梅河水库灌溉设计
目录
一. 灌区基本资料 …………………………………………………………………2 1.灌区地貌及水文水资源概况 ………………………………………………2 2.灌区土壤地质概况 …………………………………………………………2 3.灌区水文气象概况 …………………………………………………………3 4.灌溉制度 ……………………………………………………………………3 二. 作物灌溉制度的确定 …………………………………………………………3 1.灌溉制度的定义 …………………………………………………………3 2.水量平衡法确定作物灌溉制度 …………………………………………3 三. 确定渠道设计流量 ………………………………………………………15 1.灌水量的确定 …………………………………………………………15 2.灌区渠系平面布置 ……………………………………………………18 3.各分灌区支渠的流量计算 ……………………………………………20 4.干渠的流量计算 ……………………………………………………20 四. 是渠道纵横断面设计 …………………………………………………21
1. 典型支渠（二支渠）横断面设计 ………………………………………21 2. 干渠横断面设计 ………………………………………………………23 3. 渠道纵断面设计 ………………………………………………………26 五． 附录……………………………………………………………………………27
一. 灌区基本资料
梅河水库是以灌溉、供水结合发电的综合利用工程，总库容1.25亿立方米。电站为灌溉期发电的季节性电站，整个灌区利用发电后的尾水进行灌溉。尾水渠渠底高程为576.5m 。 1. 灌区地貌积水水资源概况
梅河水库位于梅河以东，大桥河以西，地形南高北低，海拔500～600m ，地面坡度250～，灌区土壤面积约39.5万亩，土地利用系数0.74。 灌区内地表水由于受地形、时间和空间的限制，不能去不利用只能通过工程措施利用一小部分。作物种植情况与1961—2001年的降雨资料见附表。 灌区分为河谷阶地和山前洪积扇两种地貌类型，河漫滩潜水埋深10m 左右，含水层为砂 、砂砾石，厚3～30m ，山前洪积扇潜水埋深10m 左右，含水层为含泥的砂砾石层，厚10～20m 。地下水质良好，矿化度为0.2～0.5克/升，PH 为6.5～8，适于灌溉与人畜用水。
2. 灌区土壤地质概况
沿山坡地带为沙壤土，洪积扇中部土壤为中壤土，河谷川地土壤为重土壤，土壤物理性质见下表：
3. 灌区水文气象概况
梅河王庄站实测多年平均流量9.09m s ，最枯流量0.7m s ，年平均含沙量35.2kg m ³。
灌区多年平均降雨量为668mm ，65%集中在八、九、十月，年平均气温17℃，
最高位37℃，最低为-17℃. 一般年份最大冻土深度为45～65cm, 时间一般在十二月中旬到一月下旬。 4. 灌溉制度
灌区内的主要作物为冬小麦，夏玉米，棉花，及油花等作物，复种指数150%。
二. 作物灌溉制度的确定 1. 灌溉制度的定义
灌溉制度支特定作物在一定的气候、土壤、供水等自然条件和一定的农业技术措施下，为了获得高产或高效，实施节约用水，所制定的适时适量的农田灌溉方案。
由当地具体条件出发，针对不同的水文年份，可以拟定湿润年（频率25%）、 一般年（频率为50%）和中等干旱年（频率为75%）及特旱年（频率5%）四种类型灌溉制度。
2.水量平衡法确定作物的制度灌溉制度 （1） 基本原理 农田水量平衡方程
W t -W 0=W T +P 0+K +M -ET
其中：W t 为时段末的土壤计划湿润层内的储水量（mm 或m ³/hm²） W 0为时段初的土壤计划湿润层内的储水量（mm 或m ³/hm²） W T 为由于计划湿润层增加而增加的水量（mm 或m ³/hm²·d ） P0为土壤计划湿润层内保存的有效降雨量（mm 或hm ²） K为时段t 内的地下水补给量（mm 或hm ²） M为时段t 内的灌溉水量（mm 或hm ²） ET为时段t 内的作物需水量（mm 或hm ²）
为了满足作物正常生长的要求，土壤计划湿润层内的土壤含水量必须经常保持在一定的范围内，即通常要求不小于最小允许含水量θmin 和不大于最大允许含水量。当计划湿润层内的平均土壤含水量降低到或接近于最小允许值时，即需进行灌溉，以补充土壤水分，维持作物的正常生长。 （2） 计算作物需水量ETc
1)作物需水量定义：
农田水分主要消耗于5个方面：植株蒸腾、棵间蒸发、深层渗漏或田间渗漏、地表径流和组成植株体的一部分。从理论上说作物需水量是指生长在大面积上的无病虫害作物，土壤水分和肥力适宜时，在给定的生长环境中能取得高产潜力的条件下为满足植株蒸腾和棵间蒸发，组成植株体所需的水量，水利行业认为作物需水量就等于植株蒸腾量和棵间蒸发量之和。
作物需水量是农业方面最主要的水分消耗部分，是制定流域规划、地区水利规划以及灌排工程规划、设计、管理和农田灌排实施的基本依据。 2）计算
计算作物需水量的方法很多，主要有经验公式法和半经验公式法，在此采用半经验公式法计算作物需水量，即先计算参考作物蒸发蒸腾量ETo, 在根据不同作物的实际情况及土壤实际含水率状况，确定作物系数Kc （供水充分条件下）和土壤水分修正系数Ka （供水充分条件下Ka=1）来计算实际作物需水量。 首先，计算参考作物蒸发蒸腾量ETo ，在此采用 彭曼-蒙蒂斯公式计算ETo ，公式如下：
0. 408∆Rn -G )+γ
900
μ2(e s -e a )
∆+γ1+0. 34μ2 ET 0=
其中，ET 0为参考作物的蒸发蒸腾量（mm/d）；Rn 为输入冠层静辐射量[MJ/（m ²·d ）]；G 为土壤热通量[MJ/（m ²·d ）]；T 为2m 高出平均温度（℃）；∆为你饱和水汽压与温度关系曲线在某出的斜率（kPa/℃）；γ为干湿温度计常数（kPa/℃）。
公式中各系数的计算如下：
干湿温度计常数 ： γ=0.00136
p
γ
P为大气压（KPa ），γ为水的蒸发潜热； 平均温度 ： T mean =
T max +T min
2
平均饱和水汽压 ： e 0(T ) =0. 6108exp(
17. 27T
)
T +237. 3
e 0(T max )+e 0(T min )
e s =
2
e 0（T ）为温度T 时的饱和水汽压（KPa ）；T 为空气温度（℃）；
4098[0. 610817. 27T
饱和水汽压与温度曲线斜率 ：∆=)]
T +237. 32
e 0(T )
RH max +e 0(T RH
min
实际水汽压 ： e min a =2
RH 为相对湿度
净辐射通量 ： R n =R ns -R nl R =4. 903⨯10-9
⎛ T 44max,
k +T min, k
⎫
nl ⎪⎪(03. 4-0. e ⎝
2a )(1. 35R s -0. 35) ⎭
R s 0 R ns =(1-a ) R s
R s 0=(0. 75+2⨯10-5Z ) R a R s =(0. 25+0. 5n
N
) R a N =
24
π
ωs R 24⨯60
a =π
G sc d r (ωs sin ϕsin σ+cos ϕcos σcos ωs ) d 1+0. 03cos(
2π
r =365
J ) δ=0. 409sin(
2π
365
J -1. 39) ωs =arccos(-tan ϕtan σ) 土壤热通量 G =0. 14(T m ean , i -T m ean , i -1)
2m 高的风速 μ. 87
2=μ4Z
Ln (67. 8Z -5. 42)
Z为分苏测定实际高，μZ 为实测风速。 应用以上公式即可算出参考作物蒸发蒸腾量ET 0。
第二步，计算实际作物蒸发蒸腾量 ET c kET 0
K为作物系数，见表2.2.1
ET c 值见计算表2.2.2；
（3） 计算有效降雨量P 0 1） 选择降水典型年
由当地历年降水资料分析得知1994年的江水分布最不均匀，从而导致灌水分配过程最不利，故选择1994年为灌溉制度年。
2) 计算有效降水量P 0
采用如下公式计算：
P 0=σP
其中，当降雨量小于5mm 时，当P =5～50mm σ为降水有效利用系数，σ=0，时，σ=1. 0；当P >50mm 时，σ=0. 8～0. 7。
P 为t 时段内有效降雨量（mm ）
有效降雨量P 0计算表
当P>50mm时， 取0.8。
（4） 各种作物生育期ET 、W t 、W max 、W min 的计算；如表2.4.1～2.4.4
需水量=∑（各月天数⨯月ET 0） W t =各生育期土层厚度增加量⨯0. 3⨯0. 7 W min =各生育期土层厚度⨯0. 3⨯0. 6 W max =各生育期土层厚度⨯0. 3
0.3为初始土壤田间持水量，在此中土壤的田间持水量，灌区土壤主要为中土壤；0.7为作物各生育阶段要求的土壤适宜含水量，0.6为根据经验取的60%的田间持水量。
（5） 各种植作物的灌溉制度设计示意图如下
小麦灌溉设计图
棉花灌溉设计图
玉米灌溉设计图
油菜灌溉设计图
三. 确定渠道设计流量 1.灌水率的确定
1）. 定义
灌水率是指灌区单位面积上所需的净流量，是确定渠首（抽水）水流量和渠道设计流量的重要参数。
2）. 计算
计算公式如下： q i , k =
a i ⨯m i , k 8. 64T ik
其中：q i ，k 为第一种作物第k
次灌水的灌水率 [m3/(s*100hm2];αi 为第一种作物的种植比例，其值为该作物的灌溉面积与灌区灌溉面积之比；m i.k 为第种作物第k 次灌水的灌溉定额m 3/hm2；T i ，k 为第i 种作物第k 次灌水的灌溉延续时间（d ）。
结合各中作物灌溉制度设计示意图和公式，列表计算及修改后灌水率
灌水率如下图：
修正后的灌水率图如下：
3）. 选取设计灌水率
设计灌水率是渠首取水流量和渠道设计的依据。从渠道经济，安全，管理等方面，通过修正后的灌水率图，最终选取设计灌水率为0.05。 2. 灌区渠系灌区平面布置 （1）. 干渠渠首的选择
本次设计灌区的灌溉水源为梅河水电站尾水，属水库取水库，所需流量和水位能够得到保证。尾水渠渠底高程为57605m ，尾水水位资料中未给出，故决定干渠渠首高程定位57605m 处。 （2）绘制灌区渠系平面布置图
在此，典型灌区我们选择灌区ΙΙ，主要考虑此灌区地形比较均匀，面积大小适中，灌区内河系分布适中，具有一定的代表性，有利于支斗农渠的布置和日后的计算工作。 （3）. 各分支渠的流量计算
各支渠控制的灌溉面积如表3.3.1：
土地利用系数取0.74
（1）. 典型支渠（二支渠）流量计算 1）. 农渠的设计流量
二支渠的设计田间流量：
Q支田净=A支q d =37.7*0.05=1.885m3/s
斗渠分三组轮灌，同时工作的斗渠有6条：农渠不分组，每条斗渠上
同时工作9条农渠。
则由支渠分配到每条农渠得瑟田间净流量： Q农田净=Q支田净/nk=1.885/6*9=0.0349m3/s 取田间水利用系数ηf=0.9，则农渠的净流量为： Q农净=Q农田净/ηf=0.0.349/0.9=0.0388m3/s
灌区土壤为中土壤，查表得土壤偷税参数：A=1.9, m=0.4..据此计算农渠每千米输水损失系数： σ毛=A/Qm 农净=1.9/0.03880.4=6.96981 农渠的毛流量或设计流量为： Q农毛=Q农净（1+σ
毛L 毛
/100）=0.0388*(1+6.96981*0.4/100)=0.03988m3/s
2).斗渠的设计流量
Q斗净 =kQ农毛=9*0.03988=0.3589m/s Q
斗毛=
3
Q
斗净
（1+σ
斗L 斗
/100）=0.3589*（1+1.9*2.6/2/0.35890.4*100）
=0.3723m3/s
3). 支渠的设计流量
Q支净=n Q斗毛=6*0.3723=2.234m3/s
Q=2.298m3/s
支毛=
Q
支净
（1+σ
支L 支
/Qm
支净
）=2.234*（1+1.9*6.8/2.2340.4*100）
4).二支渠灌溉水利用系数 η
二支
=Q净/Q毛=2.234/2.298=0.972
3. 其他各渠流量计算
以典型支渠（二支渠）的控制面积作为扩大指标来计算其他支渠的设计流量，计算如下表：
各支渠设计流量（毛流量）计算表
4. 干渠流量的计算
干渠的流量推求采用自上而下的逐级推求的方法计算。如EF 段净流量就等于六支支渠毛流量，其毛流量等于净流量与渠道流量损失之和。以此类推，OA 段净流量也就等于AB 是、段毛流量与一支渠毛流量之和，其毛流量等于净流量
与渠段流量损失之和，计算表如下： 干渠流量计算表
干渠渠系水利用系数η干=0.0.5*194.13/13.130=0.74
四 .渠道纵横断面设计
从经济等方面考虑，该灌区干支灌溉都采用梯形断面。渠道内壁用混凝洊砌。
1. 典型支渠（二支渠）横断面设计
（1）. 梯形渠道水力最佳断面参数选取与计算
表中i 为渠底比降，n 为渠底糙率，m 为渠道内边坡系数，m1=2+m 2， Q 为渠道设计流量。ho ，bo ，Ao ，Xo ，Ro ，Vo 分别为水力最佳断面的水深渠底宽度，过水断面面积，湿周长，水力半径，和流速单位都为m 。 （2）. 梯形渠道使用经济断面的水力计算
上式中：b=h*b；A=bh+mh2；V=Q/A。
上表中V,A ，h ，b 分别为实用经济断面的流速，过水断面面积，水深和底宽，单位为m 。‘ （3）. 渠道断面稳定分析 1）. 渠道不淤流速校核 不於经验公式为：
Vcd=CoQ0.5=0.4*2.30.5=0.607m/s
我们采用经济断面才参数进行设计，故V
我们采用的是混凝土洊砌护面，查表的混凝土的抗冲流速Vcs=5m/s，满足要求。
（4）. 加大流量及最小流量下渠道断面设计与校核 1）加大流量情况 加大流量为：
Qj=JQd =1.3*2.3=2.99m3/s 引用如下公式迭代计算加大流量下水深h j
⎛nQ ⎫ h = ⎪
⎝⎭
0. 6
b +2h
+m
b +mh j -1
j -12
0. 4
最终计算得到加大流量下的水深 h j =0.667m，相应的过水断面面积A=1.02m 2，流速V=2.932m/s
1j 1
h +0. 2=⨯0. 677+0. 2=0. 37 44
堤顶宽度计算：
D =h j +0. 3=0. 677+0. 3=0. 977m 2）. 最小流量情况
最小流量取设计流量的50%为1.15m
3
，相应的水深同样应用迭代公式
Vcd ，满足不於
求得为0.421m ，过水断面面积A=0.5m 2，流速 V=2.302m/s> 要求。
（5）通过以上计算我们最终确定典型渠道支渠（二支渠）的断面参数如下表：
横断面图见附图
2. 干渠横断面设计
（1）. 最佳段断面参数选取与计算
上表中i 为渠底比降，n 为渠底糙率，m 为渠道内的边坡系数，m1=2 m 2， Q 为渠道的设计流速，ho 、bo 、Ao 、Xo 、Ro 、Vo 分别为为最佳水力断面的水深、渠底宽度。过水断面积、湿周长、水力半径、和流速，单位都是m 。 （2）经济断面参数选取与计算
上表中V 、A 、h 、b 分别为实用经济断面的流速、过水断面面积、水深、和底宽。单位m 。
（3）校核不於不冲流速
由上表可看出渠道设计满足不冲不於要求。 （4）渠顶设计
加大水深和最小水深的计算
渠道的加大水深和最小水深用迭代公式计算：
⎛nQ ⎫
h j +1= ⎪
⎝i ⎭
0. 6
(b +2h
b +mh j
j
+m 2
)
0. 4
其中：Q 为渠道的加大流量或最小，i 为渠底比降，n 为渠床糙率，m 为渠道内边坡系数。
安全超高和渠岸宽度计算 ∆h =
1
h j +0. 2 4
安全超高：
渠岸的宽度：D =h j +0. 3
（5）渠道横断面设计见附图
3. 渠道纵断面设计
（1）灌溉渠道不仅要满足输送设计流量的要求，还要满足水位控制的要求。横断面设计通过水力计算确定了能通过设计流量的断面尺寸，纵断面设计任务是根据灌溉水位要求确定渠道的空间位置，先确定不同桩号处的设计水位高程，再根据设计水位确定渠底高程、堤顶高程、最小水位等。、（2）渠道纵断面的水位衔接
渠道纵断面图包括：沿渠地面高程线、渠道设计水位线、渠道最低水位线、渠道高程线、堤顶高程线、分水口位置、渠道建筑物位置等。
五．附录
（1）因资料中未有地形图和地面高程等数据。设计中灌区的渠系布置图和渠道纵断面图未画出。
（2）组员：
陶**（09169***） 黎**（09169***）， 李 *（09169***） 凌**（09169***）
（3）分工：
李 * 黎* 主要负责计算部分。 陶** 凌* 主要负责画图部分，