灌排课程设计讲解.docx
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灌排课程设计讲解
马清河灌溉系统规划
1、计算小麦玉米的需水量。
根据马清河灌区气象资料，运用彭曼--蒙蒂斯公式计算小麦、玉米需水量，公式：
Rn地面净辐射蒸发当量（MJm-2d）;G土壤热通量（MJm-2d）；γ温度计常数（kPa0C-1）；T平均气温（0C）；V22m高的风速（ms-1）;Pa饱和水气压（kPa）；Pd实际水气压（kPa）；（Pa-Pd）饱和水气压与实际水气压的差额（kPa）；Δ温度-饱和水气压曲线的斜率（kPa0C-1）。
计算结果如下表：
参考作物蒸发蒸腾量
月份
1
2
3
4
5
6
ETo（mm/d）
1.13
1.65
2.96
4.64
5.65
6.29
月份
7
8
9
10
11
12
ETo（mm/d）
6.00
5.34
4.08
2.69
1.71
1.07
作物生育期内的需水量由参考作物的蒸发蒸腾量和作物本身的作物系数综合确定，计算公式为：
ETc=Kc×ETo
计算结果如下表：
小麦生育期内的需水量
月份
ETo（mm/d）
Kc
ETc（mm/d）
3
2.96
0.255
0.75
4
4.64
0.292
1.35
5
5.65
0.729
4.12
6
6.29
0.965
6.07
7
6.00
1.005
6.03
玉米生育期内的需水量
月份
ETo（mm/d）
Kc
ETc（mm/d）
4
4.64
0.208
0.96
5
5.65
0.346
1.96
6
6.29
0.629
3.95
7
6.00
0.976
5.85
8
5.34
0.86
4.59
9
4.08
0.739
3.02
作物的需水规律主要受气象因素影响。
从一月到十二月，气温不断地升高再逐渐的降低，而参考作物的蒸发蒸腾量也是不断地升高再逐渐的降低，作物的作物系数也同样如此。
因此，作物的需水规律是逐渐的升高再逐渐地降低。
2、小麦、玉米的灌溉制度。
用水量平衡方程来确定小麦、玉米的灌溉制度
水量平衡方程为：
Wt－W0=WT+P0+K+M－ET
式中：
Wt、W0分别表示时段末和时段初的土壤计划湿润层内的储水量；WT为由于计划湿润层增加而增加的水量；P0为土壤计划湿润层内保存的有效水量；K为时段t内的地下水补给量。
灌水时间为：
t=（W0-Wmin）/（e-k）
式中：
e为单位时间内，作物的需水强度，ET=e×t；k为单位时间内地下水的补给量，K=k×t。
灌水定额为：
m=Wmax-Wmin=H（θmax-θmin）
式中：
Wmax、Wmin分别为土壤计划湿润层内的最大储水量和最小储水量；H为计划湿润层的深度；θmax、θmin分别为土壤计划湿润层允许的最大体积含水量和最小体积含水量。
有效降雨量：
P0=σ*P
σ为降雨有效利用系数。
当P>50mm时，σ=0.8~0.7；当P<5时，σ=0，当P=5~50时，σ=1。
由于计划湿润层增加而增加的可以用水量：
WT=（H2-H1）*θ0
H1为计算时段初计划湿润层的深度；H2为计算时段末计划湿润层的深度；θ0为初始土壤的体积含水量。
马清河灌区的有效降雨量如下表：
月份
降雨量
有效降雨量
累积降雨
mm
mm
m3/亩
m3/亩
1
1.7
0
0
0
2
2.5
0
0
0
3
4.2
0
0
0
4
7.7
7.7
5.14
5.14
5
14.3
14.3
9.54
14.68
6
16.6
16.6
11.07
25.75
7
27.5
27.5
18.34
44.09
8
39.9
39.9
26.61
70.7
9
26.6
26.6
17.74
88.44
10
11.9
11.9
7.94
96.38
11
4.2
0
0
96.38
12
1.2
0
0
96.38
小麦各项累积数据
单位m3/亩
日期
湿润层深度
需水量ET
WT累积
Wmin
Wmax
地下水补给
ET-WT-K
播种拔节
3.21-5.20
500mm
87.6
0
53.69
102.02
12.76
74.84
拔节抽穗
5.21-6.9
600mm
154.26
17.74
64.43
122.42
17.01
119.51
抽穗乳熟
6.10-7.19
700mm
315.63
35.48
75.17
142.82
25.51
254.64
乳熟成熟
7.20-7.29
800mm
355.84
53.22
85.91
163.23
27.64
274.98
玉米各项累积数据
单位m3/亩
日期
湿润层深度
需水量ET
WT累积
Wmin
Wmax
地下水补给
ET-WT-K
苗期
4.15-6.17
600mm
95.58
0
64.43
122.42
12.86
77.72
拔节
6.18-7.6
600mm
153.3
0
64.43
122.42
17.14
136.16
大喇叭口
7.7-7.26
700mm
231.39
17.74
75.17
142.82
21.43
192.22
吐丝
7.27-8.9
800mm
278.48
35.48
85.91
163.23
24.64
218.36
成熟
8.10-9.16
900mm
378.04
53.22
96.65
183.63
32.14
292.68
根据数据绘制作物灌溉制度设计示意图：
小麦灌溉制度设计示意图
玉米灌溉制度设计示意图
注：
1、作物需水量ET累积曲线；2、渗入土壤的有效降雨量累积曲线；3、WT累积曲线；4、K值累积曲线；5、计划湿润层储水量WT曲线；6、计划湿润层允许最小储水量Wmin曲线；7、计划湿润土层允许最大储水量Wmax曲线。
3、编制灌水率图及其修正。
根据作物的灌溉制度，绘制灌水率图，灌水率公式如下：
qi,k=（αi×mi,k）/（864×Ti,k）
式中：
qi,k为第i种作物第k次灌水的灌水率[m3/（s·100亩）]；αi为第i种作物的种植比例，其值为该作物的灌溉面积与灌区灌溉总面积之比；mi,k为第i种作物第k次灌水的灌水定额（m3/亩）；Ti,k为第i种作物第k次灌水的灌水延续时间（d）。
计算灌水率所需数据如下表：
种植比例
0.55
灌水定额
（m3/亩）
灌水时间
灌水延续时间（d）
9
1次灌水率
0.0034
48.33
5月8号
2次灌水率
0.0034
48.33
6月1号
3次灌水率
0.0041
57.99
6月21号
4次灌水率
0.0048
67.65
7月5号
5次灌水率
0.0055
77.32
7月24号
小麦
种植比例
0.3
灌水定额
（m3/亩）
灌水时间
灌水延续时间（d）
7
1次灌水率
0.0029
57.99
6月4号
2次灌水率
0.0029
57.99
7月10号
3次灌水率
0.0034
67.65
8月3号
4次灌水率
0.0038
77.32
8月25号
5次灌水率
0.0043
86.98
9月9号
玉米
则灌水率图如下：
灌水率图
修正后的灌水率图
由上图可得，设计灌水率：
qd=0.0043[m3/（s·100亩）]
四、渠系的规划与布置
1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4~5m，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。
2各级渠道与沟道的布置
渠道布置见附录
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。
一、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，其作用是控制渠道水位或流量。
下列情况需要设置节制闸：
①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。
②实行轮灌时，在轮灌组分界处需设节制闸。
③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３ｍ时，宜建跌水。
（2）陡坡：
水位落差大于３ｍ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。
五、渠系的设计流量及渠系水利用系数的推算
为了各用水单位受益均衡，避免因水量过分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。
斗渠分为四个轮灌组，农渠分为三个轮灌组。
根据渠道的布置型式，推算出支渠长度及灌溉面积。
数据如下表：
渠别
一支
二支
三志
四支
合计
长度（km）
5.5
5.5
6
6.5
23.5
灌溉面积（亩）
17300
27900
33100
41700
120000
1、推求典型支渠（三支渠）及其所属斗、农渠的设计流量。
⑴、计算农渠的设计流量。
三支渠的田间净流量为：
Q三只田净=A三支*qd=331*0.0043=1.4233（m3/s）
斗渠分四组轮灌同时工作的斗渠有4条；农渠分3个轮灌组，同时工作的农渠有4条。
所以，农渠的田间净流量为：
Q农田净=Q支田净/（n*k）=1.4233/（4*4）=0.089（m3/s）
取田间水利用系数ηf=0.90，农渠的净流量为
Q农净=Q农田净/ηf=0.089/0.90=0.099（m3/s）
灌区土壤属于中粘壤土，可查出相应的土壤透水性参数；A=1.9，m=0.4。
则可计算出农渠每千米输水损失系数：
σ农=A/Qm农净=1.9/0.0990.4=4.79
农渠的毛流量或设计流量为：
Q农毛=Q农净（1+σ农L农/100）=0.099*（1+4.79*0.4/100）=0.101（m3/s）
⑵、计算斗渠的设计流量。
因为一条斗渠内同时工作的农渠有4条，所以斗渠的净流量等于4条农渠的毛流量之和：
Q斗净=4*Q农毛=4*0.101=0.404（m3/s）
农渠分三个轮灌组，各组要求斗渠供给的净流量相等。
但是，一第三轮灌组距斗渠进水口较远，输水损失水量较多，据此求得的斗渠毛流量较大。
因此，以第三轮灌灌水时需要的斗渠毛流量作物斗渠的设计流量。
斗渠的平均工作长度L斗=1.8km。
斗渠每千米输水损失系数为：
σ斗=A/Qm斗净=1.9/0.4040.4=2.73
斗渠的毛流量或设计流量为：
Q斗毛=Q斗净（1+σ斗*L斗/100）=0.404*（1+2.73*1.8/100）=0.424（m3/s）
⑶、计算第三支渠的设计流量。
斗渠分四组轮灌，以第4轮灌组要求的支渠毛流量作为支渠的设计流量。
支渠的平均长度L支=5.7km。
支渠的净流量为：
Q三支净=4*Q斗毛=4*0.424=1.696（m3/s）
支渠每千米输水损失系数为：
σ三支=A/Qm三支净=1.9/1.6960.4=1.54
支渠的毛流量为：
Q三支毛=Q三支净（1+σ三支*L支/100）=1.696*（1+1.54*5.7/100）=1.845（m3/s）
2、计算三支渠的灌溉水利用系数。
η三支渠=Q三支田净/Q三支毛=1.4233/1.845=0.77
3、计算一、二、四支渠的设计流量。
⑴计算一、二、四支渠的田间净流量：
Q一支田净=173*0.0043=0.744（m3/s）
Q二支田净=279*0.0043=1.200（m3/s）
Q四支田净=417*0.0043=1.793（m3/s）
⑵、计算一、二、四支渠的设计流量：
以典型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。
由于一、二、四支渠的灌溉面积不同，则η一支水=0.79，η二支水=0.78，η四支水=0.75。
Q一支毛=Q一支田净/η一支水=0.744/0.79=0.942（m3/s）
Q二支毛=Q二支田净/η二支水=1.200/0.78=1.538（m3/s）
Q四支毛=Q四支田净/η四支水=1.793/0.75=2.391（m3/s）
4、推求干渠各段的设计流量。
⑴、BC段的设计流量：
QBC净=Q三支毛+Q四支毛=1.845+2.391=4.236（m3/s）
σBC=1.9/4.2360.4=1.07
QBC毛=QBC净（1+σBC*LBC/100）=4.236*（1+1.07*4.3/100）=4.431（m3/s）
⑵、AB段的设计流量：
QAB净=Q二支毛+QBC毛=1.538+4.431=5.969（m3/s）
σAB=1.9/5.9690.4=0.930
QAB毛=QAB净（1+σAB*LAB/100）=5.969*（1+0.93*3.5/100）=6.163（m3/s）
⑶、OA段的设计流量：
QOA净=QAB毛+Q一支毛=6.163+0.942=7.105（m3/s）
σOA=1.9/7.1050.4=0.867
QOA毛=QOA净（1+σOA*LOA/100）=7.105*（1+0.867*6.0/100）=7.475（m3/s）
干渠设计引水流量：
Q0=7.745（m3/s）
六、渠道横断面设计
1、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=
式中：
n——渠床糙率系数。
2、渠道设计的依据
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
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。
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
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最小。
断面稳定，渠道断面过于窄深，容易产生冲刷；过于宽浅，又容易淤积，都会使渠床变形。
稳定断面的宽深比应满足不冲、不淤要求，它与渠道流量、水流含沙情况、渠道比降等因素有关，应在总结当地已成渠道运行经验的基础上确定。
一般比降小的渠道应选择较小的宽深比，以增大水力半径，加快水流速度；比降大的渠道应选择较大的宽深比，以减小流速，防止渠床冲刷。
有力通航，有通航要求的渠道，应根据船舶吃水深度、错船所需的水面宽度以及通航的流速要求等确定渠道的断面尺寸。
一般要求，渠道水面宽度应大于船舶宽度的2.6倍，船底以下水深应不小于15～30cm，项目区灌溉系统主要用于灌溉，所以这点可以不用考虑。
渠道的不冲不淤流速：
在稳定渠道中，允许的最大平均流速称为临界不冲流速用Vcs表示，允许的最小平均流速称为不淤流速，用Vcd表示，为了维持渠床稳定，渠道通过设计流量时的平均流速Vd应满足以下条件：
Vcd渠道均采用土渠，干支渠断面采用经济实用断面，斗农渠采用水力最优断面。
3、支干渠横断面设计
⑴、干渠的设计采用经济实用断面
干渠的偏离系数拟定为1.01~1.04，糙率为0.025，比降为0.0002，干渠的边坡比为1.25，支渠的比降为0.0005，糙率为0.0225，支渠的边坡比为1，根据以下公式和步骤算出干支渠的断面。
（1）拟定偏离系
=1.02；
（2）计算
（3）计算宽深比
（4）
（5）
（6）校核不冲不淤
清水渠取0.3~0.4
要求
<
<
计算最低水深
迭代法：
（1）计算
（2）初拟
（或
）代入下式
当
则计算终止，否则令
继续迭代，一般需2~3次即可。
干渠采用分段法设计，采用实用经济断面，各段尺寸设计如下表：
渠道名称
底宽b（m）
水深h（m）
边坡系数m
渠床糙率n
过水断面面积A（m2）
湿周X（m）
水力半径R（m）
流量Q（m3/s）
断面流速v（m/s）
不淤流速v'（m/s）
不冲流速v"（m/s）
OA段
5.08
2.3
1.5
0.025
19.63
13.38
1.47
7.475
0.38
0.26
0.758
AB段
4.75
2.15
1.5
0.025
17.15
12.50
1.37
6.165
0.36
0.25
0.745
BC段
4.20
1.9
1.5
0.025
13.40
11.05
1.21
4.31
0.32
0.23
0.717
CD段
3.32
1.5
1.5
0.025
8.35
8.72
0.96
2.391
0.29
0.21
0.676
支渠采用实用经济断面，各支渠尺寸如下表：
渠道名称
底宽b（m）
水深h（m）
边坡系数m
渠床糙率n
过水断面面积A（m2）
湿周X（m）
水力半径R（m）
流量Q（m3/s）
断面流速v（m/s）
不淤流速v'（m/s）
不冲流速v"（m/s）
一支
1.64
0.95
1
0.0225
2.46
5.07
0.49
0.942
0.38
0.21
0.616
二支
1.99
1.15
1
0.0225
3.61
6.13
0.59
1.538
0.43
0.21
0.647
三支
2.16
1.25
1
0.0225
4.26
6.67
0.64
1.845
0.43
0.21
0.659
四支
2.33
1.35
1
0.0225
4.97
7.20
0.69
2.391
0.48
0.21
0.676
⑵斗农渠断面设计
采用水力最优断面，水力最优断面具有工程量最小的优点，小型渠道和石方渠道可以采用；大型渠道常采用宽浅断面。
水力最优断面仅仅指输水能力最大的断面，不一定是最经济的断面，渠道设计断面的最佳形式还要根据渠床稳定要求、施工难易等因素确定。
（1）计算宽深比
（2）
（3）
（4）校核不冲不淤
清水渠取0.3~0.4
要求
<
<
斗农渠采用水力最优断面设计，各渠尺寸如下表：
渠道名称
底宽b（m）
水深h（m）
边坡系数m
渠床糙率n
过水断面面积A（m2）
湿周X（m）
水力半径R（m）
流量Q（m3/s）
断面流速v（m/s）
不淤流速v'（m/s）
不冲流速v"（m/s）
斗渠
0.60
0.7
1
0.0225
0.91
3.12
0.29
0.424
0.47
0.19
0.569
农渠
0.35
0.4
1
0.0225
0.30
1.79
0.17
0.101
0.34
0.16
0.493
干、支渠的横断面图如下：
干渠横断面图
支渠横断面图
七、渠道纵断面设计
1、渠首水位推算
参考点较难灌到的地面点，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，
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