农田水利学(3-4) 108页

农田水利学IrrigationandDrainage合肥工业大学土木与水利工程学院n第三章灌水方法第一节灌水方法评价标准、分类及适用条件一、评价指标1、灌水均匀度6、地形适应性2、灌溉水利用效率7、基建运行费3、土壤团粒结构8、占用土地4、结合其它农业措施5、劳动生产率n二、灌水方法分类<一>全面灌溉1、地面灌溉畦灌沟灌淹灌(水稻)漫灌(牧草)n2、喷灌sprinkleirrigation利用专门设备将有压水输送至灌溉地段，喷射到空中，以降雨方式进行灌溉。优点：均匀、地形适应性强、可调节湿度和温度、机械化程度高缺点：造价高、受风影响大。打击强度过大可能伤害幼苗。nSprinkleirrigation喷头水泵n<二>局部灌溉Prtialirrigation特点：只湿润作物周围局部土壤，其他远离作物根系的土壤保持干燥。亦称为微灌（micro-irrigation）通常需要专门的管道系统和灌水器，将水和养分输送至根系附近。优点：节水、节能、均匀、适应性强、可结合施肥。可提高作物的品质和产量，利用劣质水源灌溉。nPartialirrigationn局部灌溉的种类(1)渗灌subirrigation利用地下管道将水引至作物根系层，借助毛管作用自下而上湿润土壤。亦称地下灌溉（滴灌亦可埋入地下）。优点：蒸发少、占地少、压力低。缺点：地面湿润差、容易堵塞、造价高n(2)滴灌dripirrigation管道中灌溉水通过特制滴头直接滴在作物根部,然后渗入土壤.特点:节水、自动化程度高、地形适应能力强、作物可处于最佳水分状态。缺点：易堵塞、造价高。nDripirrigationn(3)微喷灌micro-sprinkle称为微型喷灌。用小喷头将水喷洒在土壤表面，水流在空中消能。可以是局部灌溉，也可以是全部灌溉。湿润面积较大，所用的灌水器少，抗堵塞性能好，可创造良好生长环境。与喷灌的区别：工作压力低（喷灌一般高于15米〕，流量小，水源象其他滴灌和渗灌一样需要过滤。n(4)涌灌bubbleirrigation或称为涌泉灌溉。通过位于根附近的小管涌出的小水流(地面放置)或小涌泉将水灌至地面(地下放置).涌流灌溉出水口流量一般较，超过土壤渗吸速度，有径流产生，需要在地面形成水洼控制水量分布。特点：工作压力低、抗堵塞。尤其适于地势平坦的果树灌溉。n(5)膜上灌irrigationonplasticmembrance灌溉水流在地膜上流动，通过地膜上的出苗孔或者灌水孔借助重力渗入土壤。特点：水流沿地膜运动，深层渗漏容易控制，可以增加畦田(沟)长度。无效蒸发减少。目前在新疆地区应用较多。n(6)膜下灌irrigationunderplasticmembrance地膜覆盖与滴灌结合。将滴头铺设在地膜下，可以减少棵间蒸发。可以利用劣质水灌溉。抑制盐分在根系层中累积。以色列应用较多。n第二节地面灌水方法Surfaceirrigation简介地面灌溉的重要性中国90％以上采用地面灌溉技术。节水灌溉与喷灌技术(杂志)地面灌溉的优点:投入少、管理费用低、技术要求低n一、畦田灌溉Borderirrigation适宜作物：窄行密植作物或牧草、蔬菜等。畦田规格：长30～100米，宽2～4米。灌水技术要素：畦田长度、宽度、单宽流量、畦田坡度、灌水延续时间、改水成数等。nn地面灌水方法surfaceirrigationnn灌水技术要素确定1、灌水延续时间n说明上式为畦田各点为入渗到设计灌水定额应该持续的时间。每点的入渗时间若超过t，出现深层渗漏，否则灌水不足。由于水流运动过程的复杂性，很难使得各点的入渗时间一致。为此需要采用及时封口的方法。n2、畦田水量平衡3600qt=ml灌水时间由灌水定额确定。由于存在深层渗漏，田间灌水量一般要比设计灌水定额大。n提高地面灌水质量的措施1、合理控制入田单宽流量2、确定合理的畦田规格3、控制灌水时间（和入田流量有关〕4、提高地面平整程度n二、沟灌(FurrowIrrigation)在作物行间开挖灌水沟，水流入沟后，在流动过程中主要借助毛管作用湿润土壤。和畦灌相比，不会破坏作物根系的土壤结构，不容易板结适于宽行作物，如棉花、烟草等。n1.技术参数:沟长、（坡度）和入沟流量2.水量平衡方程m-灌水定额（深度）；a-沟间距；l-沟长；h-沟内水深；b0-平均水面宽度；p0-湿周；kt-平均入渗水深。计划灌水定额＝t时间(灌水延续时间)内入渗水量＋沟中蓄水量n3.沟长度与沟坡度的关系4.灌水时间确定上述时间仅能够保证定量灌溉，无法保证灌溉质量；提高灌溉质量（如均匀度），主要在于控制各点入渗时间的一致，需要合理选择沟灌技术参数，即沟长和如沟流量的组合，使水流推进曲线与消退曲线尽可能平行。n沟灌新技术1、尾水回收系统(tailwaterrecoverysystem)适于透水性差、大坡度沟灌。原理：灌水后沟中难以蓄水、部分水从尾部流走。这部分水流可以由集水系统回收后供灌溉之用。系统构成：集水沟、蓄水池、提水系统、输水系统。n2、波涌灌溉(surgeIrrigation)原理：水流消退过程中形成致密层（类似于板结），减少入渗速率，以较小的水量可以推进更远的距离。适于入渗速率大、畦田坡度小的田块。提高均匀度，减少灌水定额（？）方法：间歇向沟中灌水。当水流推进到沟中一段距离后，停止灌水，间隔一定时间后再灌水。分二、三次，每次推进1/2或1/3沟长时停水一段时间。可以用于畦田灌溉。n第三节喷灌（Sprinkleirrigation）利用专门设备将有压水输送至灌溉地段，喷射到空中，以降雨方式进行灌溉。优点：均匀、地形适应性强、可调节湿度和温度、机械化程度高缺点：造价高、受风影响大。打击强度过大可能伤害幼苗。n一、喷灌技术指标1、喷灌强度单位时间内喷洒在单位面积上的水量平均喷灌强度是各点单位时间内喷灌水深的平均值。n喷灌系统平均喷灌强度喷灌设计中，各喷头面积必须有一定重叠才能达到一定的设计均匀度，系统喷灌强度与喷头的间距和支灌的间距有关。n2、喷灌均匀度衡量灌水质量的主要指标。用于评价灌溉面积上水量分布的均匀程度。常用表示方法：喷洒均匀度/水量分布图n水量分布图喷洒范围内的等水量图。表示喷头组合的水量分布情况。比较直观准确，但缺少定量指标。n3、水滴打击强度单位喷洒面积内水滴对土壤和作物的打击动能。水滴过大可能破坏土壤结构和损毁作物。常用的测量方法是测水滴直径。n三、旋转式喷头的主要水力参数及影响因素(一）影响喷头射程的因素1、工作压力和喷咀直径压力增加，射程增加。压力一定时，喷嘴直径增加，射程增加。2、喷射仰角28～32度时射程最远，通常为30度3转速转速增加，射程减小。一般1～3r/min(中)3～5r/min(远射程)4、水舌形状水舌掺气少则射程大，减少紊流，水流整直。加粉碎针可增加掺气，减小水滴直径，提高雾化度。n（二）影响喷灌水量分布的因素（简）1、工作压力压力适中，水量分布曲线近似于一个偏平的等角三角形；当压力过低时，由于水舌粉碎不足，水量大部分集中在远处，中间水量少，成“轮胎形”分布；当压力过高时，由于水舌过度粉碎，近处水量集中，远处水量不足。n2、喷头的布置形式和间距一般由计算或者试验确定，设计时可参考设计手册常用形式：矩形分布、等腰三角形分布或正方形分布。3、风向、风力逆风减少的射程要比顺风增加的射程大。在布置喷头时，适当密布一些以抵消风的影响。nn（三）影响水滴直径的因素喷头工作压力和喷嘴直径粉碎机构喷嘴形状n四、喷灌技术参数及其确定方法（一）喷头组合间距（经验系数法）确定支灌和喷头间距（支灌一般平行布置）支灌间距：喷头间距：CL、Cm为经验系数，R为喷头设计射程。对于支灌数量、喷头数量和工程量有影响n(二）支管方向的确定与作物种植方向平行与主风向垂直可以增加均匀度。n（三）拟定喷灌工作制度1）设计灌水定额（mm)m=0.1H(θmax－θmin)θmax，θmin－允许灌水上下限(占空隙率的百分数）。可以利用地面灌溉的灌水定额方法2）设计灌水周期T＝m设计/ee－耗水最大时期的日平均耗水强度;n3）灌水延续时间t=m设计/ρ系统ρ系统＝1000qn/(Sl×Sm)（平均喷灌强度）4).系统同时工作的喷头数n第四章灌溉渠道系统指从水源取水、经过渠道和建筑物向农田供水，并由田间工程进行灌溉的工程系统。组成：A.渠首工程（取水枢纽）B.输配水工程（渠道）C.田间工程。nnn第一节渠系概述一、灌溉渠系组成：1.灌溉渠道一般分为干、支、斗、农四级。有些情况下可能多于或少于四级。2.退水、泄水渠道主要用于保证渠系安全运行。一般在干、支渠末端应设置退水渠。nn灌溉渠道的规划原则1、干渠布置在高处，以控制较大面积。对于局部高低存在的情况，可以考虑采用其他灌水方法解决。2、布置使得工程量和工程费用最低。渠道顺直、减少建筑物数量和规模渠道填方和挖方量尽可能接近。大部分需要进行方案比较才能确定。n3、考虑行政区划，尽可能用水单位和渠道独立。4、斗渠、农渠满足机械化耕作要求；各级渠道相互垂直，间距适宜。5、考虑水资源的综合利用。发电、养殖、工业和城镇供水等。n6、灌溉渠系布置必须和排水系统布置相结合。尽量利用原有的水系。尽量避免沟、渠交叉，减少交叉建筑物。7、和土地利用规划相结合。渠道布置考虑道路、林带、居民点位置，减少拆迁费用。n二、干支渠规划布置1.山区、丘陵区干渠多大致沿等高线布置，处于较高位置；并非严格平行等高线支渠大体和等高线垂直山丘区渠道可采用“长藤结瓜”式布置。多水源，充分利用蓄水能力（小塘坝）和当地径流。提高灌溉工程的利用效率。提前补水到沟塘，可减少泵站规模（淳东灌区）多水源供水，减少渠道规模n2、平原区干支渠布置干渠多大致沿等高线布置，处于较高位置；并非严格平行等高线支渠大体和等高线垂直n3、圩区圩区特点：地势低洼，在最高洪水位和最低于洪水位之间；排水是主要问题一般中间低，四周高。干、支渠布置干渠多沿圩堤布置灌溉系统级别较少。n三、斗渠和农渠规划斗农渠渠规划要求适于管理和机械耕作要求便于配水有利于灌水和耕作措施地配合土地平整工程量小斗渠布置长度3－5Km，控制面积3000～5000亩n农渠布置布置要求满足机耕要求平原地区长度500－1000米，间距200－400米有地下水控制地区，农渠间距取决与农沟间距。n渠道和排水沟配合灌排相邻布置相邻布置地适用条件：单一坡度单向控制：相间布置适用条件：平原地区优点：控制范围较大，沟渠数量少双向控制n四、渠线规划步骤1、现场查勘1：500002、纸上定线带状地形图1：1000－1：5000Δh=0.5－1.0m3、定线测量放样n五、渠系建筑物规划1、引水建筑物：渠首进水闸门，控制流量（自流沟渠）有堤引水：拦水坝、进水闸、冲沙闸等。提水灌区之泵站水库nn2、配水建筑物主要包括节制闸和分水闸分水闸：控制向下级渠道配水流量，包括支渠分水闸和斗门、农门。节制闸：抬高上游水位或阻止水流下行。节制闸使用条件：A需要抬高水位时；B需要轮灌时；C建筑物、渠段或城市需要保护时，配合退水闸使用。n3、交叉建筑物1〕隧洞：遇到山岗或绕行费用过大时；2〕渡槽：渠道穿过沟道、道路时，若渠道底部高于沟道洪水位和满足交通要求时采用，若不满足，可利用倒虹吸。n3〕倒虹吸利用压力沟道代替渠道从沟或路下穿过。使用条件渠道水位高于路面或沟、河水位，但渠道底部低于路面或沟、河洪水位时；渠底高于路面，但是净空无法满足交通要求nn4〕涵洞：渠道与道路交叉，渠水位低于路面，且流量较小时；5)桥梁：渠道与道路相交，渠道水位低于路面，流量较大时采用。n上述交叉建筑物可以根据具体地形结合使用。例如陕西宝鸡峡中的扶凤倒虹吸，主要利用倒虹吸通过深沟，在经过沟底河流时，又采用了渡槽形式。南水北调穿黄倒虹吸与渡槽n4、衔接建筑物在坡度大的渠段，为保持渠道的设计坡度，防治冲刷，把渠道分成上下两段，使得落差集中，中间用衔接建筑物连接。1〕跌水：用于落差较小的陡坎；2〕陡坡：落差较大时；n5、泄水建筑物泻水闸、溢流堰作用：防止下游渠道发生事故导致水位升高；排除进入渠道其他水量冲洗泥沙（多泥沙河流引水闸后），称冲沙闸n6、量水建筑物测量渠道流量。三角堰、巴歇尔量水堰、抛物线型量水堰。量水堰是灌区计划用水和按方收费的基础。包括建筑物量水、特设量水设施、量水仪表等。nnnn第二节田间工程规划田间工程：最末一级固定渠道和固定沟道中间的条田范围内的农田建设工程，临时渠道排水小道田间道路小型建筑物（进、排水口）土地平整等。田间工程是合理灌溉、提高灌排效率、发挥工程效益的基础。n一、田间工程规划要求与原则1、规划要求：A灌、排系统完善；避免串灌串排控制地下水位，防止渍害、盐碱化B土地平整；提高灌水均匀度，减少实际灌水定额C适于机械化作业；n2、规划原则：1〕水利规划和农业规划相结合；考虑农业需水特点2〕田间工程规划要以治水改土为中心，山、水、林、田、路综合治理，创造良好的生态化境。改善生产环境；改善生态环境改善生活环境3〕因地制宜；4〕长远规划，预留发展余地。n二、条田规划条田概念：农渠河农沟之间的田块条田的要求：排水要求（100－200米）：排涝：淹水时间和深度降渍：控制地下水位机耕要求，以400－800米为宜管理要求：一般需要在1－2d灌完规格：宽度100－200米，长度400－800米。n三、田间渠系布置纵向布置灌水方向垂直农渠水流方向：农渠－毛渠－输水垄沟－沟（畦田）适于微地形起伏、平整较差的地区横向布置灌水方向与农渠平行水流方向：农渠－毛渠－沟（畦田）与纵向布置相比，减少了输水垄沟适于平坦地区，平整程度较好的地块。n四、格田规划田埂：23－30cm高,30-40cm宽格田：宽15－20m长，邻100-200m，间200－300mn五、土地平整要求：田面平整挖填平衡保持土肥土壤改良n第三节灌溉渠道流量推算一、灌溉渠道流量概述1、设计流量Q设－－渠道纵横断面和渠系建筑物尺寸设计依据Q设＝q设＊A控2、最小流量Qmin－－校核最小水位衔接要求Qmin＝qmin＊A控3、加大流量Qj－－考虑渠道安全Qj＝J＊Q设n二、渠道水量损失渠道水量损失QlQg=Qn+Ql渠道水损失的原因：渗漏、蒸发、跑滴渗漏量与渠道类型、长度和流量有关，可以定量计算。n每公里渠道渗漏损失占渠道净流量的百分数。流量Qn，A－透水系数，m-透水指数1)经验公式法估算Ql地下水顶托修正系数渠道防渗漏水折减系数n2)经验系数法估算Ql(1)渠道水利用系数Ƞc(2)渠系水利用系数ȠsȠs=Ƞ干+Ƞ支+Ƞ斗+Ƞ农(3)田间水利用系数Ƞf(4)灌溉水利用系数Ƞ0n三、渠道工作制度续灌－－干支轮灌－－斗农轮灌的优点和缺点n四、渠道设计流量推算1、轮灌渠道(1)末级田间净流量(2)上推各级流量n四、渠道设计流量推算1、轮灌渠道－－斗农渠道(自上而下、自下而上)(1)末级田间净流量(2)上推各级流量n2、续灌渠道指标－－干支渠道(自下而上逐级上推、节点累加)典型支渠灌溉水利用系数其它支渠灌溉水利用系数推广指标nn第四节渠道纵横断面设计各特征流量在设计中的用途纵横断面设计互为条件Q、H、渠床稳定一、渠道纵横断面设计原理明渠均匀流n二、梯形渠道横断面设计（一）设计依据1、渠底比降i综合考虑：地形坡度、下级渠道进水口要求、渠床土质、含沙、Q大小等2、渠糙率nn3、边坡系数m为渠道边坡倾斜程度的指标m内m外n4、宽深比αbh三要求：（1）工程量最小（2）断面稳定（3）有利通航b0≥2.6Bn5、不冲不淤流速（1）不冲流速Vcs（2）不淤流速VcdSt.Vcd˂V˂Vcs（二）梯形横断面水力计算方法1、一般断面(试算)假设b、hA,P,R,CQQ=Qd?NV=Q/AVcd˂V˂VcsYNn（三）设计水位以上部分尺寸1、加大水深hj2、安全超高Δh=0.25hj+0.23、堤顶宽度D＝hj+0.3n三、梯形渠道横断面结构3种断面结构型式1、挖方渠道断面结构n2、填方渠道断面结构bhn3、半挖半填渠道断面adbxm1m2n四、梯形渠道纵断面设计2、渠道纵断面图绘制步骤1、渠道断面水位推算n000+0001+1088+822.515.319.021.921.019.0桩号地面高程设计水位渠底高程20.419.520.519.018.017.516.5渠底比降0.0010.00150.002n3、渠道纵断面设计中的水位衔接(1)同级渠道不同渠段间(2)建筑物前后(3)上下级渠道1)调整a，使h前=h后2)水源较高时，抬高上游渠底3)抬高下游渠底nn第五节渠道防渗一、作用：1、节水2、防治冲刷和坍塌；增加稳定3、提高输水能力；4、减少深层渗漏，控制盐碱化；5、防治杂草孳生和淤积；减少维修费用；6、提高灌溉效率。n二、防渗措施简介1、土料防渗2、砌石防渗3、砖砌防渗4、混凝土防渗5、沥青防渗6、塑料薄膜防渗n三、渠道衬砌冻胀破坏防治1、减轻土壤冻胀力减少渠床土壤水分换置渠床土壤避免冬季输水2、增强衬砌结构抵抗和适应冻胀变形n四、衬砌渠道横断面设计N小，v较大，A较少，C较高。1、圆底三角形断面n2、圆底梯形断面n3直角U形横断面渠道优化设计现行的U形横断面渠道设计以明渠均匀流公式为基础，在确定U形断面渠道圆底半径r(m)、半径以上水深h1(m)、渠道设计流量qVd以及工程量等参数时一般采用试算，因此计算量大，过程复杂精度低。应用实例兴城市某灌区拟建灌溉挖方渠道，采用直角U形断面，qVd=3.4m3﹒s-1，i=1/500，糙率n=0.014，挖方单价K1=10.5元﹒m-3，衬砌单价K3=145元﹒m-3，占地单价K4=12.5元﹒m-3，vcs=10.0m﹒s-1，vcd=0.5m﹒s-1，渠段灌溉最小水深0.6m，求经济断面尺寸（如图示)。n优化模型：由表可知，IGA优化所得的U形渠道都较文献窄而深，IGA所得输水流速较小，RIGA的稍大，但都满足约束式。可见免疫遗传算法的优化结果更接近于渠道水力最佳断面，且占地面积较小，而投资费用分别较原文献节省约0.60元﹒m-1和0.65元﹒m-1，而且计算精度和寻优效率较比例系数法更高。优化结果及对比分析：