《灌溉排水工程学》教学用ppt课件-第七章

第七章第七章 农田排水技术农田排水技术第七章 农田排水技术1第一节第一节 农田排水方式农田排水方式排水方式一般有水平排水、垂直排水两种。水平排水主要排水方式一般有水平排水、垂直排水两种。水平排水主要指明沟排水和地下暗管排水。垂直排水也叫竖井排水。指明沟排水和地下暗管排水。垂直排水也叫竖井排水。一、明沟排水一、明沟排水明沟排水就是开挖排水沟，把地面、地下多余的水排走。明沟排水就是开挖排水沟，把地面、地下多余的水排走。明沟排水有除涝、防渍和防止土壤盐碱化明沟排水有除涝、防渍和防止土壤盐碱化3类。类。优点：排水速度快、排水效果好；优点：排水速度快、排水效果好；缺点：工程量大、地面建筑物多、占地面积大、沟坡易坍缺点：工程量大、地面建筑物多、占地面积大、沟坡易坍塌、不利于交通和机械化耕作。塌、不利于交通和机械化耕作。二、暗管排水二、暗管排水暗管排水是通过埋设地下暗管系统，排除土壤多余水分，暗管排水是通过埋设地下暗管系统，排除土壤多余水分，降低地下水位。降低地下水位。优点：排水速度快，降得深，工程量小、地面建筑物少、优点：排水速度快，降得深，工程量小、地面建筑物少、土地利用率高，有利于交通和田间机械化作业，能有效地土地利用率高，有利于交通和田间机械化作业，能有效地解决水平不透水隔层排水问题，可自流排水，节省能源。解决水平不透水隔层排水问题，可自流排水，节省能源。第一节 农田排水方式排水方式一般有水平排水、垂直排水两种。2多数情况下暗管与明沟结合使用，其有如下几种形式：多数情况下暗管与明沟结合使用，其有如下几种形式：干沟为明沟，支、斗、农管道设为暗管；干沟为明沟，支、斗、农管道设为暗管；干沟、支沟为明沟，斗、农管道设为暗管；干沟、支沟为明沟，斗、农管道设为暗管；部分为明沟，部分为暗管。部分为明沟，部分为暗管。暗管排水系暗管排水系统的组成：包括统的组成：包括吸水管、集水管、吸水管、集水管、闸阀、排水口。闸阀、排水口。多数情况下暗管与明沟结合使用，其有如下几种形式：3三、竖井排水三、竖井排水 在田间地面按一定的间距向下垂直开挖井筒来抽水，在田间地面按一定的间距向下垂直开挖井筒来抽水，在较大的范围内形成地下水位漏斗，从而降低地下水位。在较大的范围内形成地下水位漏斗，从而降低地下水位。优点：排水效果好，不易再度返盐，可为雨涝季节提供库优点：排水效果好，不易再度返盐，可为雨涝季节提供库容、旱季提供水源；容、旱季提供水源；缺点：耗能，运行成本高，使用受地质的限制。缺点：耗能，运行成本高，使用受地质的限制。三、竖井排水4第二节第二节 明沟排水技术明沟排水技术一、田间排水系统的布置一、田间排水系统的布置田间排水系统，是指末级固定沟田间排水系统，是指末级固定沟(农沟农沟)所控制的条田内部所控制的条田内部沟系。田间排水系统的组成和布置必须根据具体情况，因沟系。田间排水系统的组成和布置必须根据具体情况，因地制宜地规划布置。地制宜地规划布置。平原和圩区的田间排水系统布置形式如下：平原和圩区的田间排水系统布置形式如下：(1)灌排相邻布置。灌排相邻布置。(2)灌排相间布置。灌排相间布置。(3)灌排合一。灌排合一。(4)沟、渠、路、林的配置形式。沟、渠、路、林的配置形式。排水系统的布置的形式与灌溉系统的布置相一致。排水系统的布置的形式与灌溉系统的布置相一致。第二节 明沟排水技术一、田间排水系统的布置5二、排水沟间距的理论计算二、排水沟间距的理论计算1、农田地下水运动的基本方程、农田地下水运动的基本方程二、排水沟间距的理论计算6在在dt 时间内流出时间内流出dx微段的水量为微段的水量为 ，渗入的水量为，渗入的水量为idxdt，地下水位上升，地下水位上升 ，则在土壤中存蓄的水量为，则在土壤中存蓄的水量为 由渗入、流出的水量表现为地下水位的变化：由渗入、流出的水量表现为地下水位的变化：通过任一断面的流量通过任一断面的流量式中：式中：称为导压系数或水位传导系数；称为导压系数或水位传导系数；K：为渗透系数；：为渗透系数；H：为从不透水层到地下水位的含水层厚度；：为从不透水层到地下水位的含水层厚度；i：为入渗强度。：为入渗强度。在dt 时间内流出dx微段的水量为 72、稳定流时排水沟间距计算、稳定流时排水沟间距计算在雨季，可将两排水沟间的地下水流近似看作稳定流动。在雨季，可将两排水沟间的地下水流近似看作稳定流动。(1)不透水层位于有限深时沟间距计算不透水层位于有限深时沟间距计算不透水层底板与排水沟水面间的距离不透水层底板与排水沟水面间的距离H0满足满足 0 H0L/2H0L/2的情况。进入排水沟的情况。进入排水沟(暗暗管管)流量由排水沟水面线流量由排水沟水面线(排水暗管排水暗管中心线中心线)以上部分来水以上部分来水q q1 1和以下部分和以下部分来水来水q q0 0组成。稳定流条件下，距排组成。稳定流条件下，距排水沟距离水沟距离x x处的流量处的流量q q1 1、q q0 0为：为：设排水沟间距一半为l，通过断面x总流量q应等于在排水沟间距103、非稳定流沟间距计算、非稳定流沟间距计算在降雨入渗补给阶段，或蒸发阶段，地下水位随时间而变在降雨入渗补给阶段，或蒸发阶段，地下水位随时间而变化，其呈不稳定状态。采用非稳定流理论进行计算。化，其呈不稳定状态。采用非稳定流理论进行计算。(1)不透水层位于有限深时沟间距计算。不透水层位于有限深时沟间距计算。上式对于完整沟的情况亦适用，对于非完整沟可采用与稳上式对于完整沟的情况亦适用，对于非完整沟可采用与稳定流相似的方法，采用非完整沟修正系数定流相似的方法，采用非完整沟修正系数进行修正。进行修正。3、非稳定流沟间距计算上式对于完整沟的情况亦适用，对于非完整11(2)不透水层位于无限深时沟间距计算。不透水层位于无限深时沟间距计算。当不透水层埋深很大时可按无限深计算沟间距。当不透水层埋深很大时可按无限深计算沟间距。(2)不透水层位于无限深时沟间距计算。12第三节第三节 暗管排水技术暗管排水技术一、排水暗管的种类及布置一、排水暗管的种类及布置1、排水暗管系统的布置形式、排水暗管系统的布置形式暗管排水系统的布置形式分为暗管排水系统的布置形式分为单管式排水系统单管式排水系统、复式暗管复式暗管排水系统排水系统和和不规则布置形式不规则布置形式3种：种：(1)单管排水系统。单管排水系统。第三节 暗管排水技术一、排水暗管的种类及布置13(2)复式暗管排水系统复式暗管排水系统复式暗管排水系统又分为正交型和斜交型两种：复式暗管排水系统又分为正交型和斜交型两种：(2)复式暗管排水系统14(3)不规则布置形式。不规则布置形式。(3)不规则布置形式。152、管材的选择、管材的选择常用的暗管材料分为当地材料管和塑料管两大类：常用的暗管材料分为当地材料管和塑料管两大类：(1)灰土管。灰土管。(2)水泥土管。水泥土管。(3)瓦管。瓦管。(4)陶瓷管。陶瓷管。(5)混凝土管。混凝土管。(6)波纹塑料管。波纹塑料管。二、排水暗管的间距、深度及流量计算二、排水暗管的间距、深度及流量计算排水暗管的设计流量计算：排水暗管的设计流量计算：2、管材的选择16三、排水暗管纵坡与管径设计三、排水暗管纵坡与管径设计1、均匀流的计算公式、均匀流的计算公式公式中有未知量公式中有未知量（阻力系数），按管壁不同，有不同的（阻力系数），按管壁不同，有不同的计算公式：计算公式：1、光壁管：、光壁管：三、排水暗管纵坡与管径设计公式中有未知量（阻力系数），按管17(2)波纹管波纹管满管流满管流 R=d/4(2)波纹管满管流 R=d/4182、非均匀流的管径计算、非均匀流的管径计算非均匀流是指暗管沿程均有地下水流汇入，首端流量为非均匀流是指暗管沿程均有地下水流汇入，首端流量为零，末端流量达到最大零，末端流量达到最大Q1满流，取满流，取0.5 Q1作为平均流量：作为平均流量：在排水实际设计中需解决的问题分为以下在排水实际设计中需解决的问题分为以下3 3种：种：(1)(1)已定已定L L、j j，确定需要的管径，确定需要的管径d d；(2)(2)已定已定j j、d d,确定最大管长确定最大管长L L；(3)(3)已定已定j j、L L、d d，验算暗管两端及沿程，验算暗管两端及沿程是否超压。是否超压。3 3、排水暗管的水力计算、排水暗管的水力计算吸水管、集水管的内半径计算：吸水管、集水管的内半径计算：相应的流速：相应的流速：2、非均匀流的管径计算在排水实际设计中需解决的问题分为以下3194、吸水管外包滤料的设计、吸水管外包滤料的设计应符合下列规定：应符合下列规定：(1)吸水管周围应设置渗透系数比周围土壤的渗透系数大吸水管周围应设置渗透系数比周围土壤的渗透系数大10倍以上的外包滤料；倍以上的外包滤料；(2)外包滤料宜就地取材，应耐酸、碱，不易腐烂、无害、外包滤料宜就地取材，应耐酸、碱，不易腐烂、无害、无污染、施工方便；无污染、施工方便；(3)外包滤料的厚度根据当地实践经验选取；外包滤料的厚度根据当地实践经验选取；(4)考虑土壤的淤积倾向；考虑土壤的淤积倾向；(5)散铺外包滤料粒径散铺外包滤料粒径d15，宜为土壤粒径，宜为土壤粒径d15的的4倍左右；倍左右；(6)化纤外包滤料的厚度和滤水防沙性能应通过试验确定。化纤外包滤料的厚度和滤水防沙性能应通过试验确定。4、吸水管外包滤料的设计20四、鼠道排水系统四、鼠道排水系统鼠道是指在田面以下利用特制的鼠道犁形成的一种无衬砌鼠道是指在田面以下利用特制的鼠道犁形成的一种无衬砌的地下排水通道，形状与鼠洞相似，截面一般为椭圆形。的地下排水通道，形状与鼠洞相似，截面一般为椭圆形。鼠道排水系统一般由鼠道直接排水入明沟或与暗管相通，鼠道排水系统一般由鼠道直接排水入明沟或与暗管相通，然后再排入明沟。鼠通在垂直剖面上有单层和双层两类。然后再排入明沟。鼠通在垂直剖面上有单层和双层两类。单层单层鼠道鼠道排水排水系统系统浅层：深度浅层：深度0.30.5m，排除浅根作物层间积水。，排除浅根作物层间积水。中层：深度中层：深度0.50.7m，排除深根作物层间积水。，排除深根作物层间积水。深层：深度深层：深度0.71.0m，降低地下潜水位。，降低地下潜水位。四、鼠道排水系统单层鼠道排水系统浅层：深度0.30.5m，21第四节第四节 竖井排水技术竖井排水技术一、竖井排水的特点及适用范围一、竖井排水的特点及适用范围竖井是指由地面向下垂直开挖的井筒，也称立井。竖井是指由地面向下垂直开挖的井筒，也称立井。利用竖井进行灌溉排水，具有以下特点：利用竖井进行灌溉排水，具有以下特点：1、降低地下水位，防止土壤返盐、降低地下水位，防止土壤返盐2、防涝防渍、增加抗旱灌溉水源、防涝防渍、增加抗旱灌溉水源 3、抽咸补淡、改善水源、抽咸补淡、改善水源二、竖井的规划布置二、竖井的规划布置1、选取合理的井深和井型结构、选取合理的井深和井型结构(1)含水层较浅，应用浅井筒；含水层较浅，应用浅井筒；(2)若上部含水较差而下部有良好含水层，应打至下部；若上部含水较差而下部有良好含水层，应打至下部；(3)若出水量小，可以考虑采用辐射井。若出水量小，可以考虑采用辐射井。第四节 竖井排水技术一、竖井排水的特点及适用范围222、井距的选定及井群布置、井距的选定及井群布置利用竖井单纯排水地区，井的间距主要决定于控制地下利用竖井单纯排水地区，井的间距主要决定于控制地下水位的要求。水位的要求。如果有地面水灌溉水源并实行井渠结合，井的间距决定如果有地面水灌溉水源并实行井渠结合，井的间距决定于单井出水量所能控制的灌溉面积和冲洗改良盐碱地时要于单井出水量所能控制的灌溉面积和冲洗改良盐碱地时要求的单井控制地下水位。求的单井控制地下水位。竖井在平面上的布置有等边三角形、正方形两种：竖井在平面上的布置有等边三角形、正方形两种：2、井距的选定及井群布置23在井群同时抽水时，在其干扰范围内，任一井水位的降在井群同时抽水时，在其干扰范围内，任一井水位的降深，采用各井在单独抽水时对该井所引起动水位降深的迭深，采用各井在单独抽水时对该井所引起动水位降深的迭加法计算。加法计算。采用泰斯公式进行计算：采用泰斯公式进行计算：对于大面积均匀布井实行竖井排水的情况，每个单井对于大面积均匀布井实行竖井排水的情况，每个单井控制相同的面积，在这一面积内各点地下水位降深的大小控制相同的面积，在这一面积内各点地下水位降深的大小仅与单井控制区有关。在水井抽水时间较长时，任一点处仅与单井控制区有关。在水井抽水时间较长时，任一点处地下水位下降深度地下水位下降深度S 的计算式为：的计算式为：在井群同时抽水时，在其干扰范围内，任一井水位的降 24第五节第五节 防治土壤盐碱化的水利技术防治土壤盐碱化的水利技术一、土壤水盐平衡方程与水利改良一、土壤水盐平衡方程与水利改良盐盐分分在在土土壤壤中中的的运运动动对流：盐分随土壤水分运动而运动的过程。对流：盐分随土壤水分运动而运动的过程。水动力水动力弥散弥散分子扩散：由盐分浓度引起的分子扩散：由盐分浓度引起的分散现象。分散现象。机械弥散：由于土壤孔隙介质机械弥散：由于土壤孔隙介质在微观分布不规则性造成的流在微观分布不规则性造成的流速变化而引起盐分分散现象。速变化而引起盐分分散现象。第五节 防治土壤盐碱化的水利技术一、土壤水盐平衡方程与水利改25盐分的分子扩散：盐分的分子扩散：盐分的机械扩散：盐分的机械扩散：盐分的水动力弥散过程由盐分的水动力弥散过程由盐分的分子扩散和机械扩散组成：盐分的分子扩散和机械扩散组成：盐分的分子扩散和机械扩散组成：盐分的分子扩散和机械扩散组成：盐分的对流，通量盐分的对流，通量 J c为溶液浓度与流量的乘积：为溶液浓度与流量的乘积：盐分在水动力弥散和对流的共同作用下，盐分总通量为：盐分在水动力弥散和对流的共同作用下，盐分总通量为：盐分的分子扩散：盐分的机械扩散：盐分的水动力弥散过程由盐分的26溶质储存量在时间上的变化率，数量上与通量在空间上的溶质储存量在时间上的变化率，数量上与通量在空间上的变化率，符号相反：变化率，符号相反：若用水冲洗盐碱地，其方程为：若用水冲洗盐碱地，其方程为：临界条件为：临界条件为：溶质储存量在时间上的变化率，数量上与通量在空间上的若用水冲洗27二、冲洗定额及水利技术措施二、冲洗定额及水利技术措施预防灌区土壤次生盐碱化的关键在于控制地下水位。预防灌区土壤次生盐碱化的关键在于控制地下水位。盐碱地改良的水利措施有排水、灌水洗盐、引洪放淤：盐碱地改良的水利措施有排水、灌水洗盐、引洪放淤：1、明沟排水、明沟排水排水是改良盐碱地的根本性措施，其作用有：排水是改良盐碱地的根本性措施，其作用有：(1)加速排出地下水中的盐分；加速排出地下水中的盐分；(2)降低地下水位，防止土壤积盐、地表返盐；降低地下水位，防止土壤积盐、地表返盐；(3)排涝，调节区域水文状况。排涝，调节区域水文状况。2、井灌井排、井灌井排井灌井排具有如下的优点：井灌井排具有如下的优点：(1)洗盐速度快、脱盐效率高；洗盐速度快、脱盐效率高；(2)有效降低地下水位，腾出地下有效降低地下水位，腾出地下“库容库容”；(3)抽咸补淡，加速地下水淡化。抽咸补淡，加速地下水淡化。二、冲洗定额及水利技术措施283、灌水冲洗、灌水冲洗灌水冲洗就是把水灌到盐碱地，使土壤盐分溶解，通过水灌水冲洗就是把水灌到盐碱地，使土壤盐分溶解，通过水在土壤中的渗透，自上而下地把土壤中的次生盐碱淋洗下在土壤中的渗透，自上而下地把土壤中的次生盐碱淋洗下去，渗入排水沟加以排除。灌水冲洗有以下两种情况：去，渗入排水沟加以排除。灌水冲洗有以下两种情况：(1)盐碱荒地开垦前的冲洗。盐碱荒地开垦前的冲洗。使用大定额的冲洗水，使使用大定额的冲洗水，使1m土层中的含盐量降低到作物能土层中的含盐量降低到作物能正常生长的范围内。此时土壤含盐量称为正常生长的范围内。此时土壤含盐量称为冲洗脱盐标准冲洗脱盐标准。为了达到冲洗脱盐标淮所需单位面积的洗盐水量称为为了达到冲洗脱盐标淮所需单位面积的洗盐水量称为洗盐洗盐定额定额或或冲洗定额冲洗定额。一般将一般将M 分多次冲洗，以取得更高效率：分多次冲洗，以取得更高效率：3、灌水冲洗一般将M 分多次冲洗，以取得更高效率：29(2)盐碱耕地的灌溉冲洗。盐碱耕地进行灌溉冲洗时既要冲盐碱耕地的灌溉冲洗。盐碱耕地进行灌溉冲洗时既要冲洗土壤盐分，又要满足作物对水分的要求。洗土壤盐分，又要满足作物对水分的要求。4、放淤改良、放淤改良放淤是把含有高泥沙的河水，通过渠系，引入事先筑好田放淤是把含有高泥沙的河水，通过渠系，引入事先筑好田埂的地块，用减慢水流速度的办法使淤泥沉淀下来，而在埂的地块，用减慢水流速度的办法使淤泥沉淀下来，而在地面形成一层淤泥层。其具有如下作用：地面形成一层淤泥层。其具有如下作用：(1)放淤后形成的薄土层相应抬高了地面，可降低地下水放淤后形成的薄土层相应抬高了地面，可降低地下水位，有利于防止返盐；位，有利于防止返盐；(2)引放的大量淤水相当于大定额的冲洗，可淋洗盐分，对引放的大量淤水相当于大定额的冲洗，可淋洗盐分，对土壤脱盐起到作用；土壤脱盐起到作用；(3)放淤后可改善土壤理化性状、提高土壤肥力。放淤后可改善土壤理化性状、提高土壤肥力。放淤定额是指放淤达到计划淤层厚度所需的总放淤量：放淤定额是指放淤达到计划淤层厚度所需的总放淤量：(2)盐碱耕地的灌溉冲洗。盐碱耕地进行灌溉冲洗时既要冲30