農(nóng)田水利學課程設計

1、農(nóng)田水利學課程設計一灌區(qū)概況及分布（一） 灌區(qū)自然地理和經(jīng)濟概況本地區(qū)三面環(huán)河，西起清河，南頻衛(wèi)河，東至禹河；地勢平坦，地形坡度多在0.00150.004 之間。過去由于衛(wèi)河南移，在本區(qū)的下中部橫鑿下一道陡坎；同時，入禹河河口西北方形成一凹地和局部高地。 本地區(qū)土質(zhì)肥沃，土壤質(zhì)地屬中粘壤土，微有結(jié)構(gòu)，土壤含鹽量為0.02% 宜于耕作。土中粘土含量為 10%15%，孔隙率為44.3%，干容重為 1.40t/m , 透 水性中等。地下水埋深為515m，水質(zhì)近于中性（PH=7.4 ），可溶性鹽為0.05%。 本區(qū)多年平均降雨量為 581.3 毫米，但時間分配不均，經(jīng)常出現(xiàn)季節(jié)性干旱，影響作物生長。年

2、最大降雨量為 877.7 毫米（1949 年），年最小降雨量為 363.3 毫米（1963 年），年內(nèi)降雨變率很大，七、八、九三個月降雨量占全年降雨總量 的70%。暴雨多發(fā)生在八、九月，由于本區(qū)土壤透水性較強，且地下水位較深，因而形成的地面徑流量不大，除凹地外，徑流可及時排除。多年平均蒸發(fā)量970 毫米，月平均氣溫 1316，最高氣溫 43，最低-10，每年 12 月下旬開始結(jié) 凍，元月底解凍。 全區(qū)耕地面積約為 113000 畝（100 等高線以下），由于南北方向有李家溝縱 切而過，把耕地分為東、西兩部分，其面積分別為 17000 畝和 96000 畝。當?shù)胤N 植的作物以小麥和玉米為主，其次

3、是棉花、高粱和谷子等。 全區(qū)共分布有四個鄉(xiāng)，即前進鄉(xiāng)、勝利鄉(xiāng)、合作鄉(xiāng)和紅旗鄉(xiāng)。該區(qū)由于干旱 影響，作物產(chǎn)量低而不穩(wěn)，急需發(fā)展灌溉，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力。 （二）地形和河道水量概況 1.地形 (1)灌區(qū)地形圖一張（1/25000）；土地利用率為 0.9。 (2)李家溝集水面積不大，平時干涸，雨季洪水期流水 (3)100 米等高線以上植被覆蓋很好，暴雨季節(jié)基本無徑流匯入本區(qū)。二灌區(qū)用水資料 根據(jù)鄰近地區(qū)自然和農(nóng)業(yè)條件相似的灌區(qū)作物大面積豐產(chǎn)灌溉經(jīng)驗，以及該區(qū)的灌溉試驗站試驗資料，結(jié)合本區(qū)具體條件和增產(chǎn)的要求，分析擬定出本區(qū)各種農(nóng)作物中等干旱年（75%）的設計灌溉制度見表2. 表2 中等干旱年75%的作

4、物設計灌溉制度 作物種類作物種植面積比（）生長階段灌水次數(shù)灌水定額（m3/畝）灌水日期灌水天數(shù)灌水率起始終止冬小麥60分蘗1501/1222/1222返青24020/27/316拔節(jié)3401/416/416抽穗44026/410/515棉花25播前15018/31/415幼苗23520/626/67結(jié)鈴33519/719/77開花43512/812/87早秋15播前15020/328/39拔節(jié)23525/630/66抽穗3355/810/86晚秋40播前1459/620/612拔節(jié)2351/710/710抽穗33526/74/810開花43515/824/810 表2 中等干旱年75%的作物設

5、計灌溉制度 作物種類作物種植面積比（）生長階段灌水次數(shù)灌水定額（m3/畝）灌水日期灌水天數(shù)灌水率起始終止冬小麥60分蘗1501/1222/12220.0237返青24020/27/3160.0260拔節(jié)3401/416/4160.0260抽穗44026/410/5150.0278棉花25播前15018/31/4150.0145幼苗23520/626/670.0217結(jié)鈴33519/719/770.0217開花43512/812/870.0217早秋15播前15020/328/390.0145拔節(jié)23525/630/660.0152抽穗3355/810/860.0152晚秋40播前1459/62

6、0/6120.026拔節(jié)2351/710/7100.0243抽穗33526/74/8100.0243開花43515/824/8100.0243 。A.灌水率圖灌水率圖的修正       修正原則：（1）修正后的灌水率圖應與水源供水條件相適應；（2）盡量保證作物需水臨界期的灌水不變，若需要提前或推遲灌水日期，前后不得超過3天，且以前提為主；（3）修正后的灌水率圖應當比較均勻，使得渠道水位和流量不發(fā)生劇烈變化；宜避免經(jīng)常停水特別避免小于5天的短期停水，保證渠道安全運行。在修正灌水率圖時，要以不影響作物需水為原則，盡量不要改變主要作物關(guān)鍵用

7、水期的各次灌水時間，若必須調(diào)整移動，以往前移為主，前后移動不超過三天；調(diào)整其他各次灌水時，要使修正后的灌水率圖比較均勻、連續(xù)。此外，為了減少輸水損失，并使渠道工作制度平穩(wěn)，在調(diào)整時不應使灌水率數(shù)值相差懸殊。一般最小灌水率不應小于最大灌水率的40%。 修修正灌水率圖考慮到主要作物冬小麥的需水臨界期，取該時段的灌水率為設計灌水率，即q=0.026m3/(s*100hm2)三其他資料 （1）有效利用系數(shù) 田 = 0.90 農(nóng)渠 = 0.90 渠系 = 0.65 （2）流量在2.55m /秒范圍內(nèi)修隧洞（片石拱）時，單價為 30 萬元/km ；同條 件下修建陡坡的單價為 11.5 萬元/km 。 （3

8、）支渠控制面積36 萬畝，斗渠控制面積30008000 畝。 （4 ）干支渠續(xù)灌；斗渠輪灌。四灌溉用水量 灌溉用水量計算表 各種作物各次灌溉用水流量全灌區(qū)灌溉用水量 天數(shù)全區(qū)總灌溉用水量日期冬小麥棉花早秋晚秋2-203-70.0260.0263-183-280.01150.01153-283-300.01450.01453-310.0260.0263-314-160.0260.0264-265-100.0260.0266-96-190.0260.0266-206-240.02170.00430.0266-256-260.02170.00260.02436-276-300.02430.02437

9、-17-100.02430.02437-137-190.02170.02177-268-40.02430.02438-50.02430.02438-68-120.02170.00260.02438-138-140.02430.02438-158-240.02430.024312-112-220.02370.0237五、灌區(qū)的水量平衡1、灌區(qū)水源的種類、可靠性2、灌區(qū)用水方案的擬定 表一 設計年清河流量按旬統(tǒng)計表 月101112123456789上旬27.511.65.02.02.03.54.58.05.128.131.419.0中旬20.19.54.52.02.93.85.07.03.447.

10、228.030.2下旬15.65.63.82.03.34.050.58.404.121.316.025.66、 灌排渠道布置綜合考慮灌區(qū)水源、灌溉要求、地形、土壤、水文地質(zhì)條件、行政區(qū)劃、交通用途，綜合考慮布置灌區(qū)灌排渠道。在灌區(qū)水源上游取水，布置一條總干渠和三條支渠，支渠下設斗渠、農(nóng)渠、排水溝等。（1）、渠首工程位置選擇的原則和方案該灌區(qū)水源應取清河為水源，河水水量穩(wěn)定，水質(zhì)較好，含鹽量符合灌水要求。取水口取在1#斷面和2#斷面之間的凹岸處，以防止淤積造成取水建筑物堵塞并且1#至 2#斷面間河床土質(zhì)密實，2.5 米以下為堅硬巖層。適合修筑取水建筑物.（2）、排水容泄區(qū)的選擇一支渠和二支渠控制

11、灌溉區(qū)域的的容泄區(qū)為李家溝，其中二支渠的六斗渠控制的灌溉區(qū)域容泄區(qū)為衛(wèi)河。其中二、三支渠中斗渠的多余水量也可以通過山谷基線排除，最后注入衛(wèi)河。三支渠控制的灌溉區(qū)域的容泄區(qū)也可以為衛(wèi)河和禹河。在三支渠的四斗渠控制的灌溉區(qū)域應設抽水站，將多余水從此處排入禹河（該區(qū)地勢低洼且有高崖，積水不易排出）。該灌區(qū)其他區(qū)域，排水天然地勢優(yōu)越，無需太多排水設施及溝道排水。根據(jù)已知資料得知，本地區(qū)土壤透水性強，且地下水位較深，因而形成的地面徑流量不大，除凹地外，徑流可及時排除，所以，農(nóng)溝的布置暫不考慮。（3）、灌溉渠道的規(guī)劃布置原則1、 干渠應布置在灌區(qū)的較高地帶，以便自流控制較大的灌溉面積。2、 使工程量和工程

12、費用最小。3、 灌溉渠道的位置應參照行政區(qū)劃確定，盡可能使各用水單位都有獨立的用水渠道，以利管理，并應為上下及渠道的布置創(chuàng)造良好的條件。4、 確保渠道工程安全可靠。5、 要考慮綜合利用。6、 灌溉渠系規(guī)劃應和排水系統(tǒng)規(guī)劃結(jié)合進行。7、 灌溉渠系布置應和土地整理規(guī)劃和農(nóng)業(yè)區(qū)劃密切結(jié)合，以提高土地利用率，方便生產(chǎn)生活。8、 當渠線必須轉(zhuǎn)彎時，土質(zhì)干、支渠的彎道曲率半徑應該大于干、支渠水面寬度的5倍。9、 對沿曲線方向宣泄的山洪、塬流應予以截導，防止進入灌溉渠道。（4） 、支渠以下田間工程的布置形式1.適應農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的要求，提高土地利用率，實現(xiàn)山、水、田、林、路的綜合治理。2.渠網(wǎng)配套，灌排自如，控

13、制地下水位；既能適時適量灌溉，又可以及時排水，不使農(nóng)田漬澇。3.田面平整，田埂規(guī)整，適應農(nóng)業(yè)機械化的要求。4.改良土壤，提高土地肥力，促使農(nóng)作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。5.合理利用各類土地，實現(xiàn)農(nóng)、林、牧、副、漁的全面發(fā)展，注意保持生態(tài)平衡，促進農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展。田間工程的布置形式：在田間系統(tǒng)中，渠、溝、林、路的配合采用溝路渠的布置方式，以減少輸水渠向排水溝的滲漏，道路旁為灌溉渠道和排水溝中間，在路的兩側(cè)植樹，具體布置見下圖：（5）渠系建筑物的布置。1.干支渠系建筑物布置渠系建筑物干OA一支渠干AB二支渠干BC三支渠干末S陡坡干渠進水閘11支渠進水閘1113泄水閘1113節(jié)制閘11111117渡槽11涵洞公路橋

14、1124S2424151192.斗農(nóng)渠渠系建筑物的布置。以二支渠為例，二支渠共6條斗渠，每個斗渠10條農(nóng)渠。每條斗渠上有個斗門，每個農(nóng)渠上有個農(nóng)門，共6個斗門，60個農(nóng)門。具體詳見灌區(qū)布置圖： 七、灌溉渠道設計1.渠道設計流量推算A、渠道的工作制度及劃分輪灌組的依據(jù)依據(jù)不同地區(qū)種植的不同作物在不同時間對灌水的要求不同，劃分輪灌組 。干、支渠采用續(xù)灌，支渠以下的斗、農(nóng)渠采用輪灌采用分組輪灌，將每支渠的控制面積劃分為兩個輪灌組。（1） 干、支渠長度及控制面積渠道干OA干AB干BC一支渠二支渠三支渠S長度（km）2.6754.1384.7423.35.38.128.255控制面積(hm2)1133.

15、3286635347533.3 (2)渠道工作制度.渠道工作制度采用輪灌方式，并采用集中編組，6 條斗渠每 3 條一組，1農(nóng)渠每5條一組，即斗渠兩組輪灌，農(nóng)渠兩組輪灌。( 3)典型支渠支渠流量推算（二支渠） （4）、計算如下1.計算農(nóng)渠的設計流量。二支渠的田間凈流量為：Q二支渠田凈=A二支×qd=28.66×0.026=0.745(m3/s)因為斗渠分為兩組輪灌，同時工作的斗渠有3條，而農(nóng)渠分為2個輪灌組，同時工作的農(nóng)渠有5條。所以，農(nóng)渠的田間凈流量為：Q農(nóng)田凈=Q二支渠田凈/(nk)=0.745/(3×5)=0.050(m3/s) 田間水利用系數(shù)： f=0.9，

16、則農(nóng)渠的凈流量為：Q 農(nóng)凈 =Q 農(nóng)田凈 / f =0.0497/0.90=0.055(m3/s) 灌區(qū)土壤屬中粘壤土，從資料中可查出相應的土壤透水性參數(shù) A=1.9， m=0.4，據(jù)此可計算農(nóng)渠每千米輸水損失系數(shù)農(nóng)=A/Q農(nóng)凈 m=1.9/0.0550.4=6.06農(nóng)渠的毛流量或設計流量為:Q 農(nóng)毛=Q農(nóng)凈(1+農(nóng)l農(nóng)/100）=0.055（1+6.35×0.55/100）=0.057(m3/s)2.計算斗渠的設計流量。因為一條斗渠內(nèi)同時工作的農(nóng)渠有5條，所以，斗渠的凈流量等于5條農(nóng)渠的毛流量之和：Q斗凈=5×Q 農(nóng)毛=5×0.057=0.285(m3/s) 農(nóng)

17、渠分兩組輪灌，各組要求斗渠供給的凈流量相等。但是，第 2 輪灌組距斗渠進水口較遠，輸水損失量較多，據(jù)此求得的斗渠毛流量較大，因此，以第2 輪灌組灌水時需要的斗渠毛流量作為斗渠的設計流量。以二支渠的4斗渠為例，斗渠的平均工作長度為1.95千米。斗渠每千米輸水損失系數(shù)為：斗=A/Q斗凈 m=1.9/0.2850.4=3.14Q 斗毛=Q斗凈(1+斗l斗/100）=0.285（1+3.14×1.95/100）=0.302(m3/s)3.計算支渠的設計流量。斗渠分為兩組輪灌，以第2輪灌組要求的支渠毛流量作為支渠的設計流量。二支渠的平均工作長度為3.56千米。支渠的凈流量為：Q二支凈=3

18、15;Q 斗毛=3×0.302=0.906(m3/s) 支渠渠每千米失系數(shù)為：支=A/Q二支凈 m=1.9/0.9060.4=1.98支渠的毛流量：Q 二支毛=Q二支凈(1+二支l二支/100）=0.906（1+1.98×3.56/100）=0.970(m3/s)計算二支渠的灌溉水利用系數(shù)：二支水=Q 二支田凈/Q 二支毛=0.745/0.970=0.775.計算以一、三支渠的田間凈流量：Q 一支田凈=11.33×0.026=0.295(m3/s)Q 三支田凈=35.34×0.026=0.919(m3/s)6.計算一、三支渠的設計流量：以典型支渠（二支渠

19、）的灌溉水利用系數(shù)作為擴大指標，用來計算其他支渠的設計流量。Q 一支毛=Q 一支凈/一支水=0.295/0.77=0.383(m3/s)Q 三支毛=Q 三支凈/三支水=0.919/0.77=1.193(m3/s)7.推求干渠的、各段的設計流量：a.QBC凈=Q 三支毛=1.193(m3/s)BC=A/QBC凈m=1.9/1.1930.4=1.77 QBC毛=QBC凈(1+BClBC/100）=1.193（1+1.77×4.742/100）=1.293(m3/s)b.QAB凈=Q 二支毛+Q BC毛=0.970+1.293=2.263(m3/s)AB=A/QOA凈 m=1.9/2.26

20、30.4=1.37QAB毛=QAB凈(1+ABlAB/100）=2.263（1+1.37×4.138/100）=2.391(m3/s)c.QOA凈=Q一支毛+QAB凈=0.383+2.391=2.774(m3/s)OA=A/QOA凈 m=1.9/2.7740.4=1.26QOA毛=QOA凈(1+OAlOA/100）=2.774（1+1.26×2.675/100）=2.87(m3/s)水=qd×A/QO=0.026×75.33/2.87=0.68經(jīng)過計算干渠渠首的設計流量為2.87m3/s;干OA的設計流量為2.87m3/s;干AB的設計流量為2.391m

21、3/s;干BC的設計流量為1.293m3/s;一支渠的設計流量為0.388m3/s;二支渠的設計流量為0.970m3/s；三支渠的設計流量為1.193m3/s;斗渠設計流量為0.302m3/s；農(nóng)渠設計流量為0.057m3/s.(八)推求典型支渠，其他支渠及干渠的加大流量。（1）取渠道流量的加大系數(shù)為1.3。 Q干OAj=1.3×Q干OAd=1.3×2.87=3.731(m3/s)Q干ABj=1.3×Q干ABd=1.3×2.391=3.108(m3/s)Q干BCj=1.3×Q干BCd=1.3×1.293=1.681(m3/s) Q一支

22、渠j=1.3×Q一支渠d=1.3×0.388=0.504(m3/s) Q二支渠j=1.3×Q二支渠d=1.3×0.970=1.261(m3/s) Q三支渠j=1.3×Q三支渠d=1.3×1.193=1.551(m3/s)（2） 干渠和支渠的流量計算表單位：（m3/s）干OA干AB干BC一支渠二支渠三支渠最小流量1.4920.9560.5170.1550.3880.477設計流量.2.8702.3911.2930.3880.9701.193加大流量3.7313.1081.6810.5041.2611.551（六）干渠橫斷面設計。（1）

23、設計原則。一般對渠道橫斷面設計的要求是保證設計的斷面能夠輸送設計流量和加大流量，設計的斷面渠床穩(wěn)定，不沖刷，不淤積，不塌坡。平面穩(wěn)定要求渠道在設計條件工作時，渠道水流不發(fā)生左右搖擺。渠道橫斷面尺寸要根據(jù)渠道設計流量通過水力計算加以確定。一般情況下采用明渠均勻流公式計算，即： Q=ACRi式中：Q 為渠道設計流量；A 為渠道過水斷面面積；R 為水力半徑；i 為渠底比降；C 為謝才系數(shù)，一般采用曼寧公式進行計算C=1/ n(R1/6)其中 n 為渠床糙率。設計渠道時要求工程量小，要求投資少，效率高，即在設計流量 Q，比降 i，糙率系數(shù) n 值相同條件下，使渠道斷面最??；或在相同斷面下通過的流量 Q

24、 最大。 （2）斷面設計相關(guān)計算要素渠床糙率系數(shù) n：流量在 120m3/s之間，渠槽特征平整順直，養(yǎng)護一般，取 n=0.025。渠道比降 i：由于水源水質(zhì)每年 7,8 月份河水含沙量最大，約 30 kg/m3 渠道易淤積，比降應適當加大。根據(jù)公式 i=0.272( ow)3/5/Q1/4 求出，其中 i 為渠道比降； m為渠道邊坡系數(shù)：渠床條件為中粘壤土，取 m=1.5。根據(jù)比降經(jīng)驗公式，推算得 i 取值在 0.000450.0007 之間，為滿足渠道大多數(shù)斷面不淤沙，且對渠底保護不受沖力侵害，所以，i 取 0.0005（1/2000）. 該干渠采用梯形斷面 梯形渠道水利最佳斷面參

25、數(shù)計算公式表參數(shù)計算公式單位備注水深 底寬 過水斷面濕周 水力半徑 流速h0=1.189nQ/(m-m)i3/8 bo=2(1+m2-m)h0 A0=b0h0+mh02 X0=b0+2h01+m2R0=A0/X0V0=Q/A0mmm2mmm/sm為渠道內(nèi)邊坡系數(shù)m=21+m2n為渠床糙率Q為渠道設計流量m3/si 為渠道比降 表六 干渠各斷面要素計算表 n=0.025 i=0.0005 m=1.5 m=3.606b(m)h(m)A(m2)X(m)R(m)Q(m3/s)V(m/s) iBC最小0.4430.7321.1293.0830.3660.5170.4580.0005BC設計0.6251.

26、0322.2454.3480.5161.2930.5760.0005BC最大0.6901.1392.7334.7980.5701.6810.6150.0005AB最小0.5580.9221.7903.8830.4610.9560.5340.0005AB設計0.7871.303.5605.4760.6502.3910.6710.0005AB最大0.8701.4344.3346.0420.7173.1080.7170.0005OA最小0.6601.0892.4994.5880.5451.4920.5970.0005OA設計0.8431.3924.0835.8640.6962.870.7030.00

27、05OA最大0.9301.5364.976.4700.7683.7310.7510.0005 (3)干渠H-Q計算關(guān)系圖( )+ 3）梯形渠道水力最佳斷面工程量小的優(yōu)點，適用于小型渠道和石方渠道） 寬深比 計算公式：b=2(1+m2)-m m=1.5 時， =0.61 （4）干渠斷面穩(wěn)定分析 渠道斷面過于窄深或?qū)挏\，都會影響渠道的斷面穩(wěn)定性。穩(wěn)定斷面的寬深比應滿足渠道不沖，不淤流速要求，即 vcs >v>vcd vcs 由已知資料得，該地區(qū)土壤質(zhì)地為中粘壤土，微有結(jié)構(gòu)，且干容 重為 1.40t / cm3。所以，中壤土的干容重為 1.301.70t / cm3 ，不沖流速為 0.6

28、5 0.85R（修正之后的=1.4）。不過，對于有襯砌護面的渠道的不沖流速比土渠大很×多，取 cs =2.5m/s Vcd 常用的渠道挾沙能力的計算公式主要為根據(jù)實際研究成果而得到的經(jīng)驗公式 v cd =C0 Q0.5 。式中， C0為不淤流速系數(shù)，C0 取0.4。 干渠斷面穩(wěn)定分析具體計算： OA段：vcs=2.5m/s vcd=0.4×2.8700.5=0.677m/s vcd<v=0.703m/s<vcs 故滿足穩(wěn)定要求 AB 段：vcs=2.5m/s vcd=0.4×2.3910.5=0.618m/s vcd<v=0.671m/s<

29、vcs 故滿足穩(wěn)定要求 BC段 vcs=2.5m/s vcd=0.4×1.2930.5= 0.455 vcd<v=0.576m/s<vcs 故滿足穩(wěn)定要求 綜上所述，干渠渠道斷面設計達到穩(wěn)定要求。 (5）渠道過水斷面以上部分的有關(guān)尺寸 渠道加大水深：渠道通過加大流量Qj時的水深稱為加大水深hj通過查詢表6 可得到； 安全超高：為了防止風浪引起渠水漫溢，保證渠道安全運行，挖方渠道渠岸和填方渠道的堤頂應高于渠道的加大水位，高出的數(shù)值稱為安全超高。 H=1/4hj +0.2（大于0.5m 時，取0.5m） 堤頂寬度： D=hj+0.3具體計算如下：OA 段：QOAMAX=3.731m/s hjOA =1.536m h=1/4*1.536+0.2=0.584.取 h=0.5m D=1.536+0.3=1.836mAB 段：QABMAX =3.108m/s hjAB=1.434m h=1/4*1.434+0.2=0.5585m 取 h=0.5m D=1.434+0.3=1.736mBC 段:QBCMAX =1.681m/s hjBC=1.139m h=1/4*1.139+0.2=0.485m D=1.139+0.3=1.439m（6）干渠橫斷面結(jié)構(gòu) 為了工程簡單，工程費用少，采用半挖半填式渠道。半