第一章总论
第一节灌区基本资料
已知：杨家庄灌区为一新建灌区，面积约40万亩，位于我国北方半干旱、半湿润地区。比利河从灌区北侧流过，河水充沛，河道宽度在5-10m之间。整个灌区处于平原地带，地势从东北向西南倾斜，但整体高差不大。经测定，灌区内土壤属于中壤土。灌区渠首位置已选定。该灌区以水稻为主要作物，泡田从5月6日开始到5月25日结束，共20天。五月份土壤解冻层 H=0.5m；孔系率 n=44.2%，渗透强度k=0；土壤含水量θ=27%；干容重γ干 =1.51；湿容重γ湿 =1.91；泡田天数t=20d；淹没水层深h=6cm。
生育期基本资料表
另有项目区气象资料以及灌区平面图各一方。
第二节设计任务
（1）水稻灌溉制度设计；
（2）确定灌水率：绘制初步灌水率图，修正后的灌水率图，并确定设计灌水率；
（3）灌排系统规划布置：主要包括灌排渠系规划布置，排水承泻区的选择，渠系建筑物布置；
（4）渠道水位推算：推算支渠分水口水位以及干渠水位；
（5）渠道流量推算：计算各支渠及干渠设计流量，最小流量以及最大流量； （6）灌溉渠道纵横断面设计：干渠以及各支渠的纵横断面设计； （7）确定排涝模数
（8）推算干支沟设计排涝流量
（9）在灌区内任选一个区域作为露天蔬菜生产基地，设计其喷灌系统。
第三节设计要求
（1）设计说明书一份，30-40页。要求：说明设计的步骤，依据的理论，采用的公式，必要时将计算成果列入表格；
（2）设计图包括：灌区灌水率图，灌排系统规划布置图，干渠纵横断面图，喷灌系统平面布置图。
第二章水稻灌溉制度设计
思路：用水量平衡法原理分析制定灌溉制度
第一步：了解水量平衡法的原理 第二步：求出水量平衡法中各要素的值 第三步：确定水稻的灌溉制度 具体分析如下：
作物灌溉制度是制定流域规划，灌区水利规划及灌排工程规划、设计、管理和农田灌排实施的基本依据，在农业生产实践中占有重要地位。因此，制订合理可行的灌溉制度是十分必要的。依据《灌溉与排水工程设计规范》GB50288-99，作物灌溉制度应经观测试验、灌溉经验及灌区水量平衡分析计算相互检验确定。
（1）了解水量平衡法的原理
水量平衡法是以作物各生育期内水层变化（水田）或作物主要根系层内土壤水分变化（旱田）为依据，要求在作物个生育期内水层变化（水田）或计划湿润层内的土壤含水量维持在作物适宜水层深度或土壤含水量的上限和下线之间，降至下限时则应进行灌水，以保作物充分供水。
在制定水稻灌溉制度时，应注意：a.水稻不同生育期阶段需在田面维持一定深度的水层，根系层土壤多数时间处于饱和状态，应考虑稻田的深层渗漏问题（排水）;b.确定水稻灌溉制度时，应以淹灌水层深度的变化为依据；c.我国水稻栽培主要采用育苗秧移栽方式，因此水稻灌溉制度可分为泡田期和生育期两个阶段进行分析。泡田期数据已知，故只需计算生育期内的灌溉制度。
（2）求解水量平衡法求解水稻灌溉制度
1）泡田定额的计算。泡田定额是指水稻在插秧前，必须首先对田块进行灌水，使田块的土壤在一定深度的土层达到饱和并在田面建立水层的水量。泡田定额可用下式确定：
M1=α1+S1+e1t1−P1
式中：M1为泡田期灌溉用水量（mm）； α1为插秧时田面所需的水层深度（mm）；
S1为泡田期的渗漏量，即开始泡田到插秧期间的总渗漏量（mm）； t1泡田期的日数；
e1为t1时段内水田的田面平均蒸发强度（mm/d）；可用水面蒸发强度代替；P1为在t1时段内的降雨量（mm）。
2）水稻生育期的灌溉制度的确定。
在水稻生育期中的任何一个阶段(t)内，农田水层的变化，可以用以下水量平衡方程表示：
h2=h1+P+m−E−C
式中：h1为时段初田面水层深度（mm）； h2时段末田面水层深度（mm）； P为时段内降雨量（mm）； m为时段内的灌水定额（mm）； E为时段内水田的田间耗水量（mm）； C为时段内的排水量（mm）。
如果时段初的农田水分处于适宜水层上限(hmax)，经过一个时段的消耗，田面水层降到适宜水层的下限(hmin)，这时如果没有降雨，则需进行灌溉，灌水定额即为
m=hmax−hmin
任意时段农田水分变化图解：
1、在时段初A点，水田应按①线耗水，至B点田面水层降至适宜水层下限，即需要灌水，灌水定额为m ;
2、如果时段内有降雨P，则在降雨后，田面水层回升降雨深P，再按②线耗水至C点时进行灌溉；
3、如降雨P ’很大，田间水面超过最大蓄水深度Hp，多余水需要排除，排水量为c，然后按③线耗水至D点时进行灌溉。
根据上述原理可知，当确定了各生育阶段的适宜水层hmax、hmin、Hp以及阶段需水强度ei，，可用图解法推求水稻灌溉制度。
表1
灌溉保证率的计算
根据频率分析，按照《灌溉与排水工程设计规范》（GB 50288—99），灌溉制度的确定应该遵循以下原则：
（1）对于万亩（666.7hm2）以上灌区，应采用历年法确定历年各种主要作物的灌溉制度。根据灌溉定额的频率分析，选出2～3个符合设计保证率的年份。以其中灌水分配过程最不利的一年为设计典型年，以该年的灌溉制度作为设计灌溉制度。历时年系列不宜少于30年。灌区的降水、土壤、水文地质条件有较大差异时应分区确定灌溉制度。
（2）对于万亩及以下灌区，确定灌溉设计保证率时，可根据降水的频率分析选出2～3个符合设计保证率的年份，拟定其灌溉制度。以其中灌水分配最不利的一年为典型年，以该年的灌溉制度作为设计灌溉制度。
我们设计灌区面积为40万亩，因此，我们采用历年法确定灌溉制度。
一降水频率确定设计典型年时，目前采用3中处理方法。
①按年降雨量选择灌溉用水设计典型年；②按主要作物生长期的降水量选择灌溉用水设计典型年。统计历年主要作物生长期的降水量，进行频率计算，选择降水量频率与设计灌溉保证率相同或相近、雨量分配不利的年份作为设计典型年。我们灌区以水稻为主要作物，因此采用此方法。
按降雨量年内分配情况选择灌溉用水设计典型年。 根据频率分析，采用1952年作为设计典型年。
（3）作物需水量的计算
用水量平衡法确定灌溉制度必须首先确定作物需水量，其数值可直接取用当地或自然地理条件类似的邻近地区灌溉试验站的观测成果，或从已鉴定过的作物需水量等值线图中选定，若上述观测结果或作物需水量等值线图不能满足使用要求时，宜采用彭曼法计算确定。
此概念是由英国气象学家彭曼1946年提出来的。它不受土壤含水量和作物种类的影响，可以分为以下两步。
第一步：考虑气象因素对作物需水量的影响，用理论的、经验的或半经验的方法先算出作物需水量；
第二步：考虑土壤水分及作物条件的影响，对参考作物需水量进行调整或修正，计算出实际作物需水量。
用彭曼法计算作物需水量，必须首先算出参照作物需水量（亦称参照需水量），参照作物需水量指土壤水分充足地面完全覆盖生长正常高矮整齐的开阔（有200m 以上的长度及宽度）矮草地（草高 8~15cm）的需水量，它是各种气象条件影响作物需水量的综合指标。取得参照需水量数据后按下面公式计算作物需水量。
ET=Kω∙Kc∙ET0
式中：ET—阶段日平均需水量（mm/d）； ET0—阶段日平均参照需水量（mm/d）； Kω—土壤水分修正系数； Kc—综合作物系数。
式中：ET0—阶段日平均参照需水量（mm/d）； Δ—温度-饱和水汽压关系曲线在T处的斜率 Rn—输入冠层净辐射量 (MJ/(m^2·d)) G—土壤热通量 (MJ/(m^2·d)) γ—湿度表常数（KPa/℃） T—平均气温（℃）； u2—2m高出风速（m/s） ℯs—饱和水汽压（KPa） ℯa—实际水汽压（KPa）
要将参考作物需水量换算成为实际作物需水量，还应当充分考虑作物的生物学特性及田间水分状况的影响。当土壤含水率大于或等于临界含水率（毛管断裂含水率）时，Kω=1，Kc可由当地或邻近灌溉试验站取得，或从作物需水量等
值线图中查得，联合国粮农组织（FAO）给出水稻在开始移栽前一个月的作物系数值为 1. 10～ 1. 15，作物生长期( 第二个月) 为 1. 10 ～ 1. 50，营养期-生殖期( 第三个月) 为 1. 10 ～ 1. 13，产量形成期( 最后一个月) 为 : 0. 95～ 1. 05，根据《北方稻田蒸散需水分析及其作物系数确定》一文中提供的数据进行修正。为提高灌溉精度，修正后的作物系数采用表2数据：
表2修正后的北方作物系数
表3参考作物需水量计算结果表
说明：此参考作物需水量依据《中国地面国际交换站气候资料日值数据集》
提供的气象资料计算得来，其中资料没有给出的数据根据实际情况估计的值有：海拔高度：设计该灌区是取50m；风标高度取8m；地理纬度去49.00N。
（4）灌区水稻灌溉制度的确定
1）泡田定额的计算。泡田定额是指水稻在插秧前，必须首先对田块进行灌水，使田块的土壤在一定深度的土层达到饱和并在田面建立水层的水量。泡田定额可用下式确定：
M1=α1+S1+e1t1−P1
已知泡田日期为5月6日——5月26日，为期20天。此时不需要作物需水量直接采用气象资料中的大型蒸发量代替蒸发强度。
2）水稻生育期的灌溉制度的确定。在水稻生育期中的任何一个阶段(t)内，农田水层的变化，可以用以下水量平衡方程表示：
h2=h1+P+m−E−C
已知生育其从5月26日——9月5日为期103天。生育期内结合彭曼——蒙蒂斯公式求出的作物需水量确定灌溉制度。列表计算如下：
表4 泡田定额的计算
表5 水稻生育期的灌溉制度的确定
（5）确定灌水率
绘制初步灌水率图，修正后的灌水率图，并确定设计灌水率。
在灌区的规划设计中，灌水率是指灌区单位面积上所需灌溉的净流量，又称灌水模数，它是根据灌溉制度确定的。将所得的灌水率绘在方格纸上，称为灌水率图。设计灌水率是确定灌区渠首引水流量和灌溉渠道设计流量的主要依据，它的大小直接影响到灌溉系统的工程规模以及水资源利用充分与否，因此，在现代
灌区规划设计中受到格外的关注。
利用下边的公式进行计算：
αi⨯mi,k
qi,k=
864Ti,k
式中：qi,k为第i种作物第k次灌水的灌水率[m3/(s·100hm2]；ai为第i种作物的种植比例，本设计中只有水稻一种作物，其值为1；mi,k为第i种作物第k次灌水的灌水定额（m3/hm2）；Ti,k为第i种作物第k次灌水延续时间（d），在泡田期内按照规范对灌水延续时间的规定取值为5d，在生育期内为及时满足作物对水分的要求灌水延续时间定为1.5d。所求结果见表6。
按照上述求解得到的灌水率（数据见表6），初步绘制灌水率图如下：
图1 灌区初步灌水率图
（6）灌水率图修正
按照规范对灌水率进行修正，得到数值见下表 表6灌水率及修正灌水率
按照上述原则对灌水率图进行修正，得到的修正后的灌水率图如下：
图2 修正后的灌水率图
（7）确定设计灌水率
规范要求以累积30d以上的最大灌水率为设计灌水率，可得设计灌水率为0.033[m3/(s·100hm2)]。
第三章灌排系统规划布置
灌溉渠道通常分为干渠、支渠、斗渠、农渠4级固定渠道。排水沟道通常包括干、支、斗、农4级固定沟道。
（1）斗农渠的规划
本设计中，采用斗渠的长度为3km，控制面积为300hm2。根据提供地形的特点，在地面向一侧倾斜的地区，渠道只能向一侧灌水，排水沟也只能接纳一边径流，灌排渠道和排水沟道只能并行，采用灌排相邻布置。
（2）田间渠系布置
根据提供地形的特点，整体高差不大，所以采用横向布置。
（3）灌水沟畦与格田规格
水稻区的格田规格，长度宜取60~120m，宽度宜取20~40m。本设计中，取
格田长度为120m，宽度为40m。
农村道路的规划。根据标准，本设计中干道路面宽为8m，支道路面宽为5m，田间道为4m。
第四章渠道水位推算
为满足自流灌溉的要求，各级渠道入水口处都应具有足够的水位。水位计算公式如下：
H进=A0+∆h+∑Li+∑φ
式中：
H进为渠道进水口处的设计水位（m）A；0为渠道灌溉范围内控制点
的地面高程（m），控制点是指较难灌到水的地面；∆h为控制点地面与附近末级固定渠道设计水位的高差，一般取值为0.1~0.2m；L为渠道的长度（m）；i为渠道的比降；φ为水流通过渠系建筑物的水头损失（m）。
第一节 推算支渠分水口的水位
对14条支渠按照整个灌区从左到右的顺序进行编号，分别对应的支渠长度
A∆h取值为0.1m；和支渠控制面积如下表所示：按照水位计算公式，0取值见下表；
L为渠道的长度见下表；i为1/5000；φ为0.05m，将数据带入公式：
H进=A0+∆h+∑Li+∑φ
求得
H进见下表。
第二节 推算干渠的水位
按照水位计算公式，A0为503m；∆h取值为0.2m；L为渠道的长度4058.41m；
i为1/5000；ϕ为0.1m， ϕ为1.4m，将数据带入H进=A0+∆h+
∑Li+∑φ，求
得
H进为：
H进=503+0.2+4058.41⨯1/5000+1.4=505.41
因此干渠水位为505.41m。
第五章渠道流量推算
渠道流量的推算首先要确定渠道的工作制度。渠道的工作制度分为续灌和轮灌。为了避免因水量过分集中而造成生产安排的困难，一般较大的灌区，干、支渠多采用续灌。因此本设计中干、支渠采用续灌续灌，斗、农渠采用轮灌。
第一节计算各支渠的设计流量，最小流量及最大流量
支渠以下轮灌渠道设计流量的推算。本设计中采用的方法是：根据轮灌组划分情况自上而下逐级分配末级续灌渠道的田间净流量，再自下而上逐级计算输水损失水量，推算各级渠道的设计流量。
设同时工作的斗渠为n条，每条斗渠同时工作的农渠数为k条。计算支渠的设计田间净流量。
Q支田净=A支qd
AQ
式中：支田净为支渠的田间净流量（m3/s）；支为支渠的灌溉面积（100hm2）；
qd为设计灌水模数[m3/(s·100hm2]。
由支渠分配到每条农渠的田间净流量：
Q农田净=
式中：
Q农田净
Q支田净
nk
为农渠的田间净流量（m3/s）。
计算农渠的净流量。先由农渠的田间净流量计入田间损失水量，求得田间毛流量，即农渠的净流量。
Q农净=
Q农田净
ηf
式中：符号意义同前。
推算各级渠道的设计流量（毛流量）。用经验公式估算输水损失。根据渠道净流量、渠床土质和渠道用下式计算。
Qg=Qn(1+σL/100)
式中：
Qg
为渠道的毛流量（m3/s）；
Qn为渠道的净流量（m3/s）
；σ为每千
米渠道损失水量与净流量比值；L为最下游一个轮灌组灌水时渠道的平均工作长度（km）。计算农渠毛流量时，可取农渠长度的一半进行估算。
根据支渠毛流量及支渠田间净流量，可以求出支渠的渠系水利用系数为：
η支水=Q支田净/Q支毛
在大中型灌区，支渠的数量较多，为了简化计算，通常选择一条有代表性的典型支渠按照上述方法推算支、斗、农渠的设计流量，计算支渠范围内的灌溉水利用系数
η支水
，以此作为扩大指标，用下式计算其余支渠的设计流量。
Q支=qdA支/η支水
同样以典型支渠范围内各级渠道水利用系数作为扩大指标，可以计算出其他支渠控制范围内的斗、支渠的设计流量。
（1） 计算各支渠的设计流量
根据不同支渠控制范围内的灌区面积，将12支渠选为典型支渠。推求其及其所属斗、农渠的设计流量。
计算农渠的设计流量。典型支渠的田间净流量为：
Q支田净=A支qd=18.4466⨯0.033=0.609（m3/s）
本设计中斗渠分为2组轮灌，同时工作的斗渠有4条；而农渠分为5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=
取田间水利用系数
Q支田净0.609
==0.024（m3/s）nk5⨯5
ηf=0.95，则农渠的净流量为：
Q农田净
Q农净=
ηf
=
0.024
=0.025（m3/s）0.95
灌区土壤属中壤土，从下表可查出相应的土壤透水性参数，A=1.9，m=0.4。据此可以计算农渠每千米输水损失系数：
σ农=A/Qm=1.9/0.0250.4=8.310
农净
农渠的毛流量或设计流量为：
Q农毛=Q农净(1+σ农l农/100)=0.025⨯(1+8.310⨯0.51/100)=0.026(m2/s)
计算斗渠的设计流量。因为一条斗渠内同时工作的农渠数有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⨯0.026=0.130（m3/s）
农渠分为5组轮灌，各组要求斗渠供给的净流量相等。但是第5轮灌组的距斗渠进水口较远，输水损失水量较多，据此求得的斗渠毛流量较大，因此以第5轮灌灌水时需要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l斗=2.88km。
斗渠每千米的输水损失系数为：
σ斗=A/Qm=1.9/0.1300.4=4.297
斗净
斗渠的毛流量或设计流量为：
Q斗毛=Q斗净(1+σ斗l斗/100)=0.130⨯(1+4.297⨯2.88/100)=0.146(m3/s)
计算12支渠的设计流量。斗渠分两组轮灌，以第2轮灌组要求的支渠毛流量作为支渠的设计流量。支渠的平均工作长度l支=6.56km。
支渠的净流量为：
Q支净=4⨯Q斗毛=4⨯0.146=0.584（m3/s）
支渠每千米输水损失系数为：
σ支=A/Qm=1.9/0.5840.4=2.356
支净
支渠的毛流量为：
Q支毛=Q支净（1+σ支l支/100）=0.584⨯（1+2.356⨯6.56/100）=0.674（m3/s）
计算支渠的灌溉水利用系数。
η支水=Q支田净/Q支毛=0.609/0.674=0.90
计算其它支渠的设计流量。首先计算其它支渠的田间净流量：
Q1支田净=5.3094⨯0.033=0.175(m3/s)Q2支田净=19.0441⨯0.033=0.628(m3/s)Q3支田净=25.3332⨯0.033=0.836(m3/s)Q4支田净=23.6866⨯0.033=0.782(m3/s)Q5支田净=27.6644⨯0.033=0.913(m3/s)Q6支田净=20.7067⨯0.033=0.683(m3/s)Q7支田净=21.4566⨯0.033=0.708(m3/s)Q8支田净=18.9413⨯0.033=0.625(m3/s)Q9支田净=20.8846⨯0.033=0.689(m3/s)Q10支田净=19.2975⨯0.033=0.637(m3/s)Q11支田净=20.5033⨯0.033=0.677(m3/s)Q13支田净=17.5030⨯0.033=0.578(m3/s)Q14支田净=8.5158⨯0.033=0.281(m3/s)
计算其它支渠的设计流量：以典型支渠的灌溉水利用系数作为扩大指标，用来计算其它支渠的设计流量。
Q1支毛=Q1支净/η支水=0.175/0.90=0.194(m3/s)Q2支毛=Q1支净/η支水=0.628/0.90=0.698(m3/s)Q3支毛=Q1支净/η支水=0.836/0.90=0.929(m3/s)Q4支毛=Q1支净/η支水=0.782/0.90=0.869(m3/s)Q5支毛=Q1支净/η支水=0.913/0.90=1.014(m3/s)Q6支毛=Q1支净/η支水=0.683/0.90=0.759(m3/s)Q7支毛=Q1支净/η支水=0.708/0.90=0.787(m3/s)Q8支毛=Q1支净/η支水=0.625/0.90=0.694(m3/s)Q9支毛=Q1支净/η支水=0.689/0.90=0.766(m3/s)Q10支毛=Q1支净/η支水=0.637/0.90=0.708(m3/s)Q11支毛=Q1支净/η支水=0.677/0.90=0.752(m3/s)Q13支毛=Q1支净/η支水=0.578/0.90=0.642(m3/s)Q14支毛=Q1支净/η支水=0.281/0.90=0.312(m3/s)
根据计算可以得到各支渠的设计流量见下表：
（2）计算各支渠的最小流量
对于同一条渠道，设计流量和最小流量不易相差太大，因此在本设计中采用设计流量的70%作为最小流量。所以，不同干渠段的最小流量见下表：
表5—2各支渠的最小流量
（3）计算各支渠的最大流量
渠道的加大流量的计算是以设计流量为基础，给设计流量乘以加大系数即得：
Qj JQd
式中：
为渠道加大流量（m3/s）；J为渠道流量加大系数，支渠的设计流
Q量均小于1 m3/s，因此取值为1.35；d为渠道设计流量（m3/s）。
按照上述公式进行计算可以求得各支渠的最大流量见下表：
Qj
第二节计算各干渠段的设计流量，最小流量及最大流量
干渠的渠道工作制度为续灌。根据设计图可以得出不同支渠之间渠道的长度，见下表：
表5—4不同支渠之间的干渠长度
（1）计算各段干渠的设计流量
1~2段的设计流量：
Q1~2净=Q1支毛=0.194(m3/s)
σ1~2=1.9/0.1940.4=3.661
Q1~2毛=Q1~2净(1+σ1~2l1~2/100)=0.194⨯(1+3.661⨯3.501/100)=0.219(m3/s)
2~3段的设计流量：
Q2~3净=Q1~2毛+Q2毛=0.219+0.698=0.917(m3/s)
σ2~3=1.9/0.9170.4=1.967
Q2~3毛=Q2~3净(1+σ2~3l2~3/100)=0.917⨯(1+1.967⨯3.357/100)=0.977(m3/s)
按照相同的方式，所求相邻支渠段的干渠设计流量见下表：
表5—5 相邻支渠段的干渠设计流量
η水=qd a/Q0=0.033⨯267/11.947=0.737
因此水的利用系数为0.737。
（2）计算各段干渠段的最小流量
对于同一条渠道，设计流量和最小流量不易相差太大，因此在本设计中采用设计流量的70%作为最小流量。所以，不同干渠段的最小流量见下表：
表5—6不同干渠段的最小流量
（3）计算各段干渠段的加大流量
表5—7 不同干渠段的加大流量
按照与支渠相同的计算方法，计算干渠的加大流量，加大系数都取区间最大值。求得的加大流量见上表。
第六章灌溉渠道纵横断面设计
横断面的设计采用明渠均匀流公式计算：
Q=式中：Q为渠道设计流量（m3/s）；A为渠道过水断面面积（m2）；R为水力半径（m）；1/5000；C为谢才系数，一般采用曼1i为渠底比降，本设计中取值为1/6
C=R
n宁公式进行计算，其中n为渠床糙率，本设计中，护面渠槽设计为混凝土抹光的水泥砂浆面，取值为0.012。
设计出截面时，还要考虑不冲不淤流速，确定方法如下：
渠道的不冲不淤流速确定。在稳定渠道中，允许的最大平均流速为临界不冲
V流速，简称为不冲流速，用cd表示；允许的最小平均流速为临界不淤流速，简
V称不淤流速，用cs表示维持渠床稳定，渠道通过设计流量时的平均流速（设计
V流速）d应满足一下条件：
Vcd
在本设计中采用护面渠道，护面类型为混凝土现场浇筑，允许的不冲流速为小于8.0m/s。
在缺乏实际研究成果是可选用不淤流速经验公式：
Vcd=C0Q0.5
式中：
Vcd为渠道不淤流速（m/s）C；0为不淤流速系数；Q为渠道的设计流
量（m3/s）。
同时为了防止渠道长草，影响输水能力，对渠道的最小流速仍有一定的限制，通常要求大型渠道的平均流速不小于0.5 m/s，小型渠道的平均流速不小于0.3~0.4m/s。
第一节各支渠纵横断面设计 （1）各支渠横断面设计
根据不淤流速经验公式，确定不淤流速系数为0.4，可以求得各支渠的不淤流速见下表：
表6—1各支渠的不淤流速
同时为了防止渠道长草，影响输水能力，对渠道的最小流速仍有一定的限制，通常要求小型渠道的平均流速不小于0.3~0.4m/s。
本设计中将支渠截面设计成U型截面。 U型断面尺寸的水力计算基本公式如下：
22
A=KH(m) A过水面积：
湿周：
χ=KxH(m)
θ
KA=(+2m-2m')Kr2+2(m'-m)Kr+m2系数：
Kx=2(+m-m')Kr+2m'2 rKr=
H
θ
m'式中：H为水深（m）；为圆心角（rad）；m为上部直线段的边坡系数；r为圆弧半径（m），A为过水面积（m2）。同时采用填方渠道断面结构。断面为填方
K断面时，r取值为1.0~0.8。本设计中取值为1.0。
内坡的边坡系数取值为1.25，外坡的边坡系数为1.00。
渠道过水断面的设计。按照U型断面尺寸的水力计算基本公式进行计算：
m=
1.25
m'=1.60
θ=
180︒-2arctan1.25
π
=0.430
KA=(+2m-2m')Kr2+2(m'-m)Kr+m=1.465
2 Kx=2(+m-m')Kr+2m'=2.932 rKr==1.0
H
θ
θ
结合明渠均匀流公式，可以求得下式：
3Q8
H=()
1.088
23
v=0.743H
将各支渠的设计水深按照上述关系式进行计算，过水断面的部分高度的尺寸结果见下表（表6—2）.
流速满足不冲不淤流速，因此各支渠渠道过水断面的部分的尺寸为：圆心角为77°，半径与过水断面高度相同。
表6—2各支渠对应的设计水深及对应的流速
渠道过水断面以上部分设计。渠道过水断面以上部分的有关尺寸按照如下规定设计：
（1）安全超高。一般石渠的安全超高可比相同条件下土渠超高值稍小，但是不宜小于0.3m，本设计中将安全超高值定为0.3m。
（2）堤顶宽度。
因为支渠的设计流量均小于2 m3/s，因此取渠道堤顶为0.5m。
（2）各支渠纵断面设计
纵断面设计要先确定不同桩号处的设计水位高程，再根据设计水位高程确定渠底高程、堤顶高程、最小水位。
确定不同桩号处的设计水位高程。按照水位公式，结合前边推求的结果，不同支渠纵断面设计水位见下表：
表6—3不同支渠桩号处的水位高程
说明：表中不同支渠桩号按照每条支渠中斗渠从北到南的顺序依次进行编号，水位高程单位为m。
按照设计水位高程确定渠底高程、堤顶高程、最小水位。结合前边设计的不同支渠的水深、渠道过水断面以上部分的有关尺寸和最小流量即可得出。
第二节各段干渠纵横断面设计 （1）各段干渠横断面设计
渠道过水断面的设计。按照与上边支渠的相同算法，可以求得各段干渠对应的设计水深和对应的流速为：
表6—4相邻支渠段的干渠对应的设计水深及对应的流速
根据不淤流速经验公式，确定不淤流速系数，可以求得各支渠的不淤流速见下表：
表6—5各支渠段的不淤流速
同时为了防止渠道长草，影响输水能力，对渠道的最小流速仍有一定的限制，通常要求大型渠道的平均流速不小于0.5 m/s。流速满足不冲不淤流速，因此各支渠渠道过水断面的部分的尺寸为：圆心角为68°，半径与过水断面高度相同。
渠道过水断面以上部分设计。渠道过水断面以上部分的有关尺寸按照如下规定设计：
（1）安全超高。一般石渠的安全超高可比相同条件下土渠超高值稍小，但是不宜小于0.3m，本设计中将安全超高值定为0.3m。
（2）堤顶宽度。按照下表确定堤顶宽度。
表6—6防渗渠道的堤顶宽度
根据渠道的设计流量不同，可得相邻支渠段的干渠的堤顶宽度见下表： 表6—7各段干渠的堤顶宽度
（2）各段干渠纵断面设计
按照与前边支渠纵断面设计相同的方法，确定不同桩号处的设计水位高程。各段支渠渠纵断面设计水位见下表：
表6—8 各段干渠纵断面设计水位
按照设计水位高程确定渠底高程、堤顶高程、最小水位。结合前边设计的不同干渠段的水深、渠道过水断面以上部分的有关尺寸和最小水位（见下表）即可得出。
表6—9 各段干渠纵断面最小水位
因此干渠的纵断面设计各要素如下表所示： 表6—10 各段干渠纵断面设计要素
第七章确定排涝模数
按照规范对排涝模数计算的规定：
平原区水田设计排涝模数计算公式：
P-h1-ET'-Fqw=
86.4T
式中：qw为水田设计排涝模数[m3/(s·km2)]；P为历时为T的设计暴雨量（mm），本设计中采用3d暴雨，2d排完，设计暴雨量为220mm；h1为水田滞蓄水深（mm），本设计中其值定为10mm；ET′为历时为T的水田蒸发量（mm），本设计中定为6mm；F为历时为T的水田渗漏量（mm），本设计中定为6mm。求得
qw=
220-10-6-6
=0.011
86.4⨯200
因此水田设计排涝模数为0.011[m3/(s·km2)]。
第八章推算推算干支沟设计排涝流量
第一节计算各支沟的设计排涝流量
与上述推求支渠的设计流量相同，根据不同支沟控制范围内的灌区面积，将12支沟选为典型支沟。推求其及其所属斗、农沟的设计排涝流量。
计算农沟的设计排涝流量。典型支沟的田间净排涝量为：
支田净支d
本设计中斗沟分为2组轮排，同时工作的斗沟有4条；而农沟分为5个轮排组，同时工作的农沟有5条，所以农沟的田间净排涝量为：
Q支田净0.203
Q农田净===0.008（m3/s）
nk5⨯5
取田间水利用系数
ηf=0.95，则农沟的净流量为：
Q农田净
Q农净=
ηf
=
0.008
=0.008（m3/s）0.95
灌区土壤属中壤土，从下表可查出相应的土壤透水性参数，A=1.9，m=0.4。据此可以计算农沟每千米排水损失系数：
σ农=A/Qm=1.9/0.0080.4=13.107
农净
农沟的毛流量或设计排涝流量为：
Q农毛=Q农净(1+σ农l农/100)=0.008⨯(1+8.310⨯0.51/100)=0.008(m2/s)
计算斗沟的设计排涝流量。因为一条斗沟内同时工作的农沟数有5条，所以斗沟的净流量等于5条农沟的毛流量之和：
Q斗净=5⨯Q农毛=5⨯0.008=0.040（m3/s）
农沟分为5组轮灌，各组要求斗沟供给的净流量相等。但是第5轮灌组的距斗沟进水口较远，输水损失水量较多，据此求得的斗沟毛流量较大，因此以第5轮灌灌水时需要的斗沟毛流量作为斗沟的设计排涝流量。斗沟的平均工作长度为l斗=2.88km。
斗沟每千米的输水损失系数为：
σ斗=A/Qm=1.9/0.0400.4=6.885
斗净
斗沟的毛流量或设计排涝流量为：
Q斗毛=Q斗净(1+σ斗l斗/100)=0.040⨯(1+4.297⨯2.88/100)=0.045(m3/s)
计算12支沟的设计排涝流量。斗沟分两组轮灌，以第2轮灌组要求的支沟毛流量作为支沟的设计排涝流量。支沟的平均工作长度l支=6.56km。
支沟的净流量为：
支净斗毛
支沟每千米输水损失系数为：
σ支=A/Qm=1.9/0.1800.4=3.773
支净
支沟的毛流量为：
Q支毛=Q支净（1+σ支l支/100）=0.180⨯（1+2.356⨯6.56/100）=0.208（m3/s）
计算支沟的排涝效率系数。
η支水=Q支田净/Q支毛=0.203/0.208=0.97
计算其它支沟的设计排涝流量。首先计算其它支沟的田间净排涝量：
Q1支田净=5.3094⨯0.011=0.058(m3/s)Q2支田净=19.0441⨯0.011=0.209(m3/s)Q3支田净=25.3332⨯0.011=0.279(m3/s)Q4支田净=23.6866⨯0.011=0.260(m3/s)Q5支田净=27.6644⨯0.011=0.304(m3/s)Q6支田净=20.7067⨯0.011=0.228(m3/s)Q7支田净=21.4566⨯0.011=0.236(m3/s)Q8支田净=18.9413⨯0.011=0.208(m3/s)Q9支田净=20.8846⨯0.011=0.230(m3/s)Q10支田净=19.2975⨯0.011=0.212(m3/s)Q11支田净=20.5033⨯0.011=0.226(m3/s)Q13支田净=17.5030⨯0.011=0.193(m3/s)Q14支田净=8.5158⨯0.011=0.094(m3/s)
计算其它支沟的设计排涝流量：以典型支沟的灌溉水利用系数作为扩大指标，用来计算其它支沟的设计排涝流量。
Q1支毛=Q1支净/η支水=0.058/0.97=0.060(m3/s)Q2支毛=Q1支净/η支水=0.209/0.97=0.215(m3/s)Q3支毛=Q1支净/η支水=0.279/0.97=0.288(m3/s)Q4支毛=Q1支净/η支水=0.260/0.97=0.268(m3/s)Q5支毛=Q1支净/η支水=0.304/0.97=0.313(m3/s)Q6支毛=Q1支净/η支水=0.228/0.97=0.235(m3/s)Q7支毛=Q1支净/η支水=0.236/0.97=0.243(m3/s)Q8支毛=Q1支净/η支水=0.208/0.97=0.214(m3/s)Q9支毛=Q1支净/η支水=0.230/0.97=0.237(m3/s)Q10支毛=Q1支净/η支水=0.212/0.97=0.219(m3/s)Q11支毛=Q1支净/η支水=0.226/0.97=0.233(m3/s)Q13支毛=Q1支净/η支水=0.193/0.97=0.199(m3/s)Q14支毛=Q1支净/η支水=0.094/0.97=0.097(m3/s)
根据计算可以得到各支沟的设计排涝流量见下表： 表8—1 各支沟的设计排涝流量
第二节计算各干沟段的设计排涝流量
干沟的渠道工作制度为续灌。根据设计图可以得出不同支沟之间渠道的长度，
见下表：
表8—2 不同支渠之间的干渠长度
计算各段干沟的设计排涝流量：13~14段的设计排涝流量：
Q13~14净=Q14支毛=0.097(m3/s)
σ13~14=1.9/0.0970.4=4.831
Q13~14毛=Q13~14净(1+σ13~14l13~14/100)=0.097⨯(1+4.831⨯3.467/100)=0.113(m3/s)
12~13段的设计排涝流量：
Q12~13净=Q13~14毛+Q13毛=0.113+0.208=0.321(m3/s)
σ12~13=1.9/0.3210.4=2.993
Q12~13毛=Q12~13净(1+σ12~13l12~13/100)=0.321⨯(1+2.993⨯3.467/100)=0.354(m3/s)
按照相同的方式，所求相邻支沟段的干沟设计排涝流量见下表： 表8—3 相邻支沟段的干沟设计排涝流量
η水=qd a/Q0=0.011⨯267/3.964=0.741
因此排水的效率为0.741。
第九章设计露天蔬菜生产基地喷灌系统
设计露天蔬菜生产基地喷灌系统，本设计中，设计为固定式喷灌系统。取水稻区的格田规格为：长度为120m，宽度为40m。
按照喷头的选用标准，适合大田，采用中压喷头，其射程为15.5~40m，本设计中射程设计为40m。灌区的平均风速为25m/s，按照规范选取喷头的组合间距40m：
为了保证喷灌质量，避免田面出现积水和产生径流，设计喷灌强度应该小于或等于土壤的入渗速度。本设计中灌区内土壤属于中壤土，其允许喷灌强度为12mm/h。按照喷灌强度计算公式：
ρs=
1000qη
A有效
A有效=S1Sm
式中：s为无风情况下喷头的设计灌溉强度（mm/h）；q为喷头流量（m3/h），本设计中取值为中压喷头的最小流量2.5m3/h；R为喷头射程（m）；η为喷洒水
S的利用系数，一般取值为0.80~0.95，本设计取值为0.95；1为支管上的喷头间
S距（m）；m为支管间距（m），本设计支管的间距为40m。求得
1000⨯2.5⨯0.95ρs==0.148(mm/h)
40⨯40
因此满足要求。
喷头组合方式选用圆形喷洒正方形组合，靠近路边的一侧采用180°，田间内部采用全圆喷洒。
ρ
第一章总论
第一节灌区基本资料
已知：杨家庄灌区为一新建灌区，面积约40万亩，位于我国北方半干旱、半湿润地区。比利河从灌区北侧流过，河水充沛，河道宽度在5-10m之间。整个灌区处于平原地带，地势从东北向西南倾斜，但整体高差不大。经测定，灌区内土壤属于中壤土。灌区渠首位置已选定。该灌区以水稻为主要作物，泡田从5月6日开始到5月25日结束，共20天。五月份土壤解冻层 H=0.5m；孔系率 n=44.2%，渗透强度k=0；土壤含水量θ=27%；干容重γ干 =1.51；湿容重γ湿 =1.91；泡田天数t=20d；淹没水层深h=6cm。
生育期基本资料表
另有项目区气象资料以及灌区平面图各一方。
第二节设计任务
（1）水稻灌溉制度设计；
（2）确定灌水率：绘制初步灌水率图，修正后的灌水率图，并确定设计灌水率；
（3）灌排系统规划布置：主要包括灌排渠系规划布置，排水承泻区的选择，渠系建筑物布置；
（4）渠道水位推算：推算支渠分水口水位以及干渠水位；
（5）渠道流量推算：计算各支渠及干渠设计流量，最小流量以及最大流量； （6）灌溉渠道纵横断面设计：干渠以及各支渠的纵横断面设计； （7）确定排涝模数
（8）推算干支沟设计排涝流量
（9）在灌区内任选一个区域作为露天蔬菜生产基地，设计其喷灌系统。
第三节设计要求
（1）设计说明书一份，30-40页。要求：说明设计的步骤，依据的理论，采用的公式，必要时将计算成果列入表格；
（2）设计图包括：灌区灌水率图，灌排系统规划布置图，干渠纵横断面图，喷灌系统平面布置图。
第二章水稻灌溉制度设计
思路：用水量平衡法原理分析制定灌溉制度
第一步：了解水量平衡法的原理 第二步：求出水量平衡法中各要素的值 第三步：确定水稻的灌溉制度 具体分析如下：
作物灌溉制度是制定流域规划，灌区水利规划及灌排工程规划、设计、管理和农田灌排实施的基本依据，在农业生产实践中占有重要地位。因此，制订合理可行的灌溉制度是十分必要的。依据《灌溉与排水工程设计规范》GB50288-99，作物灌溉制度应经观测试验、灌溉经验及灌区水量平衡分析计算相互检验确定。
（1）了解水量平衡法的原理
水量平衡法是以作物各生育期内水层变化（水田）或作物主要根系层内土壤水分变化（旱田）为依据，要求在作物个生育期内水层变化（水田）或计划湿润层内的土壤含水量维持在作物适宜水层深度或土壤含水量的上限和下线之间，降至下限时则应进行灌水，以保作物充分供水。
在制定水稻灌溉制度时，应注意：a.水稻不同生育期阶段需在田面维持一定深度的水层，根系层土壤多数时间处于饱和状态，应考虑稻田的深层渗漏问题（排水）;b.确定水稻灌溉制度时，应以淹灌水层深度的变化为依据；c.我国水稻栽培主要采用育苗秧移栽方式，因此水稻灌溉制度可分为泡田期和生育期两个阶段进行分析。泡田期数据已知，故只需计算生育期内的灌溉制度。
（2）求解水量平衡法求解水稻灌溉制度
1）泡田定额的计算。泡田定额是指水稻在插秧前，必须首先对田块进行灌水，使田块的土壤在一定深度的土层达到饱和并在田面建立水层的水量。泡田定额可用下式确定：
M1=α1+S1+e1t1−P1
式中：M1为泡田期灌溉用水量（mm）； α1为插秧时田面所需的水层深度（mm）；
S1为泡田期的渗漏量，即开始泡田到插秧期间的总渗漏量（mm）； t1泡田期的日数；
e1为t1时段内水田的田面平均蒸发强度（mm/d）；可用水面蒸发强度代替；P1为在t1时段内的降雨量（mm）。
2）水稻生育期的灌溉制度的确定。
在水稻生育期中的任何一个阶段(t)内，农田水层的变化，可以用以下水量平衡方程表示：
h2=h1+P+m−E−C
式中：h1为时段初田面水层深度（mm）； h2时段末田面水层深度（mm）； P为时段内降雨量（mm）； m为时段内的灌水定额（mm）； E为时段内水田的田间耗水量（mm）； C为时段内的排水量（mm）。
如果时段初的农田水分处于适宜水层上限(hmax)，经过一个时段的消耗，田面水层降到适宜水层的下限(hmin)，这时如果没有降雨，则需进行灌溉，灌水定额即为
m=hmax−hmin
任意时段农田水分变化图解：
1、在时段初A点，水田应按①线耗水，至B点田面水层降至适宜水层下限，即需要灌水，灌水定额为m ;
2、如果时段内有降雨P，则在降雨后，田面水层回升降雨深P，再按②线耗水至C点时进行灌溉；
3、如降雨P ’很大，田间水面超过最大蓄水深度Hp，多余水需要排除，排水量为c，然后按③线耗水至D点时进行灌溉。
根据上述原理可知，当确定了各生育阶段的适宜水层hmax、hmin、Hp以及阶段需水强度ei，，可用图解法推求水稻灌溉制度。
表1
灌溉保证率的计算
根据频率分析，按照《灌溉与排水工程设计规范》（GB 50288—99），灌溉制度的确定应该遵循以下原则：
（1）对于万亩（666.7hm2）以上灌区，应采用历年法确定历年各种主要作物的灌溉制度。根据灌溉定额的频率分析，选出2～3个符合设计保证率的年份。以其中灌水分配过程最不利的一年为设计典型年，以该年的灌溉制度作为设计灌溉制度。历时年系列不宜少于30年。灌区的降水、土壤、水文地质条件有较大差异时应分区确定灌溉制度。
（2）对于万亩及以下灌区，确定灌溉设计保证率时，可根据降水的频率分析选出2～3个符合设计保证率的年份，拟定其灌溉制度。以其中灌水分配最不利的一年为典型年，以该年的灌溉制度作为设计灌溉制度。
我们设计灌区面积为40万亩，因此，我们采用历年法确定灌溉制度。
一降水频率确定设计典型年时，目前采用3中处理方法。
①按年降雨量选择灌溉用水设计典型年；②按主要作物生长期的降水量选择灌溉用水设计典型年。统计历年主要作物生长期的降水量，进行频率计算，选择降水量频率与设计灌溉保证率相同或相近、雨量分配不利的年份作为设计典型年。我们灌区以水稻为主要作物，因此采用此方法。
按降雨量年内分配情况选择灌溉用水设计典型年。 根据频率分析，采用1952年作为设计典型年。
（3）作物需水量的计算
用水量平衡法确定灌溉制度必须首先确定作物需水量，其数值可直接取用当地或自然地理条件类似的邻近地区灌溉试验站的观测成果，或从已鉴定过的作物需水量等值线图中选定，若上述观测结果或作物需水量等值线图不能满足使用要求时，宜采用彭曼法计算确定。
此概念是由英国气象学家彭曼1946年提出来的。它不受土壤含水量和作物种类的影响，可以分为以下两步。
第一步：考虑气象因素对作物需水量的影响，用理论的、经验的或半经验的方法先算出作物需水量；
第二步：考虑土壤水分及作物条件的影响，对参考作物需水量进行调整或修正，计算出实际作物需水量。
用彭曼法计算作物需水量，必须首先算出参照作物需水量（亦称参照需水量），参照作物需水量指土壤水分充足地面完全覆盖生长正常高矮整齐的开阔（有200m 以上的长度及宽度）矮草地（草高 8~15cm）的需水量，它是各种气象条件影响作物需水量的综合指标。取得参照需水量数据后按下面公式计算作物需水量。
ET=Kω∙Kc∙ET0
式中：ET—阶段日平均需水量（mm/d）； ET0—阶段日平均参照需水量（mm/d）； Kω—土壤水分修正系数； Kc—综合作物系数。
式中：ET0—阶段日平均参照需水量（mm/d）； Δ—温度-饱和水汽压关系曲线在T处的斜率 Rn—输入冠层净辐射量 (MJ/(m^2·d)) G—土壤热通量 (MJ/(m^2·d)) γ—湿度表常数（KPa/℃） T—平均气温（℃）； u2—2m高出风速（m/s） ℯs—饱和水汽压（KPa） ℯa—实际水汽压（KPa）
要将参考作物需水量换算成为实际作物需水量，还应当充分考虑作物的生物学特性及田间水分状况的影响。当土壤含水率大于或等于临界含水率（毛管断裂含水率）时，Kω=1，Kc可由当地或邻近灌溉试验站取得，或从作物需水量等
值线图中查得，联合国粮农组织（FAO）给出水稻在开始移栽前一个月的作物系数值为 1. 10～ 1. 15，作物生长期( 第二个月) 为 1. 10 ～ 1. 50，营养期-生殖期( 第三个月) 为 1. 10 ～ 1. 13，产量形成期( 最后一个月) 为 : 0. 95～ 1. 05，根据《北方稻田蒸散需水分析及其作物系数确定》一文中提供的数据进行修正。为提高灌溉精度，修正后的作物系数采用表2数据：
表2修正后的北方作物系数
表3参考作物需水量计算结果表
说明：此参考作物需水量依据《中国地面国际交换站气候资料日值数据集》
提供的气象资料计算得来，其中资料没有给出的数据根据实际情况估计的值有：海拔高度：设计该灌区是取50m；风标高度取8m；地理纬度去49.00N。
（4）灌区水稻灌溉制度的确定
1）泡田定额的计算。泡田定额是指水稻在插秧前，必须首先对田块进行灌水，使田块的土壤在一定深度的土层达到饱和并在田面建立水层的水量。泡田定额可用下式确定：
M1=α1+S1+e1t1−P1
已知泡田日期为5月6日——5月26日，为期20天。此时不需要作物需水量直接采用气象资料中的大型蒸发量代替蒸发强度。
2）水稻生育期的灌溉制度的确定。在水稻生育期中的任何一个阶段(t)内，农田水层的变化，可以用以下水量平衡方程表示：
h2=h1+P+m−E−C
已知生育其从5月26日——9月5日为期103天。生育期内结合彭曼——蒙蒂斯公式求出的作物需水量确定灌溉制度。列表计算如下：
表4 泡田定额的计算
表5 水稻生育期的灌溉制度的确定
（5）确定灌水率
绘制初步灌水率图，修正后的灌水率图，并确定设计灌水率。
在灌区的规划设计中，灌水率是指灌区单位面积上所需灌溉的净流量，又称灌水模数，它是根据灌溉制度确定的。将所得的灌水率绘在方格纸上，称为灌水率图。设计灌水率是确定灌区渠首引水流量和灌溉渠道设计流量的主要依据，它的大小直接影响到灌溉系统的工程规模以及水资源利用充分与否，因此，在现代
灌区规划设计中受到格外的关注。
利用下边的公式进行计算：
αi⨯mi,k
qi,k=
864Ti,k
式中：qi,k为第i种作物第k次灌水的灌水率[m3/(s·100hm2]；ai为第i种作物的种植比例，本设计中只有水稻一种作物，其值为1；mi,k为第i种作物第k次灌水的灌水定额（m3/hm2）；Ti,k为第i种作物第k次灌水延续时间（d），在泡田期内按照规范对灌水延续时间的规定取值为5d，在生育期内为及时满足作物对水分的要求灌水延续时间定为1.5d。所求结果见表6。
按照上述求解得到的灌水率（数据见表6），初步绘制灌水率图如下：
图1 灌区初步灌水率图
（6）灌水率图修正
按照规范对灌水率进行修正，得到数值见下表 表6灌水率及修正灌水率
按照上述原则对灌水率图进行修正，得到的修正后的灌水率图如下：
图2 修正后的灌水率图
（7）确定设计灌水率
规范要求以累积30d以上的最大灌水率为设计灌水率，可得设计灌水率为0.033[m3/(s·100hm2)]。
第三章灌排系统规划布置
灌溉渠道通常分为干渠、支渠、斗渠、农渠4级固定渠道。排水沟道通常包括干、支、斗、农4级固定沟道。
（1）斗农渠的规划
本设计中，采用斗渠的长度为3km，控制面积为300hm2。根据提供地形的特点，在地面向一侧倾斜的地区，渠道只能向一侧灌水，排水沟也只能接纳一边径流，灌排渠道和排水沟道只能并行，采用灌排相邻布置。
（2）田间渠系布置
根据提供地形的特点，整体高差不大，所以采用横向布置。
（3）灌水沟畦与格田规格
水稻区的格田规格，长度宜取60~120m，宽度宜取20~40m。本设计中，取
格田长度为120m，宽度为40m。
农村道路的规划。根据标准，本设计中干道路面宽为8m，支道路面宽为5m，田间道为4m。
第四章渠道水位推算
为满足自流灌溉的要求，各级渠道入水口处都应具有足够的水位。水位计算公式如下：
H进=A0+∆h+∑Li+∑φ
式中：
H进为渠道进水口处的设计水位（m）A；0为渠道灌溉范围内控制点
的地面高程（m），控制点是指较难灌到水的地面；∆h为控制点地面与附近末级固定渠道设计水位的高差，一般取值为0.1~0.2m；L为渠道的长度（m）；i为渠道的比降；φ为水流通过渠系建筑物的水头损失（m）。
第一节 推算支渠分水口的水位
对14条支渠按照整个灌区从左到右的顺序进行编号，分别对应的支渠长度
A∆h取值为0.1m；和支渠控制面积如下表所示：按照水位计算公式，0取值见下表；
L为渠道的长度见下表；i为1/5000；φ为0.05m，将数据带入公式：
H进=A0+∆h+∑Li+∑φ
求得
H进见下表。
第二节 推算干渠的水位
按照水位计算公式，A0为503m；∆h取值为0.2m；L为渠道的长度4058.41m；
i为1/5000；ϕ为0.1m， ϕ为1.4m，将数据带入H进=A0+∆h+
∑Li+∑φ，求
得
H进为：
H进=503+0.2+4058.41⨯1/5000+1.4=505.41
因此干渠水位为505.41m。
第五章渠道流量推算
渠道流量的推算首先要确定渠道的工作制度。渠道的工作制度分为续灌和轮灌。为了避免因水量过分集中而造成生产安排的困难，一般较大的灌区，干、支渠多采用续灌。因此本设计中干、支渠采用续灌续灌，斗、农渠采用轮灌。
第一节计算各支渠的设计流量，最小流量及最大流量
支渠以下轮灌渠道设计流量的推算。本设计中采用的方法是：根据轮灌组划分情况自上而下逐级分配末级续灌渠道的田间净流量，再自下而上逐级计算输水损失水量，推算各级渠道的设计流量。
设同时工作的斗渠为n条，每条斗渠同时工作的农渠数为k条。计算支渠的设计田间净流量。
Q支田净=A支qd
AQ
式中：支田净为支渠的田间净流量（m3/s）；支为支渠的灌溉面积（100hm2）；
qd为设计灌水模数[m3/(s·100hm2]。
由支渠分配到每条农渠的田间净流量：
Q农田净=
式中：
Q农田净
Q支田净
nk
为农渠的田间净流量（m3/s）。
计算农渠的净流量。先由农渠的田间净流量计入田间损失水量，求得田间毛流量，即农渠的净流量。
Q农净=
Q农田净
ηf
式中：符号意义同前。
推算各级渠道的设计流量（毛流量）。用经验公式估算输水损失。根据渠道净流量、渠床土质和渠道用下式计算。
Qg=Qn(1+σL/100)
式中：
Qg
为渠道的毛流量（m3/s）；
Qn为渠道的净流量（m3/s）
；σ为每千
米渠道损失水量与净流量比值；L为最下游一个轮灌组灌水时渠道的平均工作长度（km）。计算农渠毛流量时，可取农渠长度的一半进行估算。
根据支渠毛流量及支渠田间净流量，可以求出支渠的渠系水利用系数为：
η支水=Q支田净/Q支毛
在大中型灌区，支渠的数量较多，为了简化计算，通常选择一条有代表性的典型支渠按照上述方法推算支、斗、农渠的设计流量，计算支渠范围内的灌溉水利用系数
η支水
，以此作为扩大指标，用下式计算其余支渠的设计流量。
Q支=qdA支/η支水
同样以典型支渠范围内各级渠道水利用系数作为扩大指标，可以计算出其他支渠控制范围内的斗、支渠的设计流量。
（1） 计算各支渠的设计流量
根据不同支渠控制范围内的灌区面积，将12支渠选为典型支渠。推求其及其所属斗、农渠的设计流量。
计算农渠的设计流量。典型支渠的田间净流量为：
Q支田净=A支qd=18.4466⨯0.033=0.609（m3/s）
本设计中斗渠分为2组轮灌，同时工作的斗渠有4条；而农渠分为5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=
取田间水利用系数
Q支田净0.609
==0.024（m3/s）nk5⨯5
ηf=0.95，则农渠的净流量为：
Q农田净
Q农净=
ηf
=
0.024
=0.025（m3/s）0.95
灌区土壤属中壤土，从下表可查出相应的土壤透水性参数，A=1.9，m=0.4。据此可以计算农渠每千米输水损失系数：
σ农=A/Qm=1.9/0.0250.4=8.310
农净
农渠的毛流量或设计流量为：
Q农毛=Q农净(1+σ农l农/100)=0.025⨯(1+8.310⨯0.51/100)=0.026(m2/s)
计算斗渠的设计流量。因为一条斗渠内同时工作的农渠数有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⨯0.026=0.130（m3/s）
农渠分为5组轮灌，各组要求斗渠供给的净流量相等。但是第5轮灌组的距斗渠进水口较远，输水损失水量较多，据此求得的斗渠毛流量较大，因此以第5轮灌灌水时需要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l斗=2.88km。
斗渠每千米的输水损失系数为：
σ斗=A/Qm=1.9/0.1300.4=4.297
斗净
斗渠的毛流量或设计流量为：
Q斗毛=Q斗净(1+σ斗l斗/100)=0.130⨯(1+4.297⨯2.88/100)=0.146(m3/s)
计算12支渠的设计流量。斗渠分两组轮灌，以第2轮灌组要求的支渠毛流量作为支渠的设计流量。支渠的平均工作长度l支=6.56km。
支渠的净流量为：
Q支净=4⨯Q斗毛=4⨯0.146=0.584（m3/s）
支渠每千米输水损失系数为：
σ支=A/Qm=1.9/0.5840.4=2.356
支净
支渠的毛流量为：
Q支毛=Q支净（1+σ支l支/100）=0.584⨯（1+2.356⨯6.56/100）=0.674（m3/s）
计算支渠的灌溉水利用系数。
η支水=Q支田净/Q支毛=0.609/0.674=0.90
计算其它支渠的设计流量。首先计算其它支渠的田间净流量：
Q1支田净=5.3094⨯0.033=0.175(m3/s)Q2支田净=19.0441⨯0.033=0.628(m3/s)Q3支田净=25.3332⨯0.033=0.836(m3/s)Q4支田净=23.6866⨯0.033=0.782(m3/s)Q5支田净=27.6644⨯0.033=0.913(m3/s)Q6支田净=20.7067⨯0.033=0.683(m3/s)Q7支田净=21.4566⨯0.033=0.708(m3/s)Q8支田净=18.9413⨯0.033=0.625(m3/s)Q9支田净=20.8846⨯0.033=0.689(m3/s)Q10支田净=19.2975⨯0.033=0.637(m3/s)Q11支田净=20.5033⨯0.033=0.677(m3/s)Q13支田净=17.5030⨯0.033=0.578(m3/s)Q14支田净=8.5158⨯0.033=0.281(m3/s)
计算其它支渠的设计流量：以典型支渠的灌溉水利用系数作为扩大指标，用来计算其它支渠的设计流量。
Q1支毛=Q1支净/η支水=0.175/0.90=0.194(m3/s)Q2支毛=Q1支净/η支水=0.628/0.90=0.698(m3/s)Q3支毛=Q1支净/η支水=0.836/0.90=0.929(m3/s)Q4支毛=Q1支净/η支水=0.782/0.90=0.869(m3/s)Q5支毛=Q1支净/η支水=0.913/0.90=1.014(m3/s)Q6支毛=Q1支净/η支水=0.683/0.90=0.759(m3/s)Q7支毛=Q1支净/η支水=0.708/0.90=0.787(m3/s)Q8支毛=Q1支净/η支水=0.625/0.90=0.694(m3/s)Q9支毛=Q1支净/η支水=0.689/0.90=0.766(m3/s)Q10支毛=Q1支净/η支水=0.637/0.90=0.708(m3/s)Q11支毛=Q1支净/η支水=0.677/0.90=0.752(m3/s)Q13支毛=Q1支净/η支水=0.578/0.90=0.642(m3/s)Q14支毛=Q1支净/η支水=0.281/0.90=0.312(m3/s)
根据计算可以得到各支渠的设计流量见下表：
（2）计算各支渠的最小流量
对于同一条渠道，设计流量和最小流量不易相差太大，因此在本设计中采用设计流量的70%作为最小流量。所以，不同干渠段的最小流量见下表：
表5—2各支渠的最小流量
（3）计算各支渠的最大流量
渠道的加大流量的计算是以设计流量为基础，给设计流量乘以加大系数即得：
Qj JQd
式中：
为渠道加大流量（m3/s）；J为渠道流量加大系数，支渠的设计流
Q量均小于1 m3/s，因此取值为1.35；d为渠道设计流量（m3/s）。
按照上述公式进行计算可以求得各支渠的最大流量见下表：
Qj
第二节计算各干渠段的设计流量，最小流量及最大流量
干渠的渠道工作制度为续灌。根据设计图可以得出不同支渠之间渠道的长度，见下表：
表5—4不同支渠之间的干渠长度
（1）计算各段干渠的设计流量
1~2段的设计流量：
Q1~2净=Q1支毛=0.194(m3/s)
σ1~2=1.9/0.1940.4=3.661
Q1~2毛=Q1~2净(1+σ1~2l1~2/100)=0.194⨯(1+3.661⨯3.501/100)=0.219(m3/s)
2~3段的设计流量：
Q2~3净=Q1~2毛+Q2毛=0.219+0.698=0.917(m3/s)
σ2~3=1.9/0.9170.4=1.967
Q2~3毛=Q2~3净(1+σ2~3l2~3/100)=0.917⨯(1+1.967⨯3.357/100)=0.977(m3/s)
按照相同的方式，所求相邻支渠段的干渠设计流量见下表：
表5—5 相邻支渠段的干渠设计流量
η水=qd a/Q0=0.033⨯267/11.947=0.737
因此水的利用系数为0.737。
（2）计算各段干渠段的最小流量
对于同一条渠道，设计流量和最小流量不易相差太大，因此在本设计中采用设计流量的70%作为最小流量。所以，不同干渠段的最小流量见下表：
表5—6不同干渠段的最小流量
（3）计算各段干渠段的加大流量
表5—7 不同干渠段的加大流量
按照与支渠相同的计算方法，计算干渠的加大流量，加大系数都取区间最大值。求得的加大流量见上表。
第六章灌溉渠道纵横断面设计
横断面的设计采用明渠均匀流公式计算：
Q=式中：Q为渠道设计流量（m3/s）；A为渠道过水断面面积（m2）；R为水力半径（m）；1/5000；C为谢才系数，一般采用曼1i为渠底比降，本设计中取值为1/6
C=R
n宁公式进行计算，其中n为渠床糙率，本设计中，护面渠槽设计为混凝土抹光的水泥砂浆面，取值为0.012。
设计出截面时，还要考虑不冲不淤流速，确定方法如下：
渠道的不冲不淤流速确定。在稳定渠道中，允许的最大平均流速为临界不冲
V流速，简称为不冲流速，用cd表示；允许的最小平均流速为临界不淤流速，简
V称不淤流速，用cs表示维持渠床稳定，渠道通过设计流量时的平均流速（设计
V流速）d应满足一下条件：
Vcd
在本设计中采用护面渠道，护面类型为混凝土现场浇筑，允许的不冲流速为小于8.0m/s。
在缺乏实际研究成果是可选用不淤流速经验公式：
Vcd=C0Q0.5
式中：
Vcd为渠道不淤流速（m/s）C；0为不淤流速系数；Q为渠道的设计流
量（m3/s）。
同时为了防止渠道长草，影响输水能力，对渠道的最小流速仍有一定的限制，通常要求大型渠道的平均流速不小于0.5 m/s，小型渠道的平均流速不小于0.3~0.4m/s。
第一节各支渠纵横断面设计 （1）各支渠横断面设计
根据不淤流速经验公式，确定不淤流速系数为0.4，可以求得各支渠的不淤流速见下表：
表6—1各支渠的不淤流速
同时为了防止渠道长草，影响输水能力，对渠道的最小流速仍有一定的限制，通常要求小型渠道的平均流速不小于0.3~0.4m/s。
本设计中将支渠截面设计成U型截面。 U型断面尺寸的水力计算基本公式如下：
22
A=KH(m) A过水面积：
湿周：
χ=KxH(m)
θ
KA=(+2m-2m')Kr2+2(m'-m)Kr+m2系数：
Kx=2(+m-m')Kr+2m'2 rKr=
H
θ
m'式中：H为水深（m）；为圆心角（rad）；m为上部直线段的边坡系数；r为圆弧半径（m），A为过水面积（m2）。同时采用填方渠道断面结构。断面为填方
K断面时，r取值为1.0~0.8。本设计中取值为1.0。
内坡的边坡系数取值为1.25，外坡的边坡系数为1.00。
渠道过水断面的设计。按照U型断面尺寸的水力计算基本公式进行计算：
m=
1.25
m'=1.60
θ=
180︒-2arctan1.25
π
=0.430
KA=(+2m-2m')Kr2+2(m'-m)Kr+m=1.465
2 Kx=2(+m-m')Kr+2m'=2.932 rKr==1.0
H
θ
θ
结合明渠均匀流公式，可以求得下式：
3Q8
H=()
1.088
23
v=0.743H
将各支渠的设计水深按照上述关系式进行计算，过水断面的部分高度的尺寸结果见下表（表6—2）.
流速满足不冲不淤流速，因此各支渠渠道过水断面的部分的尺寸为：圆心角为77°，半径与过水断面高度相同。
表6—2各支渠对应的设计水深及对应的流速
渠道过水断面以上部分设计。渠道过水断面以上部分的有关尺寸按照如下规定设计：
（1）安全超高。一般石渠的安全超高可比相同条件下土渠超高值稍小，但是不宜小于0.3m，本设计中将安全超高值定为0.3m。
（2）堤顶宽度。
因为支渠的设计流量均小于2 m3/s，因此取渠道堤顶为0.5m。
（2）各支渠纵断面设计
纵断面设计要先确定不同桩号处的设计水位高程，再根据设计水位高程确定渠底高程、堤顶高程、最小水位。
确定不同桩号处的设计水位高程。按照水位公式，结合前边推求的结果，不同支渠纵断面设计水位见下表：
表6—3不同支渠桩号处的水位高程
说明：表中不同支渠桩号按照每条支渠中斗渠从北到南的顺序依次进行编号，水位高程单位为m。
按照设计水位高程确定渠底高程、堤顶高程、最小水位。结合前边设计的不同支渠的水深、渠道过水断面以上部分的有关尺寸和最小流量即可得出。
第二节各段干渠纵横断面设计 （1）各段干渠横断面设计
渠道过水断面的设计。按照与上边支渠的相同算法，可以求得各段干渠对应的设计水深和对应的流速为：
表6—4相邻支渠段的干渠对应的设计水深及对应的流速
根据不淤流速经验公式，确定不淤流速系数，可以求得各支渠的不淤流速见下表：
表6—5各支渠段的不淤流速
同时为了防止渠道长草，影响输水能力，对渠道的最小流速仍有一定的限制，通常要求大型渠道的平均流速不小于0.5 m/s。流速满足不冲不淤流速，因此各支渠渠道过水断面的部分的尺寸为：圆心角为68°，半径与过水断面高度相同。
渠道过水断面以上部分设计。渠道过水断面以上部分的有关尺寸按照如下规定设计：
（1）安全超高。一般石渠的安全超高可比相同条件下土渠超高值稍小，但是不宜小于0.3m，本设计中将安全超高值定为0.3m。
（2）堤顶宽度。按照下表确定堤顶宽度。
表6—6防渗渠道的堤顶宽度
根据渠道的设计流量不同，可得相邻支渠段的干渠的堤顶宽度见下表： 表6—7各段干渠的堤顶宽度
（2）各段干渠纵断面设计
按照与前边支渠纵断面设计相同的方法，确定不同桩号处的设计水位高程。各段支渠渠纵断面设计水位见下表：
表6—8 各段干渠纵断面设计水位
按照设计水位高程确定渠底高程、堤顶高程、最小水位。结合前边设计的不同干渠段的水深、渠道过水断面以上部分的有关尺寸和最小水位（见下表）即可得出。
表6—9 各段干渠纵断面最小水位
因此干渠的纵断面设计各要素如下表所示： 表6—10 各段干渠纵断面设计要素
第七章确定排涝模数
按照规范对排涝模数计算的规定：
平原区水田设计排涝模数计算公式：
P-h1-ET'-Fqw=
86.4T
式中：qw为水田设计排涝模数[m3/(s·km2)]；P为历时为T的设计暴雨量（mm），本设计中采用3d暴雨，2d排完，设计暴雨量为220mm；h1为水田滞蓄水深（mm），本设计中其值定为10mm；ET′为历时为T的水田蒸发量（mm），本设计中定为6mm；F为历时为T的水田渗漏量（mm），本设计中定为6mm。求得
qw=
220-10-6-6
=0.011
86.4⨯200
因此水田设计排涝模数为0.011[m3/(s·km2)]。
第八章推算推算干支沟设计排涝流量
第一节计算各支沟的设计排涝流量
与上述推求支渠的设计流量相同，根据不同支沟控制范围内的灌区面积，将12支沟选为典型支沟。推求其及其所属斗、农沟的设计排涝流量。
计算农沟的设计排涝流量。典型支沟的田间净排涝量为：
支田净支d
本设计中斗沟分为2组轮排，同时工作的斗沟有4条；而农沟分为5个轮排组，同时工作的农沟有5条，所以农沟的田间净排涝量为：
Q支田净0.203
Q农田净===0.008（m3/s）
nk5⨯5
取田间水利用系数
ηf=0.95，则农沟的净流量为：
Q农田净
Q农净=
ηf
=
0.008
=0.008（m3/s）0.95
灌区土壤属中壤土，从下表可查出相应的土壤透水性参数，A=1.9，m=0.4。据此可以计算农沟每千米排水损失系数：
σ农=A/Qm=1.9/0.0080.4=13.107
农净
农沟的毛流量或设计排涝流量为：
Q农毛=Q农净(1+σ农l农/100)=0.008⨯(1+8.310⨯0.51/100)=0.008(m2/s)
计算斗沟的设计排涝流量。因为一条斗沟内同时工作的农沟数有5条，所以斗沟的净流量等于5条农沟的毛流量之和：
Q斗净=5⨯Q农毛=5⨯0.008=0.040（m3/s）
农沟分为5组轮灌，各组要求斗沟供给的净流量相等。但是第5轮灌组的距斗沟进水口较远，输水损失水量较多，据此求得的斗沟毛流量较大，因此以第5轮灌灌水时需要的斗沟毛流量作为斗沟的设计排涝流量。斗沟的平均工作长度为l斗=2.88km。
斗沟每千米的输水损失系数为：
σ斗=A/Qm=1.9/0.0400.4=6.885
斗净
斗沟的毛流量或设计排涝流量为：
Q斗毛=Q斗净(1+σ斗l斗/100)=0.040⨯(1+4.297⨯2.88/100)=0.045(m3/s)
计算12支沟的设计排涝流量。斗沟分两组轮灌，以第2轮灌组要求的支沟毛流量作为支沟的设计排涝流量。支沟的平均工作长度l支=6.56km。
支沟的净流量为：
支净斗毛
支沟每千米输水损失系数为：
σ支=A/Qm=1.9/0.1800.4=3.773
支净
支沟的毛流量为：
Q支毛=Q支净（1+σ支l支/100）=0.180⨯（1+2.356⨯6.56/100）=0.208（m3/s）
计算支沟的排涝效率系数。
η支水=Q支田净/Q支毛=0.203/0.208=0.97
计算其它支沟的设计排涝流量。首先计算其它支沟的田间净排涝量：
Q1支田净=5.3094⨯0.011=0.058(m3/s)Q2支田净=19.0441⨯0.011=0.209(m3/s)Q3支田净=25.3332⨯0.011=0.279(m3/s)Q4支田净=23.6866⨯0.011=0.260(m3/s)Q5支田净=27.6644⨯0.011=0.304(m3/s)Q6支田净=20.7067⨯0.011=0.228(m3/s)Q7支田净=21.4566⨯0.011=0.236(m3/s)Q8支田净=18.9413⨯0.011=0.208(m3/s)Q9支田净=20.8846⨯0.011=0.230(m3/s)Q10支田净=19.2975⨯0.011=0.212(m3/s)Q11支田净=20.5033⨯0.011=0.226(m3/s)Q13支田净=17.5030⨯0.011=0.193(m3/s)Q14支田净=8.5158⨯0.011=0.094(m3/s)
计算其它支沟的设计排涝流量：以典型支沟的灌溉水利用系数作为扩大指标，用来计算其它支沟的设计排涝流量。
Q1支毛=Q1支净/η支水=0.058/0.97=0.060(m3/s)Q2支毛=Q1支净/η支水=0.209/0.97=0.215(m3/s)Q3支毛=Q1支净/η支水=0.279/0.97=0.288(m3/s)Q4支毛=Q1支净/η支水=0.260/0.97=0.268(m3/s)Q5支毛=Q1支净/η支水=0.304/0.97=0.313(m3/s)Q6支毛=Q1支净/η支水=0.228/0.97=0.235(m3/s)Q7支毛=Q1支净/η支水=0.236/0.97=0.243(m3/s)Q8支毛=Q1支净/η支水=0.208/0.97=0.214(m3/s)Q9支毛=Q1支净/η支水=0.230/0.97=0.237(m3/s)Q10支毛=Q1支净/η支水=0.212/0.97=0.219(m3/s)Q11支毛=Q1支净/η支水=0.226/0.97=0.233(m3/s)Q13支毛=Q1支净/η支水=0.193/0.97=0.199(m3/s)Q14支毛=Q1支净/η支水=0.094/0.97=0.097(m3/s)
根据计算可以得到各支沟的设计排涝流量见下表： 表8—1 各支沟的设计排涝流量
第二节计算各干沟段的设计排涝流量
干沟的渠道工作制度为续灌。根据设计图可以得出不同支沟之间渠道的长度，
见下表：
表8—2 不同支渠之间的干渠长度
计算各段干沟的设计排涝流量：13~14段的设计排涝流量：
Q13~14净=Q14支毛=0.097(m3/s)
σ13~14=1.9/0.0970.4=4.831
Q13~14毛=Q13~14净(1+σ13~14l13~14/100)=0.097⨯(1+4.831⨯3.467/100)=0.113(m3/s)
12~13段的设计排涝流量：
Q12~13净=Q13~14毛+Q13毛=0.113+0.208=0.321(m3/s)
σ12~13=1.9/0.3210.4=2.993
Q12~13毛=Q12~13净(1+σ12~13l12~13/100)=0.321⨯(1+2.993⨯3.467/100)=0.354(m3/s)
按照相同的方式，所求相邻支沟段的干沟设计排涝流量见下表： 表8—3 相邻支沟段的干沟设计排涝流量
η水=qd a/Q0=0.011⨯267/3.964=0.741
因此排水的效率为0.741。
第九章设计露天蔬菜生产基地喷灌系统
设计露天蔬菜生产基地喷灌系统，本设计中，设计为固定式喷灌系统。取水稻区的格田规格为：长度为120m，宽度为40m。
按照喷头的选用标准，适合大田，采用中压喷头，其射程为15.5~40m，本设计中射程设计为40m。灌区的平均风速为25m/s，按照规范选取喷头的组合间距40m：
为了保证喷灌质量，避免田面出现积水和产生径流，设计喷灌强度应该小于或等于土壤的入渗速度。本设计中灌区内土壤属于中壤土，其允许喷灌强度为12mm/h。按照喷灌强度计算公式：
ρs=
1000qη
A有效
A有效=S1Sm
式中：s为无风情况下喷头的设计灌溉强度（mm/h）；q为喷头流量（m3/h），本设计中取值为中压喷头的最小流量2.5m3/h；R为喷头射程（m）；η为喷洒水
S的利用系数，一般取值为0.80~0.95，本设计取值为0.95；1为支管上的喷头间
S距（m）；m为支管间距（m），本设计支管的间距为40m。求得
1000⨯2.5⨯0.95ρs==0.148(mm/h)
40⨯40
因此满足要求。
喷头组合方式选用圆形喷洒正方形组合，靠近路边的一侧采用180°，田间内部采用全圆喷洒。
ρ