《灌溉排水工程学》教学用课件-第四章

低压输水管道灌溉系统简称管灌系统。 优点：无需添置加压设备，也不需承压能力很高的管材， 投资降低，见效快。对水质的要求不严格。
二、灌溉管道系统的组成 由水源、首部枢纽、输配水管网、田间装置（附属建 筑物）组成。 1、水源 。灌溉管道系统一般对水源的水质要求比较高。 2、首部枢纽。首部枢纽的作用是从水源取水，并进行适 当的处理以符合输配水管网在水量、水压、水质的要求。 3、输配水管网。是由管道、管件和附属管道装置相连接 而成的输配水管道网络。 4、田间灌水装置。 是灌溉管道系统最终将灌溉水均匀分 布于田间、湿润土壤并转化为田间土壤水分的装置。
第四章 灌溉管道系统
农田灌 溉系统 水流驱动是 否有压力
灌溉渠道系统
灌溉管道系统 灌溉管道系统的特点：水流为有压状态，过水断面 均为圆形。
第一节 概述
国内外已将对老灌区的技术改造、技术更新作为当前农业 水利工程的重点，其主要方向为改渠系配水为管网配水。 一、灌溉管道系统的特点 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，灌溉效率高； （5）维修养护省工、省时，管理方便； （6）灌水及时，作物增产增收效果明显。 缺点： （1）需要的材料和设备较多； （2）投资较高； （3）规划设计内容较复杂； （4）对水源的水质要求较高。
(3)管道附件 依其功能作用不同，可分为控制附件和连接附件两类；依 材质不同有混凝土、塑料、钢和铸铁等材质的附件： 1)对管道附件的基本技术要求： 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，加工容易，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，与管道衔接过渡的水头损失小； 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，常用的管件主要有同径和异径的三通、四通、接 头、短管、弯头、堵头及异径渐变管和快速接头等多种。
3 )控制附件 作用是根据管道灌溉的要求，用来控制管道系统中的流量 和水压的各种装置。常用的控制附件有阀门、通气阀、给 水栓、安全阀、带阀门的配水井和带阀门的放水井等。 ①给水栓 从地埋固定管道直接向田间输水渠供水的装置，称出水 口，其作用是防止出水水流冲刷田面和保护地埋固定管道 的安全；地埋固定管道与连接下一级地面移动管道或地面 闸管的装置称给水栓，其作用是控制出水口的流量。 ②通气阀及安全阀。 通气阀：为防止管道因通气、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：为防止管道闸阀因操作运用不当，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的安
（2）地面移动软管的沿程水头损失 与硬管相比，软管的沿程水头损失还与工作压力有关。 （3）多口出流管道的沿程水头损失 其近似计算方法的基本原理是：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：
Байду номын сангаас
式中：F为多口系数，m为流量系数。
2、局部水头损失的计算 局部水头损失的计算一般以流速水头乘以局部水头损失系 数表示。对于管道的总局部水头损失则等于管道上所有各 局部水头损失之和，即：
2、输配水管网的布置类型 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：一般由干、支、毛管组成，逐级向下级 管道配水，其管线如同树枝状的布置形式。 优点：管线总长度较短，构造简单，投资较低； 缺点：管网内的压力不均勾、各条管道间的水量不能互相 调济，某级管线损坏时，其下级管线就会断水。 2）环状管网。一般指干、支管或干、支、毛管各管线互 相连接成环形的管网形式。 优点：供水可靠，管网内水压力比较均匀，管道内的水流 条件好，供水保证率高，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 合组成的管网形式。
为简化计算，通常可取沿程水头损失的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、通过流量最大的点称做控制点或最不利 点。按最不利点进行干管的设计。各管段的直径通常根据 所需流量，按经济流速计算。
(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、轮灌方式：指上一级管道按预先划分好的轮灌组分组 或逐一地向下一级管道配水或灌水的方式。 特点：下一级管道在灌水时期内是轮流工作的。 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，提高人工控制灌水的工作效率。 缺点：管道系统投资较大。（特别是集中轮灌） 灌溉组的划分必须遵循以下原则： 1）轮灌编组应便于运行管理和农事田间管理； 2）各轮灌组的流量应接近； 3）轮灌组内同时工作的管道应靠近，便于控制和管理； 4）轮灌组划分应有利于提高管道设备利用率和降低水头 损失； 5）各轮灌组管道的流量之和要与上一级管道供给的流量 相适应； 6）尽量照顾农业生产条和群众的用水习惯，要便于调配 劳力和组织灌水。
约束条件 (1)工作压力约束：H min≤ H i≤ H max (2)流速约束： V min ≤ Vi ≤ V max (3)管径约束：d min ≤ d i ≤ d max (4)流量约束 Q i≤ Q max (5)井灌和抽灌区尚有水泵工作点约束 H max-H min≤ △H (6)基建投资约束, 不得超过规定的亩投资指标值。
2)任一闭合环状管路中的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的水头 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，由于管内流速突然变化而引起管道中水流 压力急剧上升或下降的现象，称为水锤。 4、管网首部水头压力高程(管首水位)的推算 管网首部应具有足够的水位高程，通常应从最不利的轮灌 组向上逐级推算水位高程，即：
③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，管径较大的也可用作检修地下管道的进出口。 ④放水井。是低压配水管网向田间供水、灌水的控制建筑 物。配水管网内的水由放水井流出进入田间，进行灌溉。
第四节 管道灌溉系统的运行管理
一、地埋固定管道的管理与维护 1、地埋固定管道的初始运行 地埋固定管道在初次投入使用或每年初始运用时，应全面 进行检查、试水并应符合下列要求： 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、地埋固定管道的日常运行与维修 (1)水击破坏管道的预防 突然停水、供水而造成管内高压、负压导致管道破裂。
三、输配水管网的规划布置 按其功能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灌溉水到配水管道的管道，其主要任 务是输水。配水管道是将输水管道输送的灌溉水分配到下 一级配水管道或灌溉农田的管道，主要任务是分配水量。 1、输配水管网规划布置的原则与要求 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的地基上； 3）输配水管网要结合具体地形布置； 4）输配水管网的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相应的闸、阀； 6）尽可能发挥输水管网综合利用的功能。
2、管材及管道附件 (1)管材的种类 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)对管材的主要技术要求 1)选用的管道要能承受设计要求的工作压力； 2)要能通过设计要求的流量； 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。
1、管道设计流量的计算
式中： Q 净管道设计净流量(m3/h)；Q毛管道设计流量(m3/h)； A为管道控制的灌溉面积(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 为每天灌水小时数(h)， η为管道水的有效利用系数，般取η ＝0.95~0.98。 2、管网各级管道设计流量的推算 （1）续灌方式。上一级管道的设计流量应等于所有下一 级管道设计流量之和； （2）轮灌方式。上一级管道的没计流量应等于轮灌组中 的最大设计流量值。
H Z1 Z 0 Z h f h j h0
五、管网优化设计 管网的优化布置应是管道总长度最短，分水口和出水口的 数量少，工程量最小。管径小可减少投资，但水头损失 大，但两者总有最佳结合点，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：
第二节 灌溉管道系统规划布置
灌溉管道系统的规划布置一般包括水源引取水枢纽工程 的规划布置、首部枢纽位置的选定与布局以及输配水管 网和田间灌水系统的规划布置等部分。 一、水源引取水枢纽工程布置 布置基本上与灌溉渠道系统的相同， 低压管灌系统大都 从支、斗渠或农渠上引水，其渠、管的联接方式和各种 设施的布置均取决于地形条件和水流特性以及水质。 二、首部枢纽 首部枢纽的组成及其布置主要取决于灌水方法。
三、灌溉管道系统类型 灌溉管道系统类型可按下述两个特点进行分类 1、按获得压力的来源分类 （1）机压式灌溉管道系统 （2）自压式灌溉管道系统 2、按在灌溉季节中各组成部分的可移动程度分类 （1）固定式灌溉管道系统 （2）移动式灌溉管道系统 （3）半固定式灌溉管道系统
面积较大灌区主要采用半固定式管灌系统，其各级管道多 为固定式地埋暗管，田间灌水则采用地面移动软管。
3、低压管灌系统输配水管网的布置形式 依其结构可分为地埋固定式和地面移动式两种类型： （1）地埋固定式管网的布置形式。依水源的种类和位置 以及管网类型不同，其布置形式有如下几种： 1）树枝状管网。 ①水源位于田块一侧，管网有以下几种布置形式：
②水源位于田块中心，管网有以下几种布置形式：
2）环状管网
3、随机方式：由于灌溉系统面积较大、灌区内的用水单 位多、各种作物种植比例分散，用水带有一定的随意性而 采用随机取用水的方式（或称按需分配方式）。 特点：把管道系统各给水栓、配水井或出水口的取用水都 看作是一个个独立的随机事件，应用概率论和数理统计理 论推算各级管道的设计流量。此种方式要求出水口以上的 管网任何时候都有水。 二、管网与管道的设计流量 管网设计流量是指为满足灌溉需水要求而应从水源管首引 取的总流量。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通过 的最大流量。
①水源位于田块一侧
②水源位于田块中心
（2）地面移动管网的布设和使用 地面移动管网一般只有一级或两级，使用的管材通 常有移动软管、移动硬管和软管硬管联合运用3种。 对于渠灌区，常采用多级半固定式或固定式低压管 灌系统，并采用树枝状管网。
第三节
输配水管道及管网设计
内容包括管道设计流量的确定、各级管道的管材和管径的 选择、管网水力计算、各级地埋管的纵断面设计、管道系 统的结构设计和输配水管网各控制点、给水栓以及出水口 处的压力计算等。 一、输配水管网的工作制度 输配水管网的工作制度是指管道系统的运行工作顺序及进 行输水、配水和灌水的方式。管道系统最常用的工作制度 有续灌、轮灌和随机灌3种方式。 1 、续灌方式：上级管道向所有下一级管道同时配水。 特点：上一级管道和所有下一级管道内同时有水流通过。
三、管径的确定 粗选管径可按下式计算
粗选管径时，流速可采用经济流速值。经济流速是指管道 造价较低以及运行费用也较低的适宜流速值。 四、管道及管网的水力计算 按水动力学中有压管流的理论与方法计算管道及管网的沿 程水头损失和局部水头损失。 1、沿程水头损失的计算 （1）各种管材管道沿程水头损失
由于塑料管埋设于地下，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，故计算得出的hf值乘以 系数1.2。