马清河灌区灌溉排水课程设计报告

农业大学科技学院
课程设计说明书
课程名称：灌溉排水工程学
题目名称：马清河灌区灌溉系统的规划设计班级：2012 级水利水电专业01 班姓名：琦
学号： 5
指导教师：王辉
评定成绩：
教师评语：
指导老师签名：
2015年月日
马清河灌区灌溉系统的规划设计
一.基本资料
⏹ 1.1灌区基本情况
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，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。

界荣山、龙尾山等属土质丘陵，表土属中粘壤土，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，遇暴雨时易发洪水，近年来已在各沟，溪上游修多处小型水库，山洪已基本得到控制，对灌区无威胁。

马清河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，坝顶高程林50.2m，正常水位43.0m，兴利库容1.2×108m3，总库容2.3×108m3。

灌区拟在该水库下游A-A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。

A-A断面处河底高程30m，砂、卵石覆盖层厚2.5 m，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2-1及表2-2。

⏹ 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1-3。

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2-4及表2-5所示；中稻及晚稻的丰产灌溉制度列于表2-6。

注：计划产量120Kg ； 需水量系数K=2.67m 3／Kg ；
土壤孔隙率48%（占土体的百分数）；
土壤适宜含水率上限为88%（占空隙体积的百分数）； 土壤适宜含水率下限为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72 m 3／亩；
播前灌之前土壤计划润湿层（0.4m ）的平均含水率θ0=40%（占空隙体积的百分数）。

增加的计划润湿层的平均含水率可按50%（占空隙体积的百分数）计。

二.早稻及棉花的灌溉制度计算 2.1早稻的灌溉制度计算
由已知的气象资料可知，在早稻的全生育期的蒸发量为
2031
9.1747.1430.1186305.970⨯+++⨯=E =394.06
0E ET α=全
0.1=α
06.394=全ET
所以可得各生育阶段的需水量全ET k ET i i =，继而可得出逐日耗水量。

列入上表。

又知泡田日期为4月13日至4月24日，泡田定额为亩/703m m =，mm 6.15S 1=。

1230
5
.97t e 11⨯=
=39mm mm
M 8.805.30396.15667
.0h 30.5)-3915.60.667(h )P -t e S (h 667.0M 1
00111101=+--=
⇒++=++=
因此取初始淹灌水层为80.8mm. 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。

水量平衡方程：W t －W 0=W r ＋P 0＋K ＋M －ET 。

早稻生育期灌溉制度计算列如下表。

：未包括黄熟期！
3
.129.4641809.903.3078.80=-+-+=-
+-+∑∑∑∑WC
m d P h 与7月20日淹灌水层深度相符。

2.2棉花的灌溉制度计算
棉花全生育期的需水量为4.32012067.2=⨯==KY ET 即其各生育阶段的需水量为ET k ET i i = 各生育阶段地下水补给量为i i i ET K ⋅=β
由于计划湿润层增加而增加的水量-
-=θn H H W Ti )(66712 计划湿润层的最大、最小蓄水量：min
min max max 667667θθi i nH W nH W ==
降雨入渗量处理：有效降雨。

当旬有接连两天或两天以上的降雨时，看做一次降雨，将其累加，如不是则就为一次降雨。

当一次降雨小于5mm 时，α为0；当一次降雨在5～50mm 时，取α为0.9；当一次降雨大于50mm 时，取α为0.7。

由此可得入渗的有效降雨量如下表。

最初土壤计划湿润层的蓄水量为亩/7230m W =，根据水量平衡方程：
ET M K P W W W r t -+++=-00可依次推出棉花各生育期土壤计划湿润层的蓄水
量，当所得t W 小于或接近该生育期的最小蓄水量min W 时，则需进行灌水；当大于最大蓄水量max W 时，则需排水。

播前灌水定额：
)(6670max 1θθ-=Hn M )40
88
(48.04.06670
0-⨯⨯⨯=亩/47.613m =
棉花灌溉制度计算表见下表：
所以可得棉花灌溉制度为：
三.灌水率计算
3.1根据所计算得的早稻、棉花及给出的中稻、双季晚稻的灌溉制度以及作物比例分别计算出其灌溉率。

各次灌水的灌水率为i
i
i T m q 64.8α=
计算过程见下表。

灌水率计算表
2 15 7.27-7.29 7.28
3 0.29
3 25 8.1-8.
4 8.2 4 0.36
4 20 8.7-8.10 8.8 4 0.29
5 25 8.12-8.1
6 8.14 5 0.29
6 30 8.23-8.25 8.24 3 0.58 双季晚稻50
7 30 8.27-8.30 8.2
8 4 0.43
8 30 8.31-9.4 9.2 5 0.35
9 30 9.6-9.8 9.7 3 0.58
10 30 9.12-9.14 9.13 3 0.58
11 30 9.19-9.23 9.21 5 0.35
12 20 9.30-10.3 10.2 4 0.28
20 1 61.47 4.15-4.21 4.18 7 0.20 棉花 2 20 4.21-4.28 4.25 8 0.06
3 30 7.29-8.6 8.2 9 0.08
4 40 8.27-9.3 8.31 8 0.16
将所得灌水率绘在方格纸上得初步灌水率图，后经修正后得最后的灌水率图，选取延续时间较长的最大灌水率值。

取修正后的灌水率q为0.38m3/(s*万亩).
灌水率图
修正后的灌水率图
四.灌溉渠系规划布置
4.1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、四支布置在整个灌区的东面。

第二支渠灌溉面积适中，可作为典型支渠，该支渠有8条斗渠，斗渠长3200m，取第四斗渠为典型斗渠。

每条斗渠有16条农渠，农渠长600m,间距200m，可取四斗七农为典型农渠。

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。

布置图见（附图三）。

五．渠道设计流量计算
5.1确定工作制度
干支渠续灌，斗、农轮灌（各分两组）。

5.2典型支渠设计流量计算
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。

渠别一支二支三支四支合计
长度（km） 3.70 4.80 4.12 8.08 20.72
灌溉面积 1.92 2.34 3.56 4.18 12
A ．计算农渠的设计流量
二支渠的田间净流量为s m q Q /889.038.034.2A 3设支2支田净2=⨯=⨯= 因斗、农渠分两组轮灌，同时工作的斗渠有4条，同时工作的农渠有8条，所以，农渠的田间净流量为：028.08
4889
.0支田净2农田净=⨯=⨯=
k n Q Q s m /3
取田间水利用系数95.0=f η，农渠的净流量
029.095
.0028
.0农田净农净===
f Q Q ηs m /3 灌区土壤属中粘壤土，查表4-1得相应的土壤透水性参数：9.1=A 4.0=m 因此农渠每公里输水损失系数为：0783.0029
.01009
.11004
.0农净农=⨯==
m Q A σ 取农渠的计算长度为：km L 30.02600农=÷= 农渠的的设计流量为：
s m L Q Q /030.0）30.00783.01（029.0）1（3农农农净农毛=⨯+⨯=+=σ
B ．计算斗渠的设计流量
因一条斗渠同时工作的农渠有8条；
即斗渠的流量为：s m Q /240.0030.08Q 83农毛斗净=⨯=⨯=
农渠分两组轮灌，各组要求斗渠供给的净流量相等。

但是，第Ⅱ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Ⅱ轮灌组的斗渠毛流量作为斗渠的设计流量。

斗渠的平均工作长度为km L 3.2斗=。

斗渠每公里输水损失系数为：0336.024.01009
.1Q 100A 4
.0斗净斗=⨯==m
σ 斗渠的设计流量为：
s m Q Q /259.0）3.20336.01（24.0）L 1（3斗斗斗净斗毛=⨯+⨯=+=σ。

C ．计算二支渠的设计流量 斗渠也是分两组轮灌，以第Ⅱ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取：km L 8.3支=。

支渠的净流量为：s m Q /036.1259.043支净2=⨯=
支渠每公里输水损失系数为0187.0036
.11009
.11004
.0支净2支2=⨯=⨯=m Q A σ 支渠的设计流量为：
s m L Q Q /110.1)8.30187.01(036.1）1（3支支2支净2支毛2=⨯+⨯=+=σ
5.2.2计算二支渠的灌溉水利用系数
8.0110
.1889
.0支毛2支田净2支水2===
Q Q η
5.2.3计算一、三、四支渠设计流量 A ．计算一、三、四支渠的田间净流量 s
m Q s m Q s
m Q /588.138.018.4/351.138.056.3/730.038.092.13支田净43支田净33支田净1=⨯==⨯==⨯=
B ．计算一、三、四支渠的设计流量
以典型支渠（二支渠）的灌溉水利用系数作为扩大指标，用来计算其他支渠的设计流量。

s m Q Q /913.08
.0730
.03支水2支田净1支毛1===η
s m Q Q /689.18.0351.13支水2支田净3支毛
3===η s m Q Q /985.18
.0588
.13支水2支田净4支毛4===
η
5.2.4推求干渠各段的设计流量
A ．CD 段的设计流量
s m Q Q CD /985.13支毛4净==
0144.0985
.11009
.14
.0=⨯=
CD σ s m L Q Q CD CD CD CD /88.2)14.30144.01(985.1）1（3净毛=⨯+⨯=+=σ
B ．B
C 段的设计流量
s m Q Q Q CD BC /569.488.2689.13毛支毛3净=+=+=
0103.0569.41009
.14
.0=⨯=
BC σ
s m L Q Q BC BC BC BC /76.4)10.40103.01(569.4）1（3净毛=⨯+⨯=+=σ
C ．AB 段的设计流量
s
m Q Q s m Q Q AB AB AB AB BC AB /09.6）9.30094.01（87.5）L 1（0094
.087.51009
.1/87.511.176.4Q 3AB 净毛
4.03支毛2毛净=⨯+⨯=+==⨯==+=+=σσ
D ．OA 段的设计流量
s
m Q Q s m Q Q Q OA OA OA OA AB OA /23.7）8.300872.01（003.7）L 1（00872
.0003.71009
.1/003.7913.009.63OA 净毛
4.03支毛1毛净=⨯+⨯=+==⨯==+=+=σσ 6.灌溉渠道的断面设计
6.1渠道横断面设计
由已知资料查表，可取边坡系数5.1=m 渠底比降00025.04000
1
==i 渠床糙率系数025.0=n 6.1.1干渠横断面设计 采用经济适用断面
A ．OA 段：s m Q OA /23.73= 取01.1=α，
)1(42/5--=αααγ=0.82
宽深比m m m --+=
)12(2
2γ
αβ=1.66 m i m m Qn h 84.1)()12(8
/33
/53/22=⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎣⎡+++=ββ
m h b 05.3==β m
m
h b m h mh b A 68.91269.10)(2
2=++==+=χ
m R 1.1==
χ
所以可得s m A
Q V /68.023.7===
校核不冲不淤
R C V =不淤
1.0KQ V =不冲
取3.0=C 62.0=K 即有
s
m KQ
V s m R C V /76.094
.762.0/32.016.13.01
.01
.0=⨯===⨯==不冲不淤
因此有不冲不淤V V V <<，满足要求，说明断面尺寸符合要求，即干渠OA 段的断面尺寸为：m h 84.1=，m b 05.3=。

干渠AB 、BC 、CD 以及典型支渠（二支）皆采用经济适用断面计算，其结果列入下表。

01.1=α )1(42/5--=αααγ=0.82
66.1)12(2
2=--+=
m m m γ
αβ 断面尺寸设计
错误！链接无效。

经校核皆满足不冲不淤V V V <<，说明以上横断面尺寸都符合要求。

6.1.2斗、农渠断面设计 采用水力最优断面
A ．典型斗渠：s m Q /259.03斗= 计算宽深比61.0)1(22=-+=m m β
m i m m Qn h 64.0)()12(8
/33
/53/22=⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎣⎡+++=ββ
m h b 39.064.061.0=⨯==β 286.0)(m h mh b A =+=
m m h b 7.2122=++=χ
s m R /32.0==
χ
可得s m A
Q
V /3.0==
因有
s
m KQ
V s m R C V /61.082
.062.0/22.052.03.01
.01
.0=⨯===⨯==不冲不淤
可知，得典型斗渠的断面尺寸为m b 39.0=，m h 64.0=，符合要求。

B ．典型农渠：s m Q /03.03农= 宽深比61.0)1(22=-+=m m β
m i m m Qn h 28.0)()12(8
/33
/53/22=⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎣⎡+++=ββ
m h b 17.028.061.0=⨯==β 2165.0)(m h mh b A =+=
m m h b 18.1122=++=χ
s m A R /14.0==
χ；所以s m A
Q
V /18.0== 因
s
m KQ
V s m R C V /51.082
.062.0/16.052.03.01
.01
.0=⨯===⨯==不冲不淤
即不冲不淤V V V <<，满足要求，因此得典型农渠横断面尺寸为m b 17.0=，
m h 28.0=。

6.2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0040为宜，在此取
设最小Q Q 0050=，而加大流量为设JQ Q J =（当51<<Q 时，取 1.3J =；当105<<Q ，
取 1.2J =）。

而为了防止风浪引起渠水漫溢，保证渠道安全运行，挖方渠道的渠
岸和填方渠道的堤顶应高于渠道的加大水位，即为安全超高2.04
1
+=j h h △。

又为了便于管理和保证渠道安全运行，挖方渠道的渠岸和填方的堤顶应有一定的宽度，以满足交通和渠道稳定的需要，即是3.0+=j h D 。

6.2.1干渠纵断面设计
利用迭代法计算。

（50.1=m 00025.04000
1
==i 025.0=n ） A ．OA 段：s m /62.323.75.0Q 50
Q 30
最小=⨯==
85.2Q 6
.0最小=⎪
⎪⎭
⎫
⎝⎛=i n A m m B 61.3122=+=
初始选m h 2.1最小
=，则有最小
最小最小）（mh b Bh b h ++='4
.0A
进行迭代，最终得m h 30.1最小=，即为最小水深。

因s Q /8.68m 7.231.2JQ 3J =⨯==
80.46
.0J =⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛=i nQ A m 61.3122=+=m B
初始m h j 0.2=，则j
j j mh b Bh b h ++=
'4
.0A ）
（，迭代得m h j 01.2=，即为堤顶高程。

堤顶宽度为m h D j 31.23.0=+=，安全超高m h h j 7.02.04
1
△=+=。

B ．AB 段：s m /01.309.65.0Q 50Q 300最小=⨯==
55.2Q 6
.0最小=⎪
⎪⎭
⎫
⎝⎛=i n A m m B 61.3122=+=
初始选m h 10.1最小
=，因最小
最小最小）（mh b Bh b h ++='4
.0A ，
迭代得m h 20.1最小=，即为最小水深。

s Q /7.31m 6.091.2JQ 3J =⨯==
26
.0J 34.4m i nQ A =⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛= m m B 61.3122=+=
初始m h j 1.1=，则j
j j mh b Bh b h ++=
'4
.0A ）
（，迭代得m h j 89.1=，即为堤顶高程。

堤顶宽度为m h D j 19.23.0=+=，安全超高m h h j 67.02.04
1
△=+=。

C ．BC 段：s m /38.276.45.0Q 50Q 300最小=⨯==
26
.0最小21.2Q m i n A =⎪
⎪⎭
⎫
⎝⎛= m m B 61.3122=+=
初选m h 10.1最小
=，有最小
最小最小）（mh b Bh b h ++='4
.0A
迭代得m h 10.1最小=即为最小水深。

又因s Q /6.18m 4.761.3JQ 3J =⨯==
26
.0J 93.3m i nQ A =⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛= m m B 61.3122=+=
选m h j 7.1=，则j
j j mh b Bh b h ++=
'4
.0A ）
（，迭代得m h j 79.1=，即为堤顶高程。

堤顶宽度m h D j 09.23.0=+=，安全超高m h h j 65.02.04
1
△=+=。

D ．CD 段：s m /44.15.0Q 50Q 300最小=⨯==
26
.0最小64.1Q m i n A =⎪
⎪⎭
⎫
⎝⎛= m m B 61.3122=+=
初选m h 8.0最小
=，有最小
最小最小）（mh b Bh b h ++='4
.0A
迭代得m h 92.0最小=即为最小水深。

又因s Q /3.74m 88.21.3JQ 3J =⨯==
26
.0J 90.2m i nQ A =⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛= m m B 61.3122=+=
选m h j 4.1=，则j
j j mh b Bh b h ++=
'4
.0A ）
（，迭代得m h j 48.1=，即为堤顶高程。

堤顶宽度m h D j 78.13.0=+=，安全超高m h h j 57.02.04
1△=+=。

E ．典型支渠（二支）：s m /56.011.15.0Q 50Q 300最小=⨯==
26.0最小93.0Q m i n A =⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛= m m B 61.3122=+=
初选m h 6.0=最小，有最小
最小最小）（mh b Bh b h ++='4.0A ，迭代得m h 64.0最小=，为最小水深。

又因s Q /1.44m 1.111.3JQ 3J =⨯==
26.0J 64.1m i nQ A =⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛= m m B 61.3122=+=
选m h j 2.1=，则j j j mh b Bh b h ++='4.0A ）（，迭代得m h j 0.1=为堤顶高程。

m h D j 3.13.0=+=，m h h j 45.02.04
1△=+=。

6.2.2典型斗、农渠纵断面设计 利用水力最优断面计算。

A ．典型斗渠：s m /13.026.05.0Q 50Q 300最小=⨯==
m i m m n h 50.0)12(Q 189.18/32最小最小=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣
⎡-+= s
Q /0.35m 0.261.33JQ 3J =⨯== m i m m n h j j 72.0)12(Q 189.18/32=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-+=
B ．典型农渠：s m /015.003.05.0Q 50Q 300最小=⨯==
m i m m n h 22.0)12(Q 189.18/32最小最小=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-+=
s Q /04m .01.33JQ 3J =⨯==
m i m m n h j
j 32.0)12(Q 189.18/32=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-+=
6.2.3灌溉渠道的水位计算
为了满足自流灌溉的要求，各级渠道入口处都应具有足够的水位。

∑∑+++=ψLi h A H △进0
式中：进H ——渠道进水口处的设计水位，m ；
0A ——渠道灌溉围控制点的地面高程（m ）。

h △——控制点地面与附近末级固定渠道设计水位的高差，取0.1m ； L ——渠道的长度，m ；
i ——渠道的比降；
∑ψ——水流通过渠系建筑物的水头损失（m ）
，可查表。

A ． 干渠：m A 220=
m h 1.0=△
00041.000025.05.16=⨯=∑Li
∑=+++=8.04.015.01.015.0ψ
所以有m Li h A H 90.2285.000041.01.0220=+++=+++=∑∑ψ△进
B ． 二支口处：m A 190=
m h 1.0=△
00013.000025.035.5=⨯=∑Li
54.03.007.007.01.0=+++=∑ψ
所以第二支渠处的设计水位为
m Li h A H 64.1954.000013.01.0200=+++=+++=∑∑ψ△进
C ． 二支四斗处：m A 5.160=
m h 1.0=△
00075.000025.03=⨯=∑Li
4.02.00
5.005.01.0=+++=∑ψ
所以二支四斗处的设计水位为
m Li h A H 174.000075.01.05.160=+++=+++=∑∑ψ△进
可根据以上计算所得数据绘制出干渠的纵横断面图以及典型支渠的横断面图，见附图四、五。

附图四
干渠横断面结构示意图 （单位：）
附图五
弃土
排水沟
支渠横断面结构示意图
参考文献：
[1]郭元裕主编．农田水利学．中国水利水电出版，2009
[2]德亮主编．水工建筑物．中国水利水电出版，2003
[3]吴迟恭主编．水力学．高等教育出版，2008。