9章水利水电工程

第9章水利水电工程主要内容9.1农田水利工程9.2水电工程9.3防洪工程9.4发展趋势及前景展望水利科学与水利工程的定义水利科学：人类社会为了生存和发展的需要，采取各种措施，对自然界的水和水域进行控制和调配，以防治水旱和灾害，开发利用和保护水资源。研究这类活动及其对象的技术、理论和方法的知识体系称为水利科学。水利工程：用于控制和调配自然界的地表水和地下水，以达到除害兴利目的而兴建的工程称为水利工程。水利工程的特点水工建筑物受水的作用，工作条件复杂；施工难度大；各地的水文、气象、地形、地质等自然条件有差异，水文、气象状况存在偶然性，因此大型水利工程的设计，总是各有特点，难以统一；大型水利工程投资大、工期长，对社会、经济和环境有很大影响，既可有显著效益，但若严重失误或失事，又会造成巨大的损失和灾害。9.1农田水利工程农田水利工程主要包括灌溉工程和排涝工程，以解决农田的灌溉和排涝以及土壤改良工作。（1）地面灌溉；（2）喷灌；（3）滴灌；（4）微喷。9.1.1灌溉与排水1.灌溉方法：（1）地面灌溉是我国采用最广泛的方法。自流灌溉：将地面水直接引入农田内。提水灌溉：由于地势较低，需要利用水泵等抬高水源水位的灌溉方法。也称扬水灌溉。漫灌渠灌（2）喷灌利用喷头等专用设备把有压水喷洒到空中，形成水滴落到地面和作物表面的灌水方法。喷灌的优点节省用水量；除少量蒸发外，大部分水有效用于农作物生长，不致使地下水位上升；不致使土地盐碱化；灌溉时期无需排水，省工。喷灌的缺点基本建设投资大，目前移动式喷灌系统最便宜，亩投资大概需要20-50元／亩；受风速和气候的影响大，当风速大于5.5米／秒时(相当于4级风)，就能吹散雨滴，降低喷灌均匀性，不宜进行喷灌；其次，在气候十分干燥时，蒸发损失增大，也会降低效果；管理较复杂。（3）滴灌是利用塑料管道将水通过直径约10mm毛管上的孔口或滴头送到作物根部进行局部灌溉。滴灌的特点优点：它是目前干旱缺水地区最有效的一种节水灌溉方式，水的利用率可达95％。滴灌较喷灌具有更高的节水增产效果，同时可以结合施肥，提高肥效一倍以上。缺点：滴头易结垢和堵塞，因此应对水源进行严格的过滤处理。（4）微喷是利用直接安装在毛管上，或与毛管连接的灌水器，即微喷头，将压力水以喷洒状的形式喷洒在作物根区附近的土壤表面的一种灌水形式。微喷的特点优点：工作压力小，流量小，既可以增加土壤水分，又能提高空气湿度，起到调节局部小气候的功效。缺点：投资一般要远高于地面灌；喷水器出口很小，易被水中的矿物质或有机物质堵塞，如果使用维护不当，会使整个系统无法正常工作，甚至报废。主要有天然河水，水库蓄水，湖、塘、洼地蓄水，经化验后的城市污水，高山融雪和地下水。2.灌溉水源主要目的：排除地面积水和降低地下水位。排水系统可分为明沟排水系统和暗沟排水系统。暗沟排水能排除地表水和地下水，但造价较高。一般大面积农田排水均采用明沟排水。3.农田排水9.1.2取水工程取水工程的作用是将河水引入渠道，以满足农田灌溉、水力发电、工业及生活供水等需要。因位于渠道的首部，所以也称渠首工程。包括：①无坝取水；②有坝取水；③水库取水；④水泵站引水。1.无坝取水无拦河坝的灌溉取水方式。渠首一般由进水闸、冲沙闸和导流堤三部分组成。特点：工程简单，但引水流量受河流水位变化的影响较大。2.有坝（低坝）取水修建壅水坝或拦河节制闸来调节河道水位的灌溉取水方式。适用于河源水流较丰富，但水位较低的地方。优点：可避免河流水位变化的影响，并且能稳定河水流量。缺点：修建闸坝费用高，河床需要合适的地质条件；可能引起上下游河床的变化。3.抽水取水适用于河源水流较丰富，但灌区位置较高且不适用于其他自流引水工程时采用。优点：干渠工程量小。缺点：增加了机电设备及年管理费用。4.水库取水适用于河流的流量、水位均不能够满足灌溉要求的地区。优点：能充分利用河流水资源。缺点：工程较大，造价较高。丹江口水库9.1.3灌溉泵站与排水泵站（1）泵站规划和灌区划分：灌区面积较小、地形比较单一、扬程不大时，多采用单级扬水，一处建站；灌区面积较大、地形复杂，高程有高有低时，多采用分区建站、多级扬水。水泵站的建筑物一般包括引水渠、进水池、泵房、出水管道和出水池等。1.灌溉泵站2.排水泵站规划原则：高低水分开，高水高排、低水低排；主客水分开，使上下游各有排水沟渠，能分别畅排入河，防止客水集中下游，造成下游农田涝灾；洪涝水分开，治涝必先防洪；以自排为主，机排为辅；排水时间由各种作物能耐淹的水融和耐淹的时间确定，力求及时排水。泵站建筑物布置当涝水可通过排水干渠汇集于蓄涝区内时，宜集中修建较大泵站；当排水区水网密集，排水出口分散，地势高低不平，高地需灌水，低地需排水时，宜分散建站。渠道所经过地方的建筑物，称为渠系建筑物。各级灌溉渠道、各级排水沟槽、各种渠系建筑物和田间工程等统称为灌溉排水系统。9.1.4渠道工程与渠系建筑物渠道断面形式取决于水流、地形、地质以及施工等条件。最常采用的是梯形断面。1.渠道断面2.渠道的流速与流量渠道流速应适当，过大会引起冲刷，过小容易淤积，并可能使渠边生长杂草。流速应介于不冲流速和不淤流速之间。水流损失主要是渗透，其次是蒸发。防渗措施：提高渠床土壤的不透水性和衬砌渠床。3.渠道的渗透损失及防渗措施4.渠系建筑物在渠道上的建筑物，统称渠系建筑物。交叉建筑物（隧道、渡槽、倒虹吸管、涵洞）；连接建筑物（跌水、陡坡）；水闸（进水闸、分水闸、节制闸、泄水闸、排沙闸）等。上海杨浦电厂取水工程隧道渡槽渠系建筑物分类9.2水电工程目前在我国电力结构中，水电比例大致约20%左右，绝大多数是火电。水电的优点是，水是不会枯竭的能源，水力发电不会污染环境，成本也比火电低。未来我国将大力发展水电、核电、风电、太阳能光伏发电等。9.2.1水电站开发方式和主要类型可以分为河床式、坝后式、溢流式、混合式四种。河床式水电站只建有低坝，水库容量和调节能力均较小，主要靠河流的天然流量发电。水能利用受到限制，综合效益相对较小，但淹没损失和移民安置困难也小。适宜于平原或丘陵地区。1.坝式水电站河床式水电站实例葛洲坝水利枢纽广西西津水电站宁夏青铜峡水电站坝后式水电站厂房结构不受水头所限，水头取决于坝高。三峡水电站溢流式水电站当河谷狭窄、泄洪量大、机组台数多、地质条件较差、不能采用地下式厂房而又要求保证有一定宽度的溢流段时，将厂房布置在溢流坎下面，厂房顶就是溢流面，称为溢流式厂房。三峡水电站新安江水电站自河流坡降较陡、落差比较集中的河段，以及河湾或相邻两河河床高程相差较大的地方，利用坡降平缓的引水道引水而与天然水面形成符合要求的落差(水头)发电的水电站。适合于山区应用。引水式水电站示意2.引水式水电站首部式地下厂房厂房位于电站引水系统的首部。这种布置方式的特点是有压引水隧洞较短，尾水隧洞较长，而尾水隧洞承压较小或为无压隧洞，造价相对便宜，并省去了造价较高的上游调压室。压力管道以单元供水方式向水轮机供水，可不设下端阀门，因而可以降低造价。但这种地下厂房靠近水库，需注意处理水库渗水对厂房的影响。尾部式地下厂房厂房位于引水系统的尾部，具有较长的引水隧洞和较短的尾水隧洞，一般均设有上游调压室。尾部厂房靠近地表，尾水洞短，厂房的交通、出线及通风等辅助洞室的布置及施工运行比较方便，因而采用较多。尾部式地下水电站适用水头范围较大，最高水头达1000m以上，目前高水头电站多采用尾部布置方式，我国已建成的地下水电站尾部式占70%以上。中部式地下厂房厂房位于引水系统的中部，同时具有较长的上游引水道和下游尾水道，当引水道和尾水道均为有压时需要同时建引水调压室及尾水调压室。当水电站引水系统中部的地质地形条件适宜，对外联系如运输、出线以及施工场地布置方便时，可采用中部式地下厂房。抽水蓄能电站厂房内的机组具有水泵和水轮发电机。它是利用电网中在夜间负荷低谷时的电力输送给抽水蓄能电站，驱动水泵，将低处下水库的水抽到高处上水库存蓄；当高峰负荷出现时，放水到下水库，冲动水轮机带动发电机发电。3.抽水蓄能电站利用海水涨落形成的潮汐能发电的电站称为潮汐电站。潮汐电站厂房基本上与河床式厂房相同。4.潮汐电站河床式水电站建筑物的布置适用于较低水头。特点是厂房与坝并列建造于河床中，厂房成为挡水结构的一部分。9.2.2水电站建筑物1.水电站建筑物的布置葛洲坝水电站厂房坝后式水电站建筑物的布置适用于较高水头。厂房本身的重要不足以维持其稳定。厂房在大坝下游，不起挡水作用，发电用水经坝式进水口沿坝身压力管道进入厂房。丹江口水电站引水式水电站建筑物的布置由于受地形、地质的限制，在地面上找不到合适位置建造地面式厂房，而地下有良好的地质条件或国防上需要，将厂房布置在地下山岩中，称为地下式厂房。2.水电站建筑物的作用（1）挡水建筑物；（2）泄水建筑物；（3）水电站进水建筑物；（4）水电站引水建筑物；（5）水电站平水建筑物；（6）发电、变电和配电建筑物9.3防洪工程防洪包括防御洪水危害人类的对策、措施和方法。它是水利科学的一个分支，主要研究对象包括洪水的自然规律，河道、洪泛区状况及其演变。防洪工作的基本内容可分为：建设、管理、防汛和科学研究。9.3.1防洪规划防洪规划是指制定防治洪水灾害措施的总体部署方面的工作。可分为流域的、地区的、城市的与单项防洪工程的规划。防洪规划的原则及内容原则①全面规划统筹安排；②综合利用；③蓄泄兼筹；④因地制宜、区别对待设计洪水和超标准洪水；⑤防洪工程与防洪非工程措施相结合。内容①收集资料；②洪水分析；③拟定规划目标与防洪标准；④制定防洪方案；⑤确定防洪高度；⑥防洪效益分析。9.3.2防洪工程防洪工程是控制、防御洪水以减免洪灾损失所修建的工程，主要有堤、河道整治工程、分洪工程和水库等。按功能和兴建目的可分为挡、泄(排)和蓄(滞)几类。挡：主要是运用工程措施挡住洪水对保护对象的侵袭。泄：主要是增加泄洪能力。蓄(滞)：主要作用是拦蓄(滞)调节洪水，削减洪峰，减轻下游防洪负担。9.3.3防洪非工程措施防洪非工程措施的基本内容为：洪泛区管理；行洪道清障；洪水保险；洪水预报警报系统；超标准洪水紧急措施；救灾。9.4发展趋势及前景展望（1）非工程措施与工程措施相结合。（2）水资源的开发利用进一步向综合性、多目标发展。（3）为改善环境服务（4）大区域、大范围的水资源调配工程将进一步发展（5）水工建筑物造价进一步降低（6）水资源和水利工程的统一管理、统一调度将逐步加强。9.4.1发展趋势我国淡水资源占全球水资源的6%，居世界第四位。但人居排到世界第109位。我们要建设节水型社会且潜力巨大。9.4.2前景展望