第八章水资源开发利用与供需平衡分析.

第八章水资源开发利用与供需平衡分析本章学习内容——第一节水资源开发利用第二节水资源供需平衡分析第一节水资源开发利用一、水资源的开发方式1、防洪除涝2、灌溉3、水力发电4、航运5、城市生活用水和工业给水二、水资源的开发工程（一）蓄水工程（水库）1．挡水建筑物（拦河坝）按建筑材料分：土石坝混凝土坝浆砌石坝土坝、堆石坝重力坝、拱坝、支墩坝重力坝和拱坝重力坝依靠坝体自重产生的抗滑力维持稳定结构简单、施工方便、安全可靠性强、抗御洪水能力强等特点体积庞大，对水泥用量多，且对温度要求严格，坝体应力较低，受扬压力作用大三峡大坝夜景三峡大坝航拍图拱坝拱坝是坝体向上游凸出，在平面上呈现拱形，拱端支承于两岸山体上的混凝土或浆砌石坝。优点：体积小、超载能力和抗震性好；缺点：拱坝坝体单薄、孔口应力复杂，因此坝身泄流布置复杂，同时施工技术要求高，尤其对地基的处理要求十分严格。土坝坝体：维持土坝的稳定。防渗设备：减小坝体和坝基的渗透水量，要求用透水性小的土料或其他不透水材料筑成。排水设备：尽量排出已渗入坝身的渗水，增强背水坡的稳定，可采用透水性大的材料，如砂、砾石、卵石和块石等。护坡：防止波浪、冰凌、温度变化、雨水径流等的破坏，一般采用块石护坡。2．泄水建筑物用以宣泄多余水量，防止洪水漫溢坝顶，保证大坝安全。溢洪道深式泄水建筑物坝身泄水孔水工隧洞坝下涵管河床式侧槽式溢洪道河岸式正槽式溢洪道引水段控制段泄水槽消能设备尾水渠溢洪道组成主体与上游连接与下游连接3．引水建筑物常见的型式有水工隧洞、坝下涵管和坝体泄水孔等。水工涵洞和坝下涵管均由进口段、洞（管）身段和出口段组成。坝内涵管水工隧洞（二）提水工程※提水是指将水由高程较低的地点输送到高程较高的地点，或给输水管道增加工作压力的过程。※提水工程主要是指泵站工程。※水泵与其配套的动力设备、附属设备、管路系统和相应的建筑物组成的总体工程设施称为水泵站，亦称提水站或抽水站。※提水的工作程序为：高压电流→变电站→开关设备→电动机→水泵→吸水（从水井或水池吸水）→提水。水泵动力式泵容积式泵依靠泵的动力作用使液体的动能和压能增加和转换完成。离心泵、轴流泵和旋涡泵等对水流的压送是靠泵体工作室容积的变动来完成。活塞式往复泵、柱塞式往复泵等离心泵工作原理:利用泵体中的叶轮在动力机（电动机或内燃机）的带动下高速旋转，由于水的内聚力和叶片与水之间的摩擦力不足以形成维持水流旋转运动的向心力，使泵内的水不断地被叶轮甩向水泵出口处，而在水泵进口处造成负压，进水池中的水在大气压的作用下经过底阀，进水管流向水泵进口。分类：按其转轴的立卧卧式离心泵和立式离心泵其轴上叶轮数目多少单级和多级单侧进水和双侧进水水流进入叶轮的方式1－滤网和底阀；2－进水管；3－90°弯头；4—偏心异径接头；5－真空表；6－离心泵；7－压力表；8－渐扩接头；9－逆止阀；10－阀门；11－出水管；12－45°弯头；13－拍门；14－平衡锤图5-6离心泵抽水装置示意图[18]离心泵的技术性能有流量（输水量）、扬程（总扬程）、轴功率、效率、转速、允许吸上真空高度六个工作参数表示。泵站主要由设有机组的泵房、吸水井和配电设备三部分组成。根据泵站在给水系统中的作用，泵站可以分为取水泵站、送水泵站、加压泵站和循环泵站四类。（四）输水工程输水工程主要采用渠道输水和管道输水两种方式。（三）引水工程1．无坝引水当小城镇或农业灌区附近的河流水位、流量在一定的设计保证率条件下，能够满足用水要求时，即可选择适宜的位置作为引水口，直接从河道侧面引水，这种引水方式就是无坝引水。2．有坝引水※定义：当天然河道的水位、流量不能满足自流引水要求时，须在河道上修建壅水建筑物（坝或闸），抬高水位，以便自流引水，保证所需的水量，这种取水形式就是有坝引水。※组成：由拦河坝（闸）、进水闸、冲沙闸及防洪堤等建筑物组成某有坝渠首工程平面布置示意图正面引水、侧面排沙工程示意图河流引渠进水闸溢流坝冲沙闸3．提水引水就是利用机电提水设备（水泵）等，将水位较低水体中的水提到较高处，满足引水需要。地下水资源的开发利用途径及工程第一节地下水资源的开发利用途径地下水的开发利用，需要借助一定的取水工程来实现。取水工程的任务是从地下水水源地中取水，送至水厂处理后供给用户使用，它包括水源、取水构筑物、输配水管道、水厂和水处理设施（如图6-1）。地下水取水构筑物的延伸方向基本与地表面垂直。如管井、筒井等。图6-1地下水取水工程系统组合形式取水构筑物的延伸方向基本与地表面平行。如截潜流工程、坎儿井、卧管井等。将垂直系统与水平系统结合在一起，或将同系统中的几种联合成一整体。如辐射井、复合井等正是由于地下水具有种种用途，20世纪70年代以来，我国通过各种地下水工程，进行地下水的大量开采利用,进而引发一系列的环境问题。盐泽化、生态退化河流断流海水入侵示意图地下水水质恶化地下水位下降图6-2华北平原浅层地下水降落漏斗分布图[11]不合理地开发利用地下水资源，会引发地质、生态、环境等方面的负面效应，因此需要建立地下水资源合理开发模式。地下水库开发模式傍河取水开发模式井渠结合开发模式排供结合开发模式引泉模式第二节地下水取水构筑物分类取水构筑物1.管井2.大口井4.辐射井3.复合井5.渗渠6.坎儿井管井主要由井室、井壁管、过滤器及沉砂管构成，见图6-3。当有几个含水层且各层水头相差不大时，可用多层过滤器管井，见图6-3（b）。（a）单过滤器管井(b)双过滤器管井图6-2管井的一般构造1.1.1井室井室通常是保护井口免受污染、安装各种设备（如水泵机组或其他技术设备）以及进行维护管理的场所，井口要用优质黏土或水泥等不透水材料封闭，一般不少于3m，并应高出井室地面0.3～0.5m，以防止井室积水流入井内。井室外观井室内1.1.2井管井管也称井壁管，由于受到地层及人工填砾的侧压力，故要求它应有足够的强度，并保持不弯曲，内壁平滑、圆整，以利于安装抽水设备和井的清洗、维修。井管的构造与施工方法、地层岩石稳定程度有关，通常有如下两种情况：井管1井管2（1）分段钻进时的异径井管构造d1d2dnh1h2井管段过滤器d1d2dn井管段过滤器井管段过滤器（a）（c）（b）图6-3(a)(b)(c)分段钻进时井壁管的构造(d)不分段钻进时的同径井管构造dn过滤器（2）不分段钻进时的同径井管构造（d）1.1.2过滤器1.1.2.1过滤器的作用、组成过滤器是管井的重要组成部分用以集水和保持填砾与含水层的稳定。它的构造、材质、施工安装质量对。它连接于井管，安装在含水层中，管井的出水量、含砂量和工作年限有很大影响，所以是管井构造的核心。过滤器名称进水孔眼的直径或宽度岩层不均匀系数岩层不均匀系数圆孔过滤器（2.5～3.0）d50（3.0～4.0）d50条孔和缠丝过滤器（1.25～1.5）d50（1.5～2.0）d50包网过滤器（1.5～2.0）d50（2.0～2.5）d5060102dd21060dd注：1．d60、d50、d10分别指颗粒中按质量计算有60%、50%、10%粒径小于这一粒径；2．较细砂层取小值，较粗砂层取大值。表6-1过滤器的进水孔眼直径或宽度1.1.2.2过滤器的分类由不同骨架和不同过滤层可组成各种过滤器。骨架过滤器〔图6-5（a），（b）〕、缠丝过滤器〔图6-5（c），（d）〕、包网过滤器〔图6-5（e）〕、填砾过滤器〔图6-5（f）〕。（a）圆孔（b）缝隙（c）缠丝（d）钢筋骨架（e）包网（f）填砾图6-5过滤器类型1.1.2.3过滤器的直径、长度过滤器的直径影响井的出水量，因此它是管井结构设计的关键。为保持含水层的稳定性，需要对过滤器的尺寸，尤其是过滤器的外径，进行入井流速的复核计算：(6-2)式中：D—过滤器外径（包括填砾厚度），m；Q—设计出水量，/s；L—过滤器有效长度（工作部分长度），m；n—过滤器进水表面有效孔隙度（一般按50％考虑）；v—允许入井流速，m/s。含水层的允许入井流速可用下式近似计算：其中k为含水层渗透系数，m/s。QDLvn3m1.1.2.4过滤器的安装部位滤器的安装部位影响管井的出水量及其他经济技术效益。因此，应安装在主要含水层的主要进水段；同时，还应考虑井内动水位探度。管井的施工建造一般包括钻凿井孔、井管安装、填砾和管外封闭、洗井、抽水试验等步骤，现介绍如下：返回大口井的特点是：大口井不存在腐蚀问题，进水条件较好，使用年限较长，对抽水设备型式限制不大，如有一定的场地且具备较好的施工技术条件，可考虑采用大口井。但是，大口井对地下水位变动适应能力很差，在不能保证施工质量的情况下会拖延工期、增加投资，亦易产生涌砂（管涌或流砂现象）、堵塞问题。大口井的主要组成部分是，主要由上部结构、井筒及进水部分组成，见图6-6所示。大口井的构造实图井筒吸水管井壁透水孔刃脚井底反滤层通风管排水坡粘土层图6-6大口井的构造2.1.1上部结构上部结构的布设主要取决于水泵站是与大口井分建还是合建，而这又取决于井水位（动水位与静水位）的变化幅度、单井出水量、水源供水规模及水源系统布置等因素，同时做好井口的污染防治工作。2.1.2井筒井筒包括井中水面以上和水面以下两部分，用钢筋混凝土、砖、石条等砌成。井筒的直径应根据水量计算、允许流速校核及安装抽水设备的要求来确定。井筒的外形通常呈圆筒形、截头圆锥形、阶梯圆筒形等（图6-7）。（a）圆筒形（b）截头圆锥形（c）阶梯圆筒形图6-7大口井井筒外形2.1.3进水部分进水部分包括井壁进水孔（或透水井壁）和井底反滤层。2.2.1大开挖施工法大开挖施工法是在开挖的基槽中，进行井筒砌筑或浇注及铺设反滤层工作。2.2.2沉井施工法沉井施工法是在井位处先开挖基坑，然后在基坑上浇注带有刃脚的井筒；待井筒达到一定强度后，即可在井筒内挖土，利用井筒自重切土下沉。复合井是由非完整大口井和井底下设管井过滤器组成。实际上，它是一个大口井和管井组合的分层或分段取水系统（如图6-8）。它适用于地下水水位较高、厚度较大的含水层，能充分利用含水层的厚度，增加井的出水量。实验证明，当含水层厚度大于大口井半径3～6倍，或含水层透水性较差时，采用复合井出水量增加显著。2.3复合井图6-8复合井返回辐射井是由集水井（垂直系统）及水平的或倾斜的进水管（水平系统）联合构成的一种井型，属于联合系统的范畴。因水平进水管是沿集水井半径方向铺设的辐射状渗入管，故称这种井为辐射井。辐射井的现场施工图2.4辐射井2.4.1辐射井的类型按集水井本身取水与否，辐射井分为集水井井底与辐射管同时进水和集水井井底封闭仅辐射管进水两种型式。前者适用于厚度较大的含水层。按集取水源的不同，辐射井又分为：集取一般地下水〔如图6-9（a）〕、集取河流或其他地表水体渗透水〔如图6-9（b）、（c）〕、集取岸边地下水和河床地下水的辐射井〔如图6-9（d）〕等型式。按辐射管铺设方式，辐射井有单层辐射管和多层辐射管两种。图6-9(e)所示为集水井井底封闭的单层辐射管的辐射井。（e）图6-9按补给条件与布置方式分类的辐射井2.4.2辐射井的构造辐射井的构造见图6-10：4.1.2.1．集水井集水井又称竖井，其作用是汇集辐射管的来水和安装抽水设备等，对于不封底的集水井还兼有取水井的作用。4.1.2.2．辐射管含水层辐射管＞1.0m＞1.5m不透水层阀门辐射管集水井泵房水泵机组图6-10辐射井的构造2.4.3辐射井的施工辐射井的集水井和辐射管的结构不同，施工方法和施工机械也完全不同。下面介绍两种方法。4.1.3.1．集水井的施工方法4.1.3.2．辐射管的施工方法渗渠是水平敷设在含水层中的穿孔渗水管渠。渗渠可分为集水管和集水廊道两种型式；同时也有完整式和非完整式之分。渗渠施工图2.5渗渠集水管集水管检查井检查井检查井检查井泵房泵房集水井集水井图6-11渗渠渗渠由渗水管渠、集水井和检查井组成，如图6-11所示。河沙回填0.2～0.3m河床面0.2～0.3md=1～4mmd=4～8mmd=8～32mm铺设在不同条件下的渗渠，以及对不同施工条件下的要求，见图（6-12）（b