山东农业大学《农田水利学课程设计》课程定稿版.docx
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山东农业大学《农田水利学课程设计》课程定稿版
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课程设计
COURSEDESIGN
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TS灌区灌溉工程规划设计
CONCEPTUALDESIGNOFIRRIGATIONPROJECTONTSIRRIGATIONDISTRICT
设计者：
种树前人
专业：
水利水电
班级：
10级班
指导教师：
庞清江
山东农业大学
SHANDONGAGRICULTURALUNIVERSITY
2013年7月5日
前言
TS灌区灌溉工程位于我国北方山前平原上，种植旱作。
主要问题是干旱，涝害和盐渍化问题并不突出，本设计重点突出灌溉工程，涝害和盐渍化暂不做不考虑。
本灌区属于山前冲积扇平原，地形平坦，总的趋势是西北高东南低，地面坡度一般在1/1000--1/2000之间，灌区西北部有一水库可满足灌溉需要。
经调查本地区解放前为一多灾低产地区，洪、涝、旱、碱灾害频繁，农业生产水平低下，人民生活困难，贫苦农民过着糠菜半年粮的艰苦岁月。
解放后虽得到相关的治理，但干旱仍是困扰这一地区粮食作物丰产的主要问题。
因此为保证该地区的粮食丰产增收有必要进一步加强本灌区灌溉工程的建设。
按照流域规划的统一安排，水源的分配方案是：
地下水主要供各地国有工业、乡镇企业用水、城镇居民生活用水。
灌区内的机井主要供人畜饮用，除特殊情况外，不用来灌溉大田。
水库主要用于灌溉。
农业生产一方面需要具有良好的自然条件，但另一方面也程度不同地存在着各种不利因素，因此兴修农田水利灌溉工程，对于作物的保收增收，对我国的农业生产具有十分重要的意义。
根据国民经济发展规划及流域规划，拟将本灌区建成旱涝保收，高产稳产的粮棉生产基地。
1灌区基本概况
1.1自然概况
1．1.1地理位置及范围
TS灌区位于我国北方某地。
灌区总面积15万亩。
1.1.2地形地貌
灌区属山前冲积扇平原，地形平坦，总的趋势是西北高东南低，地面坡度一般在1/1000—1/2000之间。
1.1.3水文
灌区西北部有一水库，兴利库容为2000万m3。
灌区内地下水充足，一般地下水位埋深在8－10m之间，矿化度小于lg／L，单井涌水量达50-100m3/h，水源有保证。
1.1.4气象
TS灌区属北温带季风型大陆性气候区，四季分明，春冬两季少雨多风而夏秋两季高温湿热且降雨集中，春旱夏涝现象比较突出。
多年平均降雨量为654.6mm，但年际变化较大且时空分布不均，其中汛期6-9月份降雨量占全年的72-75％。
年平均蒸发量高达1234.5mm，大大高于降雨量。
全市多年平均气温约12.9℃，年变差达28.9℃，>10℃积温为4368度，光照资源较为丰富。
无霜期平均为190天，最大冻土深达50cm。
风力一般较低，为二至三级，主风向以南北风为主，风速在3.5m/s左右。
干燥度2.62。
1.1.5土壤
灌区内土壤大部为中壤土，肥力中等。
经测定：
灌区土壤0—80cm平均容重1.51t/m3，空隙率41.3％（占土体的％），田间持水率为空隙体积的75％。
1.1.6水文地质
灌区不透水层顶板埋深为20m，含水层渗透系数K=3m／d，灌溉季节深层渗漏的灌溉水对地下水的补给强度ε=lmm／d。
地下水等水位线大致与地面等高线平行，地下水流向大致为西南方向。
地下水的补给来源在汛期是降雨，旱季是灌溉；地下水的消耗主要是蒸发。
地下水动态类型为降雨（灌溉）—蒸发型，主要是垂直运动。
1.2社会经济概况
1.2.1工农业生产情况
灌区是以粮棉为主的农业地区，主要作物有小麦（种植比占70％）、棉花（种植比占10％）、春玉米（占20％）及夏玉米（占60％）。
复种指数1.6。
灌区位于城郊，经济条件交好，西部山区盛产石料，河滩盛产砂及卵石。
灌区内人口较稠密，劳动力充足，建筑业熟练的技术工人较多。
1.2.2自然灾害
本地区解放前为一多灾低产地区，洪、涝、旱、碱灾害频繁，农业生产水平低下，人民生活困难，贫苦农民过着糠菜半年粮的艰苦岁月。
解放后，特别是在全流域进行治理之后，一般洪水得到了控制，不致成灾。
各地亦修建了一些小型水利工程。
旱涝灾害已趋缓和。
据解放后50年统计和调查，各种自然灾害的情况如下：
旱灾：
在灌区内普遍存在，以春旱为主，秋旱次之，成灾率在50％～70％左右。
涝灾：
极少发生。
盐渍化：
已经得到治理。
1.2.3灌区开发要求
根据国民经济发展规划及流域规划，拟将本灌区建成旱涝保收，高产稳产的粮棉生产基地。
按照流域规划的统一安排，水源的分配方案是：
地下水主要供各地国有工业、乡镇企业用水、城镇居民生活用水。
灌区内的机井主要供人畜饮用，除特殊情况外，不用来灌溉大田。
水库主要用于灌溉。
灌区开发以灌溉为主。
2灌区建设的必要性和可行性
2.1必要性
本灌区属于北温带季风性大陆气候，四季分明春冬两季少雨多风而夏秋两季高温湿热且降雨集中，春旱夏涝现象比较突出。
多年平均降雨量为654.6mm，但年际变化较大且时空分布不均，其中汛期6-9月份降雨量占全年的72-75％。
年平均蒸发量高达1234.5mm，大大高于降雨量。
地区的降雨在作物需水期远不能满足要求，致使作物经常减产欠收。
由于粮食作物的生产是当地百姓主要的经济收入来源，当灌区一旦因为缺水致使作物减产甚至不收将直接影响当地百姓的经济收入。
由于干旱而使当地农业生产水平低下，是百姓苦不堪言，修建相关农田水利工程，保证作物需水期水源供应已成为当地百姓迫切的愿望。
目前，灌区内农田水利设施已运行几十年之久，灌区水利工程在早期抗旱排涝中，保障灌区农业丰收发挥了巨大的作用，但由于受当时条件制约，灌区原水利工程建设标准普遍较低，加之后期缺少工程维护资金支持，因此灌区渠系工程一直没有得到相应的改造，工程老化严重，经过多年的运行暴露出灌溉保证率低、渠系水利用率低、设施老化和管理体制工落后等一系列问题，严重制约了当地社会经济发展。
为此，需要进行灌区灌溉工程规划，通过优化灌区水资源配置、开辟水源工程、实施渠系节水改造和田间节水措施、改革灌区管理体制等，实现灌区经营管理良性循环，推动当地经济发展。
灌区的干旱问题同样牵动着当地政府的心，修建农田灌溉工程，解决当地的干旱问题很早就被提上日程。
由于当地农田需水期的干旱致使作物减产，直接影响了当地百姓的经济收入，并进一步影响到了当地经济的发展，这引起当地政府的高度重视，修好灌溉工程为百姓谋取福利早已成为政府施政的重要项目之一。
2.2可行性
TS灌区灌溉工程的建设很早就得到当地政府的高度重视，政府相关规划和准备工作早已落实。
农田水利灌溉工程属于公益性工程，其建设的好坏关系到当地众多百姓的生活质量。
当地政府在认真听取百姓声音的同时积极组织相关水电人员到灌区进行考察调研，充分研究项目的可行性。
经过一段较长时间的调研，已经积累了很多有关灌区农田地形地质方面的资料，为进一步的规划设计奠定了坚实的基础。
就水源条件来看，当地灌区西北部有一水库，兴利库容为2000万m3。
灌区内地下水充足，一般地下水位埋深在8－10m之间，矿化度小于lg／L，单井涌水量达50-100m3/h，有充足的水源未得到开发，水源有保证。
同时农田灌水工程实施后将有效解决当地农业和农村的关键障碍性因素使灌溉地区抵御自然灾害能力显著增强，粮食生产能力稳步提高将达到旱涝保收，稳产高产的目标。
经充分论证灌溉工程项目不会给当地环境产生重大影响，并将有利于当地自然条件资源的改善。
经济方面改革开放以来当地经济取得了突飞猛进的发展，财政收入增加迅速，当地政府已有能力和实力去修建相关农田水利工程为百姓谋取福利。
伴随经济增长的还有日益提高的科技水平，经充分调查知当地的水利技术已日趋成熟，拥有较高资历的水利人员众多，技术力量雄厚，同时灌区附近的农村劳动力资源丰富，都为当地灌溉工程的建设提供了强有力的支持。
3灌区总体规划布置
3.1灌区总体规划布置原则
1）对于平原区灌区的干、支渠大多位于河流中、下游地区的冲击平原，地形平坦开阔，耕地集中连片。
山前洪积冲击扇，除地面坡度较大外，也具有平原地区的其他特征。
这类干渠多沿等高线布置，支渠垂直等高线布置。
2）干渠布置在灌区的较高地带，以便自流控制较大的灌溉面积。
其他各级渠道亦应该布置在各自控制范围内的较高地带。
3）为了使工程量和工程费用最小，一般来说，渠线应尽可能短直，以减少占地和工程量。
4）灌溉渠道的位置应参照行政区划确定，尽可能使各用水单位都有独立的用水渠道，以利于管理。
5）斗、农渠的布置要满足机耕要求。
渠道线路要直，上、下级渠道尽可能垂直，斗、农渠的间距要有利于机械耕作。
6）要考虑综合利用。
实现农业灌溉渠道与其他农田水利工程的结合，以便发挥最大的效率。
7）灌溉渠系规划应和排水系统规划结合进行。
由于灌区降水较少此处暂不考虑排水系统的规划设计。
8）灌溉渠系布置应和土地利用规划（如耕作区、道路、林带居民点等规划）相配合，以提高土地利用率，方便生产和生活。
3.2总体规划设计指标
3.2.1政策法规
《中华人民共和国水法》
3.2.2规范标准
《灌溉渠道系统量水规范》（GB/T21303-2007）
《农田水利规划导则》（SL462-2012）
《节水灌溉工程技术规范》（GB/T50363-2006）
《节水灌溉工程验收规范》（GB/T50769-2012）
《灌溉用水定额编制导则》（GB/T29404-2012）
《山东省主要农作物灌溉定额》（DB37/T1640-2010）
《灌溉排水渠系设计规范》SDJ127-84
3.3灌区总体规划布置
TS灌区总灌溉面积A净=10万亩，灌区有一条长18Km的干渠，干渠上有6条支渠（详见灌区干、支渠布置示意图，图4-1），均为土渠。
灌水时，干、支渠全部实行续灌,各支渠控制的净灌溉面积分别为:
A1、A2皆是1.55万亩;A3、A4皆是1.7万亩;A5、A6皆是1.75万亩。
典型支渠为六支渠，支渠上有6条斗渠，每条斗渠上有8条农渠，农渠的间距150m，长600m。
斗、农渠实行轮灌，斗、农渠各分两个轮灌组。
典型支渠以下的渠系布置图由学生绘制。
干渠渠地比降全部采用1/1000。
干渠渠线高程见下表3-1。
表3-1干渠渠线高程表
桩号
0+000
1+000
2+000
3+000
4+500
6+000
7+000
8+500
地面高程
59.45
59.25
58.50
58.70
58.30
58.20
58.00
58.10
说明
干渠首
公路桥
生产桥
桩号
11+000
12+000
13+500
15+000
16+000
16+500
17+000
18+000
地面高程
57.90
57.85
57.50
57.60
57.30
57.35
57.20
57.10
说明
交通桥
生产桥
一│三│五│
支│支│支│
│││
水┃（0+000）│（6+000）│（12+000）│（18+000）
┣━━━━━┿━━━━━━━━┿━━━━━━━━┥
源┃A│B│C│D
│││
二│四│六│
支│支│支│
图4-1灌区干、支渠布置示意图
4水量供需平衡分析
4.1可供水资源量分析
灌区西北部有一水库，兴利库容为2000万m3。
灌区内地下水充足，一般地下水位埋深在8－10m之间，矿化度小于lg／L，单井涌水量达50-100m3/h，水源有保证。
4.2灌溉用水量分析
4.2.1基本资料的收集
1）计划土壤湿润层深度。
土壤计划湿润层深度系指土壤在旱田进行灌溉时，计划调控土壤水分状况的土层深度。
相关资料见表4-1.
2）土壤最大最小含水率。
土壤适宜含水率上限为田间持水率，下限为田间持水率的60％，播前灌（9月）以前天然土壤含水率为48％（占空隙体积％）。
由于计划湿润层增加而增加的土体壤含水量按田间持水率的90％计。
3）降水入渗量。
指降雨减去地面径流损失，详细数值见表4-2.
4）地下水补给量。
在本次设计中，地下水利用量从偏于安全考虑，可以忽略不计。
5）由计划湿润层增加而增加的水量可由以下公式确定。
WT=667（H2-H1）n0
4.2.2旱作物播前灌水定额确定
为保证作物种子发芽和出苗所必须的含水量，或储水于土壤中以提供作物生长发育后期之用，要进行作物播前供水。
本次灌溉设计根据所提供的资料确定本次灌水定额为40m3/亩，灌水中间日为9月22日。
表4-1冬小麦各生育阶段计划湿润层深度及需水模系数表
生育阶段
起止日期
计划湿润层深度（m）
需水模比系数的累计值（%）
幼苗期
分蘖期
越冬期
返青期
拔节期
抽穗开花期
乳熟期
黄熟期
10月1日——11月5日
11月6日——12月5日
12月6日——3月1日
3月2日——4月10日
4月11日——5月1日
5月2日——5月17日
5月18日——6月4日
6月5日——6月16日
0.6
0.6
0.6
0.6——0.8
0.8
0.8
0.8
0.8
3.6
11.0
14.0
24.0
55.0
68.0
86.0
100.0
表4-2典型年冬小麦生育期逐旬有效降雨量
月份
10月
11月
12月
1月
2月
3月
4月
5月
6月
上旬
0.5
16.5
4.5
13.6
中旬
1.32
下旬
22.5
25
31.5
24.0
4.2.3冬小麦灌水定额确定
根据图解法，将相应数据输入excel表格，生成冬小麦灌溉制度设计图，见附图1。
4.2.4其它作物灌溉设计定额确定
其它作物灌溉设计定额通过设计资料可以查得，详见表4-3。
表4-3典型年（中旱年）棉花、玉米的灌溉制度
作物名称
生育期
灌水次序
生育阶段
灌水中间日
灌水定额（m3/亩）
冬小麦
10月1日——6月16日
1
播前
9月22日
40
2
分蘖期
11月21日
25
3
拔节期
4月21日
70
4
抽穗开花期
5月11日
40
5
乳熟期
6月01日
40
棉花
4月10日——10月30日
1
播前
3月20日
60
2
现蕾期
6月25日
40
3
开花结铃期
7月13日
45
夏玉米
6月17日——9月15日
1
拔节期
7月2日
40
2
抽穗期
7月20日
40
3
灌浆期
8月8日
30
春玉米
4月15日——8月10日
1
冬灌期
11月20日
60
2
拔节期
5月17日
45
3
抽穗期
6月24日
45
4
灌浆期
7月25日
45
4.3水量供需平衡计算
W毛=（70%*215+10%*145+60%*110+20%*195）*10/0.6=4500万m3<5000万m3
因此满足水库供水要求。
注为保证灌溉用水量以及输水过程中的水量损失，η初步拟定为0.6。
5典型工程设计
5.1典型工程范围的选择与布置
5.1.1初步灌水率设计
为计算灌区渠首的引水流量和灌区渠道的设计流量需要根据灌溉制度计算灌水率，对于某一特定作物，各次灌水所要求的灌水率可由以下公式确定：
q净=am1/8.64T1
通过excel计算可得作物初步设计的每次灌水率，相关计算表见5-1，同时运用excel生成灌水率初步设计图，见图5-1.
5.1.2灌水率修正
由初步设计灌水率图可知各时期的灌水率大小相差悬殊，渠道输水断断续续，不利于管理，如利用其中最大的灌水率计算渠道流量，势必偏大不经济，因此必须对初步计算获得的灌水率图进行修正，尽可能的消除灌水率高峰和短期停水现象。
在修正灌水率图时，要以不影响作物需水要求为原则，尽量不改变主要作物关键时期的灌水时间，调整其他各次灌水时要使修正后的灌水率图比较均匀、连续。
此外为了减少输水损失并使渠道工作制度比较平稳，再调整时不应使灌水率数值相差悬殊，修正后的灌水率表见表5-2，灌水率图见图5-2.
表5-1初步灌水率设计表
作物名称
灌水次序
灌水定额（m3/亩）
起始日
中间日
结束日
延续时间（天）
灌水率[m3/（s*万亩）]
冬小麦
1
40
9月17日
9月22日
9月28日
12
0.27
2
25
1月15日
11月21日
11月26日
12
0.17
3
70
4月14日
4月21日
4月28日
15
0.38
4
40
5月05日
5月11日
5月16日
12
0.27
5
40
5月26日
6月1日
6月06日
12
0.27
棉花
1
60
3月18日
3月20日
3月22日
5
0.14
2
40
6月21日
6月25日
6月28日
8
0.06
3
45
7月10日
7月13日
7月17日
8
0.07
夏玉米
1
40
6月26日
7月2日
7月7日
12
0.23
2
40
7月14日
7月20日
7月25日
12
0.23
3
30
8月2日
8月8日
8月13日
12
0.17
春玉米
1
60
11月13日
11月20日
11月26日
14
0.10
2
45
5月13日
5月17日
5月20日
8
0.13
3
45
6月20日
6月24日
6月27日
8
0.13
4
45
7月21日
7月25日
7月28日
8
0.13
图5-1初步确定灌水率图
图5-2修正后的灌水率图
表5-2修正后灌水率
作物名称
灌水次序
灌水定额（m3/亩）
起始日
中间日
结束日
延续时间（天）
灌水率[m3/（s*万亩）]
冬小麦
1
40
9月17日
9月22日
9月28日
12
0.27
2
25
1月15日
11月21日
11月26日
12
0.17
3
70
4月14日
4月21日
4月28日
15
0.38
4
40
4月05日
5月5日
5月10日
12
0.27
5
40
5月26日
6月1日
6月06日
12
0.27
棉花
1
60
3月18日
3月20日
3月22日
5
0.14
2
40
6月18日
6月21日
6月25日
8
0.06
3
45
7月14日
7月18日
7月21日
8
0.07
夏玉米
1
40
6月26日
7月2日
7月7日
12
0.23
2
40
7月14日
7月20日
7月25日
12
0.23
3
30
8月3日
8月9日
8月14日
12
0.17
春玉米
1
60
11月13日
11月20日
11月26日
14
0.10
2
45
5月13日
5月17日
5月20日
8
0.13
3
45
6月18日
6月21日
6月25日
8
0.13
4
45
7月26日
7月25日
8月2日
8
0.13
在取值设计渠道用的灌溉率时，应从图中选取延续时间较长的最大灌水率值。
综合图6-2可知设计灌水率取q=0.27m3/（s*万亩）
5.2灌溉渠道设计流量推算
5.21渠道设计流量推算：
选择典型支渠（六支渠）及其所属斗、农的设计流量
（1）计算农渠的设计流量
Q六支田净=A4q=0.27*1.75=0.47m3/s
因为斗、农渠分两组轮灌，同时工作的斗渠有3条，农渠有4条。
Q农田净=Q六支田净/（nk）=0.47/（3*4）=0.0392m3/s
Q农净=Q农田净/ηf=0.0392/0.95=0.0413m3/s
灌区土壤属于中壤土，A=1.9，m=0.4.
σ农=1.9/[100（Q农净）0.4]=0.0680
Q农毛=Q农净（1+σ农L农）=0.0413*（1+0.0680*0.3）=0.042m3/s
（2）计算斗渠的设计流量
因为一条斗渠上同时工作的农渠有4条，斗渠的净流量等于农渠的毛流量之和。
Q斗净=4*Q农毛=4*0.042=0.168m3/s
σ斗=1.9/[100（Q斗净）0.4]=0.0388
Q斗毛=Q斗净（1+σ斗L斗）=0.168*（1+0.0388*0.825）=0.173m3/s
（3）计算六支渠的设计流量
斗渠也是分两组进行轮灌，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L支=2.4km.
Q六支净=3*Q斗毛=3*0.173=0.519m/s
σ六支=1.9/[100（Q六支净）0.4]=0.0247
Q六支毛=Q六支净（1+σ六支L六支）=0.519*（1+0.0247*2.4）=0.55m3/s
（4）推求干渠的设计流量
计算一、二、三、四、五支渠的设计流量
η六支=Q六支田净/Q六支毛=0.47/0.55=0.85，Q支毛=Aq/η六支
Q一支毛=1.55*0.27/0.85=0.492m3/s
Q二支毛=1.55*0.27/0.85=0.492m3/s
Q三支毛=1.7*0.27/0.85=0.540m3/s
Q四支毛=1.7*0.27/0.85=0.540m3/s
Q五支毛=1.75*0.27/0.85=0.550m3/s
CD段的设计流量
QCD净=Q五支毛+Q六支毛=0.550*2=1.10m3/s
σCD=1.9/[100（QCD净）0.4]=0.0183
QCD毛=QCD净（1+σCDLCD）=1.1O*（1+0.0183*6）=1.221m3/s
BC段的设计流量
QBC净=Q三支毛+Q四支毛+QCD毛=1.221+0.540*2=2.301m3/s
σBC=1.9/[100（QBC净）0.4]=0.0136
QBC毛=QBC净（1+σBCLBC）=2.301*（1+0.0136*6）=2.489m3/s
AB段的设计流量
QAB净=Q一支毛+Q二支毛+QBC毛=2.489+0.492*2=3.473m3/s
σAB=1.9/[100（QAB净）0.4]=0.0115
QAB毛=QAB净（1+σABLAB）=3.473*（1+0.0115*6）=3.513m3/s
5.22渠道最小流量的的计算
以修正灌水模数图上的最小灌水模数值作为计算渠道最小流量的依据，计算的方法和步骤和设计流量的计算方法相同，由上述方法算得：
对于同一条渠道，其设计流量Q设与最小流量Q最小相差不要过大以防止在用水过程中出现水位不够而产生用水困难，以渠道的最小流量不低于渠道的设计流量的40%为宜。
Qminab=2.053m3/s
Qminbc=1.36
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