农田水利水课程设计

1、农田水利学课程设计灌区灌溉系统的任务书基本资料1.1概况灌区位于界荣山以南，马清河以北，（20m等高线以下的）总面积约12万亩。气候温和，无霜期长，适宜于农作物生长。年平均气温16.5，多年平均蒸发量1065mm，多年平均降水量1112mm，灌区地形图见附图。灌区人口总数约8万，劳动力1.9万。申溪以西属兴隆乡，以东属大胜乡。根据农业规划，界荣山上以林、牧、副业为主，马头山以林为主，20m 等高线以下则以大田作物为主，种植稻、麦、棉、豆等作物。灌区上游土质属重粘壤土，下游龙尾河一带属中粘壤土。地下水埋深一般为45m,土壤及地下水的PH值属中性，无盐碱化威胁。界荣山 、龙尾山等属土质丘陵，表土属

2、重粘壤土，地表56m以下为岩层，申溪及吴家沟等沟溪均有岩石露头，马头山陈村以南至马清河边岩石遍布地表。吴家沟等沟溪纵坡较大，下切较深，一般为78m，上游宽5060m，下游宽7090m，遇暴雨时易暴发洪水，近年来已在各沟、溪上游修建多处小型水库，山洪已基本得到控制，对灌区无威胁。灌区为马清河流域规划的组成部分。根据规划要求，已在兴隆峪上游20km处（图外）建大型水库一座，坝顶高程50.2m，正常水位43.0m，兴利库容1.2×1,总库容2.3×1。马清河灌区拟在该水库下游断面处修建拦河坝式取水枢纽，引取水库水发电则利用尾水进行灌溉。断面处河底高程30m，砂、卵石覆盖层厚2.5

3、m，下为基岩，河道比降1/100，河底宽82m，河面宽120m。水库所供之水水质良好，含沙量极微，水量亦能完全满足灌区用水要求。1.2气象根据当地气象站资料，设计的中等干旱年（相当于1972年）411月水面蒸发量（80cm口径蒸发皿）及降水量见表1及表2。表1 设计年蒸发量统计月 份4567蒸发量（mm）97.5118.0143.7174.9月 份891011蒸发量（mm）196.5144.7101.175.6表2 设计年降水量统计日月 份4567891017.64.6212.717.418.533.41.98492.055.31.210.864.87.92.878.628.582.5919.

4、1103.6112.52.1121.96.4137.52.31412.11.91.91510.0166.04.83.532.81725181.3191.6204.312.612211.818.5222.110.649.22.53.6231.410.74.52435.47.4256.2262271.1281.53.729307.7313.6月计72.9109107.840.525.0381041.3种植计划及灌溉经验灌区以种植水稻为主，兼有少量旱作物，各种作物种植比例见表3。表3 作物种植比例作 物旱稻中稻双季晚稻棉花种植比例（%）50284517根据该地区灌溉试验站观测资料，设计年（1972）

5、早稻及棉花的基本观测数据如表4及表5所示；中稻及晚稻的丰产灌溉制度列于表6。表4 早稻试验基本数据生 育 阶 段复苗分蘖前分蘖后孕穗抽穗乳熟黄熟全生育期起止日期（日/月）25/44/55/514/515/51/62/616/617/630/61/711/712/720/725/420/7天 数101018151411987模比系数（%）78182521138100田间允许水层深（mm）10-30-5010-40-8020-50-9020-50-10020-50-9010-40-50湿润渗透强度（mm/d）1.31.31.31.31.31.31.3注：全生育期需水系数a=1.0。表5 棉花试验基

6、本数据生 育 阶 段幼苗期现蕾期开花结铃期吐絮期全生育期起止日期（日/月）21/416/617/628/729/726/827/86/1121/46/11模比系数（%下水补给量占作物需水量的（%）10202225计划湿润层深（m）0.40.50.50.60.60.70.7注：计划产量120kg；需水系数k=2.67m3/kg；土壤空隙率为48%（占土体的%）；土壤适宜含水率上限为88%，下限为61.6%（占空隙%）；田间最大持水率为88%（占空隙%）；播种时，计划层土壤储水量为102m3/亩。2.1根据基本资料用水量平衡法（列表计算）制定早稻及棉花的灌溉制度，建议编程

7、计算或利用Excel计算。2.2根据所制定的早稻及棉花的灌溉制度以及表6所给出的中稻及双季晚稻的灌溉制度资料，编制全灌区的灌水率图，并进行修正，使其符合要求。在制定灌水率图时，建议采用的一次灌水延续时间如下：早、中稻泡田812昼夜；双季晚稻泡田57昼夜；各类水稻生育内一次灌水的延续时间35昼夜。棉花生育期内一次灌水延续时间510昼夜。表6 中稻、双季晚稻设计年丰产灌溉制度中稻双季晚稻灌水次序灌水时间（日/月）灌水定额（/亩）灌水次序灌水时间（日/月）灌水定额（/亩）1（泡田）7/5751（泡田）21/770226/525227/71534/62531/825410/63047/825520/6

8、30512/82562/730623/83078/730727/830814/730831/830922/73096/9301029/7251012/9301110/8201119/9301230/920灌溉定额 350（/亩）灌溉定额 360（/亩）附注：早稻泡田日期为4月13日，定额为：80m3/亩。2.3确定渠首枢纽的位置及形式。在地形图上布置引水干渠、支渠，以及主要渠系建筑物。在灌区中部选择一条支渠布置斗、农级渠道。2.4推算典型支渠各级渠道的设计流量及灌溉水利用系数(田间水利用系数取0.92)；推算其它各支渠渠首及干渠各段的设计流量。2.5设计干渠各段的纵横断面及典型支渠横断面，干、

9、支渠采用浆砌石衬砌梯形断面，干渠边坡系数m=1.25。2.6设计典型斗渠和典型农渠横断面，斗、农渠采用混凝土衬砌矩形断面。作物灌溉制度和灌水率的制定作物灌溉制度的制定早稻灌溉制度的制定（包括泡田和生育期的灌溉制度）1) 泡田期灌溉制度泡田定额（已给定）：80 m3/亩2) 生育期灌溉制度早稻生育期灌溉制度用水量平衡方程计算，列表以1为时段逐日计算时段末的水层深度，计算完成后进行水量校核，校核无误后，给出灌溉制度汇总表及总灌溉定额。其中起始水层深为泡田后建立的田面水层深，可取初始生育期阶段允许水层深的一个值，稻田逐日渗漏强度见基本资料。水量平衡方程式中h1时段初田面水层深度，mm;h2时段初田面

10、水层深度，mm;P时段内降雨量，mm;m时段内灌水量，mm;WC时段内田间耗水量，mm;d时段内排水量，mm.其中式中ET日逐日需水量，mm; S稻田逐日渗漏强度，mm.式中ETi各生育阶段作物需水量，mm;n各生育阶段天数。Ki各生育阶段需水量模比系数，ET全全生育阶段需水量，mm。需水系数，；E0全生育期水面蒸发量，mm。水量校核方程h始生育期泡田后建立的起始水层深，mm；h末生育期末田面的水层深，mm；计算早稻灌水制度：计算过程见下表逐日耗水量计算表生育阶段复苗分蘖前分蘖后孕穗抽穗乳熟黄熟全生育期起止日期（日/月）25/44/55/514/515/51/62/616/617/630/61

11、/711/712/720/725/420/7天 数101018151411987模比系数（%）78182521138100渗透强度（mm/d）1.31.31.31.31.31.31.3阶段需水量（mm）27.631.570.998.582.751.231.5394阶段渗漏量（mm）131323.419.518.214.311.7113.1阶段田间耗水量（mm）40.644.594.3118100.965.543.2507.1日平均耗水量（mm）4.14.55.27.97.264.8早稻生育期灌溉制度计算列如下表。早稻生育期灌溉制度计算表日期生育期设计淹灌水层逐日耗水量逐日降雨淹灌水层变化灌水量

12、排水量月日424复苗10-30-504.125.4254.121.3264.117.2274.113.1284.11.510.5294.126.420304.122.3514.118.224.114.134.13.413.444.1925051.35分蘖前10-40-804.51.246.764.57.950.174.528.574.184.569.694.565.1104.560.6114.52.558.6124.56.460.5134.556144.551.515分蘖后20-50-905.246.3165.2647.1175.22566.9185.261.7195.256.5205.251

13、.3215.246.1225.210.651.5235.210.757245.251.8255.246.6265.241.4275.21.137.3285.23.735.8295.230.6305.225.4315.220.2615.245302孕穗20-50-1007.917.454.537.91.948.547.940.657.932.767.924.877.946.93087.93997.931.1107.923.2117.945.330127.937.4137.929.5147.91.923.5157.945.630167.937.717抽穗20-50-907.230.5187.223

14、.3197.246.130207.238.9217.231.7227.249.273.7237.266.5247.235.4904.7257.282.8267.2277.6277.270.4287.263.2297.256307.248.871乳熟10-40-50642.82636.83630.84624.85618.86612.87636.8308630.89624.810618.811612.812黄熟湿润4.88134.83.214151617181920478.6308.320056校核：校核：25.4+308.3+200-478.6-56=-0.9与7月13日淹灌水层基本相符，计算无

15、误。可得早稻生育期设计灌溉制度，如下表。早稻生育期灌溉制度表作物作物所占面积（%）灌水次序灌水定额(m3/亩)灌水时间（日/月)延续时间（d)灌水率m3/（s·万亩)早稻50（泡田）1804月13日100.462204月29日50.233306月1日50.354306月7日50.355306月11日50.356306月15日50.357306月19日50.358307月6日50.35棉花灌溉制度的制定棉花播前灌。实际规划中，播前灌之前土壤计划湿润层深度内的平均含水率0应该实际调查得到。本设计中取值见基本资料表5.播前灌定额为将计划湿润层深度范围内的土壤由平均初始含水率0灌至含水率上限

16、max所需的水量。播前灌水定额有效降雨为。当旬内有接连两天或两天以上的降雨时，看做一次降雨，将其累加，如不是则就为一次降雨。当一次降雨小于5mm时，为0；当一次降雨在550mm时，取为0.9；当一次降雨大于50mm时，取为0.75。由此可得入渗的有效降雨量如下表入渗的有效降雨量如下表。生育阶段起止日期（日/月） P0mm m3/ 亩幼苗 4.21-4.304.773.185.1-5.1099.7566.55.11-5.2047.731.85.21-5.3119.1712.786.1-6.1017.3711.586.11-6.1600现蕾6.17-6.20006.21-6.30 50.0433.

17、367.1-7.10007.11-7.2012.698.467.21-7.2812.968.64开花结铃7.29-7.3110.176.788.1-8.109.726.488.11-8.2012.788.528.21-8.2600吐絮8.27-8.31009.1-9.106.754.389.11-9.20009.21-9.3019.8913.2610.1-10.1043.4728.9810.11-10.2039.8726.5810.21-10.315.583.7211.1-11.600确定棉花的灌溉制度棉花全生育期的需水量为即其各生育阶段的需水量为各生育阶段地下水补给量为由于计划湿润层增加而增

18、加的水量求出各个阶段每日的需水量，地下水补给量，由于计划湿润层增加而增加的水量，再乘以各个旬的天数，得到各旬的量。再以旬为单位进行灌溉制度的计算。计划湿润层的最大、最小蓄水量：棉花各个生育阶段耗水量计算表自作物生长初期土壤计划湿润层储水量W0，逐旬减去（ET-WT-K），当遇有降雨时再加上降雨入渗量P0，既得计划湿润层实际储水量（W）。当W接近于Wmin时，即进行灌水。灌水定额大小要适当，不应使灌水后土壤储水量大于Wmax。如此继续进行就得全生育期的各次灌水定额、灌水时间和灌水次数。第 30 页 共 31 页1作物需水量E累积曲线；2渗入土壤内的降雨量累积曲线；3WT累积曲线；4K值累积曲线；

19、5计划湿润土层中的实际储水量W曲线；6计划湿润土层允许最小储水量Wmin曲线；7计划湿润土层允许最大储水量Wmax曲线设计灌水率的确定灌水率计算根据4种作物的灌溉制度及作物种植比，列表计算各种作物的各次灌水率。注意不要漏掉泡田定额和播前灌。建议采用的一次灌水延续时间：早、中稻泡田8-12d，双季晚稻泡田5-7d；各类水稻生育期内一次灌水的延续时间3-5d；棉花生育期内一次灌水延续时间5-10d。灌水率计算表作物作物所占面积（%）灌水次数灌水定额(m3/亩)灌水时间（日/月)延续时间（d)灌水率m3/（s·万亩)早稻50（泡田）1804月13日100.462204月29日50.2333

20、06月1日50.354306月7日50.355306月11日50.356306月15日50.357306月19日50.358307月6日50.35中稻28（泡田）1755月7日100.242255月26日50.163256月4日50.164306月10日50.195306月20日50.196307月2日50.197307月8日50.198307月14日50.199307月22日50.1910257月29日50.1611208月10日50.13双季晚稻45（泡田）1707月19日70.522157月27日50.163258月1日50.264258月7日50.265258月12日50.266308

21、月23日50.317308月27日50.318308月31日50.319309月6日50.3110309月12日50.3111309月19日50.3112209月30日50.21棉花17138.424月15日50.152658月15日50.26绘制初步灌水率图通过已知的中稻和晚稻的灌溉制度，得出全灌溉区的初步灌水率图如下图所示：月份灌水率 早稻中稻双季晚稻棉花4月中旬 0.460.154月下旬0.235月上旬0.245月中旬 5月下旬0.166月上旬0.70.356月中旬1.050.196月下旬7月上旬0.350.387月中旬0.190.527月下旬0.350.168月上旬0.130.528月

22、中旬0.260.268月下旬0.939月上旬0.319月中旬0.629月下旬0.21修正灌水率图修正原则：要以不影响作物需水要求为原则，尽量不要改变主要作物关键用水期的各次灌水时间，修正后的灌水率图要比较均匀连续，修正后最小的灌水率应不小于最大灌水率的40%。月份灌水率 早稻中稻双季晚稻棉花4月中旬 0.460.154月下旬0.230.245月上旬0.355月中旬 0.355月下旬0.350.166月上旬0.356月中旬0.350.196月下旬0.350.197月上旬0.350.197月中旬0.190.527月下旬0.190.160.268月上旬0.160.528月中旬0.130.518月下旬

23、0.519月上旬0.319月中旬0.319月下旬0.51设计灌水率如图所示， 全区的灌水率为最高为0.71m3/(S·万亩），灌区灌溉系统的设计模数采用最高的灌水率0.50m3/(s·万亩）各级灌溉渠道的规划布置（平面布置）水源与取水口选择灌区的水源主要是以马清河为灌溉水源。马清河上游，水位较高，还有一座水库水质良好，含沙量极微，灌区上游土质属中壤，下游龙尾河一带属轻砂壤土。地下水埋深一般为45m，土壤及地下水的PH值属中性，无盐碱化威胁。取水口宜取在凹岸中点偏下游处，取水口在这里可加大进流量，有效防止泥沙入渠，另外还可以避免水直接冲击渠道，有利于渠道的保护。各级渠道与沟道

24、的布置本灌区灌溉渠道分为干、支、斗、农四级固定渠道。本灌区属于小坡度地区。一支布置在整个灌区的西面，与等高线成一定的角度。二支布置在吴家沟和申溪之间，三支布置在小坳与新村连线，四支布置在枯石村与陈留连线，即整个灌区由四条支渠控制。第三支渠灌溉面积适中，可作为典型支渠，该支渠有16条斗渠，斗渠长1800m，取第五斗渠为典型斗渠。每条斗渠有10条农渠，长700m,间距200m，可取五斗二农为典型农渠。3.3渠系建筑物布置渠系建筑物是指与渠道配套的水闸、涵洞、桥梁、渡槽、倒虹吸、跌水、陡坡等建筑物。渠系建筑物的选型与布置原则1、尽量采用定型设计和装配式建筑物；2、尽量利用当地材料修建；3、渠系建筑物

25、的位置应根据渠系平面布置图、渠道纵横断面图及当地情况合理布局；4、渠系建筑物应满足渠道输水、配水、量水、泄水和防洪等要求，保证渠道正常运行，最大限度地满足作物需水要求；5、渠系建筑物布置尽可能集中，联合修建，形成枢纽，降低造价，便于管理；6、布置渠系建筑物应使水流流态稳定，水头损失小。主要的渠系建筑物有：1.引水建筑物进水闸：在渠道取水处，调节干渠的进水流量，满足灌溉对水位、流量的要求。2.配水建筑物（1）分水闸 布置在各支渠、斗渠和农渠渠首。上级渠道的分水闸就是下级渠道的进水闸。 分水闸的作用是控制和调节向下级渠道的配水流量，其结构形式有开敞式和涵洞式两种。（2）节制闸 垂直于渠道中心线布置

26、，其作用是控制渠道水位或流量。下列情况需要设置节制闸：在上级渠水位不能保证下级渠正常引水时，需在上级渠建节制闸抬高水位，保证下级渠引水。实行轮灌时，在轮灌组分界处需设节制闸。在重要建筑物或险工渠段前需联合修建节制闸和泄水闸，以防止漫溢，保证建筑物和渠道的安全。3.交叉建筑物常见的交叉建筑物有：隧洞、渡槽、倒虹吸、涵洞、桥梁等。隧洞 当渠道遇到山岗时，或因石质坚硬，或因开挖工程量过大，往往不能采用深挖方渠道，如沿等高线绕行，渠道线路又过长，工程量仍然较大，而且增加了水头损失。在这种情况下，可选择山岗单薄的地方凿洞而过。倒虹吸 渠道穿过河沟、道路时，如果渠道水位高出河沟洪水位，但渠底高程却低于河沟

27、洪水位时；或渠底高程虽高于路面，但净空不能满足交通要求时，就要用压力管道代替渠道，从河沟、道路下面通过，压力管道的轴线向下弯曲，形似倒虹。渡槽 渠道穿过河沟、道路时，如果渠底高于河沟最高洪水位或渠底高于路面的净空大于行驶车辆要求的安全高度时，可架设渡槽；渠道穿越洼地时，如采用高填方渠道工程量太大，也可采用渡槽。 涵洞 渠道与道路相交，渠道水位低于路面，而且流量较小时，常在路面下面埋设平直的管道，叫做涵洞。桥梁 渠道与道路相交，渠道水位低于路面，而且流量较大，水面较宽时，要在渠道上修建桥梁，满足交通要求。 4.衔接建筑物当渠道经过坡度较大的地段时，为防止渠道冲刷，保持渠道的设计比降，就把渠道分成

28、上、下两段，中间用衔接建筑物联结，常见的衔接建筑物有跌水或陡坡。 （1）跌水：水位落差小于时，宜建跌水。 （2）陡坡：水位落差大于时，宜建陡坡。5.泄水建筑物用于排除渠道中余水或入渠洪水。（1）退水闸：布置在较大的干、支、斗渠末端，以排泄渠中余水（防止滋生杂草和蚊虫）。 （2）泄水闸：与节制闸联合修建，保护重要建筑物和险工渠段。6.量水建筑物（1） 利用闸、涵、渡槽等量水。在干支渠上量水一般利用这些渠系建筑物量水。（2）利用特设计量水设备量水。如三角堰、梯形堰、巴歇尔量水槽、喷嘴等。一般斗、农渠上可采用特设量水设备。各级灌溉渠道的设计流量的推求确定工作制度为了各用水单位受益均衡，避免因水量过分

29、集中而造成灌水组织和生产安排的困难，干支渠采用续灌，为了缩短各条渠道的输水时间，加大输水流量，减少输水损失水量，有利于农业耕作和灌水工作的配合，提高灌水工作效率，斗、农渠采用轮灌，且进行集中编组。斗渠、农渠各分两组。计算典型支渠设计流量计算步骤：先分别计算出支渠田间净流量、农渠田净流量和农渠净流量；逐级推算农渠、斗渠、支渠的设计流量逐段计算、最后计算灌区灌溉水利用系数。渠别一支二支三支四支合计长度（km）5.065.065.05.1320.25灌溉面积（万亩）1.703.003.004.3012.00推求典型支渠（三支渠）及其所属斗、农渠的设计流量计算农渠的设计流量。三支渠的田间净流量为：因为

30、斗、农渠分两组轮灌，同时工作的斗渠有8条，同时工作的农渠有4条，且同级渠道控制面积相同，所以，农渠的田间净流量为：取田间水利用系数f=0.95，灌区土壤属中粘壤土，从表5-1中可查出相应的土壤透水性系数：A=1.9,m=0.4。据此可计算出农渠每公里输水损失率： 计算斗渠的设计流量。斗渠的平均工作长度L斗=1.4km计算三支渠的设计流量。支渠的工作长度为：L支=5.0km支渠的净流量为：支渠每公里输水损失系数为支渠的设计流量为三支渠的灌溉水利用系数计算干渠设计流量计算一、二、四支渠的田间净流量计算一、二、四支渠的设计流量。以典型支渠（三支渠）的灌溉水利用系作基数，用来计算其它支渠的设计流量。推

31、求干渠各段的设计流量CD段的设计流量。 BC段的设计流量。AB段的设计流量。 OA段的设计流量。水位推求参考点的选取分析，反复比较，慎重确定。（水位高程计算见附表） 水位公式如下：   Hx= A0+ h0 +Li+h              式中：HX 某一级渠道对上一级渠道要求的水位，m A0 渠道灌溉范围内参考点的地面高程，m； h0 参考点要求的灌水深，m，一般取0.10.2m； 参考点较难灌到的

32、地面点，在地形均匀变化的地区，参考点的选择原则是：若沿渠地面坡度大于渠道比降，渠道进水口附近的地面最难控制，反之，渠尾地面最难控制。由于该渠道沿渠地面坡度大于渠道比降，所以，渠道进水口附近的地面最难控制。干渠水位的确定干渠水位应满足各支渠自流引水对水位的要求。渠道的设计水位线应综合考虑水源水位、下级渠道要求流水位、沿渠地形和地质条件、灌溉面积大小、工程量多少、施工难易、造价高低等各种因素，全面 L 渠道的长度，m；i 小数值表 渠道的比降； h 水流通过渠系建筑物的水头损失，m。渠道建筑物水头损失最干渠的水位要高于马清河上游的自然水位，所以确定引水方式为有坝引水。堤顶高程线的确定 堤顶高程最高

33、水位+安全超高安全超高可取0.5m。综上所述，干渠各断面的地面高程、正常水位、最高水位、最低水位、堤顶高程、渠底高程的计算结果见下表：分水点OABCD建筑物进水闸公路桥分水点公路桥、节制闸渡槽分水点、节制闸、公路桥渡槽公路桥、节制闸分水点水头损失0.050.150.150.150.150.15地面高程26.17425.39424.86624.76624.3723.81423.36422.89422.032正常水位26.47425.69425.16625.06624.6724.11423.56422.99422.032最低水位25.94325.16324.62924.52924.13323.51

34、623.06622.43821.576最高水位26.6625.8825.34125.24124.84524.17223.72223.0422.178堤顶高程27.1626.3825.84125.74125.34524.67224.22223.5422.678渠底高程25.17424.39423.86623.76623.3722.81422.36421.79420.932渠道横断面设计渠道纵横断面设计原理 灌溉渠道一般为正坡明渠，按明渠均匀流公式设计。其基本公式为：V=式中：V渠道平均流速，m/s； C谢才系数， m0.5 /s； R水力半径，m; i 渠底比降。 谢才系数常用曼宁公式计算：C=

35、 式中：n 渠床糙率系数。渠道设计的依据（1）渠底比降，比降选择是否合理关系到工程造价和控制面积，应根据渠道沿线的地面坡度、下级渠道进水口的水位要求，渠床土质，水源含沙情况等因素，为了减少工程量，应尽可能选用和地面坡度相近的渠底比降，一般随着设计流量的逐级减小，渠底比降逐级增大（2） 渠床的糙率系数：渠床的糙率系数是否符合实际，直接影响到设计成果的精度，如果n值选的太大，渠道的设计断面就偏大，不仅增加了工程量，而且会因实际水位低于设计水位而影响下级渠道的进水，如果n取值太小，设计的断面就偏小，输水能力不足，影响灌溉用水。（3） 渠道的边坡系数：边坡系数的大小关系到渠坡的稳定，要根据渠床土壤质地和渠道深度等条件选择适宜的数值（4） 渠道断面的宽深比：宽深比对渠道工程量和渠床稳定有较大影响，渠道宽深比的选择要考虑一下要求 工程量最小，采用水力最优断面的宽深比可使渠道工程量