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農(nóng)田水利學(xué)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)
——灌區(qū)灌溉系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)
《農(nóng)田水利學(xué)》課程設(shè)計(jì)
一、基本資料 1.1概況
灌區(qū)位于界榮山以南，馬清河以北，（20m等高線以下的）總面積約12萬(wàn)畝。氣候溫和，無(wú)霜期長(zhǎng)，適宜于農(nóng)作物生長(zhǎng)。年平均氣溫16.5℃，多年平均蒸發(fā)量1065mm，多年平均降水量1112mm，灌區(qū)地形圖見(jiàn)附圖。
灌區(qū)人口總數(shù)約8萬(wàn)，勞動(dòng)力1.9萬(wàn)。申溪以西屬興隆鄉(xiāng)，以東屬大勝鄉(xiāng)。根據(jù)農(nóng)業(yè)規(guī)劃，界榮山上以林、牧、副業(yè)為主，馬頭山以林為主，20m 等高線以下則以大田作物為主，種植稻、麥、棉、豆
等作物。
灌區(qū)上游土質(zhì)屬重粘壤土，下游龍尾河一帶屬中粘壤土。地下水埋深一般為4~5m,土壤及地下水的PH值屬中性，無(wú)鹽堿化威脅。 界榮山 、龍尾山等屬土質(zhì)丘陵，表土屬重粘壤土，地表5~6m以下為巖層，申溪及吳家溝等溝溪均有巖石露頭，馬頭山陳村以南至馬清河邊巖石遍布地表。吳家溝等溝溪縱坡較大，下切較深，一般為7~8m，上游寬50~60m，下游寬70~90m，遇暴雨時(shí)易暴發(fā)洪水，近年來(lái)已在各溝、溪上游修建多處小型水庫(kù)，山洪已基本得到控制，對(duì)灌區(qū)無(wú)威脅。
灌區(qū)為馬清河流域規(guī)劃的組成部分。根據(jù)規(guī)劃要求，已在興隆峪上游20km處（圖外）建大型水庫(kù)一座，壩頂高程50.2m，正常水位43.0m，興利庫(kù)容1.2×108m3,總庫(kù)容2.3×108m3。馬清河灌區(qū)擬在該水庫(kù)下游A?A斷面處修建攔河壩式取水樞紐，引取水庫(kù)水發(fā)電則利用尾水進(jìn)行灌溉。A?A斷面處河底高程30m，砂、卵石覆蓋層厚2.5m，下為基巖，河道比降1/100，河底寬82m，河面寬120m。水庫(kù)所供之水水質(zhì)良好，含沙量極微，水量亦能完全滿足灌區(qū)用水要求。 1.2氣象
根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笳举Y料，設(shè)計(jì)的中等干旱年（相當(dāng)于1972年）4~11月水面蒸發(fā)量（80cm口徑蒸發(fā)皿）及降水量見(jiàn)表1及表2。
表1 設(shè)計(jì)年蒸發(fā)量統(tǒng)計(jì)
表2 設(shè)計(jì)年降水量統(tǒng)計(jì)
1.3種植計(jì)劃及灌溉經(jīng)驗(yàn)
灌區(qū)以種植水稻為主，兼有少量旱作物，各種作物種植比例見(jiàn)表3。
表3 作物種植比例
根據(jù)該地區(qū)灌溉試驗(yàn)站觀測(cè)資料，設(shè)計(jì)年（1972）早稻及棉花的基本觀測(cè)數(shù)據(jù)如表4及表5所示；中稻及晚稻的豐產(chǎn)灌溉制度列于表6。
表4 早稻試驗(yàn)基本數(shù)據(jù)
注：全生育期需水系數(shù)a=1.0。
表5 棉花試驗(yàn)基本數(shù)據(jù)
注：計(jì)劃產(chǎn)量120kg；需水系數(shù)k=2.67m3/kg；土壤空隙率為48%（占土體的%）；土壤適宜含水率上限為88%，下限為61.6%（占空隙%）；田間最大持水率為88%（占空隙%）；播種時(shí)，計(jì)劃層土壤儲(chǔ)水量為102m3/畝。 2、設(shè)計(jì)內(nèi)容
2.1根據(jù)基本資料用水量平衡法（列表計(jì)算）制定早稻及棉花的灌溉制度，建議編程計(jì)算或利用Excel計(jì)算。
2.2根據(jù)所制定的早稻及棉花的灌溉制度以及表6所給出的中稻及雙季晚稻的灌溉制度資料，編制全灌區(qū)的灌水率圖，并進(jìn)行修正，使其符合要求。在制定灌水率圖時(shí)，建議采用的一次灌水延續(xù)時(shí)間如下：
早、中稻泡田8~12晝夜；雙季晚稻泡田5~7晝夜；各類水稻生育內(nèi)一次灌水的延續(xù)時(shí)間3~5晝夜。棉花生育期內(nèi)一次灌水延續(xù)時(shí)間5~10晝夜。
表6 中稻、雙季晚稻設(shè)計(jì)年豐產(chǎn)灌溉制度
附注：早稻泡田日期為4月13日，定額為：80m3/畝。
2.3確定渠首樞紐的位置及形式。在1/25000地形圖上布置引水干渠、支渠，以及主要渠系建筑物。在灌區(qū)中部選擇一條支渠布置斗、農(nóng)級(jí)渠道。
2.4推算典型支渠各級(jí)渠道的設(shè)計(jì)流量及灌溉水利用系數(shù)(田間水利用系數(shù)取0.92)；推算其它各支渠渠首及干渠各段的設(shè)計(jì)流量。 2.5設(shè)計(jì)干渠各段的縱橫斷面及典型支渠縱橫斷面，干、支渠采用漿砌石襯砌梯形斷面。
2.6設(shè)計(jì)典型斗渠和典型農(nóng)渠橫斷面，斗、農(nóng)渠采用混凝土襯砌矩形斷面。 三、設(shè)計(jì)成果
3.1設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)20~30頁(yè)（手寫(xiě)，字體工整）。要求說(shuō)明設(shè)計(jì)的步驟、依據(jù)的理論、采用的公式或方法，必要時(shí)將計(jì)算成果列入表格(設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)中包括早稻及棉花的灌溉制度相關(guān)圖表，修正前后的灌水率圖)。
3.2設(shè)計(jì)圖紙包括灌溉系統(tǒng)規(guī)劃布置圖。
干渠縱、橫斷面圖，以及支、斗、農(nóng)渠橫斷面圖（共2張，均為A3圖幅、CAD繪圖）。
馬清河灌區(qū)灌溉系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)
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額（已給定）：80m3/畝
2) 生育期灌溉制度早稻生育期灌溉制度用水量平衡方程計(jì)算
根據(jù)基本資料及公式可計(jì)算出作物相應(yīng)生長(zhǎng)階段的蒸發(fā)量，有效降雨量，蓄水量，繼而可得出逐日耗水量，計(jì)算過(guò)程見(jiàn)表1。 水量平衡方程h1?P?m?WC?d?h2 式中 h1—時(shí)段初田面水層深度；
h2—時(shí)段初田面水層深度；
P—時(shí)段內(nèi)降雨量； m—時(shí)段內(nèi)灌水量；
WC—時(shí)段內(nèi)田間耗水量； d—時(shí)段內(nèi)排水量。
式中各數(shù)值均已mm計(jì)。
WC?ET日?S
式中 ET日—逐日需水量，mm；
S—稻田逐日滲漏強(qiáng)度，mm。
ET日?
ETi
n
式中 ETi—各生育階段作物需水量，mm； n—各生育階段天數(shù)。 1
ETi?KiET
100式中 Ki—需水量模比系數(shù)；
ET—全生育階段需水量，mm。
ET??E0
式中 E0—全生育期水面蒸發(fā)量，mm。根據(jù)設(shè)計(jì)年蒸發(fā)量統(tǒng)計(jì)表以及生育期時(shí)間可算出。
本灌溉制度計(jì)算表取設(shè)計(jì)初始淹灌水層深度為20mm，具體做法是：
當(dāng)淹灌水層減去逐日耗水量，加上逐日降雨量后若小于最小田間允許最小水層深度則 設(shè)計(jì)灌水，當(dāng)大于最大田間允許水層深度則設(shè)計(jì)排水，計(jì)算過(guò)程見(jiàn)表2。
校核： h始??P??d??m??WC?h
20?308.3?70.6?220?464.9?12.8mm
與7月11日灌溉水層相符，計(jì)算無(wú)誤。
由表2可得到表3。
2. 棉花灌溉制度的制定
1）根據(jù)水量平衡方程Wt?W0?Wr?P0?K?M?ET
式中 W0，Wt—時(shí)段初和時(shí)段末時(shí)的土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層內(nèi)的儲(chǔ)水量； Wr—由于計(jì)劃濕潤(rùn)層增加而增加的水量； P0—保存在土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層內(nèi)有效雨量； K—時(shí)段末的地下水補(bǔ)給量； M—時(shí)段末灌溉水量；
ET—時(shí)段末的作物需水量。
全生育期的需水量—用以產(chǎn)量為參數(shù)的需水系數(shù)法
ET?KY?2.67?120?320.4m3/畝 各生育階段田間需水量
ETi?KiET 地下水補(bǔ)給量
K??ET
由于計(jì)劃濕潤(rùn)層增加而增加的水量 Wr?667(H2?H1)n(m3/畝）近似取?80%
有效雨量保存在土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層內(nèi)有效雨量
P0??P
Wmax?667nH?maxWmin?667nH?min
棉花播前的灌水定額
M?667H(?max??0)n?667?0.1?(88%?
88%?61.6%
)?0.48?17m3/畝
2
表5 棉花各生育階段耗水量計(jì)算表(m3/畝）
表6 棉花灌溉制度計(jì)算表(m3/畝）
3.灌水率計(jì)算
早、中稻泡田8-12d，雙季晚稻泡田5-7d；各類水稻生育期內(nèi)一次灌水的延續(xù)時(shí)間3-5d；棉花生育期內(nèi)一次灌水延續(xù)時(shí)間5大學(xué)網(wǎng)-10d。
q?
?m1
8.64T1
4. 繪制初步灌水率圖
通過(guò)已知的中稻和晚稻的灌溉制度，得出全灌溉區(qū)的初步灌水率圖如下圖所示：
5. 修正灌水率圖
修正原則：不影響主要作物的需水要求為原則，盡量不改變主要作物的關(guān)鍵用水時(shí)間，若要調(diào)整，以向前移動(dòng)為主，前后移動(dòng)不超過(guò)三天，調(diào)整其他各次灌水間間時(shí)，要使修正后的灌水率圖連續(xù)、均勻，且最小關(guān)稅率不小于最大水率的40%，修正后的灌水率圖見(jiàn)圖:
從圖中選取最大灌水率作為設(shè)計(jì)灌水率，即q凈?0.65m3/萬(wàn)畝
二 灌溉渠系的布置規(guī)劃
渠道布置：本灌區(qū)灌溉渠道分為干、支、斗、農(nóng)四級(jí)固定渠道。本灌區(qū)屬于小坡度地區(qū)。一支布置在整個(gè)灌區(qū)的西面，與等高線成一定的角度。二支布置在吳家溝和申溪之間，三支布置在整個(gè)灌區(qū)的東面，即整個(gè)灌區(qū)由三條支渠控制。第三支渠灌溉面積適中，可作為典型支渠，該支渠有8條斗渠，斗渠間距800m，長(zhǎng)3000m，取第五斗渠為典型斗渠。每條斗渠有10條農(nóng)渠，長(zhǎng)800m,間距200m，可取五斗二農(nóng)為典型農(nóng)渠。 本灌區(qū)采用明溝排水，分別在吳溝和吳家溝之間及劉家灣和申溪之間的洪溝布置排水溝。另外，在每個(gè)條田中均設(shè)置排水溝，防止因排水不暢，引起地下水抬升，使土壤發(fā)生次生鹽堿化。 1.確定灌溉工作制度
干支渠續(xù)灌，斗農(nóng)渠輪灌（各兩組） 2.計(jì)算典型支渠設(shè)計(jì)流量 灌區(qū)總面積約為12萬(wàn)畝，干渠長(zhǎng)為16.5km，各支渠的長(zhǎng)度及灌溉面積列入下表。
（1） 計(jì)算農(nóng)渠的設(shè)計(jì)流量 三支渠的田間徑流量為：
Q3支田凈?A3支?q設(shè)?4.1?0.65?2.665m3/s
因?yàn)槎忿r(nóng)渠分為兩組輪灌，同時(shí)工作的斗渠有4條，農(nóng)渠有5條；所以，農(nóng)
渠的田間凈流量：
Q農(nóng)田凈?
Q3支田凈
nk
?
2.665
?0.133m3/s 4?5
取田間水利用系數(shù)?f?0.92，則農(nóng)渠的凈流量為：
Q農(nóng)凈?
Q農(nóng)田凈
?f
?
0.133
?0.145m3/s 0.92
灌區(qū)土壤屬于中粘壤土，查出相應(yīng)的土壤透水性參數(shù)：A=1.9，m=0.4。根據(jù)農(nóng)渠每公里輸水損失系數(shù)：
?農(nóng)?
A1.9
??0.041 m0.4
100Q農(nóng)凈100?0.145
農(nóng)渠毛流量或設(shè)計(jì)流量為：
Q農(nóng)毛?Q農(nóng)凈?1??農(nóng)L農(nóng)??0.145?(1?0.041?0.4)?0.15m3/s
（2） 計(jì)算斗渠的設(shè)計(jì)流量 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?0.15?0.75m3/s
農(nóng)渠分兩組輪灌，各組要求斗渠供給的凈流量相等。但是，第二輪灌組距斗渠進(jìn)水口較遠(yuǎn)，輸水損失較大，據(jù)此求得的斗渠毛流量較大，因此，以第二輪灌組灌水時(shí)需要的斗渠毛流量作為斗渠的設(shè)計(jì)流量。斗渠平均工作長(zhǎng)度
L斗?1.4km。
斗渠每公里輸水損失系數(shù)為：
?斗?
A1.9
??0.021 m0.4
100Q斗凈100?0.75
斗渠的毛流量或設(shè)計(jì)流量：
Q斗毛?Q斗凈?1??斗L斗??0.77m3/s
（3） 計(jì)算三支渠的設(shè)計(jì)流量 斗渠也是兩組輪灌，以第二輪灌組要求的支渠毛
流量作為支渠的設(shè)計(jì)流量。支渠的平均工作長(zhǎng)度L支?3.2m 支渠的凈流量為：Q
3支凈
?4?Q斗毛?3.08m3/s
A1.9
??0.012 m0.4
100Q3支凈100?3.08
支渠每公里輸水損失系數(shù)：?3支?支渠的毛流量為：Q
3支毛
?Q支凈?1??支L支??3.20m3/s
2.計(jì)算三支渠的灌溉水利用系數(shù)為：
?f?
Q3支田凈Q3支毛
?0.83
3.計(jì)算一二支渠的設(shè)計(jì)流量
（1）計(jì)算一二支渠的田間凈流量
Q1支田凈?2.8?0.65?1.82m3/s Q2支田凈?5.1?0.65?3.315m3/s
（2）計(jì)算一二支渠的設(shè)計(jì)流量 以典型支渠的灌溉用水系數(shù)作為擴(kuò)大指標(biāo)，用來(lái)計(jì)算其他支渠的設(shè)計(jì)流量。
Q1支毛?
Q1支田凈
?3支水
Q2支田凈
?
1.82
?2.19m3/s 0.83
3.315
?3.99m3/s 0.83
Q2支毛?
4.推求干渠各段的設(shè)計(jì)流量
（1）BC段的設(shè)計(jì)流量Q
?3支水
?
BC凈
?Q3支毛?3.2m3/s
1.9
?0.012
100?3.20.4
3
?BC? AB段的設(shè)計(jì)流量
QBC毛?QBC凈?1??BCLBC??3.2??1?0.012?6.67??3.46m/s
3 Q
AB凈?QBC毛?Q2支毛?3.46?3.99?7.45m/s
?AB?
1.9
?0.009 0.4
100?7.45
3
QAB毛?QAB凈?1??ABLAB??7.45??1?0.009?4.13??7.73m/s
OA段的設(shè)計(jì)流量
3 Q
OA凈?QAB毛?Q1支毛?7.73?2.19?9.92m/s
?OA?
1.9
?0.008 0.4
100?9.92
3
QOA毛?QOA凈?1??OALOA??9.92??1?0.008?5.7??10.37m/s
渠道的加大流量QJ?JQd
J取1.2，即Q?1.2?10.37?12.44m3/s
J
三 灌溉渠道斷面設(shè)計(jì)
1.渠道橫斷面設(shè)計(jì)
由已知資料查表可得m=1.00，i?
1
n?0.025（漿砌塊石護(hù)面） 4000
1.1干渠橫斷面設(shè)計(jì)
灌區(qū)上游土質(zhì)屬于重壤土，不沖流速為0.9m/s，不淤流速為0.67m/s。
縱斷面設(shè)計(jì)的任務(wù)是根據(jù)灌溉水位要求確定渠道的空間位置，包括設(shè)計(jì)水位、渠底高程、堤頂高程、最小水位等。其中堤頂高程、最小水位的確定需確定最小水深和加大水深。即需確定最小流量與加大流量。為保證對(duì)下級(jí)渠道正常供水，
目前有些灌區(qū)規(guī)定渠道最小流量以不低于渠道設(shè)計(jì)流量的40%為宜。
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