农田水利学课程设计

一．灌区概况及分布

（一） 灌区自然地理和经济概况

本地区三面环河，西起清河，南频卫河，东至禹河；地势平坦，地形坡度

多在0.0015~0.004 之间。过去由于卫河南移，在本区的下中部横凿下一道陡坎；

同时，入禹河河口西北方形成一凹地和局部高地。

 本地区土质肥沃，土壤质地属中粘壤土，微有结构，土壤含盐量为0.02% 宜于耕作。土中粘土含量为 10%~15%，孔隙率为44.3%，干容重为 1.40t/m ,  透 

水性中等。地下水埋深为5~15m，水质近于中性（PH=7.4 ），可溶性盐为0.05%。

 本区多年平均降雨量为 581.3 毫米，但时间分配不均，经常出现季节性干旱，

影响作物生长。年最大降雨量为 877.7 毫米（1949 年），年最小降雨量为 363.3 

毫米（1963 年），年内降雨变率很大，七、八、九三个月降雨量占全年降雨总量 

的70%。暴雨多发生在八、九月，由于本区土壤透水性较强，且地下水位较深，

因而形成的地面径流量不大，除凹地外，径流可及时排除。多年平均蒸发量970 

毫米，月平均气温 13~16℃，最高气温 43℃，最低-10℃，每年 12 月下旬开始结 

冻，元月底解冻。

 全区耕地面积约为 113000 亩（100 等高线以下），由于南北方向有李家沟纵 

切而过，把耕地分为东、西两部分，其面积分别为 17000 亩和 96000 亩。当地种 

植的作物以小麦和玉米为主，其次是棉花、高粱和谷子等。

 全区共分布有四个乡，即前进乡、胜利乡、合作乡和红旗乡。该区由于干旱 

影响，作物产量低而不稳，急需发展灌溉，提高农业生产能力。 

（二）地形和河道水量概况  

  1.地形  

 灌区地形图一张（1/25000）；土地利用率为 0.9。

 李家沟集水面积不大，平时干涸，雨季洪水期流水

 米等高线以上植被覆盖很好，暴雨季节基本无径流汇入本区。

二．灌区用水资料 

 根据邻近地区自然和农业条件相似的灌区作物大面积丰产灌溉经验，以及该

区的灌溉试验站试验资料，结合本区具体条件和增产的要求，分析拟定出本区各

种农作物中等干旱年（75%）的设计灌溉制度见表2.   

 表2中等干旱年75%的作物设计灌溉制度   

 表2中等干旱年75%的作物设计灌溉制度   

灌水率图的修正     

  修正原则：（1）修正后的灌水率图应与水源供水条件相适应；

（2）尽量保证作物需水临界期的灌水不变，若需要提前或推迟灌水日期，前后不得超过3天，且以前提为主；

（3）修正后的灌水率图应当比较均匀，使得渠道水位和流量不发生剧烈变化；

宜避免经常停水特别避免小于5天的短期停水，保证渠道安全运行。

在修正灌水率图时，要以不影响作物需水为原则，尽量不要改变主要作物关键用水期的各次灌水时间，若必须调整移动，以往前移为主，前后移动不超过三天；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，并使渠道工作制度平稳，在调整时不应使灌水率数值相差悬殊。一般最小灌水率不应小于最大灌水率的40%。  修修正灌水率图

考虑到主要作物冬小麦的需水临界期，取该时段的灌水率为设计灌水率，即q=0.026[m3/(s*100hm2)]

三．其他资料 

 （1）有效利用系数 

 η田 η 农渠 η 渠系 = 0.65 

 （2）流量在2.5~5m /秒范围内修隧洞（片石拱）时，单价为 30 万元/km ；同条 

件下修建陡坡的单价为 11.5 万元/km 。 

 （3）支渠控制面积3~6 万亩，斗渠控制面积3000~8000 亩。 

 （4 ）干支渠续灌；斗渠轮灌。

四．灌溉用水量

 灌溉用水量计算表

1、灌区水源的种类、可靠性

2、灌区用水方案的拟定

 表一  设计年清河流量按旬统计表

综合考虑灌区水源、灌溉要求、地形、土壤、水文地质条件、行政区划、交通用途，综合考虑布置灌区灌排渠道。在灌区水源上游取水，布置一条总干渠和三条支渠，支渠下设斗渠、农渠、排水沟等。

（1）、渠首工程位置选择的原则和方案

该灌区水源应取清河为水源，河水水量稳定，水质较好，含盐量符合灌水要求。取水口取在1#断面和2#断面之间的凹岸处，以防止淤积造成取水建筑物堵塞并且1#

至 2#断面间河床土质密实，2.5 米以下为坚硬岩层。适合修筑取水建筑物.

（2）、排水容泄区的选择

一支渠和二支渠控制灌溉区域的的容泄区为李家沟，其中二支渠的六斗渠控制的灌溉区域容泄区为卫河。其中二、三支渠中斗渠的多余水量也可以通过山谷基线排除，最后注入卫河。三支渠控制的灌溉区域的容泄区也可以为卫河和禹河。在三支渠的四斗渠控制的灌溉区域应设抽水站，将多余水从此处排入禹河（该区地势低洼且有高崖，积水不易排出）。该灌区其他区域，排水天然地势优越，无需太多排水设施及沟道排水。根据已知资料得知，本地区土壤透水性强，且地下水位较深，因而形成的地面径流量不大，除凹地外，径流可及时排除，所以，农沟的布置暂不考虑。

（3）、灌溉渠道的规划布置原则

1、干渠应布置在灌区的较高地带，以便自流控制较大的灌溉面积。

2、使工程量和工程费用最小。

3、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的用水渠道，以利管理，并应为上下及渠道的布置创造良好的条件。

4、确保渠道工程安全可靠。

5、要考虑综合利用。

6、灌溉渠系规划应和排水系统规划结合进行。

7、灌溉渠系布置应和土地整理规划和农业区划密切结合，以提高土地利用率，方便生产生活。

8、当渠线必须转弯时，土质干、支渠的弯道曲率半径应该大于干、支渠水面宽度的5倍。

9、对沿曲线方向宣泄的山洪、塬流应予以截导，防止进入灌溉渠道。

（4）、支渠以下田间工程的布置形式

1.适应农业现代化的要求，提高土地利用率，实现山、水、田、林、路的综合治理。

2.渠网配套，灌排自如，控制地下水位；既能适时适量灌溉，又可以及时排水，不使农田渍涝。

3.田面平整，田埂规整，适应农业机械化的要求。

4.改良土壤，提高土地肥力，促使农作物稳产高产。

5.合理利用各类土地，实现农、林、牧、副、渔的全面发展，注意保持生态平衡，促进农业持续发展。

田间工程的布置形式：在田间系统中，渠、沟、林、路的配合采用沟—路—渠的布置方式，以减少输水渠向排水沟的渗漏，道路旁为灌溉渠道和排水沟中间，在路的两侧植树，具体布置见下图：

（5）渠系建筑物的布置。

1.干支渠系建筑物布置

以二支渠为例，二支渠共6条斗渠，每个斗渠10条农渠。每条斗渠上有个斗门，每个农渠上有个农门，共6个斗门，60个农门。具体详见灌区布置图：

七、灌溉渠道设计

1.渠道设计流量推算

A、渠道的工作制度及划分轮灌组的依据

依据不同地区种植的不同作物在不同时间对灌水的要求不同，划分轮灌组 。干、支渠采用续灌，支渠以下的斗、农渠采用轮灌采用分组轮灌，将每支渠的控制面积划分为两个轮灌组。

（1）干、支渠长度及控制面积

渠道工作制度采用轮灌方式，并采用集中编组，6 条斗渠每 3 条一组，1

农渠每5条一组，即斗渠两组轮灌，农渠两组轮灌。

( 3)典型支渠支渠流量推算（二支渠）

 （4）、计算如下

1.计算农渠的设计流量。二支渠的田间净流量为：

Q二支渠田净=A二支×qd=28.66×0.026=0.745(m3/s)

因为斗渠分为两组轮灌，同时工作的斗渠有3条，而农渠分为2个轮灌组，同时工作的农渠有5条。所以，农渠的田间净流量为：

Q农田净=Q二支渠田净/(nk)=0.745/(3×5)=0.050(m3/s)

      田间水利用系数：η f=0.9，则农渠的净流量为：

Q 农净 =Q 农田净 /η f =0.0497/0.90=0.055(m3/s)

 灌区土壤属中粘壤土，从资料中可查出相应的土壤透水性参数 A=1.9，

   m=0.4，据此可计算农渠每千米输水损失系数

σ农=A/Q农净 ^m=1.9/0.0550.4=6.06

农渠的毛流量或设计流量为:

Q 农毛=Q农净(1+σ农l农/100）=0.055（1+6.35×0.55/100）=0.057(m3/s)

2.计算斗渠的设计流量。因为一条斗渠内同时工作的农渠有5条，所以，斗渠的净流量等于5条农渠的毛流量之和：

Q斗净=5×Q 农毛=5×0.057=0.285(m3/s)

  农渠分两组轮灌，各组要求斗渠供给的净流量相等。但是，第 2 轮灌组距

斗渠进水口较远，输水损失量较多，据此求得的斗渠毛流量较大，因此，以第

2 轮灌组灌水时需要的斗渠毛流量作为斗渠的设计流量。以二支渠的4斗渠为例，斗渠的平均工作长度为1.95千米。

斗渠每千米输水损失系数为：

σ斗=A/Q斗净 ^m=1.9/0.2850.4=3.14

Q 斗毛=Q斗净(1+σ斗l斗/100）=0.285（1+3.14×1.95/100）=0.302(m3/s)

3.计算支渠的设计流量。斗渠分为两组轮灌，以第2轮灌组要求的支渠毛流量作为支渠的设计流量。二支渠的平均工作长度为3.56千米。

支渠的净流量为：

Q二支净=3×Q 斗毛=3×0.302=0.906(m3/s)

  支渠渠每千米失系数为：σ支=A/Q二支净 ^ 

m=1.9/0.9060.4=1.98

支渠的毛流量：

Q 二支毛=Q二支净(1+σ二支l二支/100）=0.906（1+1.98×3.56/100）=0.970(m3/s)

计算二支渠的灌溉水利用系数：

η二支水=Q 二支田净/Q 二支毛=0.745/0.970=0.77

5.计算以一、三支渠的田间净流量：

Q 一支田净=11.33×0.026=0.295(m3/s)

Q 三支田净=35.34×0.026=0.919(m3/s)

6.计算一、三支渠的设计流量：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。

Q 一支毛=Q 一支净/η一支水=0.295/0.77=0.383(m3/s)

Q 三支毛=Q 三支净/η三支水=0.919/0.77=1.193(m3/s)

7.推求干渠的、各段的设计流量：

a.QBC净=Q 三支毛=1.193(m3/s)

σBC=A/QBC净^m=1.9/1.1930.4=1.77           QBC毛=QBC净(1+σBClBC/100）=1.193（1+1.77×4.742/100）=1.293(m3/s)

b.QAB净=Q 二支毛+Q BC毛=0.970+1.293=2.263(m3/s)

σAB=A/QOA净 ^m=1.9/2.2630.4=1.37

QAB毛=QAB净(1+σABlAB/100）=2.263（1+1.37×4.138/100）=2.391(m3/s)

c.QOA净=Q一支毛+QAB净    =0.383+2.391=2.774(m3/s)

σOA=A/QOA净 ^m=1.9/2.7740.4=1.26

QOA毛=QOA净(1+σOAlOA/100）=2.774（1+1.26×2.675/100）=2.87(m3/s)

η水=qd×A/QO=0.026×75.33/2.87=0.68

经过计算干渠渠首的设计流量为2.87m3/s;干OA的设计流量为2.87m3/s;干AB的设计流量为2.391m3/s;干BC的设计流量为1.293m3/s;一支渠的设计流量为0.388m3/s;二支渠的设计流量为0.970m3/s；三支渠的设计流量为1.193m3/s;斗渠设计流量为0.302m3/s；农渠设计流量为0.057m3/s.

(八)推求典型支渠，其他支渠及干渠的加大流量。

（1）取渠道流量的加大系数为1.3。

 Q干OAj=1.3×Q干OAd=1.3×2.87=3.731(m3/s)

Q干ABj=1.3×Q干ABd=1.3×2.391=3.108(m3/s)

Q干BCj=1.3×Q干BCd=1.3×1.293=1.681(m3/s)

 Q一支渠j=1.3×Q一支渠d=1.3×0.388=0.504(m3/s)

 Q二支渠j=1.3×Q二支渠d=1.3×0.970=1.261(m3/s)

 Q三支渠j=1.3×Q三支渠d=1.3×1.193=1.551(m3/s)

（2）干渠和支渠的流量计算表

（1）设计原则。

一般对渠道横断面设计的要求是保证设计的断面能够输送设计流量和加大

流量，设计的断面渠床稳定，不冲刷，不淤积，不塌坡。平面稳定要求渠道在

设计条件工作时，渠道水流不发生左右摇摆。

渠道横断面尺寸要根据渠道设计流量通过水力计算加以确定。一般情况下采用明渠均匀流公式计算，即：

  Q=AC√Ri

式中：Q 为渠道设计流量；A 为渠道过水断面面积；R 为水力半径；i 为渠底

比降；C 为谢才系数，一般采用曼宁公式进行计算C=1/ n(R1/6)

其中 n 为渠床糙率。

设计渠道时要求工程量小，要求投资少，效率高，即在设计流量 Q，比降 i，糙率系数 n 值相同条件下，使渠道断面最小；或在相同断面下通过的流量 Q 最大。 （2）断面设计相关计算要素

渠床糙率系数 n：流量在 1~20m3/s之间，渠槽特征平整顺直，养护一般，取 n=0.025。

渠道比降 i：由于水源水质每年 7,8 月份河水含沙量最大，约 30 kg/m3 渠道易淤积，比降应适当加大。根据公式 i=0.272( ρow)3/5/Q1/4      求出，

其中  i 为渠道比降；          

 为渠道边坡系数：渠床条件为中粘壤土，取 m=1.5。

根据比降经验公式，推算得 i 取值在 0.00045~0.0007 之间，为满足渠道大

多数断面不淤沙，且对渠底保护不受冲力侵害，所以，i 取 0.0005（1/2000）.

 该干渠采用梯形断面

 梯形渠道水利最佳断面参数计算公式表

 n=0.025 i=0.0005            m=1.5           m

3）梯形渠道水力最佳断面工程量小的优点，适用于小型渠道和石方渠道）  

  宽深比β 计算公式： β=2[√(1+m2)-m]  m=1.5 时，β =0.61 

（4）干渠断面稳定分析 

  渠道断面过于窄深或宽浅，都会影响渠道的断面稳定性。稳定断面的宽深比应满足渠道不冲，不淤流速要求，即  vcs >v>vcd 

 ① vcs    由已知资料得，该地区土壤质地为中粘壤土，微有结构，且干容 

重为 1.40t / cm3。所以，中壤土的干容重为 1.30~1.70t / cm3    ，不冲流速为

 0.65 ~ 0.85Rα（修正之后的ɑ=1.4）。不过，对于有衬砌护面的渠道的不冲流速比土渠大很×多，取 cs  =2.5m/s 

② Vcd   常用的渠道挟沙能力的计算公式主要为根据实际研究成果而得到的经验公式

 v cd  =C0 Q0.5  。式中， C0为不淤流速系数，C0 取0.4。 

干渠断面稳定分析具体计算：

       OA段：vcs=2.5m/s     vcd=0.4×2.8700.5=0.677m/s

                vcd    AB 段：vcs=2.5m/s     vcd=0.4×2.3910.5=0.618m/s

        vcd     BC段 vcs=2.5m/s     vcd=0.4×1.2930.5= 0.455

     vcd       综上所述，干渠渠道断面设计达到稳定要求。 

(5）渠道过水断面以上部分的有关尺寸

 ①渠道加大水深：渠道通过加大流量Qj时的水深称为加大水深hj通过查询表6 可得到； 

 ②安全超高：为了防止风浪引起渠水漫溢，保证渠道安全运行，挖方渠道渠岸和填方渠道的堤顶应高于渠道的加大水位，高出的数值称为安全超高。

Δ H=1/4hj +0.2（大于0.5m 时，取0.5m） 

③堤顶宽度： D=hj+0.3

具体计算如下：

OA 段：QOAMAX=3.731m/s    hjOA  =1.536m

     Δ h=1/4*1.536+0.2=0.584.取Δ h=0.5m 

    D=1.536+0.3=1.836m

AB 段：QABMAX =3.108m/s    hjAB=1.434m

     Δ h=1/4*1.434+0.2=0.5585m  取Δ h=0.5m

     D=1.434+0.3=1.736m

BC 段:QBCMAX =1.681m/s    hjBC=1.139m

      Δ h=1/4*1.139+0.2=0.485m  

      D=1.139+0.3=1.439m

（6）干渠横断面结构 

为了工程简单，工程费用少，采用半挖半填式渠道。半挖半填式渠道的挖方部分为筑堤提供了土料，填方部分为挖方弃土提供了场所，渠道工程费用少，当挖方量等于填方量时，工程费用最少。

 挖方深度x 按下式计算:(b+m1x)x=(1.1-1.3)2a[d+a(m1+m2)÷2]

系数1.1~1.3 是考虑土体沉陷而增加的填方量，壤土取1.15。 为了保证渠道的安全稳定，半挖半填渠道堤底的宽度B 应满足以下条件

B≥(5~10)(h-x)

具体计算如下： 

由表6 得到b 取值不小于0.930m，所以，取b=1.5m    m1=m2=1.5   a=h+Δh-x  

                   表7  干渠各段挖方深度计算表 

最经济的半挖半填式渠道的挖方量等于填方量。所以，干渠横断面的挖方量的计算公式是 :A=(b+m1x)x       V=A*L

                表8   干渠挖方量计算表

              表9 干渠横断面计算结果汇总 

由于支渠输水流量远小于干渠输水流量，支渠的占地面积，施工工程量也相对较少。所以，为了施工方便，支渠的横截面按照支渠的设计流量设计，不再分段考虑。 

（1）断面设计相关计算要素 

渠床糙率系数n=0.025； 渠道比降i=0.001（1/1000）； 挖方渠道最小边坡系数m=1.5 

 表1典型支渠各断面要素计算表