农田水利学课程设计报告

Q灌区灌溉系统规划设计指导书姓名：万文辉学号：2012310562班级：水工2班老师：孙飞一、灌区开发缘由（一）基本情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°C，多年平均蒸发量1065mm，多年平均降水量1112mm，马清河灌区地形图见附图。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。灌区上游土质属中壤，下游龙尾河一带属轻砂壤土。地下水埋深一般为4~5m，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，表土属中粘壤土，地表5~6m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7~8m，上游宽50〜60m，下游宽70~90m，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。Q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1.2x108m3,总库容2.3x108m3。马清河灌区拟在该水库下游AA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。A-A断面处河底高程30m，砂、卵石覆盖层厚2.5m,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。（二）灌区开发的必要性和可行性首先，该灌区灌溉面积近12万亩，其种植的作物包括有棉早稻、中稻、双季稻和棉花，都是相对来说耗水的经济作物，种植比为50：30：50：20。其次，就目前来说，该灌区位于河流冲击所形成的平原带，其正南方有马清河通过，而在马清河上游有一兴利库容1.2x108m3,总库容2.3x108m3的水库，同时其水源方便、水质良好，符合灌溉的条件。最后，在灌区其现在仅有两条河流，但是只是小流量河流，并不能满足灌区对于水量的需要，因此修建渠道十分必要。二、灌溉渠系与渠系建筑物规划布置（一） 水源与取水口选择以马清河为灌溉水源，同时采用无坝取水的方式进行，而取水口选择在A-A断面，其不仅水源方便、渠道距离短，同时灌区处于高程小于20m的区域,而若从马清河的河道取水，其路途不仅长，而且其位于低洼处，不能够在节约工程的前提下进行经济的引水，同时在沿河道周围岩石遍地，对于渠道的修建来说工程量大。而在水库断面进行取水不仅能够满足取水高程的要求，同时在路程上来说也是较短的。（二） 各级渠道布置1、 干渠干渠的布置是从取水处起，沿等高线向下直到等高线为20m处左右，贯穿整个灌区范围，总长度为17.7km，具体情况见图1.2、 支渠支渠的布置以满足灌区的需水要求为大前提，同时由于灌区归属于两个不同的权属单位，因此要避免用水的冲突，不能够使同一支渠对该两权属单位进行灌溉，要分别的进行布置。而该灌区中又包含有河流为两山夹一槽的地形，故为了能够满足灌排的需要，可以使支渠远离河流，布置了四条支渠，长度分别为4km、5.3km、6.9km、7.0km，其将灌溉区域划分为四个区域，分别的面积为2.04万亩、2.89万亩、3.41万亩、3.78万亩，将干渠分为四段，各自的长度分别为3.05km、6.57km、4.83km、3.25km，具体的布置情况见图1.3、 斗渠由于灌区相对来说比较平缓，因此斗渠沿等高线布置，设计的为典型斗渠，其斗渠均长为4km,间距为737m，一支渠包括有八条斗渠。具体见图1.4、 农渠典型农渠的设计为每条斗渠包括20条农渠，农渠长度为715m，间距为200m，具体的布置见图1.（三）渠系建筑物布置由于取水处够高，故可以不用设置节制闸，但是采用的是有坝取水，故要求有进水闸，而在干渠的渠首段其需要经过山丘然后走向下游，故可以采用涵洞或者是跌水。在每条支渠的进水口还需要设置分水口，干渠要经过河流，故需要在其上设置渡槽，每级渠道也需要设置退水渠。三、计算渠道设计流量（一） 确定工作制度干支渠续灌，斗、农渠轮灌（各分两组，即10条农渠，4条斗渠）（二） 计算典型支渠设计流量首先确定该灌区的棉花和早稻的灌溉制度。棉花的田间耗水量等于其田间需水量，而对于干旱作物采用K值法求解其整个生育期的需水量，再运用模比系数求取每个生育阶段的需水量。运用水量平衡法求取其灌水量，具体的求解方法及求解过程见表1。棉花设计灌溉制度计算表表1生育阶段幼苗期(21/416/6)现蕾期(21/4-16/6)开花结铃期（17/6-28/7）吐絮期(27/8-6/11)全生育期（21/4-6/11）计划产量（kg/亩）120需水系数（m3/kg）2.67土壤最大含水率（％）88.000土壤最小含水61.600

率（％）全生育期畜水量（m3/亩）320.4n0.480计划湿润层深（m）0.4-0.50.5-0.60.6-0.70.700Wmax（m3/亩）140.870169.044197.219197.219Wmin（m3/亩）78.88798.609118.331138.053模比系数（％）18.00030.00024.00028.000100.000阶段需水量（m3/亩）57.67296.12076.89689.712320.400k/et（%）10202225K（m3/亩）5.76719.22416.91722.428Wr（m3/亩）21.13124.01226.8930.000P（m3/亩）054.40040.8008.29330.311W（m3/亩）0102.000期末土层储水量（m3/亩）125.626113.54288.750111.777灌水量（m3/亩）0060.00060.000灌水后土壤含水量（m3/亩）00148.750171.777（1） 棉花全生育期的需水量已丁总=K*YK-----2.67m3/kg Y----计划产量120kg/m3（2） 各生育阶段的需水量已丁=模比系数*ET总（3） Wt=667*n*0平均*△h,求取各阶段随着计划湿层增加而增加的储水量。（4） 地下水补给K=ET*补给系数（5） P0=a*P，其中a取0.2-0.3,P为个生育期的降雨量（6） 计算土层允许的储水上限值和下限值Wmax=667*n*H*8maxWmin=667*n*H*8min（7） 再运用公式H0+P0+K+Wt-ET，当结果介于Wmax和Wmin之间时，无需灌水，但是当结果小于Wmin时便需要灌水，同时取每一阶段的中间日期灌水，具体的灌溉制度见表2.棉花设计灌溉制度表2

灌水次序灌水时间（日/月）灌水定额（m3/亩）18月15日6029月30日60汇总灌溉定额100早稻灌溉制度的确定，首先来说早稻的需水量+田间深层渗漏量=田间耗水量，需水量ET=该阶段模比系数*该阶段的蒸发量，田间深层渗漏量=该阶段渗透强度*该阶段生长天数，然后遵循当田间淹灌水层深度H=HO+PO-ET大于最大蓄水深度Hp时要排水，排水量Ah=H-Hp；反之当H=H0+P0-ET小于适宜的最小淹没层深度Hmin时则需要灌水，而灌水量m需满足max（m+H）WHmax（适宜的最大淹没层深度），同时由于其黄熟期为自然干落，故不考虑其耗水，只考虑黄熟期之前的水量平衡，具体的求解过程见表3.早稻生育期灌溉制度计算表表3日期月日生育期设计淹灌水层逐日耗水量逐日降雨量淹灌水层变化灌水量排水量⑴(2)⑶⑷(5)⑹(&)⑻42410.00252627282930复苗期10-30-5025.9020.0021.8017.701.5015.1011.004.1026.9020.005122.80

23418.703.4018.0092.0050.0055.90567891011121314分蘖前10-40-801.2046.707.9050.1028.5074.1069.6065.1060.602.5058.606.4060.504.5056.0051.50151617181920212223242526分蘖后20-50-9146.306.0047.1024.5066.4085.7080.5075.3070.1010.6075.5010.7081.005.2075.8070.6065.40

27282930311.1061.303.7059.8054.6049.4044.206139.002345678910111213141516孕穗20-50-10017.4048.501.9042.5034.607.9026.7048.8030.0040.9033.0025.1047.2030.0039.3031.4023.501.9047.5030.0039.6031.70171819202抽穗20-50-917.2024.5047.3030.0040.1032.9025.70

122232425262728293049.2067.7060.5035.4088.7081.501.5075.8068.6061.4054.2047.0071234567891011乳熟10-40-5041.0035.0029.0023.0017.006.0011.0035.0030.0029.0023.0017.0011.001213141516黄熟湿润4.8010.004.10

17181920校核：H+ZP-Zd+Zm-ZWC=H始 末10+307.3-55.9+190-440.40=11.00与7月11日的淹没水层的深度相等，计算无误。早稻的灌溉制度见表4早稻设计灌溉制度表表4灌水次序灌水时间（日/月）灌水定额mm（m3/亩）14月25日2013.33324月30日2013.33336月6日3020.00046月10日3020.00056月14日3020.00066月18日3020.00077月7日3020.000汇总灌溉定额190126.667（注lmm=2/3m3/亩）然后结合其他作物的灌水制度及灌水、泡田的延续时间进行灌水率图的绘制和修正，具体的绘制、修正过程和结果见下表和图。灌区初步的灌水率表5作物作物所占面灌水灌水定额灌水灌水延续时灌水率（m3/积（％）次数（m3/亩）时间间（d）（S.万由）棉花201608月15日60.231棉花2609月30日60.231

双季晚稻501（泡田）707月19日60.675双季晚稻2157月27日40.217双季晚稻3258月1日50.289双季晚稻4208月7日50.231双季晚稻5258月12日50.289双季晚稻6308月23日50.347双季晚稻7308月27日50.347双季晚稻8308月31日50.347双季晚稻9309月6日50.347双季晚稻10309月12日50.347双季晚稻11309月19日50.347双季晚稻12209月30日50.231早稻50113.3334月25日30.257早稻213.3334月30日30.257早稻320.0006月6日40.289早稻420.0006月10日40.289早稻520.0006月14日40.289早稻620.0006月18日40.289早稻720.0007月7日40.289中稻301（泡田）755月7日100.260中稻2255月26日40.217中稻3256月440.217

日中稻4256月10日40.217中稻5306月20日40.260中稻6307月2日40.260中稻7307月8日40.260中稻8307月14日40.260中稻9307月22日40.260中稻10257月29日40.217中稻11208月10日40.174棉花早稻0.8000.7000.6000.5000.4000.3000.8000.7000.6000.5000.4000.3000.2000.1000.000初步灌水率图1亩万*6m(^水灌旬中月9旬下中月9旬上月9旬中月8旬下月8旬中上月8旬上月8旬中月7旬下中月7旬下月7旬中上月弘旬上月7旬中月6旬下中月6旬下月6旬上月6旬下月5旬中上月5旬上月5旬下月4旬上月9修正后的灌水表表6作物作物所占面积（％）灌水次数灌水定额（ms/亩）灌水时间灌水延续时间（d）灌水率（ms/（s.万由）

棉花201608月15日50.278棉花2609月30日50.278双季501（泡707月60.675晚稻田）19日双季晚稻2157月27日30.289双季晚稻3258月1日50.289双季晚稻4208月7日40.289双季晚稻5258月12日50.289双季晚稻6308月23日50.347双季晚稻7308月27日50.347双季晚稻8308月31日50.347双季晚稻9309月6日50.347双季晚稻10309月12日50.347双季晚稻11309月19日50.347双季晚稻12209月30日40.289早稻50113.3334月25日30.257早稻213.3334月30日30.257早稻320.0006月6日40.289早稻420.0006月10日40.289早稻520.0006月14日40.289早稻620.0006月18日40.289早稻720.0007月7日40.289中稻301（泡田）755月7日80.326

中稻2255月26日30.289中稻3256月4日30.289中稻4256月10日30.289中稻5306月20日30.347中稻6307月2日30.347中稻7307月8日30.347中稻8307月14日30.347中稻9307月22日40.260中稻10257月29日40.217中稻11208月10日20.347修正后的灌水率图棉花早稻中稻亩/3m•位单{率水灌0.0000.8000.7000.6000.5000.4000.3000.2000.100亩/3m•位单{率水灌0.0000.8000.7000.6000.5000.4000.3000.2000.100,旬旬旬亠旬旬旬旬旬旬旬亠旬旬旬旬旬亠旬旬旬旬旬旬口上下上中下上下占下中上中下占下中上中下中上占下中C月月月口上月月月口中月月口上月口中月月口上月月月口中月104 5月566月67月7月78月889月91 5 6 7 7 8 9月份利用以上求取的结果，制定该灌区的灌水模数q=0.694m3/（s.万亩），最小的灌水模数qmin=0.257m3/（s.万亩），同时确定每一支渠的控制面积，选取三支渠作为典型支渠，其面积A3=3.41万亩，长L3=6.9km。计算典型支渠（三支渠）的田间净流量、农渠的设计流量和斗渠的设计流量，由于灌区为中壤土，故进行渠道每公里输水损失系数的计算时相应的系数A=1.9,m=0.4•具体的求解过程和结果如下，包括设计流量、加大流量和最小流量。Q=A*q(A为该级渠道的控制面积)田间净流量田间水利用系数nf=0.92渠道每公里输水损失系数O=1.9/100/Qm其中A=1.9m=0.4该段渠道的净流量而Q=Q/n/k其中n、k为轮灌时支渠和斗渠的分组情况，此时n=4,农田净支天净k=10Qg=Qn(1+L*O)其中Qg表示该渠道的毛流量即设计流量，而Qn表示该渠道的净流量L为最下游一个轮灌组灌水时渠道的平均工作长度km，计算农渠毛流量时，可取农渠长度的一半进行计算，而其他渠道则为共组中点的距离。n0=q/Qg其表示灌溉水利用系数1 田间净流量°—一典型支渠(三支渠)及其所属斗农渠设计流量设计流量对应的计算值最小流量对应的计算值1计算农渠的设计流量三支渠的田间净流量(ms/s)Q 二A*q3支天净 3支 设2.36810.8771由于斗农渠分两组进行轮灌，同时工作的斗渠有4条、农渠有10条，故农渠的田间净流量-Q /4/103支天净农渠的田间净流量(m3/s)0.05920.0219取田间水利用系数nf=0.95故农渠的净流量-0.0703/nf农渠的净流量(m3/s)0.06320.0231灌区土壤属中壤土，故A=1.9m=0.4O=1.9/100/0.07400.4农渠每公里输水损失系数0.05770.0858

故农渠的毛流量-0.0740（1+0.9*0.0538）其中0.9为农渠的平均工作长度农渠的毛流量或设计流里为（m3/s）0.06560.02492计算斗渠的设计流量因为一条斗渠内有10条农渠同时工作，故斗渠的净流量等于10条农渠的毛流量之和=0.0776*10斗渠净流量（m3/s）0.65650.2486农渠分两组轮灌，各组要求斗渠供给的净流量相等，但是第2轮灌组距斗渠进水口较远，输水损失较多，据此求得的毛流量较大，因此第2轮灌组灌水时需要的斗渠毛流量作为斗渠的设计流量。斗渠的平均工作长度L斗=2.9km斗渠每公里输水损失系数0.02250.0332斗渠的毛流量或设计流量（m3/s）0.69830.27253计算三支渠的设计流量斗渠分为两组轮灌，以第2组轮灌要求的支渠毛流量作为支渠的设计流量。支渠的平均工作长度L支=4.422km支渠的净流量支渠的净流量为4*Q斗毛2.79311.0901

支渠每公里输水损失系数0.01260.0184支渠的毛流量或设计流量（m3/s）2.94871.1786二计算第三支渠的灌溉水利用系数三支渠的灌溉水利用系数n3支水0.8031三计算第一二四支渠的设计流量1计算第一二四支渠的田间净流量Q1支田=A1*q4.41670.5247Q2支田=A2*q2.00690.7433Q4支田二A4*q2.62500.97222计算第一二四支渠的设计流量以典型支渠（三支渠）的灌溉水利用系数作为扩大指标来计算其他支渠的设计流量Q1支毛(m3/s)1.76400.7051Q2支毛(m3/s)2.49910.9989Q4支毛(m3/s)3.26871.3065四推算干渠各段的设计流量1CD段的设计流量QCD净=04支毛3.26871.3065每km输水损失系数0.01180.0171QCD毛3.39441.37092BC段的设计流量QCD净二Q3支毛+QCD毛6.34314.3277每km输水损失系数0.00910.0106QBC毛6.62114.5487

3AB段的设计流量QAB净二Q2支毛+QBC毛9.12025.5476每km输水损失系数0.00870.0096QAB毛9.59045.89664OA段的设计流量QOA毛二Q1支毛+QAB毛11.35456.6017每km输水损失系数0.00720.0089QOA毛11.60346.7815故渠首的设计流量为11.6034m3/s渠首设计流量灌区灌溉水利用系数0.72540.3931最大流量的40%＜最小的渠首设计流量，故流量的设计符合要求渠首加大流量（取系数J为1.20）13.9241五、水位推算（一）选择参考点选择灌区最难控制的点，在整个灌区来说地形的起伏变化不大，同时渠道的比拟比降大于地面的比降，故选择里渠尾较较远的点作为控制点，渠首选择控制点高程为20m，涵洞进水口和一支渠的控制点高程选择为18m，其他控制点选择为17m。进水口的水位计算公式H=A+△h+ZLi+Z0，其中A表示灌区控进控 控制范围内的高程，△h为控制点地面与附近末级固定取得哦啊设计水位的高差，取值为0.1，L表示渠道的长度，i为渠道的比降，0为水流通过渠系建筑物的水头损失，其可参照下表进行取值渠系建筑物水头损失最小数值表渠别控制面积（万田）进水闸节制闸渡槽倒虹吸公路桥干渠10-400.1-0.20.10.150.40.05支渠1-60.1-0.10.070.070.30.03斗渠0.3-0.40.05-0.150.050.050.20农渠0.05首先支渠四的进水口水位H4=17+0.1+7000*0.0003++0.1=19.3m4支支渠三的进水口水位H3=17+0.1+6900*0.0003++0.1=19.27m3支支渠二的进水口水位H2=17+0.1+5300*0.0003++0.1=18.79m2支支渠一的进水口水位H3=18+0.1+4000*0.0003++0.1=19.479m3支支渠二和三之间渡槽进水口水位：H=18+0.1+3721*0.0001++0.15=18.62m渡隧道进水口水位H=20+0.1+1875*0.0001+0.1=20.38m涵渠首进水口水位H=20+0.2+13700*0.0001+0.15*2+0.1*4+0.1=22.47m首（二）确定引水方式无坝取水，由于上游有水库其水位已修建了堤坝，同时取水处的水位能够满足水位的要求。六、渠道横断面设计（均为土渠、均采用梯形断面）首先采用的公式及相应的系数包括：渠床糙率系数n=0.025（流量范围25-1m3/s,平整顺治，养护一般的土渠）挖方渠道的最小边坡系数m，灌区属中壤土，水深h<1m时，m=1.00；水深1<h<2时，m=1.25；水深2<h<3时，m=1.50渠道的平均流速V=C*（Ri）〃2谢才系数C=1/n*R1/6水力半径R=A/P过水断面面积A=h*（b+h*m）湿周P=b+2*h（1+m*m）1/2计算流量Q=A*C*y（Ri）1/2计算流量的校核|（Q-Q）/Q|<0.05其中Q为渠道的设计流量计算土渠的不冲速度Vcs=K*Qo.i 其中K为渠长的土壤的耐冲程度系数，中壤土K=0.57土渠的不於速度V =C-R其中R为水力半径，C为冲沙速度的系数，取不淤0.2-04（一）干渠各断面设计计算设计过水断面（采用经济实用断面）（1）拟定偏离系«=1.01 边坡系数m=1.5比降i=0.0001Q=ii.6034ms/s n=0.025（2） 计算y=a2-Ja（a4_1）=0.8227c （3）计算宽深比P= （2百1+m2—m）—m=1.6422y2（4） h=]Qn（p+2、丐）2/3:l.5731m（a+m）5/3Ji I（5） b=Ph=4.2255m（6） 校核不冲不淤过水断面积A=h*（b+m*h）=20.8042m2湿周P=b+2h*（1+m2）1/2=13.5030m水力半径R=A/P=1.5407m谢才系数C=1/n*R1/6=42.9879渠道的输水流量Q计算=A*C*（Ri）1/2=11.1009m3/s校核渠道的输水能力：|（Q-Q Q|=0.0433<0.05.故满足流量要求计算）/设计流速V=Q/A=0.5336m/s不冲速度=CjR=0.3*1.2778=0.3833m/s不淤=KQ0.1=0.62*13.54330.1=0.8046m/s不冲V<V<V不淤 不冲故在速度的设计上满足要求计算最小水深和加大水深迭代法:(1)计算A=(“°加大)0.6 =6.5454diB=2\；1+m2=3.6056(2)初拟h(或h)代入下式最小 加大A(b+Bh)o.4h'= 最小 最小b+mh最小先取h=1.5m，经过迭代后得到h=2.3367m最小 最小同理得到h=3.000m加大(规则：h〜h则计算终止，否则令h =h'继续迭代)最小最小 最小最小3•具体的横断面的设计见图(挖方渠道)(二)支渠断面设计(采用经济实用断面)半挖半填渠道的挖方深度x需满足(b+m*x)=(1.1-1.3)*2*a*[d+l/2*(ml+m2)*a]而系数：粘土取1.2同时为了满足渠道的安全稳定，