第四章灌溉管道系统.docx

1、第四章灌溉管道系统第四章 管道灌溉系统农田灌溉系统按照其输配水过程中的水流是否有压力，可划分为有压灌溉系统和无压灌溉系统两大类。而管道灌溉系统为有压灌溉系统，系统中水流均为有压状态，其过流断面一般采用圆管，这也就是它与灌溉渠道系统的本质差别。第一节 管道灌溉系统的特点与发展概况一、管道灌溉系统的特点(characterics of the pipe-line irrigation system)管道灌溉系统是以管道代替明渠输水的一种灌溉工程形式，在一定的压力作用下，将灌溉水由管道输送到田间，经田间灌水装置实施灌溉的工程系统。喷灌、微灌、低压管道输水灌溉均属管道灌溉形式。管道灌溉系统在提高灌溉水

2、利用率，节省农田，少占耕地，便利机耕和扩大灌溉面积等方面都显示出了巨大的效益和潜力，与灌溉渠道系统相比较，具有显著的特点。1.管道灌溉系统的主要优点(major advantages of the pipe-line irrigation system)1)节水效益显著。管道灌溉系统采用管道输水和配水，减少了输水过程中的渗漏与蒸发损失，从而节约了灌溉用水，提高了灌溉水利用率，一般可比明渠灌溉系统节水3050%；并可防止因渠系渗水而导致土壤盐碱化、沼泽化和冷浸田等的发生。2)土地利用率高。管道灌溉系统的输配水管网大部分或全部都埋设在地下，可以减少渠道占用的耕地，提高了土地利用率。对于我国土地资源

3、紧缺，人均耕地面积不足1.5亩的现实来说，具有显著的社会效益和经济效益。3)适应性强，灌溉效率高。管道灌溉系统由于是有压输水，可以适应各种地形，使渠道难以灌溉的耕地实现灌溉，扩大了有效灌溉面积；利用管道输水速度快，灌水省时、省工，一般比明渠输水的灌溉效率可提高1倍以上，用工减少50%左右，灌溉效率高。4)灌水及时，促进作物增产增收。利用管道系统输水和灌水，灌水及时，有利于进行适时适量灌溉，可以及时有效地满足作物的需水要求，从而提高农作物的产量和品质，达到增产增收的效果。5)管理维护方便，便于实现自动化。管道灌溉系统用管道代替明渠，避免了跑水漏水，节省管理用工，而且不会滋生杂草，可省去明渠的清淤

4、除草和整修维护渠道等繁重劳动。同时，管道灌溉系统运用灵活方便，容易调节控制和实现自动化，并可方便地与施肥施农药等相结合。2.管道灌溉系统的主要缺点（major disadvantages of the pipe-line irrigation system）1)需要的材料和设备较多，一次性投资高。特别是喷灌和微灌系统，与渠道输水系统相比，投资高，运行费用也高。因此，一般适应于经济作物或地形相对较复杂的地方。2)规划设计内容较复杂。管道灌溉系统的水力计算、配水分水、压力调节和田间设施等都比灌溉渠道系统复杂，规划设计难度相对较大。3)对水源的水质要求较高，尤其是微灌系统，因灌水器容易堵塞，一般对灌

5、溉水要求进行一定的处理、过滤，定期对管道系统进行冲洗。4)对施工及管理的技术要求较高。管道灌溉系统一般技术性强，必须由专业队伍进行施工，才能保证工程质量。工程建成后，需要掌握相关技术的人员进行操作和管理，否则，容易造成管道或设备的损坏。3.低压管道输水灌溉系统的特点（features of the low-pressure delivery pipe irrigation system）低压管道输水灌溉系统是以管道低压输水至田间，通过出水口或给水栓，经田间毛渠或移动软管进行地面灌溉的工程，简称管灌系统。其管道工作压力较低，一般不超过0.4MP，出水口或给水栓的工作水头为0.3m0.5m。管灌系

6、统与喷灌、微灌相比，其技术相对简单，工作压力较低，投资也相对降低，对水质的要求也不高，管理运用简单方便。因此，目前在我国井灌区已得到广泛地推广应用。渠灌区管灌系统一般控制面积较大，引水流量大，输水配水管道级数多，管径也较大，其省水、省地和省工效益更显著。管道输水速度快，供水及时，可缩短轮灌周期，改善田间灌水条件，从而及时有效地满足作物生长的需水要求。但是，渠灌区管灌系统由于其条件复杂，目前还仍处于试验示范阶段，技术尚未成熟，还需作进一步研究。二、管道灌溉系统的发展概况（developing situation of the pipe-line irrigation system）1.国外发展概

7、况(developing situation in abroad)随着全球淡水资源危机的出现和加剧，合理利用水资源引起了世界各国政府和科学家的高度重视，并采用了多种对策。在解决水资源的对策中，除兴建必要的蓄水、引水工程，扩大水源外，更重要的是节约用水，提高水的有效利用率，防止水的污染等。世界各国如美国、日本、前苏联、以色列等，由于农业灌溉用水浪费严重，特别是渠道渗漏损失的水量大，均非常重视并积极研究推广喷灌、微灌和低压管道输水灌溉等管道化灌溉技术。管道灌溉系统在国外自20世纪20年代开始应用于农业灌溉，50年代以后得到广泛应用。据2000年统计，全世界微灌面积已达0.57亿亩，喷灌面积已达4亿

8、多亩，低压管道输水灌溉也得到了迅速发展。发展管道灌溉系统最具有代表性的国家是美国和以色列。美国由于农场耕作面积大，在农业生产上追求高生产效率，因此各种管道灌溉系统和设备也都追求高生产效率。在美国，喷灌的机械化、自动化水平较高，并且朝着低压、节能、多目标利用方向发展。主要类型为中心支轴式喷灌系统，占总喷灌面积的69.74。美国微灌技术发展也很快，特别是在20世纪70至80年代，由于水价上涨，更加快了微灌的发展。加利福尼亚州是美国微灌应用最多的一个州，微灌面积占该州总灌溉面积的17。低压管道输水灌溉在美国被认为是节水最有效、投资最省的一种灌水技术。早在20世纪20年代就开始发展管道输水灌溉，到19

9、84年管道输水灌溉面积已占全美国地面灌溉面积的46.9%。加州圣华金河谷灌区，支渠以下输水系统在1996年就全部实现管道化。美国管道灌溉系统中，地下部分多采用素混凝土管，地面部分采用可移动管道，一般为快速连接铝制管材和塑料软管，通过带有闸管的管道进行灌溉，同时也便于进行波涌灌溉，具有较高的灌水效率。据统计，美国1982年灌溉总面积为2500万公顷，地面灌溉占65，喷灌占35；1991年灌溉总面积为2373万公顷，地面灌溉占57，喷灌占43%。2000年灌溉总面积为2553.6万公顷，喷灌占49.9，地面灌溉（包括低压管道输水灌溉面积）占44.9%，微灌溉占4.49。以色列除个别偏远山区外，全国

10、已基本实现了输水管道化，全国主要水系连接成统一管网，每年从北部太巴列湖抽水3.2亿m3，通过2.7m直径压力管道，以20m3/s的流量输送到以色列的南部。并把地表水、地下水和回归水互相连通，综合调节用水，由国家统一管理。以色列灌溉技术目前主要是喷灌和微灌，近些年来微灌面积已超过了喷灌面积，成为主要的节水灌溉技术。到2000年，全国微灌面积为16.6万公顷，占总灌溉面积的66.4。国外发达国家认为管道灌溉系统既可减少输水损失，又可严格控制灌溉用水，其发展趋势将是低能耗、低投入、低灌溉成本、高标准节水和高效益。2.国内发展概况(developing situation in China)我国是一个

11、水资源严重短缺的国家，因此，也非常重视并积极发展管道化灌溉技术。喷灌技术是20世纪50年代从前苏联引进，70年代以后得到迅速发展和应用。如北京顺义县1985-1988年推广半固定式喷灌系统，全县80万亩耕地都采用喷灌，取得了显著的节水效益和经济效益。我国在发展喷灌的过程中，结合国情已形成一套较为完整的技术体系。我国微灌技术应用是从1974年引进墨西哥滴灌设备开始的，特别是90年代以后引进国外先进的微灌设备生产线，微灌技术得到迅速普及与应用。目前在灌水器、输水管材、过滤装置和控制装置等已基本形成系列化产品。我国管道输水灌溉应用时间较早，但集中连片是在50年代以后。如河南温县在70年代全县有10多

12、万亩井灌区实现了管道输水灌溉。到了80年代以后，我国北方地区连年干旱，水资源日益紧缺，适应节水灌溉的管道输水灌溉技术得到迅速发展。但主要应用在井灌区。在管材应用方面，我国已研制出多种材料的管道，如薄壁PVC塑料管、双壁波纹管、石棉水泥管、混凝土管等。渠灌区从20世纪80年代开始进行了管道输水灌溉的试验研究，在管网设计、分水量水、防止淤堵等方面取得了许多成功的经验。但技术尚未成熟，仍需要开展进一步地研究。据水利部统计，截止到2007年底，我国节水灌溉工程面积已达2348.9万公顷，占全国农田有效灌溉面积的40.7%,其中喷、微灌面积达385.3万公顷，低压管灌面积557.4万公顷。第二节 管道灌

13、溉系统的组成和分类一、管道灌溉系统的组成（components of the pipe-line irrigation system）管道灌溉系统通常由水源、首部枢纽、输配水管网、田间灌水装置、附属建筑物和附属装置等部分组成。1.水源(water sources)凡符合农田灌溉用水标准的水源均可作为管道灌溉系统的水源，一般分为地表水源和地下水源两类。地表水源包括河流、湖泊、水库、塘堰以及集蓄雨水等；地下水源包括机井、大口井、辐射井、渗渠和泉水等。2.首部枢纽(head works)首部枢纽的作用是从水源取水，并进行适当的处理以符合管道灌溉系统在水量、水质和水压三方面的要求，其形式主要取决于水源

14、的种类和管道灌溉方式。管道灌溉系统中的水流必须具有一定的压力，一般均需通过水泵机组加压。通常可以根据灌溉用水量和扬程的大小，选用适宜的水泵类型、型号及与其相配套的动力机(电动机、柴油机等)。若有自然地形落差可利用，也可采取自压式管道灌溉系统，以节省投资和管理运行费用。灌溉管道系统与渠道系统比较，一般对水源的水质要求比较高，为使灌溉水质符合输配水与灌水的要求，通常必须采用过滤装置；若水源含有杂草、泥沙或微生物和藻类等，则必须修建拦污栅、沉淀池或其它净化处理装置，以防止管网和灌水装置堵塞。不同的管道灌溉方式，对水质要求不同，其过滤装置和处理设施也不相同。3.输配水管网（pipe-line netw

15、orks of delivery and distribution）输配水管网一般分为干管、支管和毛管等，控制面积较大时可增加总干管、分干管、分支管。在进行管道灌溉系统规划设计时，管网分级应根据灌溉面积大小、灌水方法及地形条件等具体情况确定。微灌系统的末级管道一般为毛管，而喷灌和低压管道输水灌溉系统的末级管道则为支管。按照管网布置形式，输配水管网可分为树状管网和环状管网两种。有时还采用树状和环状两者结合的混合管网形式。输配水管网的管道分为固定管道和移动管道两种。常用的固定管道有塑料管、混凝土管、石棉水泥管、铸铁管和钢管等；移动管道有薄壁铝合金管、镀锌薄壁钢管、薄壁塑料管和塑料软管等。4.田间灌

16、水装置（field irrigation elements）田间灌水装置的作用是将水均匀地分布到田间并湿润土壤。灌水方法不同所采用的田间灌水装置也不同。喷灌的田间灌水装置是喷头；滴灌的田间灌水装置是滴头；微喷灌的田间灌水装置是微喷头；而低压管道输水灌溉的田间灌水装置是出水口或给水栓以及移动软管等。5.附属建筑物(subsidiary constructions)附属建筑物包括交叉建筑物、镇墩和阀门井等。管道灌溉系统中，当遇到河沟、渠道、铁路、高等级公路等障碍物时需修建交叉建筑物，一般采用架空输水管、敷设倒虹吸管、渠基或路基下垂直穿越等，穿越铁路或高等级公路时，其穿越地点、方式和施工方法必须取得

17、铁路或高等级公路有关部门的同意，并遵循有关穿越铁路或高等级公路的技术规范；为了保证输水安全，应按要求在三通、弯头、陡坡处等设置支墩或镇墩，借以承受管中由于水流方向改变及自重和温度变形等原因产生的推拉力；凡设有控制阀或排水阀处均需修建阀门井。6.附属装置(subsidiary equipments)附属装置包括控制装置、量水装置、安全保护装置等。管道灌溉系统中，为了控制和调节管道的水流状况，应在各级管道的进口设置控制阀，如闸阀、截止阀等；为了测量灌溉用水量，应在各级管道安装量水装置；为了防止管道产生负压，排除管内空气，减小输水阻力，超压保护，调节压力等，必须在管道上设置安全保护装置，主要有进(排

18、)气阀、安全阀、调压装置、排水阀和冲沙阀等。二、管道灌溉系统的分类(classification of pipe-line irrigation system)管道灌溉系统形式很多，特点各异，一般可按照以下几个特点来进行分类：1.按结构形式分类(classification based on structure)1) 开敞式管道灌溉系统。指在输水管道一些重要位置设置有自由水面的调节井(池)的管道系统形式。调节井(池)除具有调压作用外，一般还兼有分水功能。2) 半封闭式管道灌溉系统。指在输水过程中管道系统不完全封闭，在适宜的位置设置使用浮球阀控制的调压或分水设施。该形式可以避免无效放水。3) 封

19、闭式管道灌溉系统。指管道系统从首部到田间灌水装置是全封闭的，输水过程中管道系统不出现自由水面。2.按获得压力的来源分类(classification based on pressure)1) 自压式管道灌溉系统。指水源的水面高程高于灌区的地面高程，利用地形高差所形成的自然水头能够满足管道系统运行时所需工作压力的管道灌溉系统。在山丘区或地形高差较大的地区应优先采用自压式管道灌溉系统。2) 机压式管道灌溉系统。指水源的水面高程低于灌区的地面高程，或虽然略高一些但不足以形成所需要的压力，利用水泵加压提供管道系统所需工作压力的管道灌溉系统。在其他条件相同情况下，这类系统需要消耗能量，因此运行费用较高。

20、3.按在灌溉过程的可移动程度分类(classification based on movable degree)1) 固定式管道灌溉系统。管道系统所有组成部分在整个灌溉季节甚至常年都是固定不动的，输水管道一般都埋于地下。固定式管道灌溉系统只能固定在一处使用，设备利用率不高，单位面积投资大，但使用方便，适合经济发展水平较高或劳动力紧张的地区，以及灌水频繁的经济作物。2) 半固定式管道灌溉系统。又称半移动式管道灌溉系统，具有固定式和移动式两类系统的特点，一般是首部枢纽和干管(或干、支管)埋于地下固定不动，而末级管道(支管或支管和毛管)以及灌水装置则是可以移动的。由于首部枢纽和干管比较笨重，固定下来

21、可以减少移动的劳动强度；而末级管道一般重量较轻，但所占投资比例却很大，因此使其移动所消耗的劳动强度相对较小，并可节省较多的投资。3) 移动式管道灌溉系统。整个管道灌溉系统均可移动，灌溉季节中轮流在不同地块上使用，非灌溉季节集中收藏保管。移动式管道灌溉系统设备利用率高，单位面积投资小，适应性较强，使用方便，但灌溉时劳动强度大，若管理运用不当，设备易损坏。管道灌溉系统除以上分类外，还可按灌水方式分为喷灌、微灌和低压管道输水灌溉，按管道内水压力的大小分为低压、中压和高压等。第三节 管道灌溉系统规划布置管道灌溉系统在规划时，应通过勘测、调查和试验等，收集灌区地形、土壤、作物、水源和气候等自然条件资料，

22、农业生产现状、现有水利工程设施、农业发展规划、水利规划等生产条件资料和行政区划、经济条件、交通及电力条件等社会经济资料，在水量平衡分析计算和不同灌溉方式分析比较的基础上，进行总体规划、合理布置。管道灌溉系统规划应与灌区农业、水利和经济发展协调一致，综合考虑经济、社会和环境效益，并符合相关法规和技术标准的规定。管道灌溉系统规划布置一般包括水源工程的规划布置、首部枢纽的组成与布置以及输配水管网和田间灌水系统的规划布置等部分。一、水源工程规划布置(layout of the water source engineering)水源工程包括地表水源工程和地下水源工程两类。地表水源工程分为引水工程、提水工

23、程、蓄水工程和集蓄雨水工程等；地下水源工程分为机井、大口井、辐射井、渗渠和引泉工程等。水源工程规划应根据水源类型及地形、地质等具体条件选择技术可行、工程简单、投资较少的取水方式和取水位置。当水源工程位置或灌区地块位置可选择时，应尽量使水源工程布置于灌区地块的中心位置，以利于提高灌溉均匀度，缩短管道长度，减小工程投资，降低运行费用。管道灌溉系统水源工程的规划布置基本上与灌溉渠道系统的相同，详见第三章第二节。二、首部枢纽的组成与布置(component and layout of the head work)管道灌溉系统首部枢纽的组成与布置主要取决于水源的种类、位置以及采用的灌水方法。不同的水源和

24、灌水方法其首部枢纽需要的设备和装置也不相同，实际工程中应根据需要选用。对于水质符合农田灌溉标准的水源，喷灌系统和低压管道输水灌溉系统一般首部枢纽比较简单，控制面积较小时可不设置首部枢纽；但是，无论何种水质的水源，微灌系统都必须设置首部枢纽。机组式喷灌系统的首部枢纽一般只有加压泵和动力机。管道式喷灌系统的首部枢纽除加压泵和动力机外，为了观察喷灌系统的运行状况，需要安装压力表和水表；对于具有施肥、施药等多目标利用功能的喷灌系统，还应设置化肥和农药的注入设备；水源中如果含有泥沙，首部枢纽应修建沉沙池或安装砂石过滤器。控制面积较大的喷灌系统，为了保证灌溉均匀度，往往还需设置调压罐、变频控制设备等。微灌

25、系统首部枢纽的正确选择和合理布置，对微灌系统的可靠性和经济性具有非常重要的作用，一般包括加压、控制、量测、施肥(药)、过滤、安全保护等设备。在选择设备时，其设备容量必须满足系统过水能力，使水流经过各设备时的水头损失比较小。在布置上必须把易锈金属件放在过滤装置上游，以确保进入管网的水质满足微灌要求。微灌系统加压设备应用最普遍的是离心泵和潜水泵，选型时要注意工作点位于高效区。选择过滤设备主要考虑水质和经济两个因素。筛网过滤器是最普遍使用的过滤器；而含有机污物较多的水源使用沙石过滤器能得到更好的过滤效果；含沙量大的水源可采用旋流式水沙分离器且必须与筛网过滤器配合使用。筛网的网孔尺寸或沙石过滤器的滤沙

26、应满足灌水器对水质过滤的要求。水表的选择要考虑水头损失值在可接受的范围内，并配置于肥料注入口的上游，防止肥料对水表的腐蚀。选择压力表时，为了提高测量精度，其测量范围应比微灌系统实际水头略大，且最好在过滤器的前后均设置压力表，以便根据压差大小确定是否应该冲洗过滤器。安全保护装置主要有进排气阀、安全阀、调压装置、逆止阀和排水阀等。他们的主要作用分别是破坏管道真空、排除管内空气、减小输水阻力、超压保护、和调节压力等。逆止阀必须安装在肥料或农药注入设备的上游。图4-1是一个典型的微灌系统首部枢纽组成示意图。实际工程不一定要包括以上所有的设备，应根据需要选用。图4-1 微灌系统首部枢纽组成示意图井灌区低

27、压管道输水灌溉系统的首部枢纽一般包括水泵及动力设备、进排气阀、逆止阀等。渠灌区包括栏污栅、引水闸、进水池等，如果水源含沙量大，必须根据水源泥沙级配资料计算管道临界不淤流速，当设计流速大于临界不淤流速时，可以直接引水进管网；当设计流速小于临界不淤流速时，应在管网进水口设置沉沙池。确定管道灌溉系统首部枢纽的位置时，要考虑水源的位置和管网布局。如果水源位于灌区内部或附近，首部枢纽的位置一般位于管道系统的首部，与水源工程结合布置。当水源位置距灌区较远，一般不把首部枢纽放在远离灌区的水源附近，而是利用输水管道将水输送到灌区边界或灌区内分水处，再设置首部枢纽，以便于运行管理。三、输配水管网的规划布置（la

28、yout of the delivery and distribution pipe-line networks）输配水管网的规划与布置是管道灌溉系统规划中的关键环节，管网布置的合理与否，对工程投资、运行状况和管理维护都有直接的影响。因此，应根据水源位置、地形条件和作物种植情况等，选择不同的管网规划布置方案，并从技术和经济两方面对不同方案进行分析比较，最终确定合理方案，以减小工程投资，保证系统运行可靠。1、输配水管网规划布置的原则与要求(principle and requirements)1）管道应短而直，水头损失小，总费用省和管理运用方便。2）管道应布置在坚实的地基上，避开填方区和可能发生

29、滑坡或受山洪威胁的地带；在松软地基或有可能发生不均匀沉降的地段铺设管道时，应对管基进行处理。3）地形复杂处可采用变管坡布置。管道中心线敷设最大纵坡不宜大于1:1.5，倾角应小于或等于土壤的内摩擦角。4）固定管道宜埋在地下，易损管材必须埋在地下。埋深应不小于60cm，并应在冻土层以下。5）铺设在地面上直径大于100mm的固定管道，应在拐弯处设置镇墩。镇墩尺寸应通过计算确定，基底深度应置于冻土层以下或深度不小于30cm。6）各级管道进口必须设置节制阀，分水口较多的输配水管道，每隔35个分水口应设置一个节制阀。各用水单位应设置独立的配水口，配水口的位置以及配水设施的型式和规格尺寸，必须与相应的灌溉方

30、法和移动管道连接方式一致。管道最低处应设置退水泄水阀。7）管道尽量沿道路和地块边界布置。当管道穿越道路与河流时，尽可能与之垂直。8）根据水力特性，在相应位置设进、排气阀或水锤防护装置。根据需要设置压力、流量计量装置。2、输配水管网的布置形式(layout shape of the delivery and distribution pipe line networks)根据水源位置、地形条件、作物种植情况等，输配水管网可布设成树枝状、环状和混合状三种形式。1）树枝状布置。树枝状布置是目前我国灌溉输配水管网布置中应用最普遍的一种形式，其管网成树枝的形状，逐级向下级配水。这种布置形式管线总长度比较

31、短，工程总投资少，水力计算比较简单，运行管理方便，适用于土地分散、地形起伏的地区。但管网内的压力不均匀，管道利用率低，当运行中某一处管道出现故障时，常会影响到几条管道甚至全系统的运行。图4-2是树枝状管网布置示意图。 图4-2 2）环状布置。环状布置指输配水管网的各级管道连接成闭合环状，其优点是管网压力分布较均匀，管道利用率高，当某一水流方向的管道出现故障时，可由另一方向的管道继续供水，使发生故障的那段管道之外的其他管道正常运行，且形成多路供水，流量分散，可减小管径，但管线总长度较长，是否经济需经济分析比较确定。这种布置形式在给水工程中应用较普遍。图4-3是环状管网布置示意图。 图4-33）混

32、合状布置。混合状布置指采用树状和环状两者结合的管网布置形式。其特点介于树枝状管网和环状管网之间。通常对于供水要求压力均匀、可靠性大的干、支管采用环状布置，对于供水要求可靠程度稍低的支、毛管可采用树枝状布置。这种管网布置形式结构较复杂，管理运用不方便。3、管网的典型布置形式（typical layout of the pipe-lines）喷灌和微灌管网布置在第二章灌水方法中已讲述，这里主要讲述低压管道输水灌溉系统田间管网的几种典型布置形式。1）井灌区管网典型布置形式。井灌区低压管道输水灌溉系统，一般机井位于灌溉田块内，输水管道较短，并与田间管网结合紧密，管网布置形式比较简单。根据机井位置、田块形状及大小、地面坡度、作物种植方向等，管网可布置成树枝状和环状，常见的布置形式有以下几种。(1)树枝状管网。1)机井位于田块一侧，田块呈长条形，管网可布置成“一”字形、“L”形和“T”形，如图4-4图4-6所示。这三种布置形式主要适合于井的出水量为204