梅河水库灌区规划报告.docx
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梅河水库灌区规划报告
梅河水库灌区规划报告
第一部分灌区基本资料
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．灌区地貌及水文水资源概况
梅河水库灌区位于梅河以东，大桥河以西，大金河以南的黑屿岭北坡，地形南高北低，海拔500~600m，地面坡度1/250~1/1000，由于发源于黑屿岭北坡的七条大金河支流的切割作用，使该区从东到西，川原相间，起伏不平。
灌区土地面积约39.5万亩,土地利用系数0.74。
灌区内地表水资源由于受地形，时间和空间的限制，难以全部利用，只能通过可能的工程措施利用一小部分。
灌区作物种植情况与1961—2001年降雨资料见附表。
根据水文地质条件，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、沙砾石，厚3~30m,山前洪积扇潜水埋深20~30m，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值为6.5~8,适于灌溉与人畜用水。
整个灌区大部分在金辉县境内，其中有五个较大的集镇，人口为11万人。
2．灌区土壤地质概况
在洪积扇上，地表岩性为冲积、洪积的次生黄土和亚沙土。
土层厚度随地形而异，一般为5~15m,河滩地冲积土层厚度为1m以内，以下为砂石层。
沿山坡地带土壤为沙壤土，洪积扇中部土壤为中壤土，河谷川地土壤为重壤土，土壤物理性质见下表：
土壤性质
田间持水量（占土体%）
容重（g/cm3）
沙壤土
17~25
1.5~1.55
中壤土
23~32
1.37~1.49
重壤土
30~42
1.35~1.38
3.灌区水文气象概况
梅河王庄站实测多年平均流量9.09m3/s，最枯流量0.7m3/s，年平均含沙量35.2kg/m3。
大金河多年平均径流量为31.9亿m3,扣除上游魏家原15.7万亩的灌溉用水。
在灌溉季节，下游金辉县境内的河川地灌水也很困难，需从梅河水库供水。
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°C，最高为37°C，最低为零下17°C。
一般年份最大冻土深度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、棉花及油菜等作物，复种指数150%。
第二部分作物灌溉制度的确定
1.灌溉制度的定义
灌溉制度是指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，实现节约用水，所制定的适时适量的农田灌溉方案。
它包括作物播种前（或水稻插秧前）及全生育期内的灌水次数、每次灌水的灌水日期、灌水定额以及灌溉定额。
由当地具体条件出发，针对不同水文年份，可拟定湿润年（频率为25%）、一般年（频率为50%）和中等干旱年（频率为75%）及特旱年（频率为95%）四种类型的灌溉制度。
也就是说同一种作物在不同水文年有不同的灌溉制度。
一般在灌溉工程规划、设计中多采用中等干旱年的灌溉制度作为标准。
在此，选取中等干旱年（频率为75%）作为设计灌溉制度的标准。
2.水量平衡法确定作物的灌溉制度
（1）.基本原理农田水量平衡方程
其中，Wt为时段末的土壤计划湿润层内的储水量（mm或m3/hm2）
W0为时段初的土壤计划湿润层的储水量（mm或m3/hm2）
WT为由于计划湿润层增加而增加的水量[mm或（m3/hm2·d）]
P0为土壤计划湿润层内保存的有效降雨量（mm或m3/hm2）
K为时段t内的地下水补给量（mm或m3/hm2）
M为时段t内的灌溉水量（mm或m3/hm2）
ET为时段t内的作物需水量（mm或m3/hm2）
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（或储水量）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（或最小允许储水量Wmin）和不大于最大允许含水量（或最大允许储水量Wmax）。
当计划湿润层内的平均土壤含水量（或储水量）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,在此我们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ET0,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和土壤水分修正系数Kθ（充分供水条件下Kθ=1）来计算实际作物需水量。
首先，计算参考作物蒸发蒸腾量ET0，在此我们采用FAO推荐全球采用的彭曼-蒙蒂斯公式计算ET0.公式如下：
其中，ET0为参考作物蒸发蒸腾量（mm/d）；Rn为输入冠层净辐射量[MJ/（m2·d）]；G为土壤热通量[MJ/（m2·d）];T为2m高出日平均温度（℃）；μ2为2m高出风速（m/s）；es为饱和水汽压（kPa）；ea为实际水汽压（kPa）；△为饱和水汽压与温度关系曲线在某处的斜率（kPa/℃）；γ为干湿温度计常数（kPa/℃）。
公式中各系数的计算公式如下：
干湿温度计常数γ=0.00163
P为大气压（KPa），λ为水的蒸发潜热；
平均温度Tmean=
平均饱和水汽压e0（T）=0.6108exp（
）
es=
e0（T）为温度为T时的饱和水汽压（KPa）;T为空气温度（℃）；
饱和水汽压与温度曲线的斜率
实际水汽压ea=
RH为相对湿度；
净辐射通量Rn=Rns-Rnl
=4.930×10-9
土壤热通量
2m高处风速
Z为风速测定实际高，μZ为实测风速。
应用以上公式便可计算出参考作物蒸发蒸腾量ET0，计算如附表一。
第二步，计算实际作物蒸发蒸腾量Etc，计算公式为
k为作物系数，见表2.2.1：
表2.2.1灌区作物种植比例与作物系数
作物
生育期
种植面积百分比（%）
作物系数（月）
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
冬小麦
23/9～16/5
50
0.962
0.835
0.970
1.384
0.867
0.565
1.045
1.569
1.769
玉米
6/6～4/9
50
0.511
1.051
1.434
1.280
棉花
21/4～10/11
25
0.625
0.567
0.478
1.094
1.367
1.329
1.626
油菜
20/9～10/6
25
1.248
0.941
1.255
1.113
0.810
0.70
1.301
1.206
1.282
1.605
ETc值计算见表2.2.2：
表2.2.2ETc计算表
作物
冬小麦
玉米
棉花
油菜
年
月
月ET0
Kc
ETc
Kc
ETc
Kc
ETc
Kc
ETc
1994
1
37.42
0.962
36.00
1.248
46.70
2
42.51
0.835
35.50
0.941
40.00
3
60.43
0.97
58.61
1.255
75.84
4
85.82
1.384
118.78
0.625
53.64
1.113
95.52
5
160.03
0.867
138.75
0.567
90.74
0.81
129.63
6
128.40
0.565
72.54
0.511
65.61
0.478
61.37
0.7
89.88
7
150.30
1.051
157.96
1.094
164.42
8
161.61
1.434
231.76
1.367
220.93
9
105.12
1.28
134.55
1.329
139.70
1.301
136.76
10
69.48
1.045
72.61
1.626
112.98
1.206
83.80
11
35.51
1.569
55.72
1.282
45.53
12
27.55
1.769
48.73
1.605
44.21
（3）.计算有效降雨量P0
1）选择降水典型年
按照《灌溉与排水工程设计规范》（GB50288-99），对于万亩以上灌区，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。
按年降水的频率选择典型年。
本次设计保证率为75%，通过水文频率分析计算符合该设计保证率的年份有：
1972年（71.43%）、1973年（76.19%）和1994年（73.81%）。
其中各年的降水过程分配如图：
由图我们可以看出1994年的降水分布最不均匀，从而导致灌水分配过程最不利，故选择1994年为灌溉制度设计年。
2）.计算有效降水量P0
采用如下公式计算：
P0=σP
其中，σ为降水有效利用系数，当降雨量小于5mm时，σ=0；当P=5～50mm时，=1.0；当P>50mm时，σ=0.8～0.7。
P为t时段内的降雨量（mm）。
有效降雨P0计算表
年份
月份
月降雨（mm）
有效降水（mm）
有效降水分解（mm）
换算后（m3/hm2）
1994
1
1.10
0.00
0.00
0.00
2
9.50
9.50
3.17
31.67
3
11.40
11.40
3.80
38.00
4
80.10
64.08
21.36
213.60
5
1.70
0.00
0.00
0.00
6
48.30
48.30
16.10
161.00
7
50.60
40.48
13.49
134.93
8
11.70
11.70
3.90
39.00
9
36.70
36.70
12.23
122.33
10
119.70
95.76
31.92
319.20
11
64.60
51.68
17.23
172.27
12
9.70
9.70
3.23
32.33
说明：
当P>50mm时，σ取作0.8。
（4）.各作物各生育期ET、Wt、Wmin、Wmax的计算
如表2.4.1～2.4.4
表2.4.1：
冬小麦
播种至越冬
越冬至返青
返青至拔节
拔节至抽穗
抽穗至成熟
全生育期
起止日期
10.1-12.23
12.24-1.31
2.1-3.13
3.14-4.17
4.17-6.5
10.1-6.5
天数（d）
84
39
41
35
49
248
需水量（mm）
125.31
44.63
67.91
83.72
218.93
540.5
ET累计（mm）
169.94
237.85
321.57
540.5
土层厚（mm）
400
500
600
800
1000
土层厚度增加量（mm）
100
100
200
200
Wt（mm）
21
21
42
42
Wt累计（mm）
21
42
84
126
Wmin（mm）
72
90
108
144
180
Wmax（mm）
120
150
180
240
300
表2.4.2：
棉花
苗期
蕾期
铃期
吐絮期
全生育期
起止日期
4.21-6.4
6.5-6.30
7.1-8.22
8.23-10.31
4.21-10.31
天数（d）
45
26
53
70
194
需水量（mm）
205.68
111.28
264.97
221.33
803.26
ET累计（mm）
316.96
581.93
803.26
土层厚（mm）
400
600
800
800
土层厚度增加量（mm）
200
200
0
Wt（mm）
42
42
0
Wt累计（mm）
42
84
84
Wmin（mm）
72
108
144
144
Wmax（mm）
120
180
240
240
表2.4.3
玉米
苗期
拔节期
孕穗期
抽穗期
灌浆成熟期
全生育期
起止日期
6.6-7.5
7.6-7.25
7.26-8.14
8.15-8.31
9.1-9.30
6.6-9.30
天数（d）
30
20
20
17
30
117
需水量（mm）
131.25
97
102.04
88.57
105
523.86
ET累计（mm）
228.25
330.29
418.86
523.86
土层厚（mm）
400
500
600
800
800
土层厚度增加量（mm）
100
100
200
0
Wt（mm）
21
21
42
0
Wt累计（mm）
21
42
84
84
Wmin（mm）
72
90
108
144
144
Wmax（mm）
120
150
180
240
240
表2.4.4
油菜
苗期
蕾苔期
花期
角果发育成熟期
全成熟期
起止日期
9.20-2.16
2.17-3.28
3.29-5.7
5.8-6.10
9.20-6.10
天数（d）
150
40
40
34
264
需水量（mm）
231.21
72.84
127.77
166.64
598.46
ET累计（mm）
304.05
431.82
598.46
土层厚（mm）
400
600
800
1000
土层厚度增加量（mm）
200
200
200
Wt（mm）
42
42
42
Wt累计
42
84
126
Wtmin（mm）
72
108
144
180
Wtmax（mm）
120
180
240
300
说明：
需水量=∑（各月天数×月ET0）
Wt=各生育期土层厚度增加量×0.3×0.7
Wmin=各生育期土层厚度×0.3×0.6
Wmax=各生育期土层厚度×0.3
0.3为初始土壤田间持水量，在此取中壤土的田间持水量，因为灌区大部分土壤为中壤土；0.7为各作物各生育阶段要求的土壤适宜含水量，参考书上表1-14；0.6为根据经验取的60%的田间持水量。
（5）.各种作物灌溉制度设计示意图
图2.5.1冬小麦灌溉制度设计示意图
图2.5.2油菜灌溉设计示意图：
图2.5.3棉花灌溉制度设计示意图
图2.5.4玉米灌溉制度设计示意图：
说明：
由于资料不全，故在计算和绘制灌溉制度示意图过程中均忽略了地下水补给量的影响，即认为K=0。
第三部分确定渠道设计流量
1.灌水率的确定
1）.定义
灌水率是指灌区单位面积上所需要的灌溉净流量,是确定灌区渠首的引（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:
其中，
为第I种作物第k次灌水的灌水率[m3/（s·100hm2）]；
为第I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；
为第i种作物第k次灌水的灌水定额（m3/hm2）；
为第i种作物第k次灌水的灌水延续时间（d）。
结合各种作物灌溉制度设计示意图和公式，列表计算初步及修改后灌水率如附表二。
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。
从渠道安全、经济、管理等方面，通过修正后灌水率图，我们最终选取设计灌水率为0.05。
2.灌区渠系平面布置
（1）.干渠渠首位置的选择
本次设计灌区的灌溉水源为梅河水库电站尾水，属水库取水，所需流量和水位能够得到保证。
尾水渠渠底高程为576.5m，尾水水位资料中未给出，故最终讨论决定将干渠渠首高程定为576.5m处。
（2）.绘制灌区渠系平面布置图
灌区总体平面布置图如附图一；典型灌区渠系布置见附图二。
在此，典型灌区我们选择灌区Ⅱ，主要考虑此灌区地形较为均匀，面积大小适中，灌区内河系分布适中，具有一定代表性，有利于支、斗、农渠的布置和日后的计算工作。
3.各分灌区支渠的流量计算
各支渠控制的灌溉面积如表3.3.1：
支渠名称
一支
二支
三支
四支
五支
六支
控制面积（100hm^2）
69.42
37.7
10.64
38.73
34.47
3.16
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
二支渠的设计田间净流量：
/s
斗渠分为3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的农渠有9条。
则由支渠分配到每条农渠的田间净流量：
/s
取田间水利用系数
，则农渠的净流量为：
/s
灌区土壤为中壤土，从课本表3-6查出相应的土壤透水性参数：
A=1.9，m=0.4.据此计算农渠每千米输水损失系数：
农渠的毛流量或设计流量为：
/s
2）.斗渠的设计流量
/s
/s
3）.支渠的设计流量
/s
/s
4）.二支渠灌溉水利用系数
（2）.其他各支渠流量计算
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：
表3.3.2各支渠设计流量（毛流量）计算表
支渠名称
支渠长度m
面积m2
换算100hm2
与典型支渠面积之比
毛流量m3/s
一支渠
12235.35
93808937.66
69.42
1.84
4.231
二支渠（典型）
8582.75
50952682.84
37.70
1.00
2.298
三支渠
10062.24
14384774.23
10.64
0.28
0.649
四支渠
7498.73
52333472.24
38.73
1.03
2.360
五支渠
5930.86
46584388.09
34.47
0.91
2.101
六支渠
6702.24
4270358.63
3.16
0.08
0.193
4.干渠的流量计算
干渠的流量推求采用自下而上的逐级推求的方法进行计算，例如EF段净流量就等于六支渠毛流量，其毛流量等于净流量与渠段流量损失之和。
以此类推，OA段净流量也就等于AB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：
表3.4.1干渠流量计算表
干渠流量计算
长度m
净流量m3/s
σ（%）
毛流量m3/s
EF
5066.78
0.193
3.67
0.228
DE
9771.21
2.329
1.35
2.638
CD
7996.03
4.998
1.00
5.397
BC
1571.31
6.046
0.93
6.134
AB
6852.84
8.432
0.81
8.900
OA
1216.2
13.130
0.68
13.239
干渠渠系水利用系数
第五部分渠道横纵断面设计
从经济性等方面考虑，该灌区干、支灌溉渠道都采用梯形断面。
渠道内壁用混凝土衬砌。
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
计算结果如下表：
参数
i=0.005;m=1.25;m'=3.202;n=0.0125;Q=2.3m3/s;
h0
0.660
b0
0.463
A0
0.851
χ0
2.577
R0
0.330
V0
2.703
上表中i为渠底比降，n为渠床糙率，m为渠道内边坡系数，m'=2
，Q为渠道的设计流速，h0、b0、A0、X0、R0、V0分别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，单位都是米，m。
（2）.梯形渠道使用经济断面的水力计算
计算结果如下表：
参数
α=1；β=1；h/h0=1
h
0.660
b
0.660
A
0.763
V
3.015
其中：
b=h×β；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
不淤流速经验公式为：
m/s
我们采用经济断面参数进行设计，故V2）.渠道不冲流速校核
我们采用的是混凝土衬砌护面，查书上表3-34得混凝土的抗冲流速Vcs=5m/s，满足抗冲要求。
（4）.加大流量及最小流量下渠道断面的设计与校核
1）加大流量情况
加大流量为：
/s
应用如下公式迭代计算加大流量下水深hj：
最终计算得到加大流量下的水深hj=0.677m，相应的过水断面面积A=1.02m2，流速V=2.932m/s安全超高计算：
堤顶宽度计算：
2）.最小流量情况
最小流量取设计流量的50%为1.15m3/s，相应的水深同样应用迭代公式求得为0.421m，过水断面面积A=0.5m2，流速V=2.302m/s>Vcd满足不淤要求。
（5）.通过以上计算我们最终确定典型支渠（二支渠）的断面参数如下表：
典型支渠横断面参数
底宽
0.66
边坡系数
1.25
渠高
1.046
安全超高
0.3
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