌的概念 喷灌是利用压力管道输水 经喷头将水喷射到空中 形成细小的水滴 象降雨一样均匀地洒落在地面 湿润土壤并满足作物需水要求的一种灌溉方式 二 喷灌的优缺点喷灌具有明显的优点 节约用水 增产 提高作物品质 省工省地 适应性强 便于实现灌水机械化和自动化操作 还自动喷肥 喷药 防干热风和霜冻等 喷灌也有一些缺点 如初期投资大 能源消耗大 运行维修费较高 受风影响大 三 喷灌系统的组成喷灌系统主要由水源 机泵 压力管道和田间喷灌设备组成 四 喷灌系统的分类按照管道可移动程度 喷灌系统分为 固定式 半固定式和移动式三种形式 喷灌设备包括喷头 管道及其附件和动力设备等 其中喷头是关键设备 管道是系统的重要组成部分 要掌握喷灌技术 尤其对管道式喷灌系统 必须对喷头和管道有所了解 五 喷头与管道系统 1 喷头喷头又称喷洒器 是喷灌系统的专用设备 喷头的结构形式 质量的好坏 将直接影响喷灌的质量和效果 因此应正确选择适宜的喷头 一般对喷头进行如下分类 按照喷头的工作压力大小可分为低压喷头 中压喷头和高压喷头三种 其分类特点和适用范围见教材表3 15 按结构形式和喷洒特征可分为旋转式 固定式和孔管式喷头 2 管道管道是喷灌系统的重要组成部分 管道投资一般占喷灌工程建设投资的70 左右 因此选好管材非常重要 喷灌管道按其材料性质和使用方式分为以下几类 塑料管 金属管 钢筋混凝土管 石棉水泥管 六 喷灌主要技术参数 喷灌工程灌溉质量的好坏 取决于系统工作时的几项技术参数 喷灌技术参数主要有喷灌强度 喷灌均匀度和水滴打击强度三项指标 是设计喷灌系统的重要依据 下面对各项指标逐一进行简要介绍 喷灌强度喷灌强度是指单位时间内 喷洒在单位面积上的水量 一般用水层厚度表示 喷灌均匀度喷灌均匀度是指喷灌面积上 水量分布的均匀程度 它是衡量喷灌质量的重要指标之一 直接影响到喷灌农作物的增产幅度 水滴打击强度水滴打击强度是指在单位时间内 单位受水面积上 所获得的水滴撞击能量 实践中一般用水滴直径或雾化指标 来间接反映水滴打击强度 七 喷灌工程的设计 喷灌工程规划设计的任务 是在综合分析基本资料 掌握灌区基本情况和特点的基础上 通过技术经济比较 确定喷灌工程总体设计方案 然后根据总体规划和布置 再进行具体的工程技术设计 喷灌系统规划设计的具体内容有 管道系统布置管道系统布置时 应根据地形条件 地块形状 耕作与种植方向 风向风速以及水源位置等因素 其布置原则是 支管应尽量与耕作方向平行 并尽量与作物种植的垄向一致 支管最好平行等高线布置 同时便于支管轮灌等 常见的布置形式可参见文字教材的第三章第五节 喷洒方式的确定喷头的喷洒方式有全圆喷洒 扇形喷洒两种 全圆喷洒间距较大 喷灌强度较低 适合于管道式喷灌系统 单喷头移动机组为避免道路泥泞 则采用扇形喷洒 另外在地边和地角一般作扇形喷洒 以免喷到界外和道路上 喷灌工作制度的确定喷灌工作制度包括喷头在工作点上的喷洒时间 喷头日喷洒工作点数 同时喷洒的喷头数及轮灌方案 其确定方法可参见文字教材第三章第五节的有关公式 管道系统水力计算管道水力计算主要是计算管道沿程水头损失和局部水头损失 其目的是合理确定各级管道的管径和系统设计扬程 具体计算可参见文字教材第三章第五节的有关公式 水泵和动力设备由管道水力计算结果求出设计扬程和设计流量 依此为依据 查有关手册选择水泵和动力设备 灌溉排水新技术第七讲闫玉民 一 微灌的概念微灌包括微喷灌和滴灌 是根据作物需水要求 通过管道系统与安装在末级管道上的灌水器 将水输送到作物根部附近的土壤表面或土层中的灌水方法 二 微灌的优点 微灌的优点是 灌水流量小 水的利用率高 工作压力低 节省能源 对土壤及地形适应性强 可结合灌水施肥 增产明显 三 微灌的缺点 微灌的缺点是 灌水器容易堵塞 因受水面积小 作物根系发展会受到一定影响 四 微灌系统组成微灌系统通常由水源 首部枢纽 输配水管网和灌水器四部分组成 五 微灌系统的规划设计 微灌系统的规划设计与其他灌排工程设计一样 在调查研究 外业勘测和收集资料的基础上进行 其规划设计的工作内容主要有以下几个方面 1 微灌系统的布置微灌系统的布置通常是 先在1 500 1 2000比例尺的地形图上进行初步布置 然后将初步布置方案拿到现场 与实际情况对照并进行修正 首都枢纽位置的确定首部枢纽位置的选择以投资省 管理方便为原则 一般首部枢纽都和水源工程结合在一起 如果水源距灌区较远 首都枢纽也可布置在灌区旁边 有条件时尽可能布置在灌区中心 以减少输水干管的长度 毛管和灌水器的布置滴灌毛管和灌水器的布置应根据作物的种类和种植情况进行 微喷灌根据所使用的微喷头的结构和性能不同 毛管和灌水器的布置也不同 毛管沿作物行方向布置 一条毛管可控制一行作物 也可控制若干行作物 毛管长度取决于微喷头的流量和均匀度的要求 由水力计算决定 干 支管布置干 支管布置取决于地形 水源 作物分布和毛管的布置 其布置应达到管理方便 工程费用少的要求 2 微灌灌溉制度微灌灌溉制度主要包括设计灌水定额 设计灌水周期 一次灌水延续时间 其确定可参见第三章第五节的有关公式 3 微灌系统工作制度的确定微灌系统工作制度主要有续灌和轮灌两种方式 不同的工作制度要求的流量不同 因此工程费用也不同 在确定工作制度时 应根据作物种类 水源条件和经济状况等因素作出合理的选择 4 微灌系统流量干管流量较大 一般都分段计算 任一干管段的流量等于该段干管以下同时供水支管流量之和 在轮灌情况下 同一段干管对不同轮灌组供水时流量可能不同 应针对不同轮灌组分别计算 5 微灌系统的水力计算微灌系统水力计算的任务 是在设计流量已定 以及满足设计灌水均匀度要求的前提下 合理确定各级管道的管径 选择适宜的水泵及配套动力 6 首部枢纽设计首部枢纽有过滤器 施肥装置 水泵及动力设备 过滤器的选择主要考虑水质和经济两个因素 施肥装置应根据设计流量 肥料和农药的性质选择 化肥和农药注入及储存设备应耐腐蚀 水泵及动力设备 应根据所确定的系统设计流量和系统设计扬程 查有关手册 进行选配 7 管道系统结构设计根据各级管道尺寸 确定其联接方式 选择管件 绘制附属建筑物 阀门井 镇墩等结构图 灌溉排水新技术第八讲闫玉民 一 渗灌的概念渗灌是利用地下管道将灌溉水输入埋于田间地面以下一定深度的渗水管道或鼠洞内 借助土壤毛细管作用湿润土壤的灌水方法 二 渗灌的工程形式及系统组成渗灌工程主要有地下水浸润灌溉和地下渗水暗管灌溉两种形式 一般由水源工程 首部枢纽 输水部分和渗水器等四部分组成 三 渗灌技术要素 1 渗水管的埋设深度渗水管的埋深 主要取决于土壤性质 作物种类和耕作情况及冻土层深度等因素 应使灌溉水能借毛细管作用上升湿润表层土壤 而深层渗漏又最小 2 渗水管的间距渗水管的间距 主要取决于作物行距 土质和供水压力 也与管径和埋深有关 并应满足土壤湿润均匀的要求 对密植作物应使相邻两条渗水管道的湿润曲线有一定的重叠 3 渗水管的长度和坡度适宜的渗水管长度 应使渗水管首尾两端土壤湿润均匀 同时渗漏损失最小 它与渗水管的坡度 供水压力 流量大小和渗水情况等因素有关 渗水管的坡度应基本上与地面坡度保持一致 4 渗水管的工作压力渗水管有压供水时 管道长度和间距大 土壤湿润速度快 管理方便 因此 一般都采用有压供水方式 但压力不可过大 以免引起深层渗漏或水流溢出地面 一般渗水管的工作压力水头以控制在0 4 1 2m为宜 5 渗灌的灌水定额渗灌灌水定额 主要取决于土壤性质和计划湿润土层深度 一般应使相邻两条渗水管间的土层得到足够的湿润 而又不发生深层渗漏为准 6 渗水管的灌水流量当灌水定额和渗水管的间距和长度确定以后 则可按下式计算每条渗水管所需要的入管流量 3 41 式中 Q为渗水管流量 L s m为灌水定额 m3 hm2 b为渗水管间距 m L为渗水管长度 m t为一次灌水的延续时间 h 应根据试验确定 一般以不超过24h为宜 时间过长 深层渗漏严重 水稻节水灌溉技术 1 水稻薄露灌溉薄露灌溉是一种灌水层较薄 适时落干露田的灌水技术 灌溉水层一般在20mm以下 灌水后要自然落干露田 露田程度和历时则根据水稻不同生育阶段的需水要求而定 遇连续降雨 稻田积水层超过5天时 要排水落干露田 薄露灌溉改变了稻田长期淹水的状态 有效地改善了水稻的生态条件 减少水稻腾发和田间渗漏 达到节约用水 高产 增产的目的 2 水稻 薄 浅 湿 晒 灌溉 采用这项技术时 不同地区有不同的田间水分控制标准 控制模式中 分蘖后期晒田是一项有利于高产 节水的重要措施 对于开始晒田的时间 应掌握苗足晒田和时够晒田 3 水稻叶龄模式灌溉 根据水稻生育进程 叶龄模式而进行的灌溉 称之为水稻叶龄模式灌溉技术 即根据水稻不同叶龄期的生理生态耗水规律 以叶龄进程为主轴 产量形成为目标 调节器官协调生长为依据 实行高产灌溉 准确掌握各次灌水 湿润 排水 晒田的起止时间与强度 在不同生育期将稻田水分控制在高产所需的适宜范围 灌溉排水新技术第九讲闫玉民 第4章灌区水资源优化管理 灌溉水资源优化管理以及灌溉水资源优化管理包括的内容 灌区水资源优化管理是指在灌溉水源比较紧缺的地区 采用系统优化方法 合理利用灌溉水源 提高灌溉水资源的经济效益 提高灌区的总体产量 灌区水资源优化管理包括两方面的内容 灌溉水量在空间上的合理分配 即在同一大型灌区内各个分灌区全年用水量分别分配多少 各分灌区灌溉水量的分配 应以全灌区总体经济效益最高为准则 同时兼顾各分灌区经济效益 灌溉水量在时程上的合理分配 即根据各种不同来水过程 考虑灌区土质 气候特点和农作物布局等条件在时程上进行优化配水 使有限的灌溉水源获得最大的经济效益 进行灌区水资源优化配置时应遵循的原则 在进行水资源优化管理配置时 应遵循以下原则 1 可承载原则可持续发展首先要求不允许破坏地球上生命支撑系统 如空气 水 土壤等 即处在可承载的最大限度之内 以保证人类福利水平至少处在可生存状态 2 综合效益最大原则可持续发展鼓励经济增长 但它不仅重视增长数量 更追求改善质量 它以保护自然环境为基础 以改善和提高生活质量为目标 与资源 环境的承载能力相协调 追求经济效益 社会效益 环境效益的综合效益最大 3 可持续性原则通过水资源配置 以维持自然生态系统的更新能力和持续利用 实现水资源可持续利用 不仅考虑到当代人 而且顾及到后代人 体现可持续原则 4 水资源利用和水患防治相结合原则在配置水资源的同时 也要注意与历史 现在和将来出现的水患治理相结合 在实际确定水资源规划方案时 既要考虑水资源的分配需要 也要兼顾可能的水患防治需要 5 水资源利用和水资源保护相结合原则在面向可持续发展的水资源优化配置过程中 实际上已经考虑到水资源的保护问题 这里需要强调的是 在制定水资源配置方案时应尽可能将废污水的排放减小到最低程度 以保持在水资源承载能力允许范围内 6 开源与节流并重原则这里主要针对 在建立水资源优化模型时 要兼顾考虑 开源 途径和 节流 途径 开源 和 节流 是解决水资源需求的两条基本途径 过去 人们对 开源 比较重视 常常靠兴修水利工程和设施 开发新水源 来增加水源的供水能力 但是 在水资源相对贫乏 水资源利用率已很高的地区 增大水源供水能力已没有多大潜力 特别是在供水能力已经超过水资源可承载能力的地区 开源 已经不可能 这时 主要靠节水技术方法 实施节水措施 提高人们节水意识 建立节水型社会 灌区用水量计算时 应包括的内容 灌区用水是指工农业 城镇生活及其他部门的具体用水要求 农业用水包括农业 林业 牧业 渔业 农村人畜生活饮用水及不纳入城市工业产值部分的乡镇企业 农业灌溉用水计算步骤大致如下 1 估算灌区净灌溉用水量 2 确定渠系水利用系数 3 计算地下水净灌溉水量 4 计算灌区需用地表水毛水量 5 计算灌区总毛用水量 林业用水主要指苗圃育苗及果树灌溉用水 根据苗圃 果树的面积和灌溉定额估算用水量 农村畜牧业用水主要指大小牲畜和家禽的用水 根据牲畜或家禽的头数和用水定额估算用水量 渔业用水系指坑塘养鱼的水面蒸发和渗漏所消耗水量的补充值 其计算式为Wfh E P S 式中 Wfh为渔业用水量 为养殖水面面积 E为蒸发器所测的水面蒸发量 为蒸发器折算系数 P为年降水量 S为年渗漏量 渔业用水量也可用调查补水定额与养殖水面面积的乘积进行估算 乡镇企业用水量指产值不列入城市工业产值内的乡镇企业用水量的 估算可通过典型调查进行 计算时可参考 中国农村给水工程设计水册 中的乡镇企业用水量标准 对于这部分用水量的发展预测 可参考工业用水产值法或趋势法进行 农村居民生活用水量的估算应根据典型调查 按不同类别居民的人均用水标准进行估算 估算公式为 Win nimi 式中 Wni为农村居民生活用水 ni为某种用水标准的人数 mi为某种用水标准 灌区可利用水资源的类型以及确定方法 灌区可利用水资源系指通过工程措施具有一定保证率的可利用水的水量 包括地表水资源可利用量和地下水可利用量 1 地表水资源可利用水量广义的地表水资源是指存在于地球表面不同形态的水体总量 包括河流水 湖泊水 冰川水 沼泽水和海洋水等 狭义的地表水资源是指从大气降落下来的水 扣除陆面 水域 植物等的蒸散发以及补给层地下水后的地表产水量 当区域内蓄 引 提水量较大 即水利化程度较高时 可以根据工程的类别和大小采用分类 分级分析法计算可利用水量 蓄水工程可供水量蓄水工程包括大 中 小型水库及塘坝工程 大 中型水库和重点水库 一般都有实测资料 实测放水系列能反映水库下游的需水量 因此在推算这类工程的可利用地表水资源时 应根据水库入库水量进行水库径流调节 确定不同保证率的可供水量 推求多年调节水库的调节水量 可根据资料分别采用时历法和数理统计法 求得水库可供水量以后 再按灌溉用水过程确定可供水量的月分配 对小型水库及塘坝工程 缺少实测资料时 一般采用 复蓄指数 法来估算可利用地表水资源量 复蓄指数 是水库每年放水量与水库库容的比值 可根据调查确定 对丰 平 枯水不同代表年分别调查小型水库及塘坝的有效容积和复蓄指数n 进而求得不同代表年的塘坝可供水量 即W nV V为有效库容 引水工程可供水量引水工程可供水量系指通过引水工程直接从江河 湖泊中自流引用的水量 一般大型引水工程的引水口都有实测引水记录 无引水纪录时 可根据下游用水资料反推引水量 或根据引水工程的设计过水能力估算引水量 提水工程可供水量提水工程可供水量则指通过动力机械设备提取的水量 用提水工程的保灌面积 乘以综合毛定额 得其利用量 如提水工程在水库放水渠道上 在计算水库可利用水量时 就不要计入提水工程内 以避免重复计算 通过以上计算 最后按水资源分区 提出各流域 片 各市 县 区和分区的各种保证率的可利用地表水资源量 供水资源规划使用 2 地下水可利用水量地下水的用水部门一般包括农业 牧区草场 林业苗圃以及部分工业 城镇生活用水等 在特定区域内 根据地下水的补给来源 通过对上述各部门地下水实际开采量的调查 分析不同地区单井出水量 井灌面积与定额 渠系有效利用系数等 进而确定地下水的可开采量和实际开采量 在浅层地下水开发利用程度不高的地区 通常直接以农业 工业和生活用水量作为可供水量 而在地下水开发利用程度较高的地区 则需考虑补给量与用水量之间的平衡关系 计算有一定补给保证率的可开采量 以此作为该地区的地下水可供水量或可利用地下水量 水库灌区优化决策数学模型的目标函数的确定方法 优化决策的数学模型主要由目标函数和约束方程两部分组成 目标函数有单目标与多目标 极大化与极小化以及物理量与经济量之分 选用哪类目标函数 则视决策问题的任务要求及其资料条件而定 1 以物理量来表达 以灌区的灌溉面积最大或粮食产量最高为目标 这种目标可用于灌溉工程的规划设计或水量调度的课题中 常常在灌溉来水量一定或灌溉库容一定情况下 寻求灌溉面积最大或粮食产量最高的方案 这种课题往往是确定性的 2 以经济量来表达 用经济量作目标有较多优点 例如 不同计量单位可以通过货币转换为同一计量单位 于是用物理量表达的某些多目标课题 就能转化为单目标的课题 可以把灌溉工程的投资 年运行费用 效益等联系在一起来考虑 使研究的问题更为全面和合理 也可以用动态经济分析的方法进行研究 把货币的时间价值考虑进去 灌溉排水新技术第十讲闫玉民 以经济量来表达的几种典型表达式如下 1 以净效益现值最大为目标这种目标主要用于优化规划课题中 2 以费用现值最小为目标当灌溉效益资料不足或效益是一个定值时 常采用费用现值最小作为择优准则 如果水库灌区中还有电站 泵站等工程项目 则以这些项目的规模 或发电量 流量等 作为决策变量 写出其相应的效益 投资及运行费用的函数表达式 乘以现值因子后 综合到相应的目标函数式中即可 此外 还可采用年运行费用最小和效益费用比最大等作为目标函数 3 多目标问题的目标函数对于多目标问题 其目标函数表示方式与单目标问题目标函数表达方式是类同的 多个目标一般可用权重系数处理成单一目标 或把次要目标放入约束条件中 在目标函数中只体现一个主要目标 前者称为权重法 后者称为约束法 动态规划数学模型中的变量以及选择方法 动态规划数学模型主要包括阶段变量 状态变量和决策变量 1 阶段变量的选择表明研究课题在发展过程中所处的时间或空间的变量 在灌溉管理运行课题中 常以时间作为阶段变量 一般可选择年 月或旬 在规划设计课题中 常可以空间概念来划分阶段 一般取工程类型如水库甲 水库乙 泵站甲 泵站乙作为阶段变量 也可以用分灌区1 分灌区2等作为阶段变量 此外也可以用灌区种植的作物类型作为阶段变量 如作物A 作物B 作物C等等 2 状态变量的选择在多阶段决策过程中 说明过程演变状况的变量就称为状态变量 对于确定灌溉水库最优运行策略或灌溉水量分配的问题 一般可以选择水库水位 水库蓄水量或供给作物的有效水量等作为状态变量 在灌溉工程的规划设计课题中 可用泵站开机台数 闸门开启高度 水库水位等作为状态变量 并常以累计水量进行状态的转移 3 决策变量的选择从一状态演变到下一阶段状态的选择就称为决策 描述这个决策的变量就称为决策变量 在灌溉工程的系统分析中 一般常以流量或水量作为决策变量 在某些情况下 也可以进水闸尺寸 泵站装机等工程规模作为决策变量 因为它们都可以通过物理关系方程式转化为水量和流量 地面水和地下水联合运用系统的组成部分和特点 地面水与地下水联合运用系统的组成在不同地区不尽相同 但都包括以下各部分 1 地面水供水系统主要包括地面水源工程和地面水输配水渠道及建筑物等 其中地面水源工程可以是拦蓄调节地面水的河流水库 也可以是无调节措施的河流引水或扬水工程 有些情况下还包括防洪 排沙等辅助工程 2 地下水供水系统主要包括地下水含水层 又称地下水库 和大量分散的管井建筑和抽水设备 3 灌区田间灌水系统该系统是将地面水或地下水输送分配到田间的灌溉沟渠及渠系上的建筑物和设备 4 灌区排水系统排泄暴雨径流或多余的引水量 5 其余组成部分如回灌地下水的设施等 当灌区情况复杂 其不同部位的联合运用方式有较大差别时 一般需根据灌区的地形地貌 水文地质条件和地面水的供水特点 将其分成若干子区分别研究 子区按其组成分三种类型 特点分别如下 1 井渠结合区这类子区既有地面水供水系统 也有井灌系统 供水比较可靠 但是工程投资大 年运行费用高 有些井渠结合区采取井渠插花布局 井灌区既可利用本区的地下水 同时也可利用周围渠灌区的地下水 包括渠灌区的回