第五章第五章 旱区雨水径流集蓄灌溉工程旱区雨水径流集蓄灌溉工程旱区旱区通常是指广大的干旱地区、半干旱地区、半干旱半湿润地通常是指广大的干旱地区、半干旱地区、半干旱半湿润地区以及个湿润偏旱地区。区以及个湿润偏旱地区。雨水径流集蓄灌溉工程雨水径流集蓄灌溉工程是导引、收集雨水径流，并把它蓄存起是导引、收集雨水径流，并把它蓄存起来，作为一种有效水资源而予以灌溉利用的工程技术措施。来，作为一种有效水资源而予以灌溉利用的工程技术措施。第一节第一节 雨水径流集蓄灌溉工程的组成与类型雨水径流集蓄灌溉工程的组成与类型一、雨水径流集蓄灌溉工程的组成一、雨水径流集蓄灌溉工程的组成雨水径流集蓄灌溉工程基本上是由三部分组成：即集水工程、蓄雨水径流集蓄灌溉工程基本上是由三部分组成：即集水工程、蓄水工程和灌溉工程。集水工程是雨水集蓄灌溉工程的基础；蓄水水工程和灌溉工程。集水工程是雨水集蓄灌溉工程的基础；蓄水工程是雨水集蓄灌溉工程的工程是雨水集蓄灌溉工程的“ “心脏心脏” ”( (起调节的作用，类似于调起调节的作用，类似于调节水节水库库) )；灌溉工程则是其目的。；灌溉工程则是其目的。1 1、集水工程、集水工程建立集水区、应用工程技术措施处理集水面，以减少渗漏，提高建立集水区、应用工程技术措施处理集水面，以减少渗漏，提高集水效率，尽量聚集天然降水，充分发挥降水作为一种有效的灌集水效率，尽量聚集天然降水，充分发挥降水作为一种有效的灌溉补充水源和人蓄饮用供水水源的作用，为旱区农业持续发展提溉补充水源和人蓄饮用供水水源的作用，为旱区农业持续发展提供保证。供保证。2 2、蓄水工程、蓄水工程蓄存由集水区导引聚集的雨水径流水量，以备灌溉利用的工程蓄存由集水区导引聚集的雨水径流水量，以备灌溉利用的工程技木设施。技木设施。 蓄水工程引水渠沟或管道：导引集水区集水面上的雨水径流入水口：蓄水池的入口拦污栅、沉沙槽：拦截污物和沉淀泥沙蓄水设施、放水装置：存蓄水量、引水灌溉 3、灌溉工程由于利用集蓄雨水径流灌溉作物，而雨水少，因此客观上就要求采用最为节水的灌溉方式，目前主要选用滴灌、微喷灌和渗灌。一般蓄水设施的灌溉取水放水方式有：(1)自压放水方式。直接在蓄水设施底部安装输水管道和闸阀，由输水管连接滴灌、微喷灌或渗灌的干、支管向田间供水。(2)人力提水取水方式。对地下式蓄水设施，由人力提水使用。(3)机械提水取水方式。包括手动机械提水和电动水泵提水两种。 二、雨水径流集蓄灌溉工程类型二、雨水径流集蓄灌溉工程类型一般依据雨水径流微型聚集区域的结构性质划分为以下一般依据雨水径流微型聚集区域的结构性质划分为以下4 4种类：种类：1 1、田面田面集蓄灌溉工程类集蓄灌溉工程类利用休闲田块、打谷场等地面修建临时性的集水区，配合蓄水利用休闲田块、打谷场等地面修建临时性的集水区，配合蓄水设施，进行灌溉的工程类型。设施，进行灌溉的工程类型。特点：临时性。特点：临时性。蓄水设施：主要用水窖。蓄水设施：主要用水窖。2 2、坡面坡面集畜灌溉工程类集畜灌溉工程类利用坡面人工营造集水区聚集雨水径流，并在靠近集水区适当利用坡面人工营造集水区聚集雨水径流，并在靠近集水区适当位置处修筑蓄水设施，利用蓄水设施内贮存的雨水，进行灌溉位置处修筑蓄水设施，利用蓄水设施内贮存的雨水，进行灌溉的类型。的类型。坡面的类型：素混凝土板、沥青说凝土板、三七灰土等。坡面的类型：素混凝土板、沥青说凝土板、三七灰土等。特点：长期性的。特点：长期性的。蓄水设施：水窖、水窖窑。蓄水设施：水窖、水窖窑。3 3、路面路面集蓄灌溉工程类集蓄灌溉工程类利用道路作为集水区，在道路侧边开挖导引雨水径流进入蓄利用道路作为集水区，在道路侧边开挖导引雨水径流进入蓄水设施的截水沟渠或暗管，并修筑蓄水设施群，以分段集蓄水设施的截水沟渠或暗管，并修筑蓄水设施群，以分段集蓄径流而进行灌溉的工程类型。径流而进行灌溉的工程类型。特点：投资少，流量大。需要设置沉沙槽和拦污栅等装置。特点：投资少，流量大。需要设置沉沙槽和拦污栅等装置。蓄水设施：主要用水窖。蓄水设施：主要用水窖。4 4、 屋面屋面庭院集蓄灌溉工程类庭院集蓄灌溉工程类利用屋面和庭院集蓄天然降水，为人畜饮用、温室瓜果蔬菜利用屋面和庭院集蓄天然降水，为人畜饮用、温室瓜果蔬菜提供水质良好的水源。提供水质良好的水源。特点：屋面使用瓦、水泥屋面，地面需处理。特点：屋面使用瓦、水泥屋面，地面需处理。蓄水设施：水窖。蓄水设施：水窖。第二节第二节 雨水聚集技术雨水聚集技术雨水聚集技术包括集雨面的处理、集水效率的确定和聚集水量雨水聚集技术包括集雨面的处理、集水效率的确定和聚集水量的分析计算。的分析计算。一、集水面的处理一、集水面的处理处理方法主要有：处理方法主要有：植被管理；植被管理；地表处理；地表处理；化学处理。化学处理。雨水径流的收集方法主要有雨水径流的收集方法主要有微型集水区雨水收集系统微型集水区雨水收集系统径流农业雨水收集系统。径流农业雨水收集系统。干旱地区的自然地面降水入渗大、快，其集水效率低。干旱地区的自然地面降水入渗大、快，其集水效率低。常用的集水面材料及其处理措施有：常用的集水面材料及其处理措施有：(1)(1)混凝土集水面。混凝土集水面。(2)(2)水泥土夯实处理。水泥土夯实处理。 (3)(3)塑料薄膜。塑料薄膜。(4)(4)三七灰土夯实处理。三七灰土夯实处理。(5)(5)原土夯实处理。原土夯实处理。(6)(6)水泥瓦、青瓦屋面。水泥瓦、青瓦屋面。(7)(7)钠盐处理。钠盐处理。(8)(8)粗石蜡处理。粗石蜡处理。(9)(9)硅有机树脂处理。硅有机树脂处理。(10)(10)喷洒沥青处理。喷洒沥青处理。二、集水效率二、集水效率集水效率集水效率通常是指某时段内或某次集水面的集水量占同一时期通常是指某时段内或某次集水面的集水量占同一时期内的降雨量的比值。内的降雨量的比值。 1 1 、 影响集水效率的因素影响集水效率的因素影响集水效率的因素主要是降水和集水面。影响集水效率的因素主要是降水和集水面。(1)(1)降水与集水效率的关系降水与集水效率的关系次降水量与次集水效率的关系次降水量与次集水效率的关系在其它条件已定时，降水量越大，其集水效率越高。在其它条件已定时，降水量越大，其集水效率越高。次降水强度与集水效率的关系次降水强度与集水效率的关系在其它条件相同的情况下，降水强度越大，来不及在其它条件相同的情况下，降水强度越大，来不及入渗的降水量越多，从而导致集水效率越大。因此，集水效率入渗的降水量越多，从而导致集水效率越大。因此，集水效率随降水强度的增大而提高，成正相关关系。随降水强度的增大而提高，成正相关关系。 (2)(2)集水面对集水效率的影响。集水面对集水效率的影响。集水面质地对集水效率的影响。集水面质地对集水效率的影响。用不同材料制成、不同措施处理的集水面，其表面或内部结构用不同材料制成、不同措施处理的集水面，其表面或内部结构不同，相应的透水性、吸水件或持水性不用，从而导致了对降不同，相应的透水性、吸水件或持水性不用，从而导致了对降水产流有不同的影响。水产流有不同的影响。集水面坡度对集水效率的影响。集水面坡度对集水效率的影响。一般建议，集水面坡度应不小于一般建议，集水面坡度应不小于1 11010。集水面前期含水量对集水效率的影响集水面前期含水量对集水效率的影响在其它条件相同的情况下，前期含水量越高，越易饱和。吸水在其它条件相同的情况下，前期含水量越高，越易饱和。吸水性越弱故其集水效率就会越高。性越弱故其集水效率就会越高。集水区面积对集水效率的影响。集水区面积对集水效率的影响。一般其它条件相同时，集水区而积越大，集水效率越低。一般其它条件相同时，集水区而积越大，集水效率越低。集水面的施工质量对集水效率的影响。集水面的施工质量对集水效率的影响。施工质量越好，集水效率越高。施工质量越好，集水效率越高。 2 2、集水效率的计算方法、集水效率的计算方法集水效率的计算可分为三类：集水效率的计算可分为三类：能获得次降水量、次平均降水强度以及集水面前期含水量能获得次降水量、次平均降水强度以及集水面前期含水量资料的集水效率计算：资料的集水效率计算：能获得次降水量、次平均降水强度的集水效率计算：能获得次降水量、次平均降水强度的集水效率计算：式中：E h为各次降水的集水效率；P 为各次降水的次降水量(nm)；I 为次降水平均降水强度(rn m/min)；W 为集水面前期含水量；a、b、c、d：为待走常数。仅能获得次降水量的集水效率计算：仅能获得次降水量的集水效率计算：对于降水资料不详或缺乏试验资料的地区，可直接建立降水对于降水资料不详或缺乏试验资料的地区，可直接建立降水 径流关系，或引用其它地方同类处理集水面的集水效率。径流关系，或引用其它地方同类处理集水面的集水效率。三、集水量的计算三、集水量的计算 若已知集水效率和次降水量，进行集水量的计算方法可采用：若已知集水效率和次降水量，进行集水量的计算方法可采用：先依据试验资料，在一般性产流理论的指导下，得出次降先依据试验资料，在一般性产流理论的指导下，得出次降水的集水效率水的集水效率E E hihi；用公式用公式P Poioi=E =E hihi P Pi i计算出该次降水的集水量计算出该次降水的集水量; ;累加各次集水量累加各次集水量 即得到该时段内的总集水量即得到该时段内的总集水量; ;考虑到集水面积的影响，实际集水量为：考虑到集水面积的影响，实际集水量为：第三节第三节 蓄水设施蓄水设施一、蓄水设施类型的选择一、蓄水设施类型的选择蓄水设施的类型有多种，应尽量采用现成蓄水设施，或进行必蓄水设施的类型有多种，应尽量采用现成蓄水设施，或进行必要的修复改造后利用。若地形、地质适宜，蓄水设施以选择水要的修复改造后利用。若地形、地质适宜，蓄水设施以选择水窑窖为宜。窑窖为宜。其优点有：其优点有：沿岸而挖窑，水窖设在窑内，可少占耕地；沿岸而挖窑，水窖设在窑内，可少占耕地；有窑的保护，可有效地减少水面蒸发，并可使其水质基本有窑的保护，可有效地减少水面蒸发，并可使其水质基本不不受污染；受污染；可沿窑身长度方向发展，容易增大水窖容积；可沿窑身长度方向发展，容易增大水窖容积；水窖较浅，取水较方便；水窖较浅，取水较方便；技术简单，施工容易。技术简单，施工容易。二、水窑窖二、水窑窖1 1、水窑密的结构形式、水窑密的结构形式修建程序：修建程序：修面修面 挖洞挖洞 防渗处理防渗处理 埋设附属设施埋设附属设施 2 2、水窑窖位置的选择、水窑窖位置的选择选定窑窖位置时，要依据如下原则：选定窑窖位置时，要依据如下原则：地形：选择有利于挖掘窑洞的地形尽量把水窑窖修建在耕地地形：选择有利于挖掘窑洞的地形尽量把水窑窖修建在耕地高处，以实现自流灌溉或便十灌溉利用；高处，以实现自流灌溉或便十灌溉利用；地质：避免有断层、裂斜、砂砾层地带、树根较多的地方；地质：避免有断层、裂斜、砂砾层地带、树根较多的地方；集水面：靠近沥青路边、场边等，以扩大集水面集水面：靠近沥青路边、场边等，以扩大集水面 。3 3、水窑容的养护与管理、水窑容的养护与管理水窑窖的养护管理工作水窑窖的养护管理工作蓄水时，不应超过最高蓄水位；蓄水时，不应超过最高蓄水位；只有集水时才打开进水孔眼，以免泥土和杂草、污物等由进只有集水时才打开进水孔眼，以免泥土和杂草、污物等由进水孔眼进人窑窑内；水孔眼进人窑窑内；集水区在集水前应打扫干净，以防止泥砂和污物进入水窖；集水区在集水前应打扫干净，以防止泥砂和污物进入水窖；水窑窖应定期清淤，以保持其原有容积；水窑窖应定期清淤，以保持其原有容积；经常检查进水口、沉砂槽、拦污栅；经常检查进水口、沉砂槽、拦污栅；平时应锁闭窑窖门，以减少蒸发、防止杂物进入污染水源。平时应锁闭窑窖门，以减少蒸发、防止杂物进入污染水源。三、水窖三、水窖选择水窖形式的要求：结构简单，容积大，受力性能好，安全选择水窖形式的要求：结构简单，容积大，受力性能好，安全可靠，施工容易，灌溉取水方便，并便于治淤和维护。可靠，施工容易，灌溉取水方便，并便于治淤和维护。水窖与水窑窖的结构：由水窖与水窑窖的结构：由引水渠引水渠、沉沙槽沉沙槽、进水管进水管以及以及存贮容存贮容器器等四部分组成。等四部分组成。第四节第四节 雨水径流集蓄灌溉系统的优化设计方法雨水径流集蓄灌溉系统的优化设计方法一、系统的基本结构一、系统的基本结构主要由主要由3 3个主体部分组成：个主体部分组成：即即集水区域集水区域A A、蓄水设施蓄水设施 V V和和灌灌溉利用区域溉利用区域A AMM：系统的结构优化就是确定出该系统集水区面积与灌溉利用区面积的最佳比例。这其中蓄水设施的容积及其调蓄能力对最佳面积比例起着决定性的影响。雨水径流集蓄利用灌溉系统的优化设计就是要建立系统的优化调蓄模式。二、降雨量的分析计算二、降雨量的分析计算 1 1 、年降雨量的设计计算、年降雨量的设计计算为获得比较适用而精确的降水分析数据，一般选用为获得比较适用而精确的降水分析数据，一般选用经验频率经验频率拟合拟合理论频率理论频率的适线法较为合理。的适线法较为合理。2 2、时段降水量的分析计算、时段降水量的分析计算一般采用随机水文相关解集模型进行分析计算确定。一般采用随机水文相关解集模型进行分析计算确定。3 3、次降水量的分析计算、次降水量的分析计算一般采用同倍比缩放法。一般采用同倍比缩放法。三、优化调蓄模型的建立三、优化调蓄模型的建立1 1、某时段蓄水设施巾可获得的总水量、某时段蓄水设施巾可获得的总水量WWA A 2 2、灌溉利用区单作面积上可获得利用的水量、灌溉利用区单作面积上可获得利用的水量 3、作物产量对灌溉的反应 作物产量Y 对灌溉的反应取决于灌水量m及外界因素； 4、调蓄模型的目标函数凋蓄模型的最终目标是要确定集水区面积A、灌溉利用区面积AM与蓄水设施容积V的最佳组合方案，使该系统净效益B最大，即目标函数：5 5、调蓄模型的约束条件、调蓄模型的约束条件调蓄模型优化应考虑调蓄模型优化应考虑3 3种组合方案，即相应的有种组合方案，即相应的有3 3种约束条件：种约束条件：(1)(1)灌溉面积灌溉面积A AMM已确定，寻求最佳蓄水设施容积已确定，寻求最佳蓄水设施容积V V和集水面积和集水面积A A，其约束条件：其约束条件： (2)集水区面积A已确定，寻求最佳蓄水设施容积V和灌溉利用区而积AM，其约束条件： (3)(3)雨水径流集蓄与灌溉利用系统总面积雨水径流集蓄与灌溉利用系统总面积 已确定，求解集水已确定，求解集水区面积区面积A A、灌溉利用区面积、灌溉利用区面积A AMM和蓄水设施容积和蓄水设施容积V V的最佳组合，的最佳组合，其约束条件：其约束条件：四、推求蓄水设施有效容积的逆时序法若某一典型年水量调配过程，到年未蓄水设施放空，即年末所需蓄水量为0，逆时序往前推算，遇缺水相加，遇余水相减，减后若小于0，即取为0。这样便可求得各特征时刻所需要的蓄水量，取其大者，即为该年所需的蓄水设施有效容积。五、蓄水设施调蓄能力及其容积与个数1、蓄水没施的调蓄能力理论上的复蓄次数是一个反映蓄水设施调蓄能力的概念，它等于由蓄水设施所提供的总水量与蓄水设施的有效容积之比：N主要决定于集水与用水的配合协调情况，若各个时段的集水与用水基本持平，则复蓄次数就大；反之，则小。显然，N越大，说明蓄水设施的调蓄能力越强，利用率越高，也就越经济。 2、蓄水设施的容积与个数优化计算确定出系统蓄水设施的总有效容积，相应的蓄水设施的个数从以下方面分析考虑：(1)经济性。蓄水设施容积越大，单位容积的蓄水设施费用越小。(2)合理性。蓄水设施的设置结合具体的地形、地质等条件决定。(3)方便性。指蓄水设施便于养护、管理，集水、取水比较方便。