（一）主要任务

南方，丘陵山间川地，地面坡度较大，沟系发达，无洪、涝之虞。该地区气候湿润，但雨量分布不均，种植以水稻为主的粮食作物与经济作物。本次课程设计的主要任务是灌溉系统的规划设计，排水系统只做平面布置。

（二）灌区基本概况

1.地理位置

灌区北部为界荣山，西为马清河和马头山，南为马清河，东为龙尾河和龙尾山。灌区范围主要包括20m等高线以下的面积，总面积约12万亩。该灌区土地利用系数为0.8。

2.地形特点及内部水系

灌区北高南低，区内有三条近似南北向的自然河溪 （道），自西向东依次为吴家沟、申溪、龙尾河，均汇入马清河。

3.气候条件

灌区气候温和，无霜期长，适宜于农作物的生长。年均气温16.5℃，多年平均年降水量1112mm，多年平均年蒸发量1065mm。

4.植被及种植概况

界荣山上以林、牧、副业为主，马头山以林业为主。其中20m等高线以下以大田作物 （稻、麦、棉、豆）为主，是本次规划设计区域，总面积约12万亩。

5.土壤质地及地下水概况

灌区上游土质属中壤，下游龙尾河一带为轻砂壤土。地下水埋深一般为4～5m，土壤及地下水pH值为中性，无盐碱化威胁。

6.其他情况

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。

7.水文地质概况

界荣山、龙尾山等属土质丘陵，表土属中黏壤土。地表5～6m以下为岩层，申溪及吴家沟等沟溪均有岩石露头，马头山陈村以南至马清河边岩石遍布地表。吴家沟等河溪纵坡较大，下切较深（一般为7～8m）、上游河宽50～60m，下游70～90m，遇暴雨时易发洪水，近年来在各沟、溪上游己修筑多处小型水库，山洪对灌区无威胁。

8.水源条件

本灌区为马清河流域规划的组成部分，流域内与马清河灌区相关的情况如下：

已在兴隆峪上游20km处建大型水库一座，坝顶高程50.2m，正常水位43.0m，兴利库容1.2×108m3，总库容2.3×108m3。水库水质良好，含沙量极微，水量亦可完全满足灌区用水要求。灌区拟在该水库下游修建拦河坝引水枢纽，引取上游水库发电尾水进行灌溉。本设计中要求通过干渠设计水面线的推求，确定拦河坝的坝址和坝顶高程。

9.灌区气象资料

本次设计采用设计典型年法对灌区的用水量进行设计。根据当地气象资料设计典型年为中等干旱年（p=75%，相当于1972年），该年4～11月水面蒸发量 （80cm口径蒸发皿）及降水量资料见表2-1-1和表2-1-2。

表2-1-1　设计年各月蒸发量统计　单位：mm

表2-1-2　设计年逐日降雨量统计　单位：mm

续表

10.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2-1-3。

表2-1-3　作物种植比

根据该地区灌溉试验站观测资料，设计年 （1972年）早稻及棉花的基本观测数据见表2-1-4和表2-1-5，中稻及晚稻的丰产灌溉制度见表2-1-6。

表2-1-4　早稻试验基本数据

注 全生育期需水系数α=1.0。

表2-1-5　棉花试验基本数据

注 1.计划产量120kg/亩籽棉。
2.需水系数K=2.67m3/kg。
3.土壤孔隙率为48% （占土体的百分数），注意为体积含水率。
4.土壤适宜含水率上限θmax=70% （占孔隙体积的百分数），下限θmin=35% （占孔隙体积的百分数）。
5.田间最大持水率为70% （占孔隙体积的百分数）。
6.播种时，计划湿润层储水量为72m3/亩。
7.播前灌之前土壤计划湿润层 （0.4m）内的平均含水率为θ0=40% （占孔隙体积的百分数）。
8.增加的计划湿润层的平均含水率可按50% （占孔隙体积的百分数）计。

表2-1-6　中稻、双季晚稻设计年丰产灌溉制度

注 早稻泡田期为4月13日，泡田定额为70m3/亩。

（三）设计内容

1.作物灌溉制度和灌水率的制订

利用表2-1-1、表2-1-2、表2-1-4和表2-1-5给出的资料，用水量平衡法制定早稻及棉花的灌溉制度。

利用早稻及棉花的灌溉制度，以及表2-1-6给出的中稻及双季晚稻的灌溉制度资料，表2-1-3给出的作物种植比例，编制全灌区的灌水率图，并对灌水率进行修正。根据修正灌水率图得到设计灌水率。

建议采用的一次灌水延续时间：早、中稻泡田8～12d；双季晚稻泡田5～7d；各类水稻生育期内一次灌水的延续时间3～5d；棉花生育期内一次灌水延续时间5～10d。

2.灌排渠道的规划布置

在所给的地形图上布置灌溉及排水渠系的干支两级渠（沟）道以及主要渠（沟）系建筑物。注意灌溉渠道和排水渠道相辅相成，协调布置。选择一个典型支渠布置灌排渠系的斗农两级渠（沟）道。

3.各级灌溉渠道设计流量的推求

计算典型支渠各级渠道的设计流量及支渠渠系水利用系数，推算其他各支渠渠首及干渠各段的设计流量以及全灌区灌溉水利用系数。

4.干渠设计水位线的确定

根据各支渠的田间参考点，推求各支渠要求干渠的水位，根据各支渠要求干渠的水位高程初步确定干渠设计水位线、干渠渠首位置、干渠渠首水位高程、拦河坝的位置和坝顶高程。

5.干渠纵横断面的设计

根据设计流量设计干渠的横断面，并根据横断面的有关参数绘制干渠纵断面的其他设计水面线如渠底高程、最高水面线等。注意纵横断面的交叉设计。最后根据绘制的纵横断面图计算渠道的挖方和填方量。

（四）提交设计成果要求

设计说明书一份，要求说明设计的步骤、依据的理论、采用的公式或方法以及计算成果（计算成果最好以表格或图的形式给出）。其中设计图包括：棉花灌溉制度设计图 （坐标纸上绘制幅面A4），如采用计算机计算则给出打印的相关表格或图件；修正前后的全灌区的灌水率图（坐标纸上绘制幅面A4）；灌溉系统规划布置图 （工程蓝图上布置，有图例，灌溉渠道为红色，排水渠道为蓝色）；渠道纵横断面图 （坐标纸上绘制幅面A2），既要按技术要求保证绘图的正确性，也要求各图在图纸上布置的美观性，纵横断面图包括干渠纵断面图1个，干渠典型横断面图3个 （分别为渠首、中、尾），支渠典型横段断面图1个 （渠首）（参考教材纵横断面图，图中的各项数字均需标清，各种符号要严格到位）。

设计说明书与所有图件装订成一个完整的规划报告，每个图件均要求写本人的学号和姓名。

（五）基本资料表

（六）马清河灌区现状图 （图2-1-1）

（七）马清河灌区灌溉系统规划设计步骤

设计可分六个步骤进行，具体如下：

第一步 熟悉灌区基本情况及有关资料；

第二步 作物灌溉制度的制定；

第三步 设计灌水率的确定；

第四步 各级灌排渠道的规划布置；

第五步 各级灌溉渠道设计流量的推求；

图2-1-1　马清河灌区现状图

第六步 干渠纵横断面设计。

1.熟悉灌区基本情况及有关资料

见马清河灌区灌溉系统规划设计（一）至 （六）部分内容。

2.作物灌溉制度的制定

本节只要求计算早稻和棉花的灌溉制度，中稻和晚稻的灌溉制度已给出。

（1）早稻灌溉制度的制定（包括泡田和生育期的灌溉制度）。

1）泡田期灌溉制度。泡田定额（已给定）：70m3/亩。

2）生育期灌溉制度。早稻生育期灌溉制度用水量平衡方程计算，列表以1天为时段逐日计算时段末的水层深度，计算完成后进行水量校核，校核无误后，给出灌溉制度汇总表及总灌溉定额。其中起始水层深应为泡田后建立的田面水层深，可取初始生育期阶段允许水层深的一个值，稻田逐日渗漏强度见基本资料。

水量平衡方程

式中 h1——时段初田面水层深度，mm；

h2——时段末田面水层深度，mm；

P——时段内降雨量，mm；

m——时段内灌水量，mm；

WC——时段内田间耗水量，mm；

d——时段内排水量，mm。

其中

式中 ET日——逐日需水量，mm；

S——稻田逐日渗漏强度，mm。

式中 ETi——各生育阶段作物需水量，mm；

n——各生育阶段天数。

式中 Ki——各生育阶段需水量模比系数，[-]；

ET全——全生育期作物需水量，mm。

(www.daowen.com)

式中 α——需水系数，[-]；

E0——全生育期水面蒸发量，mm。

水量校核方程

式中 h始——生育期泡田后建立的起始水层深，mm；

h末——生育期末田面的水层深，mm。

（2）棉花灌溉制度的制定。

1）棉花播前灌。实际规划中，播前灌之前土壤计划湿润层深度内的平均含水率θ0应该实际调查得到。本设计中的取值见基本资料表2-1-5。播前灌定额为将计划湿润层深度范围的土壤由平均初始含水率θ0灌至含水率上限θmax所需的水量。

2）生育期灌溉制度。采用水量平衡方程，先以生育阶段作为时段计算各时段的水量参数，然后用作图法求生育期的灌溉制度[作图法的图解步骤参考 《农田水利学》（第三版）P42]。如用Excel表格计算或编程计算，应给出相关的表格和图。注意在统计降雨量时以次降雨进行统计，将各次降雨放在该次降雨的最后1天为宜，或者为了作图的简单，本次课程设计以旬为单位，将每旬中各次有效降雨合起来放在本旬的最后1天来进行计算。最后列表给出棉花灌溉制度：包括灌溉时间，灌水定额，灌溉定额。

水量平衡方程

式中 W0——时段初土壤计划湿润层内的储水量，m3/亩；

Wt——时段末（时间t时）土壤计划湿润层内的储水量，m3/亩；

Wr——时段内由于计划湿润层增加而增加的水量，m3/亩；

P0——时段内保存在土壤计划湿润层内的有效降雨量，m3/亩；

K——时段内的地下水补给量，m3/亩，分各生育阶段进行计算；

M——时段内的灌溉水量，m3/亩；

ET——时段内的作物田间需水量，m3/亩。

其中

式中 H1——时段初计划湿润层的深度，m；

H2——时段末计划湿润层的深度，m；

n——土壤孔隙率；

式中 α——各次降雨的降雨入渗系数，[-]；与次降雨的特点及土壤性质、下垫面等因素有关，具体取值参考《农田水利学》（第三版）P41；

P——时段内的各次降雨量，m3/亩，连续各天的降雨之和为一次降雨。

式中 β——地下水补给系数，即各时段地下水补给量占本时段作物需水量的比例，[-]。

式中 γi——各生育阶段需水量模比系数，[-]；

E全——全生育期需水量，m3/亩。

式中 k——以产量为指标的需水系数，即单位产量的需水系数，m3/kg，本设计中为2.67m3/kg；

Y——计划产量，kg/亩，本设计中棉花的籽棉产量为120kg/亩。

式中 Wmax，Wmin——各时段内计划湿润层内允许储水量的上限和下限，m3/亩；

θmax，θmin——各时段内计划湿润层内允许土壤最大含水率和最小含水率，以占土壤孔隙体积的百分数计；

H——计划湿润层深度，m。

3.设计灌水率的确定

（1）灌水率计算。根据4种作物的灌溉制度及作物种植比，列表计算各种作物的各次灌水率。注意不要漏掉泡田定额和播前灌。建议采用的一次灌水延续时间：早、中稻泡田8～12d，双季晚稻泡田5～7d；各类水稻生育期内一次灌水的延续时间3～5d；棉花生育期内一次灌水延续时间5～10d。

式中 q——灌水率，m3/ （s·万亩）；

α——各种作物种植面积占灌区面积的百分数；

m——灌区各次灌水定额，m3/亩；

T——各次灌水的延续时间，d。

（2）绘制初步灌水率图。

（3）修正灌水率图。修正原则参考《农田水利学》（第三版）P52。

（4）设计灌水率。由修正的灌水率图中取灌水延续时间较长 （达到20～30d）的最大灌水率值作为设计灌水率q设。

4.各级灌排渠道的规划布置

灌排系统相辅相成，协调布置。各种建筑物合理布置。通过布置初步确定有坝取水的坝址、渠首高程和坝顶高程。

（1）首先熟悉地形图。在图上识别高地、洼地及障碍物，了解灌区地面倾向和天然坡度以及天然河沟、道路和村庄等的位置。

（2）初步拟定干渠渠线。根据地形及灌区范围 （20m等高线以下），初步拟定干渠走向，使其能满足灌区范围的自流灌溉。

（3）初步确定干渠自河流引水的位置。根据初步拟订的干渠走向，初步确定干渠自河流引水的位置，即进行灌溉引水的坝址及干渠渠首位置的选择，并与初步拟定的干渠衔接。干渠经过马头山时，可对比穿山和绕山两种方式，选择合理的一种，从经济上对比（1m石洞≈8m盘山石渠≈20m盘山土渠）。

（4）布置支渠和支沟。排水支沟尽可能利用天然沟道，视沟道的具体情况可裁弯取直。根据地形特点确定支沟与支渠的相对位置，可采取相间或相邻布置。

（5）典型支渠布置。选择一条支渠作为典型支渠，布置斗、农级渠（沟）道。为满足田园化要求，干、支、斗、农各级沟渠尽可能垂直布置，同一级沟渠控制面积也尽可能相等，以利轮灌组的划分。

（6）一般建筑物布置。本次设计中一般建筑物只进行布置，不进行设计。其中干渠上的一般建筑物包括干渠通过自然沟道的建筑物如渡槽等，干渠尾端的退水建筑物，干渠上的节制闸等；支渠上的一般建筑物包括支渠从干渠分水的分水建筑物如分水闸，支渠尾端的退水建筑物，支渠穿路建筑如涵洞或渡槽，节制闸等；斗渠上的一般建筑物包括分水斗门，过路建筑物，节制闸等。

（7）其他建筑物及安全措施。本次设计中其他建筑物及安全措施只进行布置，不进行设计。在渡槽上游处修筑泄洪闸，以保护渡槽，泄水直接排入天然河道；在干渠北侧开挖截流沟，防止降雨沿坡地直接入干渠，并在适当处将截流沟截取的雨水集中排入天然河道。

5.各级灌溉渠道设计流量的推求

（1）渠道编号及控制面积量取。对所有的支沟、支渠编号，由于要选择典型支渠进行设计流量推求，因此对典型支渠所属的各级斗、农渠也进行编号。由地形图上量取各支渠控制的灌溉面积和渠道长度。各渠道控制的净灌溉面积等于毛面积乘以土地利用系数，由基本资料知马清河灌区土地利用系数取0.8。要求列表给出各支渠的面积和长度。由于误差的存在，实际量取的各支渠的面积之和可能不等于9.6万亩，可统一乘以一个系数进行调整，使耕地面积总和为9.6万亩。

（2）确定渠道的工作制度。要求干、支渠续灌，斗、农渠轮灌。划分轮灌组，拟订斗、农渠轮灌制度。

（3）典型支渠的流量推求。推求典型支渠及其所属斗、农渠的设计流量，计算典型支渠的灌溉水利用系数。其中计算渗漏损失所需的参数，根据沿程土质取经验数值。

（4）其他支渠流量推求。根据典型支渠的灌溉水利用系数推求其他各支渠的灌溉水利用系数，并得到各支渠的设计流量。

（5）干渠各段流量推求。推求干渠各段的设计流量、干渠渠首的引水流量及全灌区的灌溉水利用系数。

6.干渠纵横断面设计

纵横断面设计的任务是根据灌区对灌溉水位及灌溉流量的要求确定渠道的空间位置及断面大小。纵横断面设计的首要任务是设计干渠的设计水位线。纵横断面的设计并不是相互独立的，而是相互交叉的。因此在设计中往往需要反复进行，直到两者都满足要求为止。纵横断面的交叉设计主要体现在所选各级渠道的比降既要满足横断面不冲不淤的要求，又要满足纵断面控制一定水位的要求。

（1）推求干渠沿线各支渠分水口要求干渠的控制水位。支级引水渠道的渠首应该具有多高的水位（即支渠分水口要求干渠提供的控制水位）才能保证其控制面积的田间能够灌上水，需要从田间参考点的地面高程开始，并考虑各种水头损失，自下而上逐级推算得出。一般要求每个支渠选两个参考点，一个最远点一个最高点。

每一支渠分水口要求干渠的控制水位B分，按下式推算

式中 A0——支渠灌溉范围内地面参考点的高程，m；

h——所选参考点与该处末级固定渠道水面的高差，一般取0.2m；

L——支、斗、农各级渠道的长度，m；

i——支、斗、农各级渠道的比降 （可参考如下值：干渠1/5000；支渠1/2000；斗渠1/1000；农渠1/800；渡槽比降1/1000～1/500）；

φ——由田间参考点到支渠渠首间渠道通过渠系建筑物的水头损失。[包括支、斗、农三级，建筑物的类型及数量视具体情况而定，注意在统计时不要漏掉任何已布置的建筑物。φ值的确定视不同建筑物而定，主要包括进水闸（或分水闸）、节制闸、渡槽、倒虹吸、公路桥 （穿公路）等。各种建筑物的水头损失的最小值参考《农田水利学》（第三版）P119表4-17]

列表推求B分，最好用Excel计算，便于修改和绘图。

（2）干渠设计水位线的确定。根据各支渠分水口要求干渠的水位控制高程B分，参照供水水源引水高程和干渠渠底比降，确定干渠的设计水位线。在确定干渠的比降和干渠的水位线高程时遵循两个原则：一是尽量使得干渠水位线可以控制所有支渠要求的水位；另一个是将干渠堤顶线、渠底线与干渠渠线的地面线对照，尽量使挖方和填方量相等，避免大挖方或大填方。在绘制干渠水位线时注意干渠上的水位线应该反映干渠上渡槽、节制闸等建筑物的局部损失。

将各支渠分水口要求干渠的水位控制高程B分按桩号点绘在坐标纸上 （或用Excel绘图），如图2-1-2所示，并与设计水位线进行对比。各参考点在平面图中的位置也应该标记出来。

（3）渠道纵断面的设计步骤。

1）设计水位线。各支渠控制面积内选择两个参考点，其中一个为高点一个为远点。初步确定干渠比降，调整设计水位线使其尽量可以控制各支渠的参考点为宜。

2）渠底高程线。设计横断面，得到设计水深h设。平行于设计水位线往下移h设的高度就是渠底高程。

3）最小水位线。平行于渠底高程，上移hmin（最小水深），得到最小水位线。

4）最高水位线。平行于渠底高程，上移hmax（最大水深），得到最高水位线。

5）堤顶高程线。平行于最高水位线，上移安全超高，得到堤顶高程线。

6）地面线。地面高程线不能画成直线或折线，应徒手绘制成自然光滑的线条。选择合适的地面高程放置渠线，使得渠道横断面半挖半填为宜。

7）标注。标注桩号、高程及各渠段的比降以及分水口和建筑物所在的位置。

（4）渠道横断面的设计步骤。横断面设计包括干渠各段横断面及典型支渠首端横断面设计。

1）加大流量和最小流量。根据设计流量，求出加大流量和最小流量。其中Q加大=1.2Q设计，Q最小=0.4Q设计。

2）根据经验初选断面参数。比降i的选取参考设计水位线部分，边坡系数m，糙率n，宽深比b/h可利用现有的稳定断面宽深比公式确定。

3）计算设计水深

图2-1-2　干渠设计水位线示意图

根据已知b求h的公式迭代计算设计水深，并校核流速是否满足不冲不淤流速，如不满足调整参数，先调整边坡系数m、糙率n、宽深比b/h，最后考虑调整比降。续灌渠道（干渠）向下游随沿程流量的减少横断面应相应缩小，故干渠横断面应分段设计。设计过程中遵循宽深比由上游向下游逐渐减小的趋势，且下游渠底比上游渠底的超高不超过15～20cm，以避免出现过大逆坡。

4）计算加大水深和最小水深。根据已经确定的横断面参数代入加大流量和最小流量分别计算加大水深和最小水深。

5）横断面设计成果汇总。最后列表汇总干渠各横断面及典型支渠横断面的设计成果，表中应列出各横断面名称以及相关横断面参数如底宽b、设计水深h设、加大水深hmax、最小水深hmin、边坡系数m、糙率n和比降i。