1、農田水利配套建筑物低壓管道工程 主講人：陸 偉 剛 日 期：2016-12-19低壓管道工程內容一、低壓管道工程簡介二、低壓管道工程規劃三、低壓管道工程設計四、管材與附屬設備一、低壓管道工程簡介 （一）低壓管道輸水灌溉技術 低壓管道輸水灌溉簡稱管道輸水灌溉，在田間灌水技術上，仍屬于地面灌溉類，它是以管道代替明渠輸水灌溉系統的一種工程形式。灌水時使用較低的壓力，通過壓力管道系統，把水輸送到田間溝、畦，灌溉農田。低壓管道輸水低壓管道輸水主要特點：工作壓力相對于噴灌、微噴灌等較低。主要用于輸配水系統層次少(一級或二級)的小型灌區(特別是井灌區)，也可用于輸配水系統層次多的大型灌區的田間配水系統。（二

2、）壓力范圍 管道系統的壓力一般不超過0.4MPa管道最遠處出口壓力應控制在0.002-0.003MPa。有時受管材承壓能力的限制，管道的輸水壓力還得相應地降低。 （三）管道系統組成 水源(機井)輸水管道給配水裝置(出水口、給水栓)安全保護設施(安全閥、排氣閥)田間灌水設施等部分組成,見圖1-1所示。 1、水源 低壓管道輸水灌溉的水源有井、河、渠、水庫、塘等，配套的提水動力多為機泵(有自壓條件的除外)。 2、輸水系統 輸水系統是由輸水管道、管件(三通、四通、彎頭、變徑接頭等)連接成的輸水通道。按管道材料可分為混凝土管、水泥砂土管、缸瓦管、石棉水泥管、塑料管等。 3、給配水裝置 由地下輸水管道向田

3、間溝、畦配水的給水裝置，一般稱出水口，如能連接下一級田間移動管道的，則稱給水栓。4、保護設備 為防止水泵突然關閉或其它事故等產生的水錘, 在管道系統首部或適當位置安置調壓或進排氣閥等保護設置。5、田間灌水設施 田間灌水設施一般是指與出水口相連接的閘管系統 。（四）、低壓管道輸水灌溉的優點1、節水 管道輸水系統可以減少滲漏和蒸發損失，提高水的有效利用率。各地井灌區低壓管道輸水灌溉的實踐表明，一般可比土渠輸水節約水量30%左右。是一項有效的節水灌溉工程措施。 2、輸水快和省時、省力 管道輸水灌溉是在一定壓力下進行的，一般比土渠輸水流速大、輸水快，供水及時，有利于提高灌水效率，適時供水，節約灌水勞力

4、。3、減少土渠占地 以管代渠在井灌區一般可比土渠減少占地2%左右。對于我國土地資源緊缺，人均占有耕地不足1.5畝的現實來說，這是一個很大的社會和經濟效益，其意義極為深遠。 4、節能 用管道輸水灌溉，比土渠輸水多消耗一定能耗，但通過節水，提高水的有效利用率所減少的能耗，一般可節省能耗20%一25%。5、灌水及時促進增產增收 管道輸水灌溉，減少水量損失，同時改善了田間灌水條件，縮短了輪灌周期，從而有效地滿足了作物生長的需水、可收到增產增收的效果。 另外，采用管道輸水，還便于管理便于機耕 。二、低壓管道工程規劃 （一）基本資料與技術參數 基本資料的收集及有關技術參數的選用，是搞好工程系統規劃的前提，

5、要求做到準確可靠，必要時應對有關數據進行觀測、試驗和分析論證。 1、地形地貌 地形地貌可應用已有的航測圖、鄉村農田基本建設圖作為規劃參考。在理區規劃階段應有l5000l10000地形圖；灌區管網布置應有12000一15000地形圖。 在地形圖上應標出行政區別、灌區位置及控制范圍邊界線耕地、村莊、溝渠、道路、林帶、池塘、井、河流、泵站、高（低）壓輸電線路等。 2、農業氣象 低壓管道輸水灌溉工程規劃中需要的農業氣象資料有：（1）溫度 （2）風速 （3）濕度 （4）日照 （5）氣壓 （6）地溫（7）降水 （8）蒸發 （9）無霜期始終日期3、灌溉水源 灌溉水源為地下水時、應收集補給區內含水層厚度及埋藏

6、深度、地下水位變幅、流速、給水度、滲透系數、影響半徑和水力梯度、單位降深、涌水量等行關資科。 灌溉水源為地表水時，應收集當地或相關水文測站中平水年、中等干旱年、豐水年的水量及年內分配，即上述各典型年的流量過程線、水位過程線、水位流量關系曲線，及年內含砂量的分配等資料。 灌溉水源為小型水庫時，應收集典型年的逐月逐旬流量、水位庫容曲線、設計年的洪水流量過程線等。 4、土壤及土壤特性 為編制作物灌溉制度、在規劃區土壤普查資料的基礎上，主要核實如下幾項內容。 土壤質地土壤容重土壤田間持水量表21 土壤質地分類表 5、土地利用現狀 1）規劃區耕地面積、林果面積、灘涂和鹽堿地面積、荒地面積、池塘水面面積及

7、其他用地等項數量分布。 2）作物種類、播種面積、種植比例。（二）水源分析與供需水量計算 1、水源分析 管道輸水灌溉工程規劃中進行水源分析的目的、是為準確的掌握不同設計保近率年份水源可供開采的水量、水位變化、水質等情況，為工程設計提供依據。 (1)管道輸水灌溉對水源水質的要求 農田灌溉水質標準見表22。 表22 農田灌溉水質標準值 據渠灌區研究資料認為，用含有平均粒徑為0.028mm(其中粒徑0.025m m占47，小于0.01mm的占9)，含量大于6(重量比)的水灌溉農田，對玉米、棉花等作物生長不利。從低壓管道輸水防淤角度要求，粒徑大于0.15mm的泥沙不允許進入管道。泥沙含量不得大于10kg

8、m3。2、供水量的計算 供水量的計算，通常是根據規劃區的供水資科進行頻率計算，選擇與灌溉設汁標準相應的年份為設計代表年。灌溉設計保證率見表23。 表2-3 灌溉設計保證率 地區類型缺水地區豐水地區作物類型以旱作物為主以水稻為主以旱作物為主以水稻為主灌溉設計保證率50-7570-8070-8075-95 (1)地下水可開采量 地下水可開采量根據水文地質資料分析計算，單井出水量應根據抽水試驗資料確定。在平原井灌區內發展“管灌”，以開采潛層地下水為主、 其地下水的來源主要有三部分。可根據當地水文地質資科分分析計算地下水量。1) 降雨入滲量W1 0.001PA 式中: 0.001 換算系數 入滲系數、

9、從當地水文地 質資料中查選； P 設計年降水量（m m） A 補給地下水面積（m2）2) 側向補給 W2 365K h含 L J （m3/a） 式中: K 含水層滲透系數（m /d）; h含 補給區中地下水含水層厚度(m); L 補給區周邊長度（m）; J 補給區內地下水坡度 3) 灌溉回歸水量W3 MA 式中: 灌溉回歸系數，從當地水文地質資料中查選; M 灌溉定額(m3畝)，由灌溉試驗資料提供; A 灌溉面積(m2) (2)河(渠)水供給量 首先根據河流水文測站提供的水文資料，進行頻率分析與計算后，求出設計年的河流來水量，結合流域規劃確定“管灌”引水流量和引水時段。(3)水庫、塘壩引水量

10、根據設計年降水量P及庫(塘壩)壩址以上的集雨面積Ar可供“管灌”引用的庫容調蓄的水量W，按下式計算： W 1000蓄fPAr （m3/a） 式中: W 調蓄水量（m3）; 蓄 考慮蒸發和滲漏后的蓄水有效利用系數, 蓄 = 0.6-0.7; f 徑流系數; P 設計年降雨量; Ar 水庫、塘壩、壩址以上集雨面積(km2)。 3、灌溉用水量分析與計算 (1)作物需水量的計算 農作物生長發育過程中，從播種至收獲消耗于植株葉面蒸騰和株間蒸發的水分的總和，稱為作物需水量，也叫作物耗水量或騰發量，它是農田灌溉工程的一項基本參數。 作物需水量常用的計算方法如下： 需水系數法 在確定規劃地區作物需水量時，可以

11、采用近似地區灌溉試驗所提供的需水量值(通常稱為需水系數)根據規劃區計劃產量計算作物需水量，見下式：E KY 式中 E 作物需水量(m3/畝)； K 需水系數(m3/畝)； Y 作物單位面積上的產量(kg畝)。 (2)灌溉用水量 在灌溉設計年內，為保證作物各生育期需水要求，除該時段的降水供給水量外、尚有部分虧缺水量，需灌溉補給，這部分虧缺水量為凈灌溉用水量。考慮各級輸水損失及田間損失、要求水源提供的水量為毛灌溉水量按式下式計算: Mg 0.667 (E-Pe) A /水式中 Mg毛灌溉水量(m3/畝) E 作物需水量(m m1； A 灌溉面積(畝)； 水 水利用系數，“管灌”0.8-0.95；

12、Pe 有效降水量(m m)。PeP，為有效降雨系數，一般根據實測資料而定。規劃時可根據一次降雨量大小取值。(3)供需水量平衡分析與計算 供需水量平衡分析與計算的目的在于：規劃管道輸水控制面積；確定作物種植結構及其種植比例；為合理開發利用水資源提供依據；確保在同一灌溉設計年內的供水量與需水量平衡，若出現需水量大于供水量時，應提出補源措施或調整灌溉面積和種植計劃。 案例1 某地平原井灌區擬采用低壓管道輸水灌溉、規劃面積l0500畝，初步計劃種植冬小麥8745畝，與夏玉米夏種8379畝，棉花1300畝，少量的瓜菜和工副業用水。試進行供需水量平衡分析與計算。 解： 1可供開采地下水量計算 根據當地水文

13、氣象及水文地質資料提供。該區地下水補給來源由降雨入滲、側向補給、灌溉回歸水入滲等三部分組成。 (1)降雨入滲補給量W1 當地實測37年降水資料、經分析取多年平均降雨量P603mm，降雨入滲系數0.1、補給面積A22003700(m2)。W1 0.001PA 490842m3 (2)側向補給量W2 由當地水文地質資料中查得。該區范圍內為砂質壤土，地下平均含水層厚度20m，層內滲透系數20md，周邊主要承受南部邊界地下水補給，北邊界略有排除、東邊界和西邊界地下水坡降為0。由地下水等值線圖分析確定補給區：南邊長L13700m，坡降J10.004；西邊長L22200m坡降J20；東邊長L32200m，

14、被降J30；北邊長L43700m，坡降J40.001。側向補給量 W2365K h含（ L1J1L2J2 L3J3L4J4） 1620600 m3 (3)田間灌溉回歸水入滲量W3 由當地灌溉試驗提出，作物灌溉定額M200m3畝實測灌溉回歸系數=0.02灌溉面積10500畝。W3 MA42000 m3 。 該區地下水總補給量(開發利用量) W W1 W2 W3 215.3442萬m3。 2需水量計算 (1)灌溉需水量 根據當地灌溉試驗資料選取作物各生育期作物需水量，設計年取中等干旱年即灌溉保證率75時的作物階段降水量。按降水有效利用系數0(小麥0 l，夏玉米0 0.8，棉花0 0.9)。 折算后

15、得有效降水量，由作物需水量減去有效降水量，虧缺水量即為凈灌溉水量。取管灌水利用系數0.85，試計算毛灌溉水量。灌溉總需水量為202.03+15.05+20.8=237.88萬m3。 (2)林、果、瓜、菜等及其他需水量 按規劃要求,林、果、瓜、菜總需水量44.6萬m3，工副業需水量42.9萬m3 ，合計87.5 m3 。 該區總需水量為 237.88+ 87.5325.38 萬m3 。 3供需平衡分析及處理辦法 供水量 215.34萬m3 需水量 325.38萬m3 本區缺水 325.38 - 2l5.34110.04萬mm3 為保持供需水量基本平衡，建議用兩種辦法解決。一是調整作物種植結構，改

16、變作物布局，減少冬小麥種植面積，控制在6000畝左右為宜，適當增大復種指數。推行一年兩熟制，加大瓜菜種植面積，錯開灌水高峰期。二是有條件時建議采用補源措施。灌區外的某干渠，引水流量0.5m3/s。通過二級揚水，將干渠水調入本灌區，以達水資源來補平衡。 （三）管道系統布置 1、管道系統布置的基本原則 (1)管道系統布置應做到排水、道路、林帶、供電等系統緊密結合，統籌安排，并充分利用原有水利和其他工程設施。 (2)根據當地的交通、能源、材料供應等條件及經濟、技術、勞力等情況。因地制宜地選擇管材。 (3)管網布置力求管線總長度短，控制面積大、并做到管線平順，減少拐彎、起伏等現象，達到投資少效益高的目

17、的。 (4)支管(田間末級地埋管道)走向應與作物種植方向及地形坡度相適應。 (5)根據現行生產管理體制，確定出水口間距、使之適用于用戶管理、有利于輪灌、達到省水、節能的目的。 管路鋪設2、管網類型 (1)移動式 是指輸水、配水管道均可移動。 (2)半固定式 是指輸水管固定，配水管移動。 (3)固定式 是指輸水、配水管道均固定。 (4)管渠結合式 是指輸水管固定，田間毛渠配水 3、固定管網布置 根據水源位置、控制范圍、地面坡度、田塊形狀、作物種植方向等條件，管網布設成樹枝狀或環狀兩類。常見有以下幾種形式。 (1)水源(機井)位于田塊一側 常采用“一”字形、“T”形、“L”形三種形式。分別見圖2-

18、1、圖2-2，圖2-3。這三種形式適用于井的出水量20-40 m3h，控制灌溉面積50-100畝，田塊的長寬比(1b)不大于3。 圖2-1 “一”字型布置圖2-2 “T” 型布置圖2-3 “L” 型布置 (2)水源(機井)位于田塊中心常采用“H”形或環形分別見圖2-4，圖2-5。這兩種形式適用于井出水量40-60 m3h、控制面積100-150畝，田塊的長寬比(1b)2。當長寬比2時，采用長“一”字形布置，見圖2-6 。 圖2-4 “H” 型布置圖2-5 環型布置圖2-6 長“一”字 型布置 (3)水源位于田塊一側，控制面積較大成近似方形地塊、作物種植方向與灌水方向不同時，可布置成梳齒形(或環

19、狀網)、龜骨形（或環狀網）兩種形式。見圖 27，圖28，圖2-9。這些布置形式適用于出水量60100m3/h，控制面積150-300畝h，田塊的長寬比(1b)l的情況。 圖2-7 梳齒型布置圖2-8 環狀網型布置圖2-9 魚骨型布置 4、移動管網使用 移動管網管材可分為移動軟管、移動硬管、軟管硬管組合式三種類型。常用的使用方法主要有三種方式。 長畦雙澆：單口控制面積0.09-0.18畝，移動管長20m，畦田規格為： 長寬(15-20)(46)m，地面坡度平緩，見圖2-10。 圖2-10 長畦雙澆 長畦單澆：地面坡度較陡、灌水方向不易雙向控制時，采用長畦單澆，見圖2-11。 方畦雙澆：畦的長寬比

20、約等于l (或0.6-1.0)時，采用方畦雙澆。管長不宜大于10m，畦長不宜大于10m，見圖2-12。 圖2-11 長畦單澆圖2-12 方畦雙澆 5、閘管在田間的使用 移動閘管可以與機井連接，也可與固定輸水管道給水拴連接，閘管或移動軟管順畦長方向放置。按畦的寬度設控制閘，使用時操作閘，直接向畦塊配水。畦的規格及灌水方法與移動管網使用相同。閘管最大長度不得大于20m。 (一)管道設計流量的確定 管道輸水灌溉設計流量是指灌水時期管道所需通過的最大流量，它由水源條件、作物灌溉制度、管道工作制度、灌溉面積、作物種植結構等因素綜合考慮確定，它是管網布置、管徑選擇、管材強度復核、管道水力學計算等的主要依據

21、。 三、低壓管道工程設計 1、灌溉制度 農作物的灌溉制度是指播種前及全生育期的灌水次數、灌水日期、灌水定額及灌溉定額。 作物的灌水定額和灌水周期隨年份和生育階段不同而不同。在管道設計中，應選擇符合設計代表年的最大灌水定額和灌水周期作為設計依據。具體的計算方法，等同于噴灌工程，這里就不在贅述。下面只介紹一些實際中的例子。 (1)灌水定額 案例2 某試區各小麥抽穗期土壤計劃濕潤層深為0.6m，土壤平均容重1.45t m3 ，田間持水量田22，求冬小麥抽穗期灌水定額。 解: m = 667 H (1 - 2) /田 = 6670.61.45(0.209-0.143)/0.95 40(m3/畝) 冬小

22、麥抽穗期灌水定額為40m3畝。 灌水定額常以單位面積用水量表示（ m3 畝），有時也可以水層深度(mm)表示：1mm2/3 m3畝。 例3-2 某灌區冬小麥抽穗期日需水量Ep=7.5mm/d，同期灌水定額40 m3畝，求冬小麥抽穗期灌水周期。 解： T m/Ep = 40 /（7.52/3）8（d） (2)灌水周期 (二)管網優化設計與管徑選擇 管網優化設計，主要是優化管網布置與各級管道管徑的選擇。為此。將管網布置要素(包括各級管道的位置、走向、間距、條數、長度、分水口個數及位置、出水口個數及田間分布等)及各級管道的管徑作為優化分析的決策因素。 影響管網系統費用的主要因素是管網系統的形式、布置

23、方式、管材及管徑等。管網系統投資由基建投資和運行管理費用兩部分組成。當管網系統布置型式和管材一定時，管徑增大，投資增大，由于管徑增大，水頭損失減少，從而減少了運行費用。反之，亦成立。因此，在各級管道管徑的多種組合中必有一種最優管徑的組合，使總投資最低。 優化設計是分析社會投入及產出大小的一種手段，可以采用不同的經濟指標作入優化分析的目標。例如，在費用一定的條件下、效益最大。或在經濟效益一定的前提下，投資最小，經濟效益與費用比最大。 (三)管道水力計算 1、沿程水頭損失計算 (1)有壓管道沿程水頭損失計算 有壓管道沿程水頭損失，常用達西公式計算。 (2)硬質塑料管道沿程水頭損失計算。 (3)混凝

24、土等當地材料的管道沿程損失計算。 (4)地面移動軟管的沿程水頭損失野外測試值 2、局部水頭損失計算 (1)串聯管道系統 (2)并聯管道系統 (3)連續出流管道 3、管網水力計算 (1)枝狀管網 (2)環狀管網 4、多孔系數 5、水擊壓強計算 案例3 有一地下輸水管道，機井至出水口距離為200m，混凝土管直徑100cm，壁厚10cm，管中流速1.5ms，求出水口在2.5s和10s時間內關閉時的最大水擊壓強升高值。 解：經查表知0.1，水擊波速為： C1435/(1+d/)0.5=1018(m/s) 判別水擊類型： T傳2l/C2200/10180.4(s) T關2.5s或10s, T傳T關 ，均

25、為間接水擊。 T關2.5s時， H間2lv0/（g(T傳T關)）21.1(m) T關10s時， H間2lv0/（g(T傳T關)）5.9(m) 四、管材與附屬設備(一)管材 管材是低壓管道輸水灌溉系統的重要組成部分，它直接影響工程質量和造價。此處除簡要介紹國家標準塑料管外，將重點介紹“七五”攻關項日中各地研制應用的一批適合低壓輸水的新型管材。1、塑料管 塑料管具有重量輕、內壁光滑、輸水阻力小、耐腐蝕、施工安裝方便等特點。 國家標準塑料管 國家標準塑料管主要有聚氯乙烯管（PVC）高密度聚乙烯管(HDPE)、低密度聚乙烯管（LDPFE），改性聚丙烯管(PP)。國家標準中有關上述管材的規格，公稱壓力和

26、壁厚的關系，管材的性能指標要求查相關規范，除規范中所列性能指標要求外，在選用時還要對管材的外觀進行檢查，如管材內外壁應光滑、平整、不允許有氣泡、裂隙、顯著的波紋、凹陷、雜質、顏色不均及分解變色線等。 聚氯乙烯管 (PVC)高密度聚乙烯管 (HDPE)改性聚丙烯管 (PP)低密度聚乙烯管(LDPE)2、水泥預制管 近年來研制了多種預制管，如水泥砂土管、水泥砂管、水泥土管、水泥石屑管、水泥爐渣管、路壁混凝土管等。3、現場連續澆注管 現場連續澆注管(簡稱現澆管)，指在現場澆注成型的素混凝土管或水泥砂漿管等。該類管材在現場連續澆注成型，整體性好且可應用當地材料，造價低廉。 現澆管 水泥預制管 （二）管件與附屬設備 低壓輸水管道系統的管件把管道連接成完整的管路系統。管件包括三通、彎頭、四通、堵頭等。附屬設備是指能使管道安全、正常運行并實施科學管理的裝置、包括供水裝置、保護裝置和量測設施等。 彎頭三通