《农田水利学》课程设计——灌区灌溉系统规划设计.doc

《农田水利学》课程设计
——灌区灌溉系统规划设计

一、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，表土属重粘壤土，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。
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2.5m，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。
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）4~11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
4
5
6
7
蒸发量（mm）
97.5
118.0
143.7
174.9
月 份
8
9
10
11
蒸发量（mm）
196.5
144.7
101.1
75.6
表2 设计年降水量统计
日
月 份
4
5
6
7
8
9
10
1
7.6

4.6
2
12.7

17.4

18.5
3

3.4
1.9

8

4

92.0

5
5.3
1.2

10.8

6
4.8
7.9

2.8
7
8.6
28.5

8

2.5
9

19.1
10

3.6
11

2.5

2.1

12
1.9
6.4

13
7.5

2.3

14
12.1

1.9

1.9
15

10.0

16

6.0

4.8

3.5
32.8
17

25

18
1.3

19

1.6

20
4.3

12.6

12
21
1.8

18.5

22
2.1
10.6
49.2
2.5

3.6

23
1.4
10.7

4.5

24

35.4
7.4

25

6.2
26

2

27

1.1

28
1.5
3.7

29

30

7.7

31

3.6

月计
72.9
109
107.8
40.5
25.0
38
104

1.3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（%）
50
28
45
17
根据该地区灌溉试验站观测资料，设计年（1972）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）
25/4~4/5
5/5~14/5
15/5~1/6
2/6~16/6
17/6~30/6
1/7~11/7
12/7~20/7
25/4~20/7
天 数
10
10
18
15
14
11
9
87
模比系数（%）
7
8
18
25
21
13
8
100
田间允许水层深（mm）
10-30-50
10-40-80
20-50-90
20-50-100
20-50-90
10-40-50
湿润

渗透强度（mm/d）
1.3
1.3
1.3
1.3
1.3
1.3
1.3

注：全生育期需水系数a=1.0。
表5 棉花试验基本数据
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）
21/4~16/6
17/6~28/7
29/7~26/8
27/8~6/11
21/4~6/11
模比系数（%）
18
30
24
28
100
地下水补给量占作物需水量的（%）
10
20
22
25

计划湿润层深（m）
0.4~0.5
0.5~0.6
0.6~0.7
0.7

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、设计内容
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8~12昼夜；双季晚稻泡田5~7昼夜；各类水稻生育内一次灌水的延续时间3~5昼夜。棉花生育期内一次灌水延续时间5~10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）
7/5
75
1（泡田）
21/7
70
2
26/5
25
2
27/7
15
3
4/6
25
3
1/8
25
4
10/6
30
4
7/8
25
5
20/6
30
5
12/8
25
6
2/7
30
6
23/8
30
7
8/7
30
7
27/8
30
8
14/7
30
8
31/8
30
9
22/7
30
9
6/9
30
10
29/7
25
10
12/9
30
11
10/8
20
11
19/9
30

12
30/9
20
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1/25000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纵横断面，干、支渠采用浆砌石衬砌梯形断面。
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。
三、设计成果
3.1设计说明书20~30页（手写，字体工整）。要求说明设计的步骤、依据的理论、采用的公式或方法，必要时将计算成果列入表格(设计说明书中包括早稻及棉花的灌溉制度相关图表，修正前后的灌水率图)。
3.2设计图纸包括灌溉系统规划布置图。
干渠纵、横断面图，以及支、斗、农渠横断面图（共2张，均为A3图幅、CAD绘图）。

马清河灌区灌溉系统规划设计
一 作物灌溉制度和灌水率的制定
1. 早稻灌溉制度的制定
1) 泡田期灌溉制度泡田定额（已给定）：80
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
根据基本资料及公式可计算出作物相应生长阶段的蒸发量，有效降雨量，蓄水量，继而可得出逐日耗水量，计算过程见表1。
水量平衡方程
式中 —时段初田面水层深度；
—时段初田面水层深度；
—时段内降雨量；
—时段内灌水量；
—时段内田间耗水量；
—时段内排水量。
式中各数值均已计。

式中 —逐日需水量，；
—稻田逐日渗漏强度，。

式中 —各生育阶段作物需水量，；
n—各生育阶段天数。

式中 —需水量模比系数；
—全生育阶段需水量，。

式中 —全生育期水面蒸发量，。根据设计年蒸发量统计表以及生育期时间可算出。

表1 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）
25/4~4/5
5/5~14/5
15/5~1/6
2/6~16/6
17/6~30/6
1/7~11/7
12/7~20/7
25/4~20/7
天 数
10
10
18
15
14
11
9
87
模比系数（%）
7
8
18
25
21
13
8
100
渗透强度（mm/d）
1.3
1.3
1.3
1.3
1.3
1.3
1.3

阶段需水量（mm0
27.6
31.5
70.9
98.5
82.7
51.2
31.5
394
阶段渗漏量（mm）
13
13
23.4
19.5
18.2
14.3
11.7
113.1
阶段田间耗水量（mm）
40.6
44.5
94.3
118.0
100.9
65.5
43.2
507.1
翌日耗水量（mm）
4.1
4.5
5.2
7.9
7.2
6.0
4.8

本灌溉制度计算表取设计初始淹灌水层深度为20，具体做法是：
当淹灌水层减去逐日耗水量，加上逐日降雨量后若小于最小田间允许最小水层深度则
设计灌水，当大于最大田间允许水层深度则设计排水，计算过程见表2。

表2 早稻生育期灌溉制度计算表
日期
生育期
设计淹灌层
逐日耗水量
逐日降雨
淹灌水层变化
灌水量
排水量
月
日
4
24

20

25
复苗
10-30-50
4.1

15.9

26

11.8

27

27.7
20

28
1.5
25.1

29

21

30

16.9

5

1

12.8

2

28.7
20

3
3.4
28

4
92
50

65.9
5
分蘖前
10-40-80
4.5
1.2
46.7

6
7.9
50.1

7
28.5
74.1

8

69.6

9

65.1

10

60.6

11
2.5
58.6

12
6.4
60.5

13

56

14

51.5

15
分蘖后
20-50-90
5.2

46.3

16
6
47.1

17
25
66.9

18

61.7

19

56.5

20

51.3

21

46.1

22
10.6
51.5

23
10.7
57

24

51.8

25

46.6

26

41.4

27
1.1
37.3

28
3.7
35.8

29

30.6

30

25.4

31

20.2

6

1

45
30

2
孕穗
20-50-100
7.9
17.4
54.5

3
1.9
48.5

4

40.6

5

32.7

6

24.8

7

46.9
30

8

39

9

31.1

10

23.2

11

45.3
30

12

37.4

13

29.5

14
1.9
23.5

15

45.6
30

16

37.7

17
抽穗
20-50-90
7.2

30.5

18

23.3

19

46.1
30

20

38.9

21

31.7

22
49.2
73.7

23

66.5

24
35.4
90

4.7
25

82.8

26
2
77.6

27

70.4

28

63.2

29

56

30

48.8

7

1
乳熟
10-40-50
6

42.8

2

36.8

3

30.8

4

24.8

5

18.8

6

12.8

7

36.8
30

8

30.8

9

24.8

10

18.8

11

12.8

12
黄熟
湿润
4.8

13

14

15

16

17

18

19

20

∑

464.9
308.3

220
70.6
校核：

与7月11日灌溉水层相符，计算无误。

由表2可得到表3。

表3 早稻生育期设计灌溉制度表
灌水次数
灌水日期
灌水定额

1
4.27
20
13.3
2
5.2
20
13.3
3
6.1
30
20
4
6.7
30
20
5
6.11
30
20
6
6.15
30
20
7
6.17
30
20
8
7.7
30
20

2. 棉花灌溉制度的制定 
1）根据水量平衡方程
式中 ，—时段初和时段末时的土壤计划湿润层内的储水量；
—由于计划湿润层增加而增加的水量；
—保存在土壤计划湿润层内有效雨量；
—时段末的地下水补给量；
—时段末灌溉水量；
—时段末的作物需水量。
全生育期的需水量—用以产量为参数的需水系数法

各生育阶段田间需水量

地下水补给量

由于计划湿润层增加而增加的水量

近似取
有效雨量保存在土壤计划湿润层内有效雨量

α的选取按下表计： 
降雨量
<5
5-50
>50

0
1.0-0.8
0.7-0.8
湿润层最大，最小储水量

棉花播前的灌水定额

表4棉花有效雨量计算表
月份
生育阶段
旬
起止日期
降雨量（mm)
有效雨量（mm）
有效雨量(m3/亩）
4
幼苗期
下
4.21-4.30
5.3
4.8
3.2
5
上
5.1-5.10
133
99.8
66.6
中
5.11-5.20
39.9
35.9
23.9
下
5.21-5.31
21.3
19.2
12.8
6
上
6.1-6.10
19.3
17.4
11.6
中
6.11-6.16
0
0
0.0
现蕾期
下
6.17-6.30
84.6
76.1
50.8
7
上
7.1-7.10
0
0
0.0
中
7.11-7.20
14.8
12.7
8.5
下
7.21-7.28
14.4
12.7
8.5
8
开花结蕾期
上
7.29-8.10
22.1
19.9
13.3
中
8.11-8.20
14.2
12.8
8.5
下
8.21-8.26
0
0
0.0
9
吐絮期
上
8.27-9.10
8
7.2
4.8
中
9.11-9.20
0
0
0.0
下
9.21-9.30
22.1
19.9
13.3
10
上
10.1-10.10
48.3
43.5
29.0
中
10.11-10.20
44.8
40.3
26.9
下
10.21-10.31
6.2
5.6
3.7
11
上
11.1-11.6
0
0
0.0

表5 棉花各生育阶段耗水量计算表
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
4.21-6.166.17-7.28
6.17-7.28
7.29-8.26
8.27-11.6
4.21-11.6
模比系数（%）
18
30
24
28
100
地下水补给量占作物需水量的（%）
10
20
22
25

计划湿润层深（m）
0.4-0.5
0.5-0.6
0.6-0.7
0.7

天数（d）
57
42
29
72
200
作物田间需水量ET
57.67
96.12
76.90
89.71
320.4
地下水补给量K
5.77
19.22
16.92
22.43

湿润层增加而增加的水量Wr
25.61
25.61
25.61
0.00

ET-Wr-K
26.29
51.29
34.37
67.28

日平均ET-Wr-K
0.46
1.22
1.19
0.93

表6 棉花灌溉制度计算表
起止日期
生育阶段
天数（d）
Po
Wmax
Wmin
ET-Wr-K
W
灌水
排水

102

4.21-4.30
幼苗期
10
3.2
140.9
98.6
4.6
100.6

5.1-5.10
10
66.6
140.9
98.6
4.6
140.9

21.7
5.11-5.20
10
23.9
140.9
98.6
4.6
140.9

19.3
5.21-5.31
11
12.8
140.9
98.6
5.1
140.9

7.7
6.1-6.10
10
11.6
140.9
98.6
4.6
140.9

7
6.11-6.16
6
0
140.9
98.6
2.8
138.2

6.17-6.30
现蕾期
14
50.8
169
118.3
17.1
169.0

2.9
7.1-7.10
10
0
169
118.3
12.2
156.8

7.11-7.20
10
8.5
169
118.3
12.2
153.1

7.21-7.28
8
8.5
169
118.3
9.8
151.8

7.29-8.10
开花结蕾期
13
13.3
197.2
138.1
15.5
149.7

8.11-8.20
10
8.5
197.2
138.1
11.9
146.3

8.21-8.26
6
0
197.2
138.1
7.1
139.1

8.27-9.10
吐絮期
15
4.8
197.2
138.1
14.0
160.0
30

9.11-9.20
10
0
197.2
138.1
9.3
150.7

9.21-9.30
10
13.3
197.2
138.1
9.3
154.7

10.1-10.10
10
29
197.2
138.1
9.3
174.4

10.11-10.20
10
26.9
197.2
138.1
9.3
192.0

10.21-10.31
11
3.7
197.2
138.1
10.2
185.5

11.1-11.6
6
0
197.2
138.1
5.6
179.9

∑

285.4

178.9

30
58.6
校核： 计算无误

3.灌水率计算 
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。

表7 灌水率计算表
作物
所占比例（%）
灌水次数
灌水定额（m3/亩）
灌水日期
延续时间
灌水率m3/(s·万亩）
早稻
50
1（泡田）
80
4月13日
10
0.46
2
13.3
4月27日
5
0.15
3
13.3
5月2日
5
0.15
4
20
6月1日
5
0.23
5
20
6月7日
5
0.23
6
20
6月11日
5
0.23
7
20
6月15日
5
0.23
8
20
6月17日
5
0.23
9
20
7月7日
5
0.23
中稻
28
1（泡田）
75
5月7日
10
0.24
2
25
5月26日
5
0.16
3
25
6月4日
5
0.16
4
30
6月10日
5
0.19
5
30
6月20日
5
0.19
6
30
7月2日
5
0.19
7
30
7月8日
5
0.19
8
30
7月14日
5
0.19
9
30
7月22日
5
0.19
10
25
7月29日
5
0.16
11
20
8月10日
5
0.13
双季晚稻
45
1（泡田）
70
7月21日
10
0.36
2
15
7月27日
5
0.16
3
25
8月1日
5
0.26
4
25
8月7日
5
0.26
5
25
8月12日
5
0.26
6
30
8月23日
5
0.31
7
30
8月27日
5
0.31
8
30
8月31日
5
0.31
9
30
9月6日
5
0.31
10
30
9月12日
5
0.31
11
30
9月19日
5
0.31
12
20
9月30日
5
0.21
棉花
17
1
17
4月15日
5
0.07
2
30
8月27日
5
0.12

4. 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：

5. 修正灌水率图
修正原则：不影响主要作物的需水要求为原则，尽量不改变主要作物的关键用水时间，若要调整，以向前移动为主，前后移动不超过三天，调整其他各次灌水间间时，要使修正后的灌水率图连续、均匀，且最小关税率不小于最大水率的40%，修正后的灌水率图见图:

从图中选取最大灌水率作为设计灌水率，即
二 灌溉渠系的布置规划
渠道布置：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，三支布置在整个灌区的东面，即整个灌区由三条支渠控制。第三支渠灌溉面积适中，可作为典型支渠，该支渠有8条斗渠，斗渠间距800m，长3000m，取第五斗渠为典型斗渠。每条斗渠有10条农渠，长800m,间距200m，可取五斗二农为典型农渠。 
本灌区采用明沟排水，分别在吴沟和吴家沟之间及刘家湾和申溪之间的洪沟布置排水沟。另外，在每个条田中均设置排水沟，防止因排水不畅，引起地下水抬升，使土壤发生次生盐碱化。
1.确定灌溉工作制度
干支渠续灌，斗农渠轮灌（各两组）
2.计算典型支渠设计流量
 灌区总面积约为12万亩，干渠长为16.5km，各支渠的长度及灌溉面积列入下表。
支渠长度及灌溉面积
渠别
一支
二支
三支
合计
长度（km）
3.0
4.0
3.8
10.8
灌溉面积（万亩）
2.8
5.1
4.1
12
1.推求典型支渠（三支渠）及其所属斗、农渠的设计流量：
（1） 计算农渠的设计流量 三支渠的田间径流量为：

因为斗农渠分为两组轮灌，同时工作的斗渠有4条，农渠有5条；所以，农渠的田间净流量：

取田间水利用系数，则农渠的净流量为：

灌区土壤属于中粘壤土，查出相应的土壤透水性参数：A=1.9，m=0.4。根据农渠每公里输水损失系数：

农渠毛流量或设计流量为：

（2） 计算斗渠的设计流量 斗渠的净流量等于5条农渠的毛流量之和：
农渠分两组轮灌，各组要求斗渠供给的净流量相等。但是，第二轮灌组距斗渠进水口较远，输水损失较大，据此求得的斗渠毛流量较大，因此，以第二轮灌组灌水时需要的斗渠毛流量作为斗渠的设计流量。斗渠平均工作长度。
斗渠每公里输水损失系数为：

斗渠的毛流量或设计流量：

（3） 计算三支渠的设计流量 斗渠也是两组轮灌，以第二轮灌组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
支渠的净流量为：
支渠每公里输水损失系数：
支渠的毛流量为：
2.计算三支渠的灌溉水利用系数为：

3.计算一二支渠的设计流量
（1） 计算一二支渠的田间净流量

（2）计算一二支渠的设计流量 以典型支渠的灌溉用水系数作为扩大指标，用来计算其他支渠的设计流量。

4.推求干渠各段的设计流量
（1）BC段的设计流量

AB段的设计流量

OA段的设计流量

渠道的加大流量
J取1.2，即
三 灌溉渠道断面设计
1.渠道横断面设计
由已知资料查表可得m=1.00， （浆砌块石护面）
1.1干渠横断面设计
灌区上游土质属于重壤土，不冲流速为0.9m/s，不淤流速为0.67m/s。

表8 渠道断面计算表
流量
宽度
起始水深
糙率
底坡
边坡系数
水深
10.37
2.5
0
0.025
0.00025
1
3.0909
10.37
2.5
3.090902112
0.025
0.00025
1
2.5218
10.37
2.5
2.521801205
0.025
0.00025
1
2.6393
10.37
2.5
2.639304581
0.025
0.00025
1
2.6142
10.37
2.5
2.614190469
0.025
0.00025
1
2.6195
10.37
2.5
2.619521393
0.025
0.00025
1
2.6184
10.37
2.5
2.618388129
0.025
0.00025
1
2.6186
10.37
2.5
2.618628966
0.025
0.00025
1
2.6186
10.37
2.5
2.618577781
0.025
0.00025
1
2.6186
10.37
2.5
2.618588659
0.025
0.00025
1
2.6186
10.37
2.5
2.618586347
0.025
0.00025
1
2.6186
10.37
2.5
2.618586839
0.025
0.00025
1
2.6186
10.37
2.5
2.618586734
0.025
0.00025
1
2.6186
10.37
2.5
2.618586757
0.025
0.00025
1
2.6186
10.37
2.5
2.618586752
0.025
0.00025
1
2.6186
10.37
2.5
2.618586753
0.025
0.00025
1
2.6186
10.37
2.5
2.618586753
0.025
0.00025
1
2.6186
10.37
2.5
2.618586753
0.025
0.00025
1
2.6186
10.37
2.5
2.618586753
0.025
0.00025
1
2.6186

最优水深
2.71
最优断面宽深比
0.828
最优底宽
2.24
安全超高
0.85
渠道岸顶超高
3.47
流速
0.77

断面尺寸设计
渠别
最优水深
最优底宽
安全超高
渠岸顶高
AB
2.42
2
0.77
3
BC
1.79
1.49
0.57
2
3支渠
1.74
1.44
0.56
2
斗渠
1
0.85
0.36
1
农渠
0.55
0.46
0.26
0.51
2.渠道纵断面设计
纵断面设计的任务是根据灌溉水位要求确定渠道的空间位置，包括设计水位、渠底高程、堤顶高程、最小水位等。其中堤顶高程、最小水位的确定需确定最小水深和加大水深。即需确定最小流量与加大流量。为保证对下级渠道正常供水，
目前有些灌区规定渠道最小流量以不低于渠道设计流量的40%为宜。

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