1、第八章第八章低压管道灌溉技术低压管道灌溉技术制作制作:李睿冉李睿冉第一节第一节 概概 述述一、低压管道输水灌溉技术一、低压管道输水灌溉技术 低压管道输水灌溉简称管道输水灌溉，在田间灌水技术上，仍属于地面灌溉类，它是以管道代替明渠输水灌溉系统的一种工程形式。灌水时使用较低的压力，通过压力管道系统，把水输送到田间沟、畦，灌溉农田。低压管道输水低压管道输水低压管道输水主要特点：低压管道输水是在低压条件下运用的。目前主要用于输配水系统层次少(一级或二级)的小型灌区(特别是井灌区)，也可用于输配水系统层次多的大型灌区的田间配水系统。其工作压力相对于喷灌、微喷灌等较低。二、压力范围二、压力范围 根据低压管
2、道输水灌溉的运用条件、通过研究和实践，其管道系统的压力一放不超过0.2MPa，在克服管道的输水压力损失之后。管道最远处出口压力应控制在0.002-0.003MPa。有时受管材承压能力的限制，管道的输水压力还得相应地降低。三、管道系统组成三、管道系统组成 低压管道输水灌溉系统，根据各部分承担的功能由：水源(机井)、输水管道、给配水装置(出水口、给水栓)、安全保护设施(安全阀、排气阀)、田间灌水设施等部分组成,见图1-1所示。(一)水源 低压管道输水灌溉的水源有井、河、渠、水库、塘等，配套的提水动力多为机泵(有自压条件的除外)。(二)输水系统 输水系统是由输水管道、管件(三通、四通、弯头、变径接头
3、等)连接成的输水通道。按管道材料可分为混凝土管、水泥砂土管、缸瓦管、石棉水泥管、塑料管等。(三)给配水装置 由地下输水管道向田间沟、畦配水的给水装置，一般称出水口，如能连接下一级田间移动管道的，则称给水栓。(四)保护设备 为防止水泵突然关闭或其它事故等产生的水锤,在管道系统首部或适当位置安置调压或进排气阀等保护设置。(五)田间灌水设施 田间灌水设施一股是指与出水口相连接的闸管系统。第二节第二节 低压管道输水灌溉的优点低压管道输水灌溉的优点 一、节水一、节水 管道输水系统可以减少渗漏和蒸发损失，提高水的有效利用率。各地井灌区低压管道输水灌溉的实践表明，一般可比土渠输水节约水量30%左右。是一项有
4、效的节水灌溉工程措施。二、输水快和省时、省力二、输水快和省时、省力 管道输水灌溉是在一定压力下进行的，一般比土渠输水流速大、输水快，供水及时，有利于提高灌水效率，适时供水，节约灌水劳力。三、减少土渠占地三、减少土渠占地 以管代渠在井灌区一般可比土渠减少占地2%左右。对于我国土地资源紧缺，人均占有耕地不足1.5亩的现实来说，这是一个很大的社会和经济效益，其意义极为深远。四、节能四、节能 用管道输水灌溉，比土渠输水多消耗一定能耗，但通过节水，提高水的有效利用率所减少的能耗，一般可节省能耗20%一25%。五、灌水及时促进增产增收五、灌水及时促进增产增收 管道输水灌溉，减少水量损失，同时改善了田间灌水
5、条件，缩短了轮灌周期，从而有效地满足了作物生长的需水、可收到增产增收的效果。另外，采用管道输水，还便于管理便于机耕。第三节第三节 低压管道输水灌溉技术低压管道输水灌溉技术的发展与展望的发展与展望 一、国外发展概况一、国外发展概况 美国：美国：早在20年代就在加利福尼亚州的图尔洛克灌区应用低比管道输水灌溉技术，其形式是地面闸管系统和地下管道阀门系统。前苏联：前苏联：典型的(相当于农渠一级的)低压管网系统采用地下固定式石棉管或塑料硬管，从架空的“U”型槽的斗渠通道虹吸管或管式放水口引水。日本：日本：灌溉输水系统已由部分管道输水向多级组合的完整的管道输水系统发展。以色列：以色列：以色列为干旱半干旱地
6、区，有300万亩灌溉土地，90以上实现了管道化水的有效利用系数很高。全国主要水系已连结成统一水网。其他如罗马尼亚、保加利业等国家，管道输水灌溉发展也都比较快。二、我国发展概况二、我国发展概况 我国低压管道输水灌溉技术的运用为时已很早，但集中连片的使用，是在50年代以后。进入80年代以来，我国北方一些地区连年干旱，地面与地下水资源日益紧张，使得低压管道输水灌溉这项节水技术得到飞速发展。例2-1 某地平原井灌区拟采用低压管道输水灌溉、规划面积l0500亩，初步计划种植冬小麦8745亩，与夏玉米夏种8379亩，棉花1300亩，少量的瓜菜和工副业用水。试进行供需水量平衡分析与计算。解：1可供开采地下水
7、量计算 根据当地水文气象及水文地质资料提供。该区地下水补给来源由降雨入渗、侧向补给、灌溉回归水入渗等三部分组成。(1)(1)降雨入渗补给量降雨入渗补给量W W1 1 当地实测37年降水资料、经分析取多年平均降雨量P603mm，降雨入渗系数0.1、补给面积A22003700(m2)。W1 0.001PA 490842m3(2)(2)侧向补给量侧向补给量W W2 2 由当地水文地质资料中查得。该区范围内为砂质壤土，地下平均含水层厚度20m，层内渗透系数20md，周边主要承受南部边界地下水补给，北边界略有排除、东边界和西边界地下水坡降为0。由地下水等值线图分析确定补给区：南边长L13700m，坡降J
8、10.004；西边长L22200m坡降J20；东边长L32200m，被降J30；北边长L43700m，坡降J40.001。侧向补给量 W2365K h含（L1J1L2J2 L3J3L4J4）1620600 m3(3)(3)田间灌溉回归水入渗量田间灌溉回归水入渗量W W3 3 由当地灌溉试验提出，作物灌溉定额M200m3亩实测灌溉回归系数=0.02灌溉面积10500亩。W3 MA42000 m3。该区地下水总补给量(开发利用量)W W1 W2 W3，所以W215.3442万m3。2 2需水量计算需水量计算 (1)(1)灌溉需水量灌溉需水量 根据当地灌溉试验资料选取作物各生育期作物需水量，设计年取
9、中等干旱年即灌溉保证率75时的作物阶段降水量。按降水有效利用系数0(小麦0 l。夏玉米0 0.8，棉花0 0.9)。折算后得有效降水量，由作物需水量减去有效降水量，亏缺水量即为净灌溉水量。取管灌水利用系数0.85，试计算毛 灌 溉 水 量。灌 溉 总 需 水 量 为202.03+15.05+20.8=237.88万m3。(2)林、果、瓜、菜等及其他需水量 按规划要求,林、果、瓜、菜总需水量30万m314.6万m3，工副业需水量42.9万m3，合计87.5 m3。该区总需水量为 237.88+87.5325.38 万m3。3供需平衡分析及处理办法 供水量 215.34万m3 需水量 325.38
10、万m3 本区缺水 325.38-2l5.34110.04万mm3 为保持供需水量基本平衡，建议用两种办法解决。一是调整作物种植结构，改变作物布局，减少冬小麦种植面积，控制在6000亩左右为宜，适当增大复种指数。推行一年两熟制，加大瓜菜种植面积，错开灌水高峰期。二是有条件时建议采用补源措施。灌区外的某干渠，引水流量0.5m3/s。通过二级扬水，将干渠水调入本灌区，以达水资源来补平衡。第三节第三节 管道系统布置管道系统布置 一、管道系统布置的基本原则一、管道系统布置的基本原则 1)1)管道系统布置应做到排水、道路、林带、供电等系统紧密结合，统筹安排，并充分利用原有水利和其他工程设施。2)2)根据当
11、地的交通、能源、材料供应等条件及经济、技术、劳力等情况。因地制宜地选择管材。3)3)管网布置力求管线总长度短控制面积大、并作到管线平顺，减少拐弯、起伏等现象。达到投资少效益高的目的。4)4)支管(田间末级地埋管道)走向应与作物种植方向及地形坡度相适应。5)5)根据现行生产管理体制，确定出水口间距、使之适用于用户管理、有利于轮灌、达到省水、节能的目的。管路铺设管路铺设二、管网类型二、管网类型 (1)(1)移动式移动式 是指输水、配水管道均可移动。(2)(2)半固定式半固定式 是指输水管固定，配水管移动。(3)(3)固定式固定式 是指输水、配水管道均固定。(4)(4)管渠结合式管渠结合式 是指输水
12、管固定，田间毛渠配水 三、固定管网布置三、固定管网布置 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，管网布设成树枝状或环状两类。常见有以下几种形式。(1)(1)水源水源(机井机井)位于田块一侧位于田块一侧 常采用常采用 “一一”字形、字形、“T”T”形、形、“L”L”形三种形式。形三种形式。分别见图2-5、图2-6，图2-7。这三种形式适用于井的出水量20-40 m3h，控制灌溉面积50-100亩，田块的长宽比(1b)不大于3。(2)(2)水源水源(机井机井)位于田块中心常采用位于田块中心常采用“H”H”形或环形形或环形，分别见图2-8，图2-9。这两种形式适用于井出水量4
13、0-60 m3h、控制面积100-150亩，田块的长宽比(1b)2。当长宽比2时，采用长“一”字形布置，见图2-l0。(3)(3)水源位于田块一侧，水源位于田块一侧，控制面积较大成近似方形地块、作物种植方向与灌水方向不同时，可布置成梳齿形(或环状网)、龟骨形（或环状网）两种形式。见图 211，图2l2，图2-13。这些布置形式适用于出水量60100m3/h，控制面积150-300亩h，田块的长宽比(1b)l的情况。四、移动管网使用四、移动管网使用 移动管网管材可分为移动软管、移动硬管、软管硬管组合式三种类型。常用的使用方法主要有三种方式。长畦双浇：单口控制面积0.09-0.18亩，移动管长20
14、m，畦田规格为：长宽(15-20)(46)m，地面坡度平缓，见图2-14。长畦单浇：地面坡度较陡、灌水方向不易双向控制时，采用长畦单浇，见图2-15。方畦双浇：畦的长宽比约等于l (或0.6-1.0)时，采用方畦双浇。管长不宜大于10m，畦长不宜大于10m，见图2-16。五、闸管在田间的使用五、闸管在田间的使用 移动闸管可以与机井连接，也可与固定输水管道给水拴连接，闸管或移动软管顺畦长方向放置。按畦的宽度设控制闸，使用时操作闸，直接向畦块配水。畦的规格及灌水方法与移动管网使用相同。闸管最大长度不得大于20m。管道工程设计管道工程设计第一节第一节 管道设计流量的确定管道设计流量的确定 管道输水灌
15、溉设计流量是指灌水时期管道所需通过的最大流量，它由水源条件、水源条件、作物灌溉制度、管道工作制度、灌溉面积、作物灌溉制度、管道工作制度、灌溉面积、作物种植结构等因素作物种植结构等因素综合考虑确定，它是管网布置、管径选择、管材强度复核、管管网布置、管径选择、管材强度复核、管道水力学计算道水力学计算等的主要依据。一、灌溉制度一、灌溉制度 农作物的灌溉制度灌溉制度是指播种前及全生育期的灌水次数、灌水日期、灌水定额及灌溉定额。作物的灌水定额和灌水周期随年份和生育阶段不同而不同。在管道设计中，应选择符合设计代表年的最大灌水定额和灌水周期作为设计依据。具体的计算方法，等同于喷灌工程，这里就不在赘述。下面只
16、介绍一些实际中的例子。(一)灌水定额 例3-1 某试区各小麦抽穗期土壤计划湿润层深为0.6m，土壤平均干容重1.45t m3，田间持水量田22，求冬小麦抽穗期灌水定额。解:m=667 H (1-2)/田 =6670.61.45(0.209-0.143)/0.95 40(m3/亩)冬小麦抽穗期灌水定额为40m3亩。灌水定额常以单位面积用水量表示（m3 亩），有时也可以水层深度(mm)表示：1mm2/3 m3亩。例3-2 某灌区冬小麦抽穗期日需水量Ep=7.5mm/d，同期灌水定额40 m3亩，求冬小麦抽穗期灌水周期。解：T m/Ep=40/（7.52/3）8（d）(一)灌水周期 第二节第二节 管
17、网优化设计与管径选择管网优化设计与管径选择 管网优化设计，主要是优化管网布置与各级管道管径的选择。为此。将管网布置要素(包括各级管道的位置、走向、包括各级管道的位置、走向、间距、条数、长度、分水口个数及位置、间距、条数、长度、分水口个数及位置、出水口个数及田间分布等出水口个数及田间分布等)及各级管道的及各级管道的管径管径作为优化分析的决策因素。影响管网系统费用的主要因素是管网系管网系统的形式、布置方式、管材及管径统的形式、布置方式、管材及管径等。管网系统投资由基建投资和运行管理费用两部分组成。当管网系统布置型式和管材一定时，管径增大，投资增大，由于管径增大，水头损失减少，从而减少了运行费用。反
18、之，亦成立。因此，在各级管道管径的多种组合中必有一种最优管径的组合，使总投资最低。优化设计优化设计是分析社会投入及产出大小的一种手段，可以采用不同的经济指标作入优化分析的目标。例如，在费用一定的条件下、效益最大。或在经济效益一定的前提下，投资最小，经济效益与费用比最大。具体的设计，参考喷灌工程设计，这里不在赘述。第三节第三节 管道水力计算管道水力计算 一、沿程水头损失计算一、沿程水头损失计算（一）有压管道沿程水头损失计算 有压管道沿程水头损失，常用达西公式计算。（二）硬质塑料管道沿程水头损失计算。（三）混凝土等当地材料的管道沿程损失计算。（四）地面移动软管的沿程水头损失野外测试值 二、局部水头
19、损失计算二、局部水头损失计算 1串联管道系统 2并联管道系统 3连续出流管道 三、管网水力计算三、管网水力计算 1 枝状管网 2 环状管网 四、多孔系数四、多孔系数 五、水击压强计算五、水击压强计算 例36 有一地下输水管道，机井至出水口距离为200m，混凝土管直径100cm，壁厚10cm，管中流速1.5ms，求出水口在2.5s和10s时间内关闭时的最大水击压强升高值。解：经查表知0.1，水击波速为：C1435/(1+d/)0.5=1018(m/s)判别水击类型：T传2l/C2200/10180.4(s)T关2.5s或10s,T传T关，均为间接水击。T关2.5s时，H间2lv0/（g(T传T关
20、)）21.1(m)T关10s时，H间2lv0/（g(T传T关)）5.9(m)水泵及其动力机水泵及其动力机 水泵按能量转换方式，通常可分为有有转子泵和无转子泵转子泵和无转子泵两类。前一类如叶片泵、容积泵和涡漩泵等；后一类如水锤泵、射流泵电磁泵等。叶片泵效率高、成本低、结构紧凑、使用简便、运转可靠、适用范围广、是最通用的一种水泵。低压输水灌溉系统中应用的水泵都是叶片泵，而且多数都是离心泵和井泵。50NB-2050NB-20型清水离心泵机型清水离心泵机组组 一、水泵的分类一、水泵的分类 低压输水管道灌溉系统中，主要采用叶片泵中的离心泵包括单级单吸离心泵单级单吸离心泵(如BA型、B型、IB型、IS等)
21、，单级双吸离心泵单级双吸离心泵(如Sh型、S型等)及井泵井泵(包括长轴深井泵，如JD型、J型、JC型等及深井潜水电泵，如QJ型、JQ型、NQ型)等。对于其他的一些农用泵，如轴流泵、混流泵等，因低压输水灌溉系统比较少用，在此不作介绍。低压管灌中的水泵选型等与喷灌工程基本相同，请设计人员参考，这里就不在赘述了。井泵的几种安装形式 第二节第二节 动力机的选型配套动力机的选型配套 泵站动力机的选配，首先取决于建站地区的能源供应情况，然而结合工程实际选定。泵站最常用的动力机有电动机和柴油电动机和柴油机机。对于井泵而言，一般是成套供应的，尤其潜水电泵、其电动机与水泵是组合成整机销售的。只有当长轴井泵和电功
22、机(或柴油机)不成套供应时，才需另行配套。(一一)选配原则选配原则 1)对于离心泵站(或浅井)配用电动机时，应根据电源容量大小、电压等级、水泵轴功率、转速以及传动方式等条件来确定电动机的类型、容量、电压和转速等工作参数。2)对于小型泵站和井泵站中，一般选用三相交流感应电动机中的鼠笼式或绕线式电动机。当功率小于100kW时 功率在100300kw时。管管 材材 管材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。本章除简要介绍国家标准塑料管外，将重点介绍“七五”攻关项日中各地研制应用的一批适合低压输水的新型管材。第一节第一节 塑料管塑料管 塑料管具有重量轻、内壁光滑、输水阻力小
23、、耐腐蚀、施工安装方便等特点。一、国家标准塑料管一、国家标准塑料管 国家标准塑料管主要有聚氯乙烯管聚氯乙烯管（PVCPVC）高密度聚乙烯管高密度聚乙烯管(HDPE)(HDPE)、低密度聚乙烯管、低密度聚乙烯管（LDPFELDPFE），改性聚丙烯管），改性聚丙烯管(PP)(PP)。国家标准中有关上述管材的规格，公称压力和壁厚的关系，管材的性能指标要求查相关规范，除规范中所列性能指标要求外，在选用时还要对管材的外观进行检查，如管材内外壁应光滑、平整、不允许有气泡、裂隙、显著的波纹、凹陷、杂质、颜色不均及分解变色线等。维塑软管维塑软管第二节第二节 水泥预制管水泥预制管 近年来研制了多种预制管，如水泥
24、砂土管、水泥砂管、水泥土管、水泥石屑管、水泥炉渣管、路壁混凝土管等。第三节第三节 现场连续浇注管现场连续浇注管 现场连续浇注管(简称现浇管)，指在现场浇注成型的素混凝土管或水泥砂浆管等。该类管材在现场连续浇注成型，整体性好且可应用当地材料，造价低廉。管件与附属设备管件与附属设备 低压输水管道系统的管件把管道连接成完整的管路系统。管件包括三通、弯头、三通、弯头、四通、堵头等四通、堵头等。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、包括供水装置、保护装置和量测设施等。第一节第一节 管管 件件 从材质上分，有混接土、塑料、钢、铸铁等不同原材料制成的管件。第二节第二节 给给 水水 装装 置
25、置 给水装置是低压输水管道的主要田间灌水装置。给水装置有两类，一类是直接向土渠供水，称出水口出水口；另一类是可以接下一级软管或闸管系统的，称给水栓给水栓。一般情况每个出水口(包括给水栓)控制面积在10亩左右。出水口压力个小于0.002MPa。选用出水口(包括给水栓)应从它的技术性能指标、造价和在田间工作的适应性综合考虑。尽量满足以下条件：1)1)结构简单，坚固耐用。结构简单，坚固耐用。2)2)密封性能好关闭时不渗不漏。密封性能好关闭时不渗不漏。3)3)水力性能好，局部水头损失小。水力性能好，局部水头损失小。4)4)整体性好，开关方便，易于装卸。整体性好，开关方便，易于装卸。5)5)功能多，除供
26、水外，尽可能具行进排气，消除功能多，除供水外，尽可能具行进排气，消除水锤、真空等功能，以保证管路的安全运行。水锤、真空等功能，以保证管路的安全运行。6)6)造价低。造价低。根据止水原理，出水口可分为外力止水、内水压止水、柱塞止水等型式。一、外力止水一、外力止水 外力止水是指借助外力封闭管口，保证它的密封性，其结构型式均为压盖型。这种止水型式简单，容易加工制作，止水效果好。止水部件为圆形盖，由钢板或铸铁板粘结橡胶垫组成，在压杆的垂直压力作用下、压紧立管管口而止水。目前已使用的外力止水型出水口，按结构型式分有以下7种。(1)螺杆压盖型(2)销杆压盖型(3)杠杆压盖型(4)弹簧销杆压盖型(5)搭扣压
27、盖型(6)丝盖型(7)法兰压盖型 二内水压止水二内水压止水 内水压止水，是利用管道的内水压力封闭止水，压力越大，止水效果越好。这种型式的出水口一般还兼有排气和进气的功能，可起排气阀和真空破坏阀的作用，是低压灌溉管道特有的出水口型式。内水压止水按结构型式分以下4种。(1)浮球型 (2)浮塞型(3)拉线拍门型 (4)自动封闭插入型 三柱塞止水三柱塞止水 柱塞止水型出水口，是将内、外径配合紧密的硬塑管彼此套插，在内管上套止水密封橡胶圈，形如柱塞，使其移动来开启和关闭出水口。柱塞止水型出水口有2种型式：(1)柱塞型 (2)自动升降型 第三节第三节 管道安全装置管道安全装置 在灌溉过程中，开、关水泵过快
28、，突然在灌溉过程中，开、关水泵过快，突然停电、停电、都会使管道的压力瞬时增大或产生负使管道的压力瞬时增大或产生负压压，引起管道爆裂或被大气压瘪管道爆裂或被大气压瘪。停泵或突然停电时，潜水泵竖管的水在重力作用下，迅速回流入井，整个管道内的水，在虹吸作用下也回流入井，管道内产生瞬时负压，水泵和电机高速倒转，致使管道和机泵损坏。此外，此外，由于操作不当，如先合闸开泵，再去打开出水口，致使管道成受很大压力，也会使管道爆裂。为防止上述事故的出现，必须在管道上设置安全保护装置。已在低压输水管道上使用的安全装置有以下几种。1调压管 2球阀型进排气装置 3平板型进排气装置 4进排气阀(单流门)5安全阀第四节第
29、四节 计计 量量 设设 备备 为实现计划用水，按量计征水费，促进为实现计划用水，按量计征水费，促进节约用水节约用水，必须在低压输水管道系统安装量测设备，对用水、用电、机泵运行时数等于以记录。明渠测流，一般采用三角堰、梯形堰，三角堰、梯形堰，这些堰板应校现定设置在由管道出水口供水的土渠上。计算公式可参考有关测流手册。管道流量的测试可采用流速流量计、水流速流量计、水表、孔板差压量水计、电磁流量计、超声波表、孔板差压量水计、电磁流量计、超声波流量计流量计等。经济效益分析经济效益分析 低压管道输水灌溉工程的经济效益分析，应按水利经济计算规范的计算方法和基本准则进行。其目的在于从经济上衡量某管道输水灌溉工程是否可行，以及对不同的方案进行选优。计算时吸对所得效益和所付费用(包括投资和运行费)用货币指标表示。具体分析等同于喷灌工程，这里不作介绍了。
