灌溉排水工程學(xué)教學(xué)用市公開(kāi)課一等獎(jiǎng)省賽課微課金獎(jiǎng)

第四章澆灌管道系統(tǒng)農(nóng)田澆灌系統(tǒng)水流驅(qū)動(dòng)是否有壓力澆灌渠道系統(tǒng)澆灌管道系統(tǒng)澆灌管道系統(tǒng)特點(diǎn)：水流為有壓狀態(tài)，過(guò)水?dāng)嗝婢鶠閳A形。1/29第一節(jié)概述國(guó)內(nèi)外已將對(duì)老灌區(qū)技術(shù)改造、技術(shù)更新作為當(dāng)前農(nóng)業(yè)水利工程重點(diǎn)，其主要方向?yàn)楦那蹬渌疄楣芫W(wǎng)配水。一、澆灌管道系統(tǒng)特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：（1）節(jié)水效益顯著；（2）土地利用率高；（3）適應(yīng)性強(qiáng)，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；（4）輸水速度快，澆灌效率高；（5）維涵養(yǎng)護(hù)省工、省時(shí)，管理方便；（6）灌水及時(shí)，作物增產(chǎn)增收效果顯著。缺點(diǎn)：（1）需要材料和設(shè)備較多；（2）投資較高；（3）規(guī)劃設(shè)計(jì)內(nèi)容較復(fù)雜；（4）對(duì)水源水質(zhì)要求較高。2/29低壓輸水管道澆灌系統(tǒng)簡(jiǎn)稱(chēng)管灌系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需添置加壓設(shè)備，也不需承壓能力很高管材，投資降低，見(jiàn)效快。對(duì)水質(zhì)要求不嚴(yán)格。二、澆灌管道系統(tǒng)組成由水源、首部樞紐、輸配水管網(wǎng)、田間裝置（從屬建筑物）組成。1、水源。澆灌管道系統(tǒng)普通對(duì)水源水質(zhì)要求比較高。2、首部樞紐。首部樞紐作用是從水源取水，并進(jìn)行適當(dāng)處理以符合輸配水管網(wǎng)在水量、水壓、水質(zhì)要求。3、輸配水管網(wǎng)。是由管道、管件和從屬管道裝置相連接而成輸配水管道網(wǎng)絡(luò)。4、田間灌水裝置。是澆灌管道系統(tǒng)最終將澆灌水均勻分布于田間、濕潤(rùn)土壤并轉(zhuǎn)化為田間土壤水分裝置。3/29三、澆灌管道系統(tǒng)類(lèi)型澆灌管道系統(tǒng)類(lèi)型可按下述兩個(gè)特點(diǎn)進(jìn)行分類(lèi)1、按取得壓力起源分類(lèi)（1）機(jī)壓式澆灌管道系統(tǒng)（2）自壓式澆灌管道系統(tǒng)2、按在澆灌季節(jié)中各組成部分可移動(dòng)程度分類(lèi)（1）固定式澆灌管道系統(tǒng)（2）移動(dòng)式澆灌管道系統(tǒng)（3）半固定式澆灌管道系統(tǒng)面積較大灌區(qū)主要采取半固定式管灌系統(tǒng)，其各級(jí)管道多為固定式地埋暗管，田間灌水則采取地面移動(dòng)軟管。4/29第二節(jié)澆灌管道系統(tǒng)規(guī)劃布置澆灌管道系統(tǒng)規(guī)劃布置普通包含水源引取水樞紐工程規(guī)劃布置、首部樞紐位置選定與布局以及輸配水管網(wǎng)和田間灌水系統(tǒng)規(guī)劃布置等部分。一、水源引取水樞紐工程布置布置基本上與澆灌渠道系統(tǒng)相同，低壓管灌系統(tǒng)大都從支、斗渠或農(nóng)渠上引水，其渠、管聯(lián)接方式和各種設(shè)施布置均取決于地形條件和水流特征以及水質(zhì)。二、首部樞紐首部樞紐組成及其布置主要取決于灌水方法。5/29三、輸配水管網(wǎng)規(guī)劃布置按其功效可分為輸水管道和配水管道兩類(lèi)。輸水管道通常是指從水源輸送澆灌水到配水管道管道，其主要任務(wù)是輸水。配水管道是將輸水管道輸送澆灌水分配到下一級(jí)配水管道或澆灌農(nóng)田管道，主要任務(wù)是分配水量。1、輸配水管網(wǎng)規(guī)劃布置標(biāo)準(zhǔn)與要求1）應(yīng)使輸配水管網(wǎng)總長(zhǎng)度最短，管道順直；2）輸配水地埋固定管道應(yīng)盡可能布設(shè)在堅(jiān)實(shí)地基上；3）輸配水管網(wǎng)要結(jié)合詳細(xì)地形布置；4）輸配水管網(wǎng)進(jìn)口設(shè)計(jì)流量和壓力由灌區(qū)需要決定；5）輸配水管網(wǎng)各級(jí)管道必須設(shè)置對(duì)應(yīng)閘、閥；6）盡可能發(fā)揮輸水管網(wǎng)綜合利用功效。6/292、輸配水管網(wǎng)布置類(lèi)型輸配水管網(wǎng)可布設(shè)成樹(shù)枝狀、環(huán)狀和混合狀3種類(lèi)型。1）樹(shù)枝狀管網(wǎng)：普通由干、支、毛管組成，逐層向下級(jí)管道配水，其管線如同樹(shù)枝狀布置形式。優(yōu)點(diǎn)：管線總長(zhǎng)度較短，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資較低；缺點(diǎn)：管網(wǎng)內(nèi)壓力不均勾、各條管道間水量不能相互調(diào)濟(jì)，某級(jí)管線損壞時(shí)，其下級(jí)管線就會(huì)斷水。2）環(huán)狀管網(wǎng)。普通指干、支管或干、支、毛管各管線互相連接成環(huán)形管網(wǎng)形式。優(yōu)點(diǎn)：供水可靠，管網(wǎng)內(nèi)水壓力比較均勻，管道內(nèi)水流條件好，供水確保率高，各條管道間水量可靈活調(diào)配；缺點(diǎn)：管線總長(zhǎng)度較長(zhǎng)，管材和管件用量大，投資高。3）混合狀管網(wǎng)?；旌蠣罟芫W(wǎng)是樹(shù)枝狀管網(wǎng)和環(huán)狀管網(wǎng)混合組成管網(wǎng)形式。7/293、低壓管灌系統(tǒng)輸配水管網(wǎng)布置形式依其結(jié)構(gòu)可分為地埋固定式和地面移動(dòng)式兩種類(lèi)型：（1）地埋固定式管網(wǎng)布置形式。依水源種類(lèi)和位置以及管網(wǎng)類(lèi)型不一樣，其布置形式有以下幾個(gè)：1）樹(shù)枝狀管網(wǎng)。①水源位于田塊一側(cè)，管網(wǎng)有以下幾個(gè)布置形式：8/299/29②水源位于田塊中心，管網(wǎng)有以下幾個(gè)布置形式：10/292）環(huán)狀管網(wǎng)①水源位于田塊一側(cè)②水源位于田塊中心11/29（2）地面移動(dòng)管網(wǎng)布設(shè)和使用地面移動(dòng)管網(wǎng)普通只有一級(jí)或兩級(jí)，使用管材通常有移動(dòng)軟管、移動(dòng)硬管和軟管硬管聯(lián)合利用3種。對(duì)于渠灌區(qū)，常采取多級(jí)半固定式或固定式低壓管灌系統(tǒng)，并采取樹(shù)枝狀管網(wǎng)。12/2913/29第三節(jié)輸配水管道及管網(wǎng)設(shè)計(jì)內(nèi)容包含管道設(shè)計(jì)流量確實(shí)定、各級(jí)管道管材和管徑選擇、管網(wǎng)水力計(jì)算、各級(jí)地埋管縱斷面設(shè)計(jì)、管道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和輸配水管網(wǎng)各控制點(diǎn)、給水栓以及出水口處壓力計(jì)算等。一、輸配水管網(wǎng)工作制度輸配水管網(wǎng)工作制度是指管道系統(tǒng)運(yùn)行工作次序及進(jìn)行輸水、配水和灌水方式。管道系統(tǒng)最慣用工作制度有續(xù)灌、輪灌和隨機(jī)灌3種方式。1、續(xù)灌方式：上級(jí)管道向全部下一級(jí)管道同時(shí)配水。特點(diǎn)：上一級(jí)管道和全部下一級(jí)管道內(nèi)同時(shí)有水流經(jīng)過(guò)。14/292、輪灌方式：指上一級(jí)管道按預(yù)先劃分好輪灌組分組或逐一地向下一級(jí)管道配水或灌水方式。特點(diǎn)：下一級(jí)管道在灌水時(shí)期內(nèi)是輪番工作。優(yōu)點(diǎn)：灌水時(shí)間和灌水量均較集中，有利于與農(nóng)業(yè)操作、田間管理相配合，提升人工控制灌水工作效率。缺點(diǎn)：管道系統(tǒng)投資較大。（尤其是集中輪灌）澆灌組劃分必須遵照以下標(biāo)準(zhǔn)：1）輪灌編組應(yīng)便于運(yùn)行管理和農(nóng)事田間管理；2）各輪灌組流量應(yīng)靠近；3）輪灌組內(nèi)同時(shí)工作管道應(yīng)靠近，便于控制和管理；4）輪灌組劃分應(yīng)有利于提升管道設(shè)備利用率和降低水頭損失；5）各輪灌組管道流量之和要與上一級(jí)管道供給流量相適應(yīng)；6）盡可能照料農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條和群眾用水習(xí)慣，要便于調(diào)配勞力和組織灌水。15/293、隨機(jī)方式：因?yàn)闈补嘞到y(tǒng)面積較大、灌區(qū)內(nèi)用水單位多、各種作物種植百分比分散，用水帶有一定隨意性而采取隨機(jī)取用水方式（或稱(chēng)按需分配方式）。特點(diǎn)：把管道系統(tǒng)各給水栓、配水井或出水口取用水都看作是一個(gè)個(gè)獨(dú)立隨機(jī)事件，應(yīng)用概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)理論推算各級(jí)管道設(shè)計(jì)流量。此種方式要求出水口以上管網(wǎng)任何時(shí)候都有水。二、管網(wǎng)與管道設(shè)計(jì)流量管網(wǎng)設(shè)計(jì)流量是指為滿(mǎn)足澆灌需水要求而應(yīng)從水源管首引取總流量。管道設(shè)計(jì)流量是指在灌水時(shí)期，某一地埋固定管道或地面移動(dòng)管道，為滿(mǎn)足作物需水要求所需要經(jīng)過(guò)最大流量。16/291、管道設(shè)計(jì)流量計(jì)算式中：Q凈管道設(shè)計(jì)凈流量(m3/h)；Q毛管道設(shè)計(jì)流量(m3/h)；A為管道控制澆灌面積(m2)；T為設(shè)計(jì)灌水周期，即灌水延續(xù)時(shí)間(d)；m為設(shè)計(jì)灌水定額(mm)；t為天天灌水小時(shí)數(shù)(h)，η為管道水有效利用系數(shù)，般取η＝0.95~0.98。2、管網(wǎng)各級(jí)管道設(shè)計(jì)流量推算（1）續(xù)灌方式。上一級(jí)管道設(shè)計(jì)流量應(yīng)等于全部下一級(jí)管道設(shè)計(jì)流量之和；（2）輪灌方式。上一級(jí)管道沒(méi)計(jì)流量應(yīng)等于輪灌組中最大設(shè)計(jì)流量值。17/29三、管徑確實(shí)定粗選管徑可按下式計(jì)算粗選管徑時(shí)，流速可采取經(jīng)濟(jì)流速值。經(jīng)濟(jì)流速是指管道造價(jià)較低以及運(yùn)行費(fèi)用也較低適宜流速值。四、管道及管網(wǎng)水力計(jì)算按水動(dòng)力學(xué)中有壓管流理論與方法計(jì)算管道及管網(wǎng)沿程水頭損失和局部水頭損失。1、沿程水頭損失計(jì)算（1）各種管材管道沿程水頭損失因?yàn)樗芰瞎苈裨O(shè)于地下，地形局部起伏，以及管節(jié)連接間難以平直，要增加部分水頭損失，故計(jì)算得出hf值乘以系數(shù)1.2。18/29（2）地面移動(dòng)軟管沿程水頭損失與硬管相比，軟管沿程水頭損失還與工作壓力相關(guān)。（3）多口出流管道沿程水頭損失其近似計(jì)算方法基本原理是：首先按管道內(nèi)流量不變求出沿程水頭損失，然后再乘以多口系數(shù)，即：式中：F為多口系數(shù)，m為流量系數(shù)。19/292、局部水頭損失計(jì)算局部水頭損失計(jì)算普通以流速水頭乘以局部水頭損失系數(shù)表示。對(duì)于管道總局部水頭損失則等于管道上全部各局部水頭損失之和，即：為簡(jiǎn)化計(jì)算，通?？扇⊙爻趟^損失10％~15％估算。3、管網(wǎng)水力計(jì)算與水擊壓力校核(1)樹(shù)枝狀管網(wǎng)把水頭要求最高、經(jīng)過(guò)流量最大點(diǎn)稱(chēng)做控制點(diǎn)或最不利點(diǎn)。按最不利點(diǎn)進(jìn)行干管設(shè)計(jì)。各管段直徑通常依據(jù)所需流量，按經(jīng)濟(jì)流速計(jì)算。20/29(2)環(huán)狀管網(wǎng)1)流入任一結(jié)點(diǎn)流量之和應(yīng)等于流出該結(jié)點(diǎn)流量之和，即2)任一閉合環(huán)狀管路中水頭損失之和應(yīng)等于零。通常在一閉合環(huán)路中，均以順時(shí)針?lè)较蛩魉a(chǎn)生水頭損失為正值，以逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)樨?fù)值。要求正負(fù)水頭損失相等。若不相等，則應(yīng)進(jìn)行管網(wǎng)平差計(jì)算。在有壓管道中，因?yàn)楣軆?nèi)流速突然改變而引發(fā)管道中水流壓力急劇上升或下降現(xiàn)象，稱(chēng)為水錘。4、管網(wǎng)首部水頭壓力高程(管首水位)推算管網(wǎng)首部應(yīng)含有足夠水位高程，通常應(yīng)從最不利輪灌組向上逐層推算水位高程，即：21/29五、管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)管網(wǎng)優(yōu)化布置應(yīng)是管道總長(zhǎng)度最短，分水口和出水口數(shù)量少，工程量最小。管徑小可降低投資，但水頭損失大，但二者總有最正確結(jié)合點(diǎn)，即最優(yōu)組合。優(yōu)化理論有：線性規(guī)劃法、非線性規(guī)劃法、動(dòng)態(tài)規(guī)劃法。1、目標(biāo)函數(shù)與約束條件管網(wǎng)優(yōu)化多以年費(fèi)用最小為分析目標(biāo)，即目標(biāo)函數(shù)：約束條件(1)工作壓力約束：Hmin≤Hi≤Hmax(2)流速約束：Vmin≤Vi≤Vmax(3)管徑約束：dmin≤di≤dmax(4)流量約束Qi≤Qmax(5)井灌和抽灌區(qū)還有水泵工作點(diǎn)約束Hmax-Hmin≤△H(6)基建投資約束,不得超出要求畝投資指標(biāo)值。22/292、管材及管道附件(1)管材種類(lèi)1)管材依其性質(zhì)可分為以下四類(lèi)①水泥類(lèi)管材，為硬管道；②金屬材料管，為硬管材；③塑料類(lèi)管材，有硬管和軟管兩類(lèi)；④當(dāng)?shù)夭牧瞎堋?)管材依其柔性程度可劃分為：硬管、軟管、半柔性管(2)對(duì)管材主要技術(shù)要求1)選取管道要能承受設(shè)計(jì)要求工作壓力；2)要能經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)要求流量；3)管材內(nèi)壁光滑，無(wú)可見(jiàn)裂縫，價(jià)格低廉，使用壽命長(zhǎng)；4)塑料管材要能防老化、鋼鐵管要耐腐蝕：5)移動(dòng)管道還要求輕便、易快速拆卸、搬移和安裝，耐碰撞、耐摩擦和能經(jīng)受風(fēng)吹日曬、不易被扎破等。23/29(3)管道附件依其功效作用不一樣，可分為控制附件和連接附件兩類(lèi)；依材質(zhì)不一樣有混凝土、塑料、鋼和鑄鐵等材質(zhì)附件：1)對(duì)管道附件基本技術(shù)要求：①工作可靠，密封性能和止水效果好，出水流暢；②結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，取材方便，加工輕易，生產(chǎn)設(shè)備要求低；③使用方便，裝卸簡(jiǎn)單，堅(jiān)固耐用，侄于維修；④內(nèi)壁光滑，設(shè)計(jì)分理，與管道銜接過(guò)渡水頭損失??；⑤防破壞效果好；⑥柔性附件應(yīng)有一定撓度，剛性附件應(yīng)有足夠剛度。2)連接附件即管件，慣用管件主要有同徑和異徑三通、四通、接頭、短管、彎頭、堵頭及異徑漸變管和快速接頭等各種。24/293)控制附件作用是依據(jù)管道澆灌要求，用來(lái)控制管道系統(tǒng)中流量和水壓各種裝置。慣用控制附件有閥門(mén)、通氣閥、給水栓、安全閥、帶閥門(mén)配水井和帶閥門(mén)放水井等。①給水栓從地埋固定管道直接向田間輸水渠供水裝置，稱(chēng)出水口，其作用是預(yù)防出水水流沖刷田面和保護(hù)地埋固定管道安全；地埋固定管道與連接下一級(jí)地面移動(dòng)管道或地面閘管裝置稱(chēng)給水栓，其作用是控制出水口流量。②通氣閥及安全閥。通氣閥：為預(yù)防管道因通氣、排氣不及時(shí)而產(chǎn)生負(fù)壓或水力沖擊，而在管道上設(shè)置通氣閥。安全閥：為預(yù)防管道閘閥因操作利用不妥，或水泵不按規(guī)程操作及因突然停電等原因而發(fā)生事故在管道上設(shè)置安全閥。25/29③配水井。主要用于低壓配水管網(wǎng)，其作用是配水及聯(lián)接上、下級(jí)管道，管徑較大也可用作檢修地下管道進(jìn)出口。④放水井。是低壓配水管網(wǎng)向田間供水、灌水控制建筑物。配水管網(wǎng)內(nèi)水由放水井流出進(jìn)入田間，進(jìn)行澆灌。26/29第四節(jié)管道澆灌系統(tǒng)運(yùn)行管理一、地埋固定管道管理與維護(hù)1、地埋固定管道初始運(yùn)行地埋固定管道在首次投入使用或每年初始利用時(shí)，應(yīng)全方面進(jìn)行檢驗(yàn)、試水并應(yīng)符合以下要求：①管道通暢，無(wú)污物雜質(zhì)堵塞和泥沙淤淀；②各類(lèi)閘閥及安全保護(hù)裝置啟閉靈活；③無(wú)滲水漏水現(xiàn)象；④量測(cè)儀表或裝置能正常使用。2、地埋固定管道日常運(yùn)行與維修(1)水擊破壞管道預(yù)防突然停水、供水而造成管內(nèi)高壓、負(fù)壓造成管道破裂。27/29(2)管道漏水檢驗(yàn)因?yàn)楣艿榔屏?、接頭不牢、閘閥銹蝕等造成漏水。其檢測(cè)方法有以下幾個(gè)：1)實(shí)地觀察法；2)聽(tīng)漏法；3)分區(qū)檢漏。(3)定時(shí)測(cè)定管網(wǎng)水壓和流量(4)管道維修管材不一樣，對(duì)應(yīng)維修方法也不一樣．1)硬塑料管；2)水泥制品管；3)石棉水泥管。(5)管件與從屬設(shè)備維修1)金屬結(jié)構(gòu)預(yù)防生銹；2)設(shè)備、裝置應(yīng)經(jīng)常檢驗(yàn)維修