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农田水利学:6章灌溉水源与取水方式


灌溉水源和取水方式

灌溉水源
水源的类别 ?地面水 ?地下水
河流 潜水 湖泊 层间水

?灌溉回归水 ?污水
2004年全国总供水量5545亿立方米,其中地表水源占81.1%, 地下水源占18.6%,其他水源占0.3%

水源的选择
位置、地形、地质 水量、水质、水位

我国的水资源
国别 巴西 俄联邦 加拿大 美国 印度尼西亚 中国 世界 年径流量( km3 )

5191.2 4714.0 3122.0 2970.2 2811.3 2711.5 水资源总量居世界 44800.0 第六,占世界水资 源总量的约6%

国别 巴西 俄联邦 加拿大 美国 印度尼西亚 中国 世界

人均水资源量 (方 / 人)

32240 17860 104070 8952 14060 2100 7000

人均水资源只有世 界平均水平的30%

地表水环境质量标准(GB3838-2002)
Ⅰ类主要适用于源头水、国家自然保护区; Ⅱ类主要适用于集中式生活饮用水地表水源地一级保 护区、珍稀水生生物栖息地、鱼虾类产场、仔稚幼鱼的 索饵场等; Ⅲ类主要适用于集中式生活饮用水地表水源地二级保 护区、鱼虾类越冬场、洄游通道、水产养殖区等渔业水 域及游泳区; Ⅳ类主要适用于一般工业用水区及人体非直接接触的 娱乐用水区; Ⅴ类主要适用于农业用水区及一般景观要求水域。

地下水质量标准 (GB/T 14848-9)
Ⅰ类 主要反映地下水化学组分的天然低背景含量。 适用于各种用途。 Ⅱ类 主要反映地下水化学组分的天然背景含量。适 用于各种用途。 Ⅲ类 以人体健康基准值为依据。主要适用于集中式 生活饮用水水源及工、农业用水。 Ⅳ类 以农业和工业用水要求为依据。除适用于农业 和部分工业用水外,适当处理后可作生活饮用水。 Ⅴ类 不宜饮用,其他用水可根据使用目的选用。

农田灌溉水质标准(GB5084-92) 一类:水作,如水稻,灌水量800m3/亩年 二类:旱作,如小麦、玉米、棉花等。灌溉水量 300m3/亩· 年。 三类:蔬菜,如大白菜、韭菜、洋葱、卷心菜等。 蔬菜品种不同,灌水量差异很大,一般为200~ 500m3/亩· 茬。

大量的小河小湖没有监测 70-80%的水体都受到污染

有水皆污

我国水资源的特点和现状

总量大,人均少

南方多,北方少
水污染严重

水资源短缺

水质:主要指水的化学、物理性状、水中含有

物的成分及其含量 水温
含沙量 含盐量 重金属及有毒物质 有机化合物

水温
水温偏低,抑制作物生长
水温过高,降低水中溶解氧含量, 提高水中有毒物质的毒性 适宜温度:麦类 15-20℃,≥2℃ 水稻

≥20℃ 提高水温的措施:延长输水路径 水库分层取水

水库 分层取水

含沙量
粒径小的泥沙,有一定肥力,少量送入田间 有利作物生长,但过量送入会影响土壤通气 粒径大的泥沙,淤积渠道,不宜入渠,更不 宜入田 灌溉水允许含沙粒径:0.005-0.01mm,允许 含沙量视渠道输水能力而定 粒径0.01-0.05mm的泥沙可少量入田 粒径0.1-0.15mm的泥沙不允许入渠

含盐量(矿化度)
含盐量过高,作物根系吸水困难,土壤产生盐碱化
灌溉水允许含盐量:<2g/L 含钙盐的灌溉水,含盐量可较高; 含钠盐的灌溉水,Na2CO3<1g/L,NaCl<2g/L, Na2SO4<3g/L

重金属及有毒物质

重金属:汞、铬、铅;非金属:砷、氰、氟 等,应严格限制使用含有此类物质的水源

有机化合物
无毒:碳水化合物、蛋白质、脂肪
有毒:酚、醛、农药等 生物化学需氧量(BOD):有机化合物在微生物 的作用下最终分解成二氧化碳和水等无机物质, 这一过程中需要消耗的氧 水中溶解氧有限,BOD过高将导致缺氧乃至脱氧 含有病原体的水不能直接进入农田

灌溉水源的污染

生活污水
造成

农业污染

水质污染

工业污染

生活垃圾污染

灌溉水源污染的防治
? 严格执行排污许可证制度,实现工业污水的达标排 放

? 生活污水的处理排放
? 控制化肥农药用量的同时,关键是控制排水的水量和水质 ? 建立生活垃圾处理制度:

一方面需要政府从政策上引导,法律上规范,资金上投入, 另一方面也需要我们基层组织进行宣传教育,逐步改变不良 的生活习惯,形成爱清洁、讲卫生的良好社会风尚





灌溉水源一般有地表水和地下水
灌溉水源的选择一般要考虑水量、水质两方面 我国水资源相对不足,且时空分布不均 水污染十分严重,其主要原因在于各种废污水和垃 圾的无序排放 防治灌溉水源污染的关键在于控制各种废污水和垃 圾的排放

灌溉取水方式
一、地表水取水方式
水库取水 无坝取水

有坝取水

抽水取水

无坝取水 条件:水位流量均满足要求 位置:河流凹岸中点偏下游 组成:进水闸、冲沙闸、导流堤

泯 江 鱼嘴
金内

索桥



刚 江 江 堤

宝瓶口 灌县

飞 沙 堰 岁修期 供水暗渠

有坝引水 条件:水量丰富、水位低 组成:拦河坝(闸)、进水闸、 冲沙闸、防洪堤等 侧面引水 适用于含沙量较 小的河流

正面引水 能形成横向环流,适用 于含沙量大的河流

抽水取水 适用条件:水量满足要求,但水位 低,且自流引水困难或不经济

水库取水

适用条件:水量、水位均不满足要求

多水源联合 进水闸 引 水 渠 抽水站


水库 干

抽水站

地下水的类型
孔隙水 存在于松散岩层孔隙中的地下水,主要存在 于平原地区 潜水 裂隙水 层间水

基岩裂隙中的地下 水。山丘地区
石灰岩、白云岩等 可溶性岩层受侵蚀 后形成洞穴,存在 于洞穴中的地下水。 山丘地区

溶洞水

地下水的资源的特点
浅层地下水资源

补给:
降雨入渗 河流、湖泊渗漏 灌溉水渗漏 越层补给 区域外地下水侧向补给

消耗:

潜水蒸发

人工抽水

降雨入渗补给(潜水蒸发)

pr或Eg ? ??h
土壤给水度 单位面积含水层中潜水位 每下降一个单位深度时, 由于含水层的疏干而释放 出来的水量

降雨入渗补给或蒸 发引起的地下水位 上升或下降值

越层补给

弱透水层 渗透系数

承压含水层压力水 位与潜水位的差

? H ? ? k? m?
潜水位

弱透水层厚度

ΔH

m′k′
承压含水层

深层承压水资源

补给:
越层补给 侧向补给 消耗: 人工抽水

承压含水层的弹性储量

W ? ?e ?S1
弹性释水系数 单位面积含水层下降单位水 头时,因水体膨胀和土壤骨 架压缩而释放出来的水量
降雨入渗补给或蒸 发引起的地下水位 上升或下降值

潜水 直接承受大气降水、渠道、 河流、灌溉水渗漏以及区 外地下径流侧向补给 潜水给水度:0.01-0.3 开采之后易于补充和恢复 开采成本小 主要的灌溉水源

深层承压水 不能接受大气降水和地表 水的直接补给,越层补给 十分有限,侧向径流微弱 弹性释水系数:5×10-5-6.5×10-4 开采之后难以补充和恢复 开采成本高 一般不宜开采

二、地下水取水建筑物

垂直取水建筑物

水平取水建筑物
双向取水建筑物

垂直取水建筑物
井台

管井
分完整井和非完整井 适用于开采浅层和深层地下水

井壁管 (实管)
滤水管 (花管)

? ? ? ? ? ¨ m? ? ? ? 60 60-150 ? ? 150 ? ? ? ? ¨ ? m? ? 0.7-1.0 0.3-0.4 0.2-0.3

沉淀管

封底塞

井台 筒井 井筒 大口径取水建筑物,直径一般 1-2m,有的3-4m,最大12m。 深度一般6-20m。 适用于开采浅层地下水 进水部分

井底

水平取水建筑物

坎儿井 由地下廊道和立井组成。地下廊 道截取地下潜流并起输水作用; 立井用于施工出土和通风。

融雪水

立井

地下廊道 渠道 潜水位

主要分布于新疆山前冲积 扇下部和冲积平原地区

卧管井
埋设在地下水位以下的水平集 水管道,与提水竖井相通。 多用于沼泽地和盐碱地排水, 灌溉上使用较少 引水渠 河床 截水墙

截潜流工程 山区河流河床下部筑地下 坝,拦截地下潜流

双向取水建筑物 辐射井 在大口井的下部沿径向呈 辐射状布设水平集水管, 以提高井的出水量。

集水井的下部设沉沙段

引水灌溉工程的水利计算
分析来水情况,协调与用水的矛盾, 确定引水工程的型式与规模
一、灌溉设计标准 二、无坝引水工程的水利计算

三、有坝引水工程的水利计算

一、灌溉设计标准

灌溉设计保证率

抗旱天数

灌溉设计保证率 灌区用水量在多年期间能够得到充分满足的机率 灌溉设施能保证 正常供水的年数

m p? ?100% n ?1
灌溉设施供水 的总年数 年亏水量≤5%时, 也作为水量得到满足处理

灌溉设计保证率的选取

? ? ? ? ±? ? ? á ? · ?

÷ ? ? ? × ÷? ? ? × ? ÷? ? ? ? ? ? ? × ? ÷? ? ? ? ? ?

à · ? ? ? ? ? ? ? ±? ¤? ? ? ¨ %? ? 50-75 70-80 70-80 75-95

除了考虑来水和用水情况外,还应进行经济分析 一般用于大中型工程

抗旱天数 灌溉设施在无降雨情况下能满足作物 需水要求的天数

旱作物和单季稻灌区:30-50天

双季稻灌区:50-70天
一般用于小型灌溉工程

二、无坝引水工程的水利计算
任务 灌溉面积
进水建筑物尺寸 内容 设计引水流量 闸前设计水位 闸后设计水位 进水闸闸孔尺寸

1、设计引水流量的确定

长系列法 设计代表年法

长系列法 推求灌区历年灌溉用水流量过程线 选择历年灌溉引水和用水紧张时期(即灌溉临 界期)内,灌水延续时间大于或等于20天的最 大灌溉流量,作为该年的最大引水流量

对历年的最大引水流量进行频率分析,选取符 合灌溉设计保证率的流量作为设计引水流量
对于一般大中型工程,只要有足够的资料,应 尽量采用该方法

设计代表年法

根据历年灌溉定额或灌溉期降雨量,进行频率分 析,选择2-3个相当于灌溉设计保证率的年份作 为设计代表年;
计算各代表年的灌溉用水过程线,确定灌溉临界 期最大灌溉流量; 从各代表年中选择最大灌溉流量的最大者作为设 计引水流量。

设计引水流量应小于或等于频率与灌溉 设计保证率相同的河流流量的30%。

否则,应按照与灌溉设计保证率相同频 率的河流流量的1/3-1/4确定设计引水 流量,并调整灌溉面积

2、闸前设计水位的确定 x1 z 闸前 (外河)

x2 x

闸后

Q引 Q1 Q2

x1 x 根据历年灌溉临界期外河的最低 z 2 x 旬平均水位排频,选取与灌溉设 计保证率相同频率的水位 Q引 由Q2查河流的水位流量曲线 Q1 Q2

确定外河设计水位X1

计算引水后的外河流量 Q2=Q1-Q引
推求引水后的外河水位X2

确定闸前水位X=X2 -Z 引水时部分位能转化为动能后所形成的 2 闸前水位降落 v2 3 K
v2 ? Q1 ? Q引 Q2 ? A2 A2

z? ? ? 2 1? K 2g

K ? Q引 Q1

3、闸后设计水位的确定

闸后设计水位=闸前设计水位-过闸水头损失

ΔH

闸前 (外河)

闸后

闸后设计水位应大 于或等于灌区高程 控制要求的干渠渠 首水位

4、进水闸闸孔尺寸的确定

闸底板高程

闸孔净宽

闸底板高程

考虑建闸处的地形、地质条件、 河流挟沙情况、闸后水位等,同 时考虑相应的闸孔宽度,通过反 复比较确定。

闸孔净宽

根据设计流量、闸前及闸后设计水位和闸 底板高程等,判别过闸流态,并采用相应 的水力学公式计算确定。
宽顶堰淹没出流时的闸孔净宽:

Q设引 B? 3 ? s?m 2 g H 0 2

进水闸尺寸的校核 进水闸尺寸必须同时满足各个灌溉 临界期的用水要求

有坝引水工程的水利计算
有坝引水与无坝引水所不同的是: 河流水位和可引的流量受到壅水建筑 物的影响 设计引水流量(略) 拦河坝高度 拦河坝上游防护设施

进水闸尺寸

1、拦河坝高度

要求:
应满足灌区要求的引水高程 上游淹没损失尽量小

适当考虑发电、通航、过鱼等综合利用

溢流坝段的坝顶高程z溢及溢流坝高度H1
干渠渠首设计水位 渠首进水闸过 闸水头损失

z溢 ? z设计 ? ?z ? ?D1
安全超高

H1 ? z溢 ? z基

非溢流坝段的坝顶高程z坝的计算

z坝 ? z溢 ? H 0 ? ?D2
溢流坝段溢洪时的壅水高度

设计洪峰流量

? QM ? H0 ? ? ? ? ? ?m B 2 g ? ?

23

H 2 ? z坝 ? z基
溢流坝段的宽度

拦河坝的防洪校核和上游防护设施的确定

按防洪设计标准,计算坝上壅水高度
推求回水曲线和淹没范围 根据淹没情况设计防洪堤等防护设施

如淹没情况严重,则需改变拦河坝的 结构形式

进水闸尺寸的确定

当河流来水流量Q1大于设计引水流量Q引时,闸 前水位:

z前=z溢+h2

溢流坝段通过流量Q2=Q1-Q引 时的溢流水深


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