5泵站灌区管灌工程规划设计

泵站灌区管灌工程规划设计二OO六年十一月IAILIII项目节水灌溉培训讲座之五1概述2泵站灌区管灌系统规划的基本原则3管网规划布置4管灌工程设计4.1水击压力计算与防护4.2泵站灌区树状管网优化设计方法讨论的主要内容1.1泵站灌区发展管灌技术的必要性和重要性1概述目前我省拥有泵站灌区30130处，控制灌溉面积83.15万hm2，主要分布于引黄、滨湖、内河及丘陵等灌区。多年来由于渠系工程老化失修，田间工程不配套，水的渗漏损失严重，耗能也相应加大，故工程效益不能充分发挥。在水资源日益紧缺的情况下，对泵站灌区工程进行全面的技术改造，大力推广节水灌溉技术，尤其是管道输水灌溉工程势在必行。突出体现在：干旱缺水是影响山东省21世纪农村经济发展的重要制约因素普及节水灌溉技术是解决农业缺水问题的根本出路推广管灌技术是泵站灌区改造的有效途径1.2泵站灌区泵站灌区管道输水技术的特点1概述泵站灌区管道输水灌溉系统除具有管道输水灌溉系统一般的技术特点外，与井灌区管灌系统相比较尚有一些特殊之处。控制面积都比较大；引取水流量大；输水配水管网级数多；管径较大；省水、省地和省工效益更显著。单位面积投资相对高；规划设计比较复杂；施工期较长；管理要求高。1.3泵站灌区管道输水技术的发展1概述（1）国外发展概况近年来，世界上许多国家都把对老灌区的技术改造、技术更新列为农田水利工作的重点，各国改明渠为地埋暗管，采用田间输水暗管或地面移动软管或带孔口小闸门的灌水软管灌溉系统，取得了显著的节水、节能效果。美国，到1984年管灌面积已发展到643.2万hm2，占12个州地面灌面的47.5%，占全美地面灌面的46.9%，占全美总灌面的28.3%；管网多用素混凝土管，地面移动管道常采用PVC软管或铝管的闸管系统。前苏联，用暗管代替明渠的发展速度已超过防渗渠道，到1984年，全苏地埋暗管已占渠系的63%；多采用石棉水泥管或塑料硬管，毛渠利用移动式或在灌溉季节固定的薄壁钢管，灌水沟用尼龙布涂橡胶软管，软管上按沟距设放水孔，用橡胶活塞控制。澳大利亚南部伦马克灌区，1975年已改明渠为暗管，干、支管采用直径1.88m和680mm的钢筋混凝土管，其他各级管道直径200－600mm的石棉水泥管，灌溉面积4120hm2。1.3泵站灌区管道输水技术的发展1概述（2）国内发展概况在泵站灌区发展比较慢，有些关键问题亟待攻关解决：大管径、价格低廉、质优、施工安装简易、规格系列齐全的管材和配套管件。管材与管件投资所占比重相当大，一般均在60%－70%以上。需管径最小250mm，大者可达600mm以上。现有井灌区管灌系统的低压管材，不适用于泵站灌区管灌系统。标准化、系列化、规格化、结构简单、施工安装简易、管理运用方便、类型齐全的管灌系统附属建筑物。管灌系统一般都有2－4级地埋管，必须设置各种类型的附属建筑物，而且建筑物数量也较多。适用于输水能力大的大管径低压管网的建筑物或联合式、组合式管网建筑物，目前还研究得不够，更谈不上它们的系列化、规格化和标准化，甚至自动化了。1.3泵站灌区管道输水技术的发展1概述（2）国内发展概况管灌系统工程的合理配套以及管网优化布局、管径优化与管网总体优化设计问题，对降低管灌工程总投资和单位面积投资影响很明显，需要研究并急待解决。给水栓及出水口向田间输水垄沟或灌水畦、沟输送水流的配水装置和配水技术，这是提高田间水有效利用率、提高灌水均匀度、达到设计灌水定额以及出水防冲等的重要关键。防淤塞与防水击，防冻裂与防外压。2.1泵站灌区管灌系统规划的基本原则2泵站灌区管灌系统规划的基本原则1）全面性。系统规划属农田基本建设规划范畴，应在农业区划和水利规划的基础上进行，与道路、林带、输电线路、井、泉、蓄水池、排水沟道规划布置相结合，统筹安排，全面规划。2）预见性。应考虑近期需要与远景规划相结合；着眼长远，立足当前，既要充分考虑适应农业现代化的需要，又不脱离农业生产发展的现实状况。3）可靠性。应对当地的自然条件和经济状况进行充分的调查研究，做到因地制宜，讲求实效，力求规划合理，布局恰当，优先考虑现有灌溉设施的挖潜，使其充分发挥作用。2.1泵站灌区管灌系统规划的基本原则2泵站灌区管灌系统规划的基本原则4）方便性。系统规划应考虑其运行操作、管理和维修养护简便。条件许可时，应考虑充分发挥管灌系统综合利用的可行性。如利用管灌系统供应人畜和其他农业用水等。5）经济性。系统规划应进行多个方案的经济技术论证和比较，确定其中最优方案，以节省工程量和投资，节省材料和少占地，达到充分发挥管灌系统最大经济效益的目的。2.2泵站灌区管灌系统规划的步骤和内容2泵站灌区管灌系统规划的基本原则与井灌区基本相同。重点要注意管灌系统管网的类型及其布置形式的选择。2.3规划的主要技术参数2泵站灌区管灌系统规划的基本原则（1）灌溉设计保证率不低于75%。（2）管系水利用系数应不低于0.90。（3）田间水利用系数应不低于0.85。（4）灌溉水利用系数应不低于0.70。2.4灌溉面积分区2泵站灌区管灌系统规划的基本原则泵站灌区系统一般控制面积较大，通常不可能整个系统同时灌溉全部灌溉面积，需要划分成若干管灌小区进行轮灌。特别是在山丘梯田管灌系统，往往管灌区下游输配水管道压力较大，此时，必须根据水头压力划分若干个压力分区进行减压，然后才能实施管灌。2.4灌溉面积分区2泵站灌区管灌系统规划的基本原则规划时划分轮灌区或减压分区应考虑以下因素：1）各区所需流量要相近，同区水头压力应大致相等，偏差不宜超过20％。2）尽量与农业管理体制的管辖范围相一致。3）一个管灌系统中划分的轮灌区数目不宜过多，确定轮灌区数目和安排轮灌以能充分利用每天可进行灌溉的时间为原则。对于一个管灌系统中的压力分区则应以管道承压能力及实际地形地貌情况进行合理地划分。4）一个区内的种植方式或种植作物应力求相同。5）轮灌区编组应有一定的规律，并应有利于提高管道设备利用率。1、按管道功能作用划分（1）输配水管网。（2）田间灌水管网。2、依管网布置形状划分（1）树状管网。（2）环状管网。（3）混合型管网。泵站灌区管灌系统主要采用树枝状管网；特别是对于控制面积大、引水流量大、管径大的管灌系统，树枝状管网应用更为广泛。3泵站管网规划布置3.1管网类型如前所述，泵站灌区管灌系统主要采用树枝状管网，影响其具体布置的因素是，水源位置及其与管灌区的相对位置，控制范围和面积大小及其形状，作物种植方式、耕作方向和作物布局，以及地形坡度，起伏和地貌等条件。介绍三种典型泵站灌区管灌系统输水配水树枝状管网的布置形式，供参考。3泵站管网规划布置3.2管网布置形式1）梯田管灌系统树枝状管网的布置形式由于灌区地形坡度陡，因此布置干管沿地形坡度走向，即干管垂直等高线布置。这样干管可双向布置支管。支管均沿梯田地块方向，平行等高线布置。每块梯田布置一条支管。支管上的给水栓只能单向送水。3泵站管网规划布置3.2管网布置形式地坎给水栓出水口分水口灌水方向地界支管斗管斗管斗管给水栓2）山丘区提水泵站管灌系统辐射树枝状管网的布置形式灌区地形起伏，坡度陡，水源位置低，需建泵站提水加压。由于干管实际上是泵站的扬水压力管道，因此必须垂直等高线布置，以使管线最短。支管平行于等高线布置。因地形起伏，故布置斗管以辐射状由支管给水栓分出，并沿山丘脊线垂直等高线走向。斗管上布置出水口给水栓，其平行等高线双向配水或灌水浇地。3泵站管网规划布置3.2管网布置形式3）平坦地形，控制面积大，并均一坡度情况下的树枝状管网布置形式管网由四级地埋管道组成，干管为输水管，斗农毛管为配水管。田间灌水可采用输水垄沟或地面移动软管，由毛管引水。由于该灌区地形既有纵向坡度，又有横向坡度，而且坡度总趋势纵横均为单一比较均匀地向下游的坡向，因此管网只能单向输水和配水。3泵站管网规划布置3.2管网布置形式泵　站毛　管农管斗管给水栓边界支渠或输水沟边　界在有压管道中，由于管内流速突然变化而引起管道中水流压力急剧上升或下降的现象，称为水锤。水锤情况下，管道有时会因内压力超过管材公称压力或管内出现负压而损坏管道。在低压管道系统中，压力较小，一般情况下水锤压力不会过高。因此，只要严格按照操作规程，并配齐保护装置，可不进行水锤压力计算。但对于规模较大的泵站管道输水灌溉工程，应进行水锤压力验算。4泵站灌区管灌工程设计4.1水击压力计算与防护4.1.1水锤压力计算用参数1）水锤波传播速度4泵站灌区管灌工程设计4.1水击压力计算与防护对于匀质圆形薄壁管（db/＜1/20）：bdEbKdC/1/1435)/(1/1435对于钢筋混凝土管)5.91(/[1/14350aEbKdC2）水锤相时CLTt/23）管道中水柱惯性时间常数)/(00gHLvTb4）水泵机组转子的惰性时间常数0202/85.26NnGDTa4.1.2水锤类型判别为了计算水锤压力，首先要判别是直接水锤还是间接水锤，不同类型的水锤计算方法不同。根据阀门关闭历时与水锤相时之间的关系划分为两种。（1）直接水锤。当阀门关闭历时等于或小于一个水锤相时时，称为瞬时关闭。瞬时关闭阀门所产生的水锤压力称直接水锤。即第一个突然关闭阀门所产生的水锤波尚未反射到阀门前时，阀门已全部关闭。（2）间接水锤。当阀门关闭历时大于一个水锤相时时，称为缓慢历时，此时产生水锤为间接水锤，即第一个水锤波反射回到阀门时，阀门尚未全部关闭。间接水锤压力小于直接。4泵站灌区管灌工程设计4.1水击压力计算与防护4.1.3关阀水锤压力计算4泵站灌区管灌工程设计4.1水击压力计算与防护（1）瞬时完全关闭管道末端（下游）阀门时，在阀前产生的最高压力水头为gCvHHe/0max（5-37）式中：eH为阀门前的静水头或初始压力水头，m；其余符号含义同前。（2）瞬时部分关闭管道末端（下游）阀门时，在阀前产生的最高压力水头为gvvCHHe/)(10max（5-38）式中：1v为瞬时部分关闭阀门后管内产生的流速，m/s；其余符号含义同前。（3）缓慢关闭自压或恒压灌溉系统末端（下游）阀门时，在阀前产生的最高压力水头为))/(4/)(2/(2maxsbsbsbeeTTTTTTHHH（5-39）式中：sT为阀门关闭历时，s；其余符号含义同前。4.1.3关阀水锤压力计算4泵站灌区管灌工程设计4.1水击压力计算与防护（4）瞬时关闭机压灌溉系统中水泵出口（即管道始端）处的闸阀时，阀后产生的压力水头为1）最小值gCvHH/00min（5-40）2）最大值当minH＞-10m时，gCvHH/00max（5-41）当minH＜-10m时，)10/()/(1/(102020110maxHvvhgCvHHw（5-42）ChHgvvw/)10(001（5-43）式中：wh管道水头损失，m；其余符号含义同前。（5）缓慢关闭机压灌溉系统中水泵出口（即管道始端）处的闸阀时，阀后产生的压力水头为)2/())/(4/(200minssbsbbTTTTTTHHH（5-44）4.1.4事故停泵过程中的水锤计算在设有单向阀的机压灌溉系统中，最高与最低水锤压力通常在事故停泵过程中出现，故应以此作为验算管道强度的依据。未设单向阀的机压灌溉系统的最高水锤压力，一般远小于设有单向阀的情况。当系统中未设单向阀门事故停泵时，水泵反转，应以水泵机组允许的最高反转转速作为验算水锤压力的依据。从而合理确定管道设计压力，选配管道阀门和水锤防护措施。4泵站灌区管灌工程设计4.1水击压力计算与防护4.1.5防止水锤压力的措施影响水锤压力的主要因素是阀门的启闭时间、管道长度和管内流速。（1）由于间接水锤压力小于直接水锤压力，因此在运行时应当延长阀门开关时间，防止急开急关。（2）由于水锤压力与管内流速成正比，因此在设计中应控制流速，适当增大管径，不应超过最大流速限制范围。（3）由于水锤压力与管道长度成正比，应当缩短管道长度，或通过隔一段距离设置具有自由水面的调压井来削减水锤压力，或者设置安全阀。4泵站灌区管灌工程设