《灌溉排水工程学》教学用课件-第五章

第五章旱区雨水径流集蓄灌溉工程旱区通常是指广大的干旱地区、半干旱地区、半干旱半湿润地区及半湿润偏旱地区。雨水径流集蓄灌溉工程是导引、收集雨水径流，并把它蓄存起来，作为一种有效水资源而予以灌溉利用的工程技术措施。第一节雨水径流集蓄灌溉工程的组成与类型一、雨水径流集蓄灌溉工程的组成雨水径流集蓄灌溉工程基本上是由三部分组成：即集水工程、蓄水工程和灌溉工程。集水工程是雨水集蓄灌溉工程的基础；蓄水工程是雨水集蓄灌溉工程的“心脏”(起调节的作用，类似于调节水库)；灌溉工程则是其目的。1、集水工程建立集水区，应用工程技术措施处理集水面，以减少渗漏，提高集水效率，尽量聚集天然降水，充分发挥降水作为一种有效的灌溉补充水源和人蓄饮用供水水源的作用，为旱区农业持续发展提供保证。2、蓄水工程蓄存由集水区导引聚集的雨水径流水量，以备灌溉利用的工程技木设施。蓄水工程引水渠沟或管道：导引集水区集水面上的雨水径流入水口：蓄水池的入口拦污栅、沉沙槽：拦截污物和沉淀泥沙蓄水设施、放水装置：存蓄水量、引水灌溉干旱引水渠道天然集雨场蓄水池饮用水蓄水池沉砂池引水渠道眉山盘熬山地饮用工程加盖覆土水池眉山盘熬高山人畜饮水工程加盖覆土水池沉砂池过滤池取水井3、灌溉工程由于利用集蓄雨水径流灌溉作物，而雨水少，因此客观上就要求采用最为节水的灌溉方式，目前主要选用滴灌、微喷灌和渗灌。一般蓄水设施的灌溉取水放水方式有：(1)自压放水方式。直接在蓄水设施底部安装输水管道和闸阀，由输水管连接管道向田间供水。(2)人力提水取水方式。对地下式蓄水，由人力提水使用。(3)机械提水取水方式。包括手动和电动水泵提水两种。二、雨水径流集蓄灌溉工程类型依据雨水径流微型聚集区域的结构性质划分为以下4类：1、田面集蓄灌溉工程类利用休闲田块、打谷场等地面修建临时性的集水区，配合蓄水设施，进行灌溉的工程类型。特点：临时性。蓄水设施：主要用水窖。2、坡面集蓄灌溉工程类利用坡面人工营造集水区聚集雨水径流，并在靠近集水区适当位置处修筑蓄水设施，利用蓄水设施内贮存的雨水进行灌溉的类型。坡面的类型：素砼板、沥青砼板、三七灰土等。特点：长期性的。蓄水设施：水窖、水窑窖。3、路面集蓄灌溉工程类利用道路作为集水区，在道路侧边开挖导引雨水径流进入蓄水设施的截水沟渠或暗管，并修筑蓄水设施群，以分段集蓄径流而进行灌溉的工程类型。特点：投资少，流量大，需设置沉沙槽和拦污栅等装置。蓄水设施：主要用水窖。4、屋面庭院集蓄灌溉工程类利用屋面和庭院集蓄天然降水，为人畜饮用、温室瓜果蔬菜提供水质良好的水源。特点：屋面使用瓦、水泥屋面，地面需处理。蓄水设施：水窖。第二节雨水聚集技术雨水聚集技术包括集雨面的处理、集水效率的确定和聚集水量的分析计算。一、集水面的处理干旱地区的自然地面降水入渗大、快，其集水效率低。常用的集水面材料及其处理措施有：(1)混凝土集水面；(2)水泥土夯实处理；(3)塑料薄膜；(4)三七灰土夯实处理；(5)原土夯实处理；(6)水泥瓦、青瓦屋面；(7)钠盐处理；(8)粗石蜡处理；(9)硅有机树脂处理；(10)喷洒沥青处理。二、集水效率集水效率通常是指某时段内或某次集水面的集水量占同一时期内的降雨量的比值。1、影响集水效率的因素影响集水效率的因素主要是降水和集水面。(1)降水与集水效率的关系①次降水量与次集水效率的关系在其它条件已定时，降水量越大，其集水效率越高。②次降水强度与集水效率的关系在其它条件相同的情况下，降水强度越大，来不及入渗的降水量越多，从而导致集水效率越大。因此，集水效率随降水强度的增大而提高，成正相关关系。(2)集水面对集水效率的影响。①集水面质地对集水效率的影响。用不同材料制成、不同措施处理的集水面，其表面或内部结构不同，相应的透水性、吸水性或持水性不用，从而导致了对降水产流有不同的影响。②集水面坡度对集水效率的影响。一般建议，集水面坡度应不小于1／10。③集水面前期含水量对集水效率的影响在其它条件相同的情况下，前期含水量越高，越易饱和。吸水性越弱．故其集水效率就会越高。④集水区面积对集水效率的影响。一般其它条件相同时，集水区而积越大，集水效率越低。⑤集水面的施工质量对集水效率的影响。施工质量越好，集水效率越高。2、集水效率的计算方法集水效率的计算可分为三类：①能获得次降水量、次平均降水强度以及集水面前期含水量资料的集水效率计算：②能获得次降水量、次平均降水强度的集水效率计算：式中：Eh为各次降水的集水效率；P为各次降水的次降水量(mm)；I为次降水平均降水强度(rnm/min)；W为集水面前期含水量；a、b、c、d：为待定常数。③仅能获得次降水量的集水效率计算：对于降水资料不详或缺乏试验资料的地区，可直接建立降水—径流关系，或引用其它同类处理集水面的集水效率。三、集水量的计算若已知集水效率和次降水量，集水量的计算可采用：①先依据试验资料，在一般性产流理论的指导下，得出次降水的集水效率Ehi；②用公式Poi=EhiPi计算出该次降水的集水量；③累加各次集水量即得到该时段内的总集水量；④考虑到集水面积的影响，实际集水量为：第三节蓄水设施一、蓄水设施类型的选择蓄水设施的类型有多种，应尽量采用现成蓄水设施，或进行必要的修复改造后利用。若地形、地质适宜，蓄水设施以选择水窑窖为宜。其优点有：①沿岸而挖窑，水窖设在窑内，可少占耕地；②有窑的保护，可有效地减少水面蒸发，并可使其水质基本不受污染；③可沿窑身长度方向发展，容易增大水窖容积；④水窖较浅，取水较方便；⑤技术简单，施工容易。二、水窑窖1、水窑窖的结构形式修建程序：①修面②挖洞③防渗处理④埋设附属设施水窑窖窖洞口放水渠道集水池沉淀槽沉淀槽2、水窑窖位置的选择考虑的因素：①地形：选择有利于挖掘窑洞的地形尽量把水窑窖修建在耕地高处，以实现自流灌溉或便于灌溉利用；②地质：避免有断层、裂斜、砂砾层、树根较多的地方；③集水面：靠近沥青路边、场边等，以扩大集水面。3、水窑窖的养护管理工作：①蓄水时，不应超过最高蓄水位；②只有集水时才打开进水孔眼，以免平时泥土和杂草、污物等由进水孔眼进入窑窖内；③集水区在集水前应打扫干净，以防止污物进入水窖；④水窑窖应定期清淤，以保持其原有容积；⑤经常检查进水口、沉砂槽、拦污栅；⑥平时锁闭窑窖门，以减少蒸发、防止杂物进入水源。三、水窖选择水窖形式的要求：结构简单，容积大，受力性能好，安全可靠，施工容易，灌溉取水方便，并便于治淤和维护。水窖与水窑窖的结构：由引水渠、沉沙槽、进水管以及存贮容器等四部分组成。田间集水窖水窖地面开挖一、水窖地面开挖一、水窖地面开挖二、水窖上半部球形体布筋上半部球体土体为内模三、水窖上部砼浇注四、清除上部内模土壤；五、下部土壤开挖；六、下部砼浇注。施工时利用球体上、下两半土体分别为内、外模，两次开挖浇筑成型，最后安装窖颈。第四节雨水径流集蓄灌溉系统的优化设计方法一、系统的基本结构主要由3个主体部分组成：即集水区域A、蓄水设施V和灌溉利用区域AM：系统的结构优化就是确定出该系统集水区面积与灌溉利用区面积的最佳比例。这其中蓄水设施的容积及其调蓄能力对最佳面积比例起着决定性的影响。雨水径流集蓄利用灌溉系统的优化设计就是要建立系统的优化调蓄模式。二、降雨量的分析计算1、年降雨量的设计计算为获得比较适用而精确的降水分析数据，一般选用经验频率拟合理论频率的适线法较为合理。2、时段降水量的分析计算一般采用随机水文相关解集模型进行分析计算确定。3、次降水量的分析计算三、优化调蓄模型的建立1、某时段蓄水设施中可获得的总水量WA2、灌溉利用区单位面积上可获得利用的水量3、作物产量对灌溉的反应作物产量Y对灌溉的反应取决于灌水量m及外界因素；4、调蓄模型的目标函数凋蓄模型的最终目标是要确定集水区面积A、灌溉利用区面积AM与蓄水设施容积V的最佳组合方案，使该系统净效益B最大，即目标函数：5、调蓄模型的约束条件调蓄模型优化应考虑3种组合方案，相应有3种约束条件：(1)灌溉面积AM已确定，寻求最佳蓄水设施容积V和集水面积A，其约束条件：(2)集水区面积A已确定，寻求最佳蓄水设施容积V和灌溉利用区面积AM，其约束条件：(3)雨水径流集蓄与灌溉利用系统总面积ω已确定，求解集水区面积A、灌溉利用区面积AM和蓄水设施容积V的最佳组合，其约束条件：四、推求蓄水设施有效容积的逆时序法若某一典型年水量调配过程，到年未蓄水设施放空，即年末所需蓄水量为0，逆时序往前推算，遇缺水相加，遇余水相减，减后若小于0，即取为0。这样便可求得各特征时刻所需要的蓄水量，取其最大者，即为该年所需的蓄水设施有效容积。五、蓄水设施调蓄能力及其容积与个数1、蓄水设施的调蓄能力复蓄次数是一个反映蓄水设施调蓄能力的概念，它等于由蓄水设施所提供的总水量与蓄水设施的有效容积之比：N主要决定于集水与用水的配合协调情况，若各个时段的集水与用水基本持平，则复蓄次数就大；反之，则小。显然，N越大，就说明蓄水设施的调蓄能力越强，利用率越高，也就越经济。2、蓄水设施的容积与个数优化计算确定出系统蓄水设施的总有效容积，相应的蓄水设施的个数从以下方面分析考虑：(1)经济性。蓄水设施容积越大，单位容积的蓄水设施费用越小。(2)合理性。蓄水设施的设置结合具体的地形、地质等条件决定。(3)方便性。指蓄水设施便于养护、管理，集水、取水比较方便。