灌溉排水工程学教学用市公开课一等奖省赛课微课金奖

第四章浇灌管道系统农田浇灌系统水流驱动是否有压力浇灌渠道系统浇灌管道系统浇灌管道系统特点：水流为有压状态，过水断面均为圆形。1/29第一节概述国内外已将对老灌区技术改造、技术更新作为当前农业水利工程重点，其主要方向为改渠系配水为管网配水。一、浇灌管道系统特点优点：（1）节水效益显著；（2）土地利用率高；（3）适应性强，便于实现自动化；（4）输水速度快，浇灌效率高；（5）维涵养护省工、省时，管理方便；（6）灌水及时，作物增产增收效果显著。缺点：（1）需要材料和设备较多；（2）投资较高；（3）规划设计内容较复杂；（4）对水源水质要求较高。2/29低压输水管道浇灌系统简称管灌系统。优点：无需添置加压设备，也不需承压能力很高管材，投资降低，见效快。对水质要求不严格。二、浇灌管道系统组成由水源、首部枢纽、输配水管网、田间装置（从属建筑物）组成。1、水源。浇灌管道系统普通对水源水质要求比较高。2、首部枢纽。首部枢纽作用是从水源取水，并进行适当处理以符合输配水管网在水量、水压、水质要求。3、输配水管网。是由管道、管件和从属管道装置相连接而成输配水管道网络。4、田间灌水装置。是浇灌管道系统最终将浇灌水均匀分布于田间、湿润土壤并转化为田间土壤水分装置。3/29三、浇灌管道系统类型浇灌管道系统类型可按下述两个特点进行分类1、按取得压力起源分类（1）机压式浇灌管道系统（2）自压式浇灌管道系统2、按在浇灌季节中各组成部分可移动程度分类（1）固定式浇灌管道系统（2）移动式浇灌管道系统（3）半固定式浇灌管道系统面积较大灌区主要采取半固定式管灌系统，其各级管道多为固定式地埋暗管，田间灌水则采取地面移动软管。4/29第二节浇灌管道系统规划布置浇灌管道系统规划布置普通包含水源引取水枢纽工程规划布置、首部枢纽位置选定与布局以及输配水管网和田间灌水系统规划布置等部分。一、水源引取水枢纽工程布置布置基本上与浇灌渠道系统相同，低压管灌系统大都从支、斗渠或农渠上引水，其渠、管联接方式和各种设施布置均取决于地形条件和水流特征以及水质。二、首部枢纽首部枢纽组成及其布置主要取决于灌水方法。5/29三、输配水管网规划布置按其功效可分为输水管道和配水管道两类。输水管道通常是指从水源输送浇灌水到配水管道管道，其主要任务是输水。配水管道是将输水管道输送浇灌水分配到下一级配水管道或浇灌农田管道，主要任务是分配水量。1、输配水管网规划布置标准与要求1）应使输配水管网总长度最短，管道顺直；2）输配水地埋固定管道应尽可能布设在坚实地基上；3）输配水管网要结合详细地形布置；4）输配水管网进口设计流量和压力由灌区需要决定；5）输配水管网各级管道必须设置对应闸、阀；6）尽可能发挥输水管网综合利用功效。6/292、输配水管网布置类型输配水管网可布设成树枝状、环状和混合状3种类型。1）树枝状管网：普通由干、支、毛管组成，逐层向下级管道配水，其管线如同树枝状布置形式。优点：管线总长度较短，结构简单，投资较低；缺点：管网内压力不均勾、各条管道间水量不能相互调济，某级管线损坏时，其下级管线就会断水。2）环状管网。普通指干、支管或干、支、毛管各管线互相连接成环形管网形式。优点：供水可靠，管网内水压力比较均匀，管道内水流条件好，供水确保率高，各条管道间水量可灵活调配；缺点：管线总长度较长，管材和管件用量大，投资高。3）混合状管网。混合状管网是树枝状管网和环状管网混合组成管网形式。7/293、低压管灌系统输配水管网布置形式依其结构可分为地埋固定式和地面移动式两种类型：（1）地埋固定式管网布置形式。依水源种类和位置以及管网类型不一样，其布置形式有以下几个：1）树枝状管网。①水源位于田块一侧，管网有以下几个布置形式：8/299/29②水源位于田块中心，管网有以下几个布置形式：10/292）环状管网①水源位于田块一侧②水源位于田块中心11/29（2）地面移动管网布设和使用地面移动管网普通只有一级或两级，使用管材通常有移动软管、移动硬管和软管硬管联合利用3种。对于渠灌区，常采取多级半固定式或固定式低压管灌系统，并采取树枝状管网。12/2913/29第三节输配水管道及管网设计内容包含管道设计流量确实定、各级管道管材和管径选择、管网水力计算、各级地埋管纵断面设计、管道系统结构设计和输配水管网各控制点、给水栓以及出水口处压力计算等。一、输配水管网工作制度输配水管网工作制度是指管道系统运行工作次序及进行输水、配水和灌水方式。管道系统最惯用工作制度有续灌、轮灌和随机灌3种方式。1、续灌方式：上级管道向全部下一级管道同时配水。特点：上一级管道和全部下一级管道内同时有水流经过。14/292、轮灌方式：指上一级管道按预先划分好轮灌组分组或逐一地向下一级管道配水或灌水方式。特点：下一级管道在灌水时期内是轮番工作。优点：灌水时间和灌水量均较集中，有利于与农业操作、田间管理相配合，提升人工控制灌水工作效率。缺点：管道系统投资较大。（尤其是集中轮灌）浇灌组划分必须遵照以下标准：1）轮灌编组应便于运行管理和农事田间管理；2）各轮灌组流量应靠近；3）轮灌组内同时工作管道应靠近，便于控制和管理；4）轮灌组划分应有利于提升管道设备利用率和降低水头损失；5）各轮灌组管道流量之和要与上一级管道供给流量相适应；6）尽可能照料农业生产条和群众用水习惯，要便于调配劳力和组织灌水。15/293、随机方式：因为浇灌系统面积较大、灌区内用水单位多、各种作物种植百分比分散，用水带有一定随意性而采取随机取用水方式（或称按需分配方式）。特点：把管道系统各给水栓、配水井或出水口取用水都看作是一个个独立随机事件，应用概率论和数理统计理论推算各级管道设计流量。此种方式要求出水口以上管网任何时候都有水。二、管网与管道设计流量管网设计流量是指为满足浇灌需水要求而应从水源管首引取总流量。管道设计流量是指在灌水时期，某一地埋固定管道或地面移动管道，为满足作物需水要求所需要经过最大流量。16/291、管道设计流量计算式中：Q净管道设计净流量(m3/h)；Q毛管道设计流量(m3/h)；A为管道控制浇灌面积(m2)；T为设计灌水周期，即灌水延续时间(d)；m为设计灌水定额(mm)；t为天天灌水小时数(h)，η为管道水有效利用系数，般取η＝0.95~0.98。2、管网各级管道设计流量推算（1）续灌方式。上一级管道设计流量应等于全部下一级管道设计流量之和；（2）轮灌方式。上一级管道没计流量应等于轮灌组中最大设计流量值。17/29三、管径确实定粗选管径可按下式计算粗选管径时，流速可采取经济流速值。经济流速是指管道造价较低以及运行费用也较低适宜流速值。四、管道及管网水力计算按水动力学中有压管流理论与方法计算管道及管网沿程水头损失和局部水头损失。1、沿程水头损失计算（1）各种管材管道沿程水头损失因为塑料管埋设于地下，地形局部起伏，以及管节连接间难以平直，要增加部分水头损失，故计算得出hf值乘以系数1.2。18/29（2）地面移动软管沿程水头损失与硬管相比，软管沿程水头损失还与工作压力相关。（3）多口出流管道沿程水头损失其近似计算方法基本原理是：首先按管道内流量不变求出沿程水头损失，然后再乘以多口系数，即：式中：F为多口系数，m为流量系数。19/292、局部水头损失计算局部水头损失计算普通以流速水头乘以局部水头损失系数表示。对于管道总局部水头损失则等于管道上全部各局部水头损失之和，即：为简化计算，通常可取沿程水头损失10％~15％估算。3、管网水力计算与水击压力校核(1)树枝状管网把水头要求最高、经过流量最大点称做控制点或最不利点。按最不利点进行干管设计。各管段直径通常依据所需流量，按经济流速计算。20/29(2)环状管网1)流入任一结点流量之和应等于流出该结点流量之和，即2)任一闭合环状管路中水头损失之和应等于零。通常在一闭合环路中，均以顺时针方向水流所产生水头损失为正值，以逆时针方向为负值。要求正负水头损失相等。若不相等，则应进行管网平差计算。在有压管道中，因为管内流速突然改变而引发管道中水流压力急剧上升或下降现象，称为水锤。4、管网首部水头压力高程(管首水位)推算管网首部应含有足够水位高程，通常应从最不利轮灌组向上逐层推算水位高程，即：21/29五、管网优化设计管网优化布置应是管道总长度最短，分水口和出水口数量少，工程量最小。管径小可降低投资，但水头损失大，但二者总有最正确结合点，即最优组合。优化理论有：线性规划法、非线性规划法、动态规划法。1、目标函数与约束条件管网优化多以年费用最小为分析目标，即目标函数：约束条件(1)工作压力约束：Hmin≤Hi≤Hmax(2)流速约束：Vmin≤Vi≤Vmax(3)管径约束：dmin≤di≤dmax(4)流量约束Qi≤Qmax(5)井灌和抽灌区还有水泵工作点约束Hmax-Hmin≤△H(6)基建投资约束,不得超出要求亩投资指标值。22/292、管材及管道附件(1)管材种类1)管材依其性质可分为以下四类①水泥类管材，为硬管道；②金属材料管，为硬管材；③塑料类管材，有硬管和软管两类；④当地材料管。2)管材依其柔性程度可划分为：硬管、软管、半柔性管(2)对管材主要技术要求1)选取管道要能承受设计要求工作压力；2)要能经过设计要求流量；3)管材内壁光滑，无可见裂缝，价格低廉，使用寿命长；4)塑料管材要能防老化、钢铁管要耐腐蚀：5)移动管道还要求轻便、易快速拆卸、搬移和安装，耐碰撞、耐摩擦和能经受风吹日晒、不易被扎破等。23/29(3)管道附件依其功效作用不一样，可分为控制附件和连接附件两类；依材质不一样有混凝土、塑料、钢和铸铁等材质附件：1)对管道附件基本技术要求：①工作可靠，密封性能和止水效果好，出水流畅；②结构简单，取材方便，加工轻易，生产设备要求低；③使用方便，装卸简单，坚固耐用，侄于维修；④内壁光滑，设计分理，与管道衔接过渡水头损失小；⑤防破坏效果好；⑥柔性附件应有一定挠度，刚性附件应有足够刚度。2)连接附件即管件，惯用管件主要有同径和异径三通、四通、接头、短管、弯头、堵头及异径渐变管和快速接头等各种。24/293)控制附件作用是依据管道浇灌要求，用来控制管道系统中流量和水压各种装置。惯用控制附件有阀门、通气阀、给水栓、安全阀、带阀门配水井和带阀门放水井等。①给水栓从地埋固定管道直接向田间输水渠供水装置，称出水口，其作用是预防出水水流冲刷田面和保护地埋固定管道安全；地埋固定管道与连接下一级地面移动管道或地面闸管装置称给水栓，其作用是控制出水口流量。②通气阀及安全阀。通气阀：为预防管道因通气、排气不及时而产生负压或水力冲击，而在管道上设置通气阀。安全阀：为预防管道闸阀因操作利用不妥，或水泵不按规程操作及因突然停电等原因而发生事故在管道上设置安全阀。25/29③配水井。主要用于低压配水管网，其作用是配水及联接上、下级管道，管径较大也可用作检修地下管道进出口。④放水井。是低压配水管网向田间供水、灌水控制建筑物。配水管网内水由放水井流出进入田间，进行浇灌。26/29第四节管道浇灌系统运行管理一、地埋固定管道管理与维护1、地埋固定管道初始运行地埋固定管道在首次投入使用或每年初始利用时，应全方面进行检验、试水并应符合以下要求：①管道通畅，无污物杂质堵塞和泥沙淤淀；②各类闸阀及安全保护装置启闭灵活；③无渗水漏水现象；④量测仪表或装置能正常使用。2、地埋固定管道日常运行与维修(1)水击破坏管道预防突然停水、供水而造成管内高压、负压造成管道破裂。27/29(2)管道漏水检验因为管道破裂、接头不牢、闸阀锈蚀等造成漏水。其检测方法有以下几个：1)实地观察法；2)听漏法；3)分区检漏。(3)定时测定管网水压和流量(4)管道维修管材不一样，对应维修方法也不一样．1)硬塑料管；2)水泥制品管；3)石棉水泥管。(5)管件与从属设备维修1)金属结构预防生锈；2)设备、装置应经常检验维修