管道输水灌溉工程(刘群昌)

中国水利水电科学研究院刘群昌E-mail：[e-mail]电话：[phone]管道输水灌溉工程第一讲管道输水灌溉技术及其发展第二讲工程规划第三讲工程设计第四讲管材附属设备第五讲施工安装第六讲设计中应注意的问题第一讲管道输水灌溉技术及其发展所谓管道输水，是指以管道代替明渠的一种输水工程措施，通过一定的压力，将灌溉水由分水设施输送到田间，可直接由管道分水口分水进入田间沟、畦、或在分水口处连接软管输水进入沟、畦。其特点是出水口流量较大，出水口所需压力较低。管道输水具有节水、省时、省工、省地、灌水及时、增产增效、省电、便于管理和机耕等优点。我国目前采用的管道输水一般是指低压管道输水灌溉系统，实际上，喷灌、微灌都离不开管道输水。1、定义低压管道输水灌溉工程：由自然落差或水泵加压形成的有压水流，通过压力管网送至田间出水口，进行地面灌溉的工程。给水栓流量大，出口压力2-3m.喷灌：由自然落差或水泵加压形成的有压水流，通过压力管网送至田间喷头，以均匀喷洒形式进行灌溉的工程。喷头流量大于等于250L/h，工作压力大于10m。微灌工程：由自然落差或水泵加压形成的有压水流，通过压力管网送至田间专门的微灌水器以水滴、细小水流形成湿润作物根部附近土壤的灌溉工程。灌水器流量小于250L/h，灌水器工作水头5-10m。2、低压管道输水灌溉与喷灌、微灌的区别第一讲管道输水灌溉技术及其发展第一讲管道输水灌溉工程技术及其发展3、管道输水灌溉系统的类型输配水方式水泵提水输水系统自压输水系统第一讲管道输水灌溉工程技术及其发展3、管道输水灌溉系统的类型水泵提水输水系统水源水位不能满足自压输水，需要利用水泵加压将水输送到所需要的高度，方可进行灌溉。包括水泵直接将水送入管道系统和水泵通过管道将水输送到高位水池在进管道。平原井灌区管道系统大部分为水泵直送式。第一讲管道输水灌溉工程技术及其发展3、管道输水灌溉系统的类型自压输水系统利用地形自然落差所提供的水头满足管道系统在运行时所需的工作压力。在渠道位置较高的自流灌区多采用这种形式。第一讲管道输水灌溉工程技术及其发展3、管道输水灌溉系统的类型管网形式树状管网输水系统环状管网输水系统第一讲管道输水灌溉工程技术及其发展3、管道输水灌溉系统的类型树状管网输水系统管网为树枝状，水流从“树干”流向“树枝”，即在干管、支管、分支管中从上游流向末端，只有分流而无汇流。第一讲管道输水灌溉技术及其发展3、管道输水灌溉系统的类型环状管网输水系统管网通过节点将各管道联结成闭合环状网。根据给水栓位置和控制阀启闭情况，水流可作正逆方向流动。第一讲管道输水灌溉工程技术及其发展3、管道输水灌溉系统的类型移动式固定方式固定式半固定式第一讲管道输水灌溉工程技术及其发展3、管道输水灌溉系统的类型移动式除水源外，管道及分水设备都可移动，管道多采用薄膜塑料或维纶涂塑软管，简便易行，成本低，使用灵活，适应性强，能够跨沟过路任意转弯。第一讲管道输水灌溉工程技术及其发展3、管道输水灌溉系统的类型半固定式管道系统的一部分固定，另一部分移动。一般是干管或干、支管为固定地埋管，由分水口联接移动软管输水入田间。第一讲管道输水灌溉工程技术及其发展3、管道输水灌溉系统的类型固定式管道系统中的各级管道及分水设施均埋入地下，固定不动。给水栓或分水口直接分水进入田间沟、畦。第一讲管道输水灌溉工程技术及其发展3、管道输水灌溉系统的类型水压力低压管道系统非低压管道系统第一讲管道输水灌溉工程技术及其发展3、管道输水灌溉系统的类型低压管道系统其最大工作压力一般不超过0.4MPa，最远出口的水头一般在0.2～0.3m，该形式对管材承内压要求不高。我国大部分平原井灌区管道输水灌溉系统采用这种形式。第一讲管道输水灌溉工程技术及其发展3、管道输水灌溉系统的类型非低压管道系统工作压力超过0.4MPa时为非低压管道输水灌溉系统，该形式对管材质量要求较高，一般应采取塑料管、钢筋混凝土管、钢管等，管道系统中的分水、调压等附属设备要求配套齐全，多在输水量较大或地形高差较大的灌区应用。第一讲管道输水灌溉工程技术及其发展3、管道输水灌溉系统的类型开敞式结构方式封闭式半封闭式第一讲管道输水灌溉工程技术及其发展3、管道输水灌溉系统的类型开敞式是指在上下游高差不太大的一些部位设有自由水面调节井槽的管道系统形式。调节井槽除具有调压作用外，一般还兼有分水、泄水功能。第一讲管道输水灌溉工程技术及其发展3、管道输水灌溉系统的类型半封闭式在输水过程中，管道系统不完全封闭，在适宜的位置保持自由水面或使用浮球阀控制阀门启闭的一种输水形式。第一讲管道输水灌溉工程技术及其发展3、管道输水灌溉系统的类型封闭式水流在全封闭的管道中从上游管端流向下游管道末端。输水过程中管道系统不出现自由水面。4、管道输水灌溉的优缺点（1）节水管道输水系统可以减少渗漏和蒸发损失，提高水的有效利用率。各地井灌区低压管道输水灌溉的实践表明，一般可比土渠输水节约水量30%左右。是一项有效的节水灌溉工程措施。（2）输水快和省时、省力管道输水灌溉是在一定压力下进行的，一般比土渠输水流速大、输水快，供水及时，有利于提高灌水效率，适时供水，节约灌水劳力。第一讲管道输水灌溉工程技术及其发展（3）减少土渠占地以管代渠在井灌区一般可比土渠减少占地2%左右。对于我国土地资源紧缺，人均占有耕地不足1.5亩的现实来说，这是一个很大的社会和经济效益，其意义极为深远。（4）节能用管道输水灌溉，比土渠输水多消耗一定能耗，但通过节水，提高水的有效利用率所减少的能耗，一般可节省能耗20%一25%。（5）灌水及时促进增产增收管道输水灌溉，减少水量损失，同时改善了田间灌水条件，缩短了轮灌周期，从而有效地满足了作物生长的需水、可收到增产增收的效果。另外，采用管道输水，还便于管理便于机耕。第一讲管道输水灌溉工程技术及其发展第一讲管道输水灌溉工程技术及其发展水源与取水工程田间灌水设施输水配水管网系统组成5、管道系统组成第一讲管道输水灌溉工程技术及其发展水源与取水工程管道输水灌溉系统的水源有井、泉、沟、渠道、塘坝、河湖和水库等。5、管道系统组成第一讲管道输水灌溉工程技术及其发展输水配水管网输配水管网包括各级管道、分水设施、保护装置和其他附属设施。在面积较大的灌区，管网可由干管、分干管、支管、分支管等多级管道组成。5、管道系统组成第一讲管道输水灌溉工程技术及其发展田间灌水设施田间灌水设施指分水口以下的田间部分，包括田间农、毛渠，田间闸管系统等。灌溉田块应进行平整，畦田长宽适宜，灌水沟长度宜短。为达到灌水均匀、减小灌水定额的目的，通常将长畦改为短畦，长沟改短沟。5、管道系统组成对于自流灌区，由于水源工程的类型（水库、蓄水池、渠道、山泉溪水等）不同，取水设施的形式也不同。从渠道取水，取水设施包括进水闸、拦污栅、量水堰、沉沙池、压力管道、进口部分组成。在进水闸和沉沙池前设置拦污栅，以防渠中杂物进入，管道进口还设置了拦物笼罩，再次防止细的杂物进入管道；沉沙池主要沉淀颗粒较大的推移质泥沙进入管道，池子定期人工清洗，冬季排水以防冻胀破坏，起沉沙和稳定水位作用。这是一种开敞式取水，适用于水源中杂草和泥沙含量较大的特点。当然，可根据水源情况采用较简单的进水口设施。例如，在某自压管道输水灌溉工程中，由于渠道水源来自水库，杂草、泥沙含量少，将管段直接地埋穿过渠岸，有压取水。这种方式只需设置进水控制闸门，从而降低了工程投资。第一讲管道输水灌溉工程技术及其发展第一讲管道输水灌溉工程技术及其发展6、国外管道输水灌溉技术发展现状及趋势管道输水灌溉具有成本低、节水明显、管理方便等特点，是世界上应用较为普遍的节水灌溉技术之一，已成为许多发达国家进行灌区技术改造的一个方向性技术措施。外一些国家从20世纪50年代以来，低压管道输水技术就已得到广泛的应用。特别是70年代以来，随着塑料管道的广泛应用，更加速了低压管道输水灌溉的推广。相应的制管新技术、水力学理论和结构设计方法日渐成熟，施工安装和运行管理都有成熟的经验。灌溉形式发展中国家发达国家世界面积比例面积比例面积比例地面灌18025597%4662868.6%22688389.5%喷灌15000.85%1259218.5%140925.5%微灌2000.15%10001.5%12000.5%管道输水灌溉36852%774011.4%114254.5%世界灌溉发展第一讲管道输水灌溉工程技术的发展050000100000150000200000250000发展中国家发达国家世界地面灌喷灌微灌管灌第一讲管道输水灌溉工程技术及其发展发展中国家（地区）发达国家国家（地区）面积国家面积中国2500美国7310印度1000法国200孟加拉10日本60（估计）非洲100澳大利亚40尼泊尔5西班牙、葡萄牙130东南亚20南美洲50合计3685合计7740主要国家低压管道输水灌溉发展情况1000hm2第一讲管道输水灌溉工程技术及其发展美国在20世纪五十年代，为解决西部缺水和劳动力不足问题，就已较广泛应用低压管道输水灌溉系统进行地面灌溉。经过数十年的推广发展，低压管道输水灌溉面积占到总灌溉面积的一半以上。目前，干旱地区的英皮尔灌区、盐河灌区等比较先进的灌区，支渠以下的输水系统已大部分埋设地下管道，并设有排水系统，灌溉排水各成系统，灌水效率和灌溉效益都较高。如美国加州的圣华金河谷灌区气候干早，年平均降水量152~180mm，全灌区一半种棉花，其余种葡萄、甘蔗、玉米、苜蓿等作物，控制灌溉面积24.7万hm2，输水系统早已实现管道化，埋设地下管道总长度为1920km。平均每亩灌溉定额为400m3，管道输水效率达97％。第一讲管道输水灌溉工程技术及其发展日本是较早实施管道化输水的国家之一。输水管道化经历了四个阶段，第一阶段为60年代前，开始在平原地区推行灌溉农渠管道化，一般通过水泵加压方式供水；第二阶段为70年代，支渠开始部分管道化，一般在平原和丘陵区进行；第三阶段：80-90年代，下游干渠开始管道化，截至1990统计，全日本发展输水渠（管）道180.5Km,其中输水管道占60.2%，明渠占39.8%；第四阶段：90年代以后，开始在国内小型灌区进行输水全部管道化，大型灌区在部分干渠开始管道化。日本的管道系统主要采用混凝土管、预应力混凝土管、石棉水泥管、铸铁管、钢管和强化塑料管。最大管径已达2000mm。为了有利于管道输水灌溉的实施，日本于1973年3月制定了输水管道的设计标准，1977年10月对该设计标准进行了修订。第一讲管道输水灌溉工程技术及其发展经过十几年的进一步发展，目前世界发达国家最新的研究已将计算机技术、自动控制技术、信息技术、3S（GIS、RS、GPS）等技术应用于管道输水灌溉工程规划设计及管理，实现集信息采集—处理—决策—信息反馈—监控为一体的调度系统，低压管道输水灌溉技术正在朝着自动化、信息化、智能化方向发展；在管材开发中积极探索新的途径以降低管材生产成本，增强管材强度，增大管材口径，并向复合型材料方向发展。第一讲管道输水灌溉工程技术及其发展第一讲管道输水灌溉工程技术及其发展7、国内低压管道输水灌溉技术发展现状我国自五十年代开始尝试低压管道输水灌溉技术的开发应用，进入80年代后，随着我国北方水资源供需矛盾的日益加剧和农村经济的发展，经过“七五”对关键技术的联合攻关，以井灌区为重点的低压管道输水灌溉技术得到迅速推广和应用。截至2011年底，全国管道输水面积1.07亿亩，占全部节水灌溉面积的24.4%。管灌的发展经历了飞跃、快速及稳步发展三个发展阶段。1982至1986年是管灌发展的飞跃阶段，面积从19万亩发展到300万亩，发展面积翻几翻；1987至1995年是快速发展阶段，面积从1700万亩发展到4000万亩，以年均增加20%以上的速度发展；进入21世纪，随着我国经济的持续发展和国家政策的支持，管灌进入了稳定发展阶段，年增速保持在6%以上，每年新增管灌面积500万亩以上。第一讲管道输水灌溉工程技术及其发展0.000.200.400.600.801.001.201.401.6