地表水资源的开发利用途径及工程

第五章地表水资源的开发利用途径及工程 主讲人 张金萍郑州大学 第一节地表水资源的利用途径第二节地表水取水构筑物介绍第三节地表水取水构筑物的设计第四节地表水输水工程的选择与设计思考题 本章内容 地表水源 江 河 湖泊 水库和海水 特点 1 地表水多为河川径流 2 地表水资源受季节性影响较大 水量时空分布不均 3 地表水水量一般较为充沛 能满足大流量的需水要求 4 地表水水质容易受到污染 浊度相对较高 有机物和细菌含量高 5 在地形 地质 水文 卫生防护等方面均较复杂 第一节地表水资源的利用途径 一 地表水资源的特点 二 地表水资源开发的主要途径 一 河岸引水工程 1 无坝引水 当小城镇或农业灌区附近的河流水位 流量在一定的设计保证率条件下 能够满足用水要求时 即可选择适宜的位置作为引水口 直接从河道侧面引水 这种引水方式就是无坝引水 2 有坝引水 定义 当天然河道的水位 流量不能满足自流引水要求时 须在河道上修建壅水建筑物 坝或闸 抬高水位 以便自流引水 保证所需的水量 这种取水形式就是有坝引水 组成 由拦河坝 闸 进水闸 冲沙闸及防洪堤等建筑物组成 某有坝渠首工程平面布置示意图 正面引水 侧面排沙工程示意图 3 提水引水 就是利用机电提水设备 水泵 等 将水位较低水体中的水提到较高处 满足引水需要 二 蓄水工程 水库 1 挡水建筑物 拦河坝 按建筑材料分 土石坝 混凝土坝 浆砌石坝 土坝 堆石坝 重力坝 拱坝 支墩坝 重力坝和拱坝 重力坝 依靠坝体自重产生的抗滑力维持稳定结构简单 施工方便 安全可靠性强 抗御洪水能力强等特点体积庞大 对水泥用量多 且对温度要求严格 坝体应力较低 受扬压力作用大 三峡大坝夜景 三峡大坝航拍图 拱坝 拱坝是坝体向上游凸出 在平面上呈现拱形 拱端支承于两岸山体上的混凝土或浆砌石坝 优点 体积小 超载能力和抗震性好 缺点 拱坝坝体单薄 孔口应力复杂 因此坝身泄流布置复杂 同时施工技术要求高 尤其对地基的处理要求十分严格 土坝 坝体 维持土坝的稳定 防渗设备 减小坝体和坝基的渗透水量 要求用透水性小的土料或其他不透水材料筑成 排水设备 尽量排出已渗入坝身的渗水 增强背水坡的稳定 可采用透水性大的材料 如砂 砾石 卵石和块石等 护坡 防止波浪 冰凌 温度变化 雨水径流等的破坏 一般采用块石护坡 2 泄水建筑物 用以宣泄多余水量 防止洪水漫溢坝顶 保证大坝安全 溢洪道 深式泄水建筑物 坝身泄水孔水工隧洞坝下涵管 河床式 侧槽式溢洪道 河岸式 正槽式溢洪道 引水段 控制段 泄水槽 消能设备 尾水渠 溢洪道组成 主体 与上游连接 与下游连接 3 引水建筑物 常见的型式有水工隧洞 坝下涵管和坝体泄水孔等 水工涵洞和坝下涵管均由进口段 洞 管 身段和出口段组成 坝内涵管 水工隧洞 三 扬水工程 扬水是指将水由高程较低的地点输送到高程较高的地点 或给输水管道增加工作压力的过程 扬水工程主要是指泵站工程 水泵与其配套的动力设备 附属设备 管路系统和相应的建筑物组成的总体工程设施称为水泵站 亦称扬水站或抽水站 扬水的工作程序为 高压电流 变电站 开关设备 电动机 水泵 吸水 从水井或水池吸水 扬水 水泵 动力式泵 容积式泵 依靠泵的动力作用使液体的动能和压能增加和转换完成 离心泵 轴流泵和旋涡泵等 对水流的压送是靠泵体工作室容积的变动来完成 活塞式往复泵 柱塞式往复泵等 离心泵 工作原理 利用泵体中的叶轮在动力机 电动机或内燃机 的带动下高速旋转 由于水的内聚力和叶片与水之间的摩擦力不足以形成维持水流旋转运动的向心力 使泵内的水不断地被叶轮甩向水泵出口处 而在水泵进口处造成负压 进水池中的水在大气压的作用下经过底阀 进水管流向水泵进口 分类 按其转轴的立卧 卧式离心泵和立式离心泵 其轴上叶轮数目多少 单级和多级 单侧进水和双侧进水 水流进入叶轮的方式 离心泵的技术性能有流量 输水量 扬程 总扬程 轴功率 效率 转速 允许吸上真空高度六个工作参数表示 泵站主要由设有机组的泵房 吸水井和配电设备三部分组成 根据泵站在给水系统中的作用 泵站可以分为取水泵站 送水泵站 加压泵站和循环泵站四类 四 输水工程 输水工程主要采用渠道输水和管道输水两种方式 第二节地表水取水构筑物介绍 分类 水源的种类 河流 湖泊 水库 海水取水构筑物 取水构筑物的构造形式 固定式 岸边式 河床式 斗槽式 和移动式 浮船式 缆车式 带低坝的取水构筑物和底栏栅式取水构筑物 山区河流 一 固定式取水构筑物 一 岸边式取水构筑物 直接从岸边进水口取水的构筑物称为岸边式取水构筑物 它由进水间和泵房两部分组成 岸边式取水构筑物无需在江河上建坝 适用于当河岸较陡 主流近岸 岸边水深足够 水质和地质条件都较好 且水位变幅较稳定的情况 但水下施工工程量较大 且须在枯水期或冰冻期施工完毕 根据进水间与泵房是否合建 岸边式取水构筑物可分为合建式和分建式两种 1 合建式岸边取水构筑物 阶梯式布置 1 进水间 2 进水室 3 吸水室 4 进水孔 5 格栅 6 网格 7 泵房 8 阀门井 水平式布置 2020 4 15 29 卧式泵改为立式泵或轴流泵 且吸水间在泵房下面 1 进水间 2 泵房 3 立式泵 4 立式电动机 2 分建式岸边取水构筑物 分建式岸边取水构筑物 1 进水间 2 引桥 3 泵房 二 河床式取水构筑物 河床式取水构筑物与岸边式基本相同 但用伸入江河中的进水管 其末端设有取水头部 来代替岸边式进水间的进水孔 它主要由泵房 集水间 进水管和取水头部组成 床式取水构筑物根据集水井与泵房间的联系 可分为合建式与分建式 河床式取水构筑物按照进水管形式的不同 可以分为四种基本形式 自流管取水式 虹吸管取水式 水泵直接取水式和江心桥墩取水式 a 合建式 b 分建式1 取水头部 2 进水管 3 集水井 4 泵房 1 自流管取水式 2 虹吸管取水式 1 取水头部 2 虹吸管 3 集水井 4 泵房 3 水泵直接吸水式 1 取水头部 2 水泵吸水管 3 泵房 4 江心桥墩取水式 1 集水井 2 进水孔 3 泵房 4 引桥 5 出水管 二 移动式取水构筑物 一 浮船式取水构筑物 将取水设备直接安置在浮船上 由浮船 锚固设备 连络管及输水斜管等部分组成 阶梯式连接的浮船式取水构筑物 柔性联络管连接 刚性联络管连接 二 缆车式取水构筑物 1 泵车 2 坡道 3 支墩 4 输水管 5 绞车房 a 斜桥式 b 斜坡式 缆车式取水构筑物由泵车 坡道或斜桥 输水管和牵引设备等部分组成 三 山区浅水河流取水构筑物 一 山区浅水河流特点 河床多为粗颗粒的卵石 砾石或基岩 稳定性较好 河床坡降大 河狭流急 洪水期流速大 洪水期推移质多 水位和流量变化幅度大 水质变化剧烈 北方某些山区河流潜冰 水内冰 期较长 二 取水特点 山区河流枯水期河流流量很小 取水量占河水枯水径流量的比重很大 有时高达70 90 平枯水期水层浅薄 不能满足取水深度要求 需要修筑低坝抬高水位或采用底部进水的方式解决 洪水期推移质多 粒径大 因此 在山区浅水河流的开发利用中 既要考虑到使河水中的推移质能顺利排除 不致大量堆积 又要考虑到使取水构筑物不被大颗粒推移质损坏 三 低坝式取水构筑物 固定式低坝平面图1 溢流坝 低坝 2 冲沙闸 3 进水闸 4 引水渠 5 导流堤 6 护坦 1 固定式 2 活动式 袋形橡胶坝 浮体闸 四 底栏栅取水构筑物 通过坝顶带栏栅的引水廊道取水 由拦河低坝 底栏栅 引水廊道 沉沙池 取水泵站等部分组成 在河床较窄 水深较浅 河床纵坡降较大 大颗粒推移质特别多的山溪河流 且取水量占河水总量比例较大时采用 1 溢流坝 低坝 2 底栏栅 3 冲沙室 4 进水闸 5 第二冲沙室 6 沉沙池 7 排沙渠 8 防洪护坦 四 湖泊和水库取水构筑物 一 湖泊和水库特征 湖泊和水库的水位与其蓄水量和来水量有关 其年变化规律基本上属于周期性变化 湖泊和水库具有良好的沉淀作用 水中泥砂含量较低 浊度变化不大 但在河流入口处 由于水流突然变缓 易形成大量淤积 不同的湖泊或水库 水的化学成分不同 湖泊 水库中的水流动缓慢 浮游生物较多 多分布于水体上层10m深度以内的水域 二 取水构筑物位置选择 不宜选择在湖岸芦苇丛生处附近 避免选择在夏季主风向的向风面的凹岸处修建取水构筑物 应选择靠近大坝附近或远离支流的汇入口 防止泥沙淤积取水头部 应建在稳定的湖岸或库岸处 可以避免大风浪和水流对湖岸 库岸的冲击和冲刷 减少对取水构筑物的危害 三 取水构筑物类型 1 隧洞式取水和引水明渠取水 岩塞爆破法示意图 2 分层取水的取水构筑物 为避免水生生物及泥砂的影响 应在取水构筑物不同高度设置取水窗 根据不同水深的水质情况 取得低浊度 低色度 无嗅的水 3 自流管式取水构筑物 采用自流管或虹吸管把水引入岸边深挖的吸水井内 然后水泵的吸水管直接从吸水井内抽水 泵房与吸水管可以合建 也可分建 五 海水取水构筑物 一 海水取水的特点 海水含盐量高 腐蚀性强 海生生物的影响与防治 海生生物的大量繁殖常堵塞取水头部 格网和管道 且不易清除 对取水安全可靠性构成极大危胁 可采用加氯法去除 潮汐和波浪 取水构筑物应设在避风的位置 对潮汐和海浪的破坏力给予充分考虑 泥沙淤积 海滨地区 潮汐运动往往使泥砂移动和淤积 在泥质海滩地区 这种现象更为明显 因此 取水口应避开泥砂可能淤积的地方 最好设在岩石海岸 海湾或防波堤内 1 引水管渠取水 当海滩比较平缓时 可采用自流管或引水管渠取水 二 海水取水构筑物分类 1 防浪墙 2 进水斗 3 引水渠 4 沉淀池 5 滤网 6 泵房引水渠取海水的构筑物 剖面图 平面图 2 岸边式取水 在深水海岸 若地质条件及水质良好 可考虑设置岸边式取水 直接从岸边取水 三 海水取水构筑物分类 3 潮汐式取水 1 蓄水池 2 潮门 3 取水泵房 4 海湾 第三节地表水取水构筑物的设计 一 地表水水源资料及其收集 水文资料水质资料河床资料人类活动影响资料其它资料 水位流量流速波浪 二 地表水取水位置的选择 取水点应设在水质较好的地段 取水点应设在具有稳定的河床 靠近主流和有足够水深的地段 取水点应具有良好的地质 地形及施工条件 取水点应靠近主要用水地区 取水点应避开人工构筑物和天然障碍物的影响 取水点应避免冰凌的影响 取水点应与河流的综合利用相适应 三 地表水取水构筑物设计原则 应根据情况在设计前进行水工模型试验 城市供水水源的设计枯水流量保证率一般可采用90 97 设计最高水位一般按1 的频率确定 设计枯水位的保证率一般可采用90 99 应根据水源情况 采取各种防护措施 防洪标准不应低于城市防洪标准 设计洪水重现期不得低于100年 冲刷深度应通过调查与计算确定 在通航河道上 应根据航运部门的要求在取水构筑物处设置标志 在高含沙河流下游淤积河段设置的取水构筑物 应预留设计使用年限内的总淤积高度 并考虑淤积引起的水位变化 水源 取水点和取水量的确定 应取得有关部门同意 四 固定式取水构筑物的构造和设计 一 岸边式取水构筑物 1 进水间 进水室的平面尺寸应根据进水孔 格网和闸板的尺寸及安装 检修和清洗等要求确定 吸水室的设计要求一般与泵房吸水井基本相同 吸水室的平面尺寸按水泵吸水管的直径 数目和布置要求确定 2 进水孔 不同高程处分层设置进水孔 3 进水间的附属设备 1 格栅 在取水头部或进水间的进水孔处设置 金属框架 栅条 与进水孔形状相同 断面 矩形 圆形等 厚度 10mm 间距 根据取水量大小 冰絮和漂浮物等情况确定 进水孔的过栅流速 2 格网 格栅后设置 平板格网 旋转格网 3 排泥 采用排砂泵 排污泵 压缩空气提升器等设备 4 起闭设备 在进水间的进水孔 格网和横向隔墙的联通孔上设置 常用平板闸门 滑阀和蝶阀等 5 起吊设备 设在进水间上部的操作平台上 用以起吊格栅 格网 闸板和其它设备 常用起吊设备有单轨吊车与桥式吊设备车 4 岸边式取水泵房 水泵型号和台数 3 4台 泵房平面 矩形 圆形等 取水泵房的起吊设备 一级起吊和二级起吊 防渗 抗浮 增加重物 锚固 增加摩擦 二 河床式取水构筑物 1 取水头部 1 取水头部设计的一般要求 应设在稳定河床的主流深槽处 有足够的取水深度 选择合理的外形和较小的体积 以避免对周围水流产生大的扰动 同时防止取水头部受冲刷 甚至被冲走 取水头部应防止冰块堵塞和冲击 并防止船只 木筏碰撞 可在上游或周围设置航标加以保护 2 取水头部的型式与构造 管式取水头部 a 顺水流式 b 水平式 c 垂直向上式 d 垂直向下式喇叭管取水头部 蘑菇式取水头部 鱼形罩式取水头部 箱式取水头部 圆形箱式取水头部 菱形箱式取水头部 桥墩式取水头部 桩架式取水头部 岸边隧洞式喇叭口形取水头部 活动式取水头部 斜板式取水头部 3 取水头部进水孔的设计 进水孔的位置和方向应根据水流中含泥沙 漂浮物及冰凌等情况确定 一般布置在取水头部的侧面和下游面 多朝向下游或与水流方向垂直 漂浮物和泥沙较少的河流 可在取水头部下游侧开进水孔 有漂浮物或流冰的河流 应在侧面设进水孔 以免水面旋涡吸入漂浮物 河床为易冲刷的土壤 含沙量大且竖向分布不均匀的河流 当漂浮物或流冰少时 可在取水头部的顶部设进水孔 一般不宜在迎水面设进水孔 2 进水管 1 设计要求 2 进水管型式自流管和虹吸管 3 进水管的冲洗正向冲洗 指冲洗时管内水流方向与正常运行时的水流方向一致 也称顺冲 反向冲洗 指管内水流方向与正常运行时方向相反 即泥沙流向河床 第四节地表水输水工程的选择与设计 一 给水管网系统 给水管网系统组成 输水管 渠 配水管网水压调节设施 泵站 减压阀 水量调节设施 清水池 水塔 高地水池 等 二 给水管网的布置 1 根据城市规划布置管网时 应考虑管网分期建设的需要 留出充分发展的余地 2 保证供水有足够的安全可靠性 当局部管线发生事故时 断水范围最小 3 管线应遍布整个供水区内 保证用户有足够的水量和水压 4 管线敷设应尽可能短 以降低管网造价和供水能量费用 一 布置原则 二 管网布置形式 树状网适用于小城市和小型工矿企业供水 供水可靠性较差 但其造价低 环状网中 断水的范围小 供水可靠性高 可减轻因水锤作用产生的危害 但其造价较高 一般在城市初期可采用树状网 以后逐步连成环状网 三 管网布置要点 干管延伸方向应与主要供水方向一致 干管布设应遵循水流方向 城镇边缘地区或郊区用户采用树状管线供水 对个别用水量大 供水可靠性要求高的边远地区用户也可采用双管供水 若干管之间形成环状网 则连接管的间距可根据街区大小和供水可靠性要求 采用800 1000m 干管一般按城市规划道路定线 考虑发展和分期建设需要 考虑施工和经营管理上的问题 三 管网流量 管径和水头损失 一 管网流量 沿线流量 节点流量 二 管径确定 设计管径 经济管径 三 水头损失计算 水头损失计算公式 均匀流速公式 当水力坡度用流量表示时 沿程水头损失 一 水力计算的基本方程 连续性方程 四 管网水力计算 能量方程 压降方程 二 管网计算方法分类 解环方程 解节点方程 解管段方程 哈代 克罗斯 HardyCross 法 哈代 克罗斯 HardyCross 法 应用连续性方程和能量方程 求出各管段流量和水头损失 再根据已知节点水压求出其余各节点水压 三 树状管网水力计算 计算比流量和节点流量 从距二级泵站最远的管网末梢节点开始 逐个向二级泵站推算每个管段的流量 根据