第四章灌溉管道系统

第四章 灌溉管道系统
水利建筑工程学院
第三节输配水管道及管网设计
1．输配水管网的工作制度
管道系统最常用的工作制度有续灌、轮灌和随机灌3种
方式：
（1）续灌方式(continual irrigation method) （2）轮灌方式(rotational irrigation method)

1．输配水管网的工作制度

3.低压输水管道灌溉系统的技术特点
与喷灌比较压力低，投入小。
与滴灌比较抗堵塞性强，节水效果差

渠灌区与井灌区区别：渠灌区控制面积、流量
大、管径大、建筑物多复杂、施工周期长难度
大

井灌区便于管理、灌水速度快周期短
三．灌溉管道系统的组成
灌溉管道系统主要组成：
1）水源 2）首部枢纽、 3）输配水管网、 4）田间灌水装置以及附属建筑物和附属装置等部分 组成。
二．首部枢纽(head work) 首部枢纽的组成及其布置主要取决于灌水方 法。不同的灌水方法对首部枢纽内部需要设置的 各种设备和装置不完全相同。
三．输配水管网的规划布置 灌溉管道系统的输配水管网按其功能一般可分为输水 管道和配水管道两类。
输水管道一般为主管或干管上无配水管道分出的管道或管段。 配水管道可分为配水干管、配水支管和配水毛管等级别， 并由它们组合形成为网状，故称管网。 输水管道固定在地下，配水管道可以固定在地下也可以在 地 面上成为移动管道。


第二节．灌溉管道系统规划布置
1.输配水管网规划布置的原则与要求 1)应使输配水管网总长度最短，管道顺直，水头损失小，总造 价低而管理运用方便。 2)输配水地埋固定管道应尽可能布设在坚实的地基上，尽量避 开填方区以及可能发生滑坡或受山洪威胁的地带。 3)根据水源和灌溉田块情况，输配水管网，在平原地区可采用 环状管网或树枝状管网，其各级管道应尽量采取两侧分水的布置 形式；在山区丘陵地区宜采用树枝状管网，其主要管道应尽量沿 山脊布置，以尽量减少管道起伏。

(3)低压管灌系统输配水管网的布置形式
b.环状管网: ①水源位于田块一侧、控制面积较大的环状管网布置形式(图 b。 ②水源位于田块中心，控制面积约6.7—10 hm2，田块长宽比≤2的环 状管网布置形式见下图a。

(3)．低压管灌系统输配水管网的布置形式
2)地面移动管网的布设和使用 地面移动管网一般只有一级或两级，其管材通 常有移动软管、移动硬管和软管硬管联合运用3种。 对于渠灌区，常采用多级半固定式或固定式低压管 灌系统，并多主要采用树枝状管网。
第三节 输配水管道及管网设计

第三节 输配水管道及管网设计
（2）局部水头损失的计算(calculation of local water head losses) 一般均以流速水头乘以局部水头损失系数表示。
式中：hj为局部水头损失(m)；ζ 为局部水头损失系数；V为断面平均流速(m ／s)；g为重力加速度(m／s2)。
2．管网与管道的设计流量 （1）管道设计流量的计算(calculation of design flow of pipeline) 管网中某一级管道的设计流量可依据其控制的灌溉面积和所设计 的灌溉制度按下式计算:

第三节、输配水管道及管网设计 2．管网与管道的设计流量 1)续灌方式：等于各级管道流量相加。 2) 轮灌方式:等于各轮灌组中同时工作的下一级管道设 计流量之和的最大值。
（3）随机方式(random method) 当灌溉系统面积较大，灌区内的用水单位多，作物种植比例分散， 需水、用水要求又各不相同，带有随意性时，应采用随机取用水 方式或称按需分配方式。 随机取用水方式的特点是把管道系统各给水栓、配水井或出水口 的取用水都看作是一个个独立的随机事件，每个给水栓、配水井 或出水口在任何时候都可以由管网中取水，也可以不取水；并把 它们作为一个取用水计算单位，在此基础上应用概率论和数理统 计法推算各级管道的设计流量。
(3)．低压管灌系统输配水管网的布置形式 当控制面积较大，地块近似成方形，作物种植方向与灌 水方向相同或不相同时可布置成梳齿形或丰字形。

第二节．灌溉管道系统规划布置
(3)．低压管灌系统输配水管网的布置形式 ②水源位于田块中心，常 采用“工”字形和长“一”字 形树枝状管网布置形式 : L/b≤2
3．低压管灌系统输配水管网的布置形式 分为地埋固定式和地面移动式两种类型: 1)地埋固定式管网的布置形式: 依水源的种类和位置以及管网类 型不同，其布置形式有如下几种: a.树枝状管网。 ①水源位于田块一侧，树枝状管 网呈“一”形、“T”形和“L”形。 L/b≤3
第二节．灌溉管道系统规划布置
3．管径的确定
一般先根据各种管材的适宜流速及经验初选管径，然后进行水 力计算校核水头损失是否合理，经反复试算，最后选定出符 合市场生产规格标准的管径。通常初选管径：
式中：D为管道内径(m)；Q为设计流量(m3／s)；V为管内流速 (m／s)。为防止管网产生水锤，或发生淤积，管内流速不得 高 于 2.5~3.0m ／ s ， 也 不 得 小 于 0.5m ／ s ； π 为 圆 周 率 ， π=3.1416。
80年代初开始在全国推广低压管道输水灌溉，到 1996年底全国低压管道输水灌溉面积达到367万 多m2（中国灌溉排水发展中心 2003-1-9），各 类管道输水灌溉面积5000万亩。
主要问题：输水灌溉的标准低，缺少生产大口径管材
设备，规划设计水平不高，田间工程的标准化配套
程度低，管理水平低
二、灌溉管道系统的特点
3．管径的确定 初选管径时，流速可采用经济流速值。经济流速是指管道造价较 低以及其运行费用也较低的适宜流速值，应根据当地管材单价和 动力价格分析确定。在低压管灌系统中，管网及管道内的流速一 般控制在0.5－－1.8m／s之间。

4．管道及管网的水力计算
沿程水头损失的计算 1) 各种管材管道沿程水头损失：
内的水位，同时水位波动不
能太大。当渠道水位较低时， 可使用放水管代替虹吸管向 沟、畦供水灌溉。
2.按管道系统可移动的程度又可分为： (1)固定式灌溉管道系统。 (2)移动式灌溉管道系统。 (3)半固定式灌溉管道系统，又称半移动式灌溉 管道 系统。
第二节．灌溉管道系统规划布置 一. 水源引取水枢纽 灌溉管道系统的水源选 择及其引取水枢纽的工 程布置基本上与灌溉渠 道系统的相同，分有坝、 无坝、抽水、水库取水）
2．输配水管网的布置类型
输配水管网可布设成树枝状、环状和混合状3种类型:
1)树枝状管网(tree pipeline network)。特点是，管
线总长度较短，构造简单，投资较低，所以目前大
多数农田灌溉输配水管网均采用这种形式。但管网
内的压力不均匀，各条管道间的水量不能互相调济，
任一级管线损坏时，其以下管线就会断水而得不到
1续灌方式continualirrigationmethod2轮灌方式rotationalirrigationmethod第三节输配水管道及管网设计303随机方式randommethod当灌溉系统面积较大灌区内的用水单位多作物种植比例分散需水用水要求又各不相同带有随意性时应采用随机取用水方式或称按需分配方式

3)混合状管网(mixed pipeline network)。
其特点介于树枝状管网和环状管网。通常对于配水干管
和供水要求可靠程度稍低的支、毛管可采用树枝状管 网；而对于供水要求压力均匀、可靠性大的支、毛管
则应采用环状管网，并共同组成为混合状管网。这种
管网结构较复杂，管理运用不方便。
第二节．灌溉管道系统规划布置
第二节．灌溉管道系统规划布置
(1)．输配水管网规划布置的原则与要求 4)输配水管网的进口设计流量和设计压力，应根据灌溉管道系 统所需要的设计流量和配水管道进口所需要的设计压力确定。 5)输配水管网各级管道进口必须设置节制阀；分水口较多的输 配水管道，每隔3—5个分水口应设置一个节制阀。管道最低处应 设置退水泄水阀，各用水单位都应安设独立的配水口和闸阀，并 应装设压力和流量的计量装置。 6)应尽可能发挥输配水管网综合利用的功能，把农田灌溉与农 村供水以及水产、环境美化等相结合，使输配水管网的效益达到 最高。
第四章 灌溉管道系统
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本章节的重点与教学要求，是要让学生掌握灌
溉管道系统的规划与设计，特别是要掌握管道的水
力学计算及确定各级管网管径的技能。本章节的内
容涉及水力学中的管道水力学以及沿程与局部的水
头损失计算。
第四章
灌溉管道系统
目录（content）
一．概述(introduction) 二．灌溉管道系统规划布置(layout plan of pipeline irrigation system) 三．输配水管道及管网设计 (delivery
பைடு நூலகம்
4．管道及管网的水力计算
2) 地面移动软管的沿程水头损失 它的沿程阻力系数和沿程水头损失取决于雷诺数，还与流量、
管径、工作压力、软管铺设的地面平整程度、软管的顺直状况等
有关。
3)多口出流管道的沿程水头损失
首先按管道内流量不变求出沿程水头损失，然后再乘以多口系数，
即可近似得到多口出流情况下的沿程水头损失，即：
design of pipe networks) and distribution pipeline and
四．管道灌溉系统的运行管理(operation and management
of pipeline irrigation system)
一、国内外发展
1、国外发展：
第一节．概述(introduction)

梯田管灌系统
梯田管灌系统树枝 状布置形式。布置干 管 沿地 形 坡度 走向 ， 即干管垂直等高线 布置，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。
山丘区管灌系统
辐射树枝状管网的布置 形式。干管是扬水压力 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。同时，因地形起 伏，故布置辐射状分支 管由支管给水栓供水， 并沿山丘脊线垂直 等高 线走向。
微灌系统组成示意图
微灌系统主要包括水源工程、首部枢纽工程、输水管网、灌水器等四部 分
三． 灌溉管道系统类型
1.水源引取水枢纽工程布置按获得压力的来源可 分为： (1)机压式灌溉管道系统； (2)自压式灌溉管道系统。

虹吸管

虹吸管适合于从地势高的渠 道中取水。在应用中，注意 渠道外的地面必须低于渠道
可靠的供水。
2)环状管网(ring Pipeline network)。
一般指干、支管或干、支、毛管各管线互相连接成 环形的管网形式。其突出特点是，供水安全可靠， 管网内水压力较均匀，管道内的水流条件好，供水 保证率高，各条管道间水量调配灵活，有利于随机 用水。但管线总长度较长，管材和管件等用量大， 投资一般高于树枝状管网。
在管道系统的规划设计初级阶段，为简化局部水头损

失计算，通常可取沿程水头损失的10％~15％予以估算。
第三节 输配水管道及管网设计
(3) 管网水力计算与水击压力校核(hydraulic calculation of network and checking water hammer pressure) 1) 树枝状管网(tree type net works) •按最不利点进行干管的设计：一般取自水泵到最远点，或通过 流量最大的管线作为干管；把水头要求最高、通过流量最大的点 称做控制点或最不利点。 •各管段的直径通常根据所需流量，以经济流速计算。 •选定管径后，即可按前述方法计算管路总水头损失。
1.优点
1) 节水效益显著； 2）土地利用率高； 3） 适应性强； 4） 输水速度快，灌溉效果好； 5） 维修养护省工、省时、管理方便； 6） 灌水及时。
第一节．概述(introduction) 2. 缺点或存在的主要问题是： (1)需要的材料和设备较多； (2)投资较高； (3)规划设计内容较复杂； (4)对水源的水质要求较高

4．管道及管网的水力计算 克里斯琴森导出的多口等流量出流多口系数F为：
式中：m为流量指数；N为给水栓(出水口)数目；X为系数，X＝ l1/l ， l1 为第一个给水栓(出水口)到管道进口的距离， l 为给水 栓(出水口)的间距。通常X有两种情况，即当l1与l相等时，X＝1； 当l1 为l的一半时，X＝0.5。m，对于硬质塑料管取1.774，混凝 土管及当地材料管、石棉水泥管均可采用2.0。
美国1984年管道输水灌溉面积达9648万亩，约占全国 灌溉面积46.9%。地下管网多采用素混凝土直径最大 达到450mm。 以色列300万亩灌溉面积90%以上为管道输水每年从北 部太巴列湖抽水3.2亿m3，用直径2.7米的管道以20 m3 /s的流量输到南部。 日本新建渠道一半以上实行管道输水。
2、国内发展