（一）主要任务

南方，沿江滨湖圩垸区，地势低平，水网密布，常受涝、渍威胁。该地区气候湿润，雨量丰富，但水稻所需水量亦不够用而受旱。本次课程设计的主要任务是以该圩垸为单位规划设计排水系统，包括排水沟道系统、排水闸与排涝泵站。另外对灌溉系统进行布置但不进行具体设计。

（二）灌区基本概况

1.地理位置及气候特点

白湖垸总面积60km2，地面平坦，比降在1/2000～1/6000之间，位于新平江下游。该地区气候温和，雨量充沛，多年平均年降雨量1200mm，但年内分布不均，雨季 （5～9月）占全年降雨量的70%左右，多年平均年蒸发量1010mm，多年平均气温16℃，无霜期270d，适宜于农业的发展。

2.耕地及作物

全垸总耕地面积44.5km2，根据土地规划要求，拟发展旱地4.5km2，水田40km2。荒地、村庄、道路及林带等占10km2，旱地分布于垸内较高地带，水田主要种植双季稻，但中稻和一季晚稻也占一定比例。旱地一般属轻壤土，水田属中壤土。

3.内部地形及水系

圩垸整体地形特点呈簸箕状。西高东低，南北高中间低。

白湖沟横贯白湖垸东西，汇入白湖，经勘查，白湖沟纵坡降平均为1/8000。

白湖位于该垸东侧，最大水面面积5.3km2，湖周围地面高程为22.0～23.0m，沿湖较低地带的堤顶高程为23.0m。白湖水位—水面面积—容积关系见表2-1-7。

4.外围水系

白湖垸三面环水，西面和北面被西河包围，东邻新平江，东北角处西河汇入新平江。

新平江流经白湖垸东侧，汛期（一般每年5～9月）水位高于境内地面，新平江大堤高程为28.0m，可防御20年一遇洪水。

表2-1-7　白湖水位—水面面积—容积关系表

西河自白湖垸西端经垸北后汇入新平江，西河河床平均宽度30m，比降为1/30000，河底平均高程在白湖镇附近为20.5m，水位高程一般为21.5～22.5m，汛期水位受新平江水位顶托。该河水质良好，含沙量极微。

（三）规划标准及治理要求

白湖垸存在的问题：由于该垸地势平坦，降雨集中，雨季新平江水位高，内水排泄不畅；夏季气温高，作物耗水量大，干旱也相当严重。白湖垸经常遭受旱、涝、渍等灾害，农业生产受到严重影响。为此，当地水利部门已着手对白湖垸进行治理，提出下列规划标准及治理要求。

1.除涝标准

10年一遇3日暴雨210mm，3日排至作物耐淹水深。暴雨时期荒地、村庄、道路及林带等径流系数为0.6，水田有效滞涝水深为60mm，根据统计资料分析，暴雨期间3日水面蒸发量为10mm。

2.排水闸

拟在白湖出口陈家村附近规划一座排水闸。闸底高程19.5m，闸宽2m，闸高4m，白湖在新平江高水位期间用以调蓄部分涝水，汛后 （9月以后）利用该闸把部分涝水排出，并要求双季晚稻收割前（10月5日），将白湖水位降至20.7m，以便落干水层收割双季稻，并有利于红花草子的生长。

本次规划要求进行汛后排水闸排涝能力演算，如不能如期达到要求，需要对闸的尺寸进行调整。

3.排水泵站

雨季白湖日常水位控制在20.7m，暴雨后允许短期上升至22.0m，根据附近水文气象资料分析，雨季两次暴雨的间隙时间为10～15d，为了腾空白湖容积以迎接下次暴雨，在5月、6月、7月中，要求在雨后12d将白湖水位降至20.7m，外排站设计外江水位26.1m，设计水泵平均效率系数为0.75。为此，拟在陈家村附近建一座电动排涝泵站，主要用来在汛期两次暴雨间隙腾空白湖容积以迎接下次暴雨，该站的外江设计水位为26.1m。相应的排涝流量称排湖流量。

该排涝泵站还有另一个功能是在汛期暴雨期间抢排白湖蓄不下来的水。相应的排涝流量称排田流量或抢排流量。本部分要求对泵站进行设计，包括设计流量、扬程、功率等。泵站的设计流量应取排湖流量和抢排流量中较大者。

4.开闸期间降雨、蒸发及新平江水位资料

根据对降雨资料的分析，白湖垸大暴雨多发生在5月、6月、7月，在此期间为了发挥白湖的滞涝作用，白湖日常水位应控制在20.7m，进入8月后，雨量减少，白湖水位可适当升高，但不能超过22.0m。汛后待新平江水位降至22.0m以后，可开闸排涝。设计年开闸排水期间新平江日平均水位及白湖垸的降雨、蒸发资料见表2-1-8和表2-1-9。

表2-1-8　新平江开闸排水期间日平均水位

表2-1-9　新平江开闸排水期间蒸发、降雨资料

5.灌溉泵站

为了保证农业稳产、高产，拟在白湖镇设置灌溉泵站，以西河为灌溉水源，对垸内农田进行提水灌溉，设计灌溉保证率90%。本次规划仅进行泵站位置的布置，不进行设计。

6.地下水位控制

参照附近地区经验，根据作物对地下水位要求，垸内地下水位限制在离地面0.5m以下。

7.沟道通航要求

由于垸内规划有公路网，因此一般河道均无通航要求，规划中仅考虑干沟通航民船。因此，干沟中日常水深不得小于0.5m，沟道的宽度不小于2m。

（四）设计内容

1.排水系统的规划设计

排水和灌溉系统的规划布置：一般只要求布置干、支两级；在白湖沟下游选择典型支沟布置排水灌溉系统直到田间渠系（农级）。另外对相应的建筑物进行布置，包括灌溉泵站、排涝泵站、排涝闸以及交叉建筑物等。

排水沟道排涝流量计算：计算排涝模数，推算干沟各段的设计排涝流量。

排水沟道纵横断面设计：从各支沟选择参考点推求各支沟要求干沟的水位，并初步确定干沟的日常水位线和排涝水位线，划分抽排区和自排区。根据设计排涝流量确定干沟各段的横断面。最后绘制干沟纵横断面图。

2.一级排涝泵站的设计流量和装机容量的确定

根据排涝泵站排田（暴雨期间排走超过白湖蓄积能力的水）和排湖（在汛期两次暴雨间隙腾空白湖容积以迎接下次暴雨）两项任务，分别计算排田流量和排湖流量，并进行扬程、装机容量的确定。

3.排水闸排涝演算，以校核排水闸的尺寸

根据汛后新平江的平均水位及相应的蒸发、降雨资料，校核排水闸的尺寸是否满足排涝要求，即排水闸是否在规定的时间内 （9月10日至10月5日），将白湖水位降至20.7m。如不满足，需要重新调整排水闸尺寸。

（五）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：排水系统规划布置图，该图包括典型支沟布置，且标明灌排渠系及建筑物，要有图例；排水干沟纵横断面图（幅面A2），该图包括干沟纵断面图1个 [其格式参考 《农田水利学》（第三版）P245]，干沟横断面图3个 （分别为沟首、沟中、沟尾）及支沟典型横段断面图1个 （沟首）。

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。

（六）白湖垸现状图 （如图2-1-3所示）

图2-1-3　白湖垸现状图

（七）白湖垸除涝排水系统规划设计步骤

设计可分六步进行，具体如下：

第一步 收集基本资料；

第二步 灌排系统的布置；

第三步 排涝流量计算；

第四步 干沟纵横断面的设计；

第五步 排涝泵站设计流量和装机容量的确定；

第六步 排水闸排涝能力演算。

1.熟悉基本资料

见白湖垸除涝排水系统规划设计（一）至 （六）部分内容。

2.灌排系统的布置

（1）灌溉系统的布置。

1）水源：西河。

2）取水方式：抽水。取水口尽量位于区域高处，且有利于取水的地方。

3）干渠：干渠可布置在高处（南北两侧），有利于控制整个面积。

4）支渠：支渠根据地形布置。西部单面坡时，支渠单向控制，与支沟相邻布置；东部地形有起伏，支渠可沿脊线布置，采用双向控制，与支沟相间布置。

（2）排水系统布置。排水系统的布置，包括承泄区和排水出口的选择、各级排水沟道的布置、闸泵湖联合运用必要的建筑物。注意灵活运用排水系统布置的原则。

1）承泄区：用于承泄灌区的涝水，本灌区新平江为承泄区。

2）白湖：用于雨季滞涝，调蓄圩垸的涝水。

3）干沟：白湖沟。

4）支、斗、农布置：支沟基本垂直于干沟，且垂直等高线利于排水。白湖附近局部地区难以自排入湖，可设置二级泵站，先将涝水排入沟中，再提排至上级沟道或直接抽排至白湖。具体抽排面积在纵断面设计过程中，由参考点要求干沟水位与干沟设计水位的关系确定。

5）排水闸：新平江在白湖出口处陈家村已拟建一排水闸，汛期外江水位高时关闸，汛后外江水位低时开闸排水，本次需要校核拟建排水闸的排涝能力。

6）排涝泵站：拟在陈家村建一排涝泵站。排涝泵站有两个用途：一是汛期两次暴雨的间隙，12d内将白湖水位排至雨季正常水位，以腾空库容迎接下次暴雨；二是在设计暴雨期间（3日暴雨内）需要抢排白湖无法容纳的水量。

3.排涝流量计算

（1）除涝标准。10年一遇，3日暴雨，3日排除。

（2）排涝模数计算。平均到每平方公里排水面积上的最大排涝流量，通常称设计排涝模数。排涝模数有地区经验公式法和平均排除法 （了解两者的区别和应用范围），本设计采用平均排除法。既有水田又有旱田，根据面积加权平均，求得地区综合排涝模数。

式中 q综——综合排涝模数，m3/ （s·km2）；

R综——综合径流深，mm；

t——规定的排涝时间，d。

其中

式中 R水、R旱荒——代表水田和旱田的设计径流深，mm；

F水、F旱荒——水田和旱田的面积，km2。

式中 P——设计暴雨量，mm；

h田蓄——水田滞蓄水深，mm，由水稻耐淹水深确定；

E——设计暴雨期间水田田面的蒸发量，mm。

式中 α——旱田面积上的径流系数。

（3）干沟各段排涝流量的推求

式中 Q支——支沟的设计排涝流量，m3/s；

F支——支沟控制面积，km2。

干沟各段流量为该段之前汇入干沟的各支沟流量之和。

列表给出各支沟控制面积、支沟流量、干沟各段流量。

4.干沟纵横断面的设计

（1）设计水位推求。包括排涝水位和日常排渍水位。

1）日常水位（排渍水位）推求。排渍水位要求在日常能控制地下水位在一定深度。通过在各支沟选择参考点推求各支沟要求干沟的水位Z排渍，将各支沟的Z排渍按桩号点汇在坐标纸上（或用Excel绘图），并与设计日常水位线进行对比。各参考点在平面图中的位置也应该标记出来。如果日常水位线在白湖入口处的高程Z沟末≥ （20.7+0.2）m，且任何一个支沟的Z排渍均大于干沟的设计日常水位，则全圩垸的水均可自流。否则部分不能自排，需要划分抽排区和自排区。

选择参考点：要求每一支沟选择2个参考点，一个为最低点，一个为最远点。列表计算各支沟要求干沟的排渍水位，最好用计算机计算并绘制日常水位图。

式中 A0——参考点地面高程，m；

D农——农沟排渍水位离地面高程，m；

∑Li——农、斗、支各级沟道沿程水头损失之和，m。初选各级沟道的比降：排水沟的比降一般比灌溉渠道的要缓，因为排水沟的流量一般都很大。平原地区，干沟可取1/6000～1/2000，本设计根据天然河道的平均比降取1/8000；支沟比降1/4000～1/7000；斗沟为1/2000～1/5000；农沟可在斗沟比降基础上适当加大。本设计具体可参考以下：干沟1/8000，支沟1/6000，斗沟1/5000，农沟1/2000；

∑ΔZ——排渍水位线的局部水头损失之和，m。包括闸、过路建筑物如过路涵、上下级沟道水位落差等的损失。一般过闸水头损失取0.05～0.1m，上下级沟道水位落差一般取0.1～0.2m。

其中

式中 ΔH——作物生长要求控制的地下水埋深，取0.5m；

Δh——相邻农沟中心处地下水位距离农沟水面的高度，一般不小于0.2～0.3m。

2）排涝水位的推求。排涝水位的推求步骤与排渍水位的推求过程类似。

选择参考点，列表计算各自的排涝水位

式中 A0——参考点地面高程，m；

Δh——农沟首端与田面的距离，m，一般为0.2m；

∑Li——农、斗、支各级沟道沿程水头损失之和，m；

∑ΔZ——排涝水面线的局部水头损失之和，m。

通过在各支沟选择参考点推求各支沟要求干沟的水位Z排涝，将各支沟的水位Z排涝按桩号点汇在坐标纸上（或用Excel绘图），并与设计排涝水位线进行对比。各参考点在平面图中的位置也应该标记出来。如果排涝水位线在白湖入口处的高程Z沟末≥ （22.0+0.2）m，且任何一个支沟汇入点Z排涝均大于干沟的设计水位，则全圩垸的水均可自流。否则部分不能自排，需要划分抽排区和自排区。

（2）干沟横断面的设计。根据排涝设计流量确定沟道的过水断面，用式 （2-1-17）设计横断面。横断面计算中各种参数的选取具体参见教材，断面假定为梯形断面。比降在纵断面设计中已经初步确定，此处可通过不冲不淤流速的计算进一步校核比降是否满足要求。排水边坡系数一般较灌溉渠道缓。注意用通航要求校核排渍水深h0和底宽b，本设计中要求b不小于2m，h0不小于0.5m。如有必要，可采用复式断面。

（3）干沟纵断面的设计。经过上面的设计可以得到干沟纵断面中的排涝水位线和日常水位线，横断面设计中的工作主要是确定断面的排涝水深h和底宽b。设计h和b时应遵循如下两个原则：①最高水位线和日常水位线是平行的，若两线的垂直距离为Δh，由于满足通航要求的排渍水深为0.5m，因此只要排水沟的各断面排涝水深满足排涝水深h＞（Δh+0.5），且下游断面水深大于上游断面水深即可；②满足现有的稳定断面宽深比经验公式，且底宽b为整数。

依次绘制桩号，地面线，日常水位线，排涝水位线，沟底高程线，其中沟底高程线为排涝水位线向下平移排涝水深的距离。以干沟为起始桩号，绘成向左倾斜式。选择典型断面，计算干沟挖方量。挖方量=上下两断面挖方面积的平均值×两断面的间距。(www.daowen.com)

5.排涝泵站设计流量和装机容量的确定

（1）抢排流量。设计暴雨期间，需抢排白湖不能容纳的水量。本设计为3日暴雨。

1）抢排流量计算

式中 Q抢排——抢排流量，m3/s；

V抢排——抢排水量，万m3；

T——排水天数，d；本设计中T=3d；

t——每天开机小时数，h；一般电排为18～22h。

2）抢排水量计算

式中 V总——设计暴雨期间圩垸内的总产水量，万m3；

V湖蓄——设计暴雨期间白湖可以滞蓄的水量，万m3；

V沟蓄——设计暴雨期间圩垸内沟道（主要指干沟）可以滞蓄的水量，万m3。

3）总产水量V总的计算

式中 F总——圩垸总的排涝面积，km2。

4）白湖滞蓄水量V湖蓄的计算。根据所给资料，绘制白湖水位H—水面面积A—容积V 曲线

式中 V湖最高——白湖最高水位（22.0m）对应的白湖容积，万m3；

V湖日常——白湖日常水位（20.7m）对应的白湖容积，万m3；

ΔV1——设计暴雨期间（3日内）湖面的降雨量，万m3；

ΔV2——设计暴雨期间（3日内）湖面的蒸发量，万m3。

其中

式中 P——设计暴雨期间（3日内）湖面的降雨强度，mm；

A湖最高——白湖最高水位（22.0m）对应的湖面积，km2。

式中 E——设计暴雨期间（3日内）湖面的蒸发强度，mm；

A湖日常——白湖日常水位（20.7m）对应的湖面积，km2。

图2-1-4　沟道蓄涝容积示意图

5）沟道滞蓄水量V沟蓄的计算。沟蓄指沟道在降雨期间的蓄涝能力，即排涝水位和排渍水位之间的容积（如图2-1-4沟道断面中的阴影部分所示）。一般仅考虑干沟的蓄涝能力。由于干沟断面分段变化，V沟蓄可按设计的干沟分段列表计算，最后汇总求得

式中 V沟最高——沟道排涝水位对应的容积，万m3；

V沟日常——沟道日常水位对应的容积，万m3；

ΔV′1——设计暴雨期间（3日内）沟面的降雨量，万m3；

ΔV′2——设计暴雨期间（3日内）沟面的蒸发量，万m3。

式中 P——设计暴雨期间（3日内）湖面的降雨强度，mm；

A沟最高——沟道排涝水位对应的面积，km2。

式中 A沟日常——沟道日常水位对应的面积，km2。

（2）排湖流量。依据资料有：雨季两次暴雨的间隙时间10～15d，为了腾空白湖容积以迎接下次暴雨，在5月、6月、7月3个月中，要求外排站在雨后12d将白湖水位由22.0m降至20.7m，其对应的流量为排湖流量。

1）排湖流量Q排湖的计算

式中 Q排湖——排湖流量，m3/s；

T——排水天数，d；T=12d；

t——每天开机小时数，h，一般电排为18～22h。

2）排湖水量V排湖的计算。排湖期间的湖蓄和沟蓄的计算类似抢排期间，只是排湖期间的蒸发量与抢排期间不同，而且排湖期间不考虑降雨的产生

式中 V′湖蓄——排湖期间白湖的蓄涝容积，万m3；

V′沟蓄——排湖期间沟道的蓄涝容积，万m3。

其中

式中 ΔV湖——排湖期间湖面的蒸发量，万m3；

ΔV沟——排湖期间沟面的蒸发量，万m3。

式中 E——排湖期间每日蒸发强度，mm/d，已知暴雨期间3日蒸发量为10mm，则E=3.3mm/d。其中计算沟道蒸发的平均面积可在之前的资料中求得。

（3）泵站的设计流量。比较抢排流量和排湖流量，取大者为泵站的设计流量Q设。

（4）泵站装机容量的确定。已知外排站设计外江水位26.1m，设计水泵平均效率系数为0.75。

1）泵站设计扬程

式中 H设外——设计外水位，m，是选泵的依据，一般用临界期较常出现的外河水位进行分析得到，此处由资料知取26.1m；

H设内——设计内水位，m，水泵运行期间经常出现的内水位。此处取白湖最高水位与日常水位的平均值，H设内= （20.7+22.0）/2；

H设损——设计损失水位，m；

A——系数，1.15～1.2。

2）水泵的有效功率N有效

式中 N有效——水泵的有效功率，kW （或1000kgf·m/s）；

ρ——水的密度，1000kg/m3；

g——重力加速度，9.8N （1kgf=9.81N）；

Q设——泵站的设计流量，m3/s；

H设——设计外水位，m。

3）水泵的轴功率N轴

式中 η——水泵的效率，此处为0.75。

4）水泵的设计装机容量（配套功率）N配

式中 K——动力机备用系数，取1.2；

η传——机械传动效率，取0.9。

6.排水闸排涝能力演算

根据汛后新平江的平均水位及相应的蒸发、降雨资料，校核排水闸的尺寸是否满足排涝要求。如不满足，需要重新设计排水闸。列表进行计算，表格形式参见表2-1-10。

（1）排涝闸排水流量计算。排涝闸建议按宽顶堰出流计算，流态判断和流量计算公式如下：

式中 H——闸前水深，m；

h——闸后水深，m；

b——闸孔宽度，m；

ε——侧收缩系数，[-]，取0.9；

φ——流速系数，[-]，取0.9；

m——宽顶堰流量系数，[-]，取1.6。

（2）时段内排水量

式中 ΔWout——时段内排水量，万m3；

t——排水时段，d，取5d；

——时段初和时段末排涝闸排水流量的平均值，m3/s。

（3）入湖总水量

式中 ΔWin——入湖总水量，万m3，即排水期间由于降雨和蒸发导致的白湖水量变化；

P、E——分别为时段内的降雨和蒸发量，mm；

α——排湖期间集雨面积上的径流系数，见表2-1-9；

F湖——湖面面积，km2，可近似取5.3km2；

F集雨——圩垸的集雨面积包括耕地面积和荒地村庄等非耕地面积共54.5km2。

（4）内湖蓄水量变幅。时段初和时段末之间内湖蓄水量的增幅

式中 ΔV——内湖蓄水量变幅，万m3。

（5）内湖蓄水量

表2-1-10　排涝闸排涝演算表

注h闸底为闸底板高程。

式中 V时段初、V时段末——时段初和时段末内湖的实际蓄水量。

（6）内湖计算水位。根据时段末内湖蓄水量V时段末，通过查水位—容积关系曲线得到对应于蓄水量V时段末的内湖水位，从而得到时段末的内湖水位，该水位称内湖计算水位。

（7）水闸排涝演算演示。水闸排涝演算是一个不断试算的过程，每个时段要求内湖初设水位与内湖计算水位相等（或相差不超过0.05m）。最后，判断在10月5日前，是否将白湖水位降到预定的水位20.7m。如果计算结果显示内湖水位过早地下降至预定的水位，则说明闸孔尺寸太大，不够经济；如在要求的时间内不能下降至预定的水位则说明闸孔过小。在这两种情况下都必须调整闸孔尺寸，重新演算，直至符合要求为止。

以下以第一个时段为例简要介绍试算过程：

1）时段开始时刻 （9月10日），内外江水位相等，无水头差，即闸的排水流量Q0=0；

2）时段结束时刻（9月15日），外江水位由资料可知h外江=21.8m。假定此时白湖水位h湖初设=21.9m （一般有h外江＜h湖初设＜白湖时段初水位），闸前水深H=h湖初设-h闸底，闸后水深h=h外江-h闸底，计算h/H，判断流态并根据流态选择相应的宽顶堰公式计算过闸流量Q1；

4）根据降雨蒸发资料计算入湖水量ΔWin；

5）计算内湖蓄水量的变化量ΔV；

6）计算白湖在时段末的蓄水量V时段末；

7）由水位—容积曲线查得，对应于V时段末的水位即为内湖计算水位h湖计算；比较h湖计算与h湖初设，如果相等（或相差不超过0.05m）则第一时段的计算结束；否则重新假定h湖初设，直到h湖计算与h湖初设相等（或相差不超过0.05m）则第一时段的计算中止；

8）以次类推逐时段进行演算，即可推出开闸后排水流量及湖水位的变化过程。