佐坝精品区灌溉设计农田水利学课程设计计算书.docx
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佐坝精品区灌溉设计农田水利学课程设计计算书
安徽农业大学工学院
农田水利学课程设计计算书
设计题目佐坝精品区灌溉设计
分组
组员
专业指导教师
完成时间设计成绩
目录
1基本资料1
1.1概况1
1.2气象1
1.3种植计划及灌溉经验1
1.4种植面积及农业生产结构1
1.5水稻灌溉制度2
2生活用水量计算2
3水稻用水定额计算3
4农业用水量计算5
4.1种植计划及灌溉经验5
4.2种植面积及农业生产结构5
4.3水量平衡法计算作物需水量6
5斗农渠设计流量计算9
5.1计算农渠设计流量9
5.2计算斗渠的设计流量9
6渠道断面设计9
6.1典型农渠横断面设计9
6.2典型农渠纵断面设计11
6.3典型斗渠纵横断面设计11
7泵站设计13
7.1泵站站址选择13
7.2设计参数确定15
7.3水泵选型15
7.4辅助设备选型16
7.5泵房选型17
7.6泵房内部布置17
1、基本资料
1.1概况
佐坝项目区灌溉面积为500亩。
灌区人口总数约1200,300户;项目区均种植水稻。
牲畜按户均2头(大牲畜)计算,城镇人均用水定额采用120升/人·日,农村人畜饮用水分别采用70升/人·日和30升/头·日。
1.2气象
宿松县属北亚热带湿润气候区,气候特点为四季分明、日照充足、热量丰富、雨量充沛、无霜期长。
全县年平均气温16.6℃,年平均蒸发量为748.1mm,降雨量分布因地形而异,自山区向圩区逐渐减少,山区钓鱼台水库测站多年平均降水量1505mm,丘陵区宿松(王屋)测站多年平均降水量1323.1mm,圩区下仓埠站多年平均降水量1237mm。
全县多年平均日照时数2023.7h,无霜期254d。
常年主导风向为东北风,年平均风速为3.1m/s。
全县土壤可划分为红壤、水稻土、黄棕壤、潮土、紫色土、石灰(岩)土等6个土类,其中红壤土占全县总面积的27.1%,耕作土壤主要为水稻土,占全县总面积的17.12%。
大田作物中水田以各种稻类和红花草为主,旱地以棉花、小麦、荞麦、豆类、花生、芝麻、山芋、玉米、油菜等,以及各类蔬菜为主。
1.3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1.3-1。
表1.3-1项目区农作物种植结构表
作物
双早
双晚
中稻
油菜
棉花
小麦
复种植物
比列
48%
48%
40%
28%
12%
3%
1.79
1.4种植面积及农业生产结构
项目区内农业生产结构以种植业为主,粮食中以水稻为主。
目前农作物种植组成仍然是两稻一油,即“一油二稻”,水稻以双季稻为主,辅以种植油菜、小麦等,旱季作物主要以油菜为主。
根据本次调查分析,项目区农作物种植结构见表1.4-1。
表1.4-1项目区农作物种植结构表
作物
双早
双晚
中稻
油菜
棉花
小麦
复种植物
比列
48%
48%
40%
28%
12%
3%
1.79
1.5水稻灌溉制度
根据本灌区的地理位置和气候特点及群众的多年生产经验,多采用浅水勤灌和适时烤田的灌溉制度。
拟定灌区主要农作物水稻各生长期的适宜水深,见表1.5-1。
表1.5-1各种水稻生长期需水系数值表
双早
双晚
中稻
起讫日期
需水系数
起讫日期
需水系数
起讫日期
需水系数
起
讫
起
讫
起
讫
5-1
5-8
1.10
7-26
8-2
1.10
5-21
5-30
1.10
5-9
5-17
1.15
8-3
8-12
1.20
5-31
6-11
1.20
5-18
5-20
1.10
8-13
8-15
1.20
6-12
6-14
1.20
5-21
6-6
1.30
8-16
9-5
1.30
6-15
7-9
1.30
6-7
6-14
1.50
9-6
9-14
1.50
7-10
7-19
1.30
6-15
6-22
1.50
9-15
9-22
1.50
7-20
7-29
1.40
6-23
6-30
1.35
9-23
9-30
1.30
7-30
8-8
1.50
7-1
7-11
1.20
10-1
10-10
1.20
8-9
8-18
1.50
7-12
7-21
1.10
10-11
10-20
1.10
8-19
8-28
1.30
根据多年运行资料和典型调查,推算灌区现状灌溉水利用系数为0.50。
二、生活用水量计算
佐坝项目区灌溉面积为500亩。
佐坝项目灌区人口总数约1200,300户。
牲畜按户均2头(大牲畜)计算,城镇人均用水定额采用120升/人·日,农村人畜饮用水分别采用70升/人·日和30升/头·日。
佐坝乡是安徽省安庆市宿松县下辖的一个镇,地处皖、鄂、赣三省结合部。
为保证需水量,采用城镇人均用水定额。
则人生活年用水量:
1200人*120升/人·日*365日=52560000升=52560m3
畜年用水量:
300户*2头/户*30升/头·日*365日=6570000升=6570m3
三、水稻用水定额计算
根据本灌区的地理位置和气候特点及群众的多年生产经验,多采用浅水勤灌和适时烤田的灌溉制度。
拟定灌区主要农作物水稻各生长期的适宜水深,见表1.5-1。
表1.5-1各种水稻生长期需水系数值表
双早
双晚
中稻
起讫日期
需水系数
起讫日期
需水系数
起讫日期
需水系数
起
讫
起
讫
起
讫
5-1
5-8
1.10
7-26
8-2
1.10
5-21
5-30
1.10
5-9
5-17
1.15
8-3
8-12
1.20
5-31
6-11
1.20
5-18
5-20
1.10
8-13
8-15
1.20
6-12
6-14
1.20
5-21
6-6
1.30
8-16
9-5
1.30
6-15
7-9
1.30
6-7
6-14
1.50
9-6
9-14
1.50
7-10
7-19
1.30
6-15
6-22
1.50
9-15
9-22
1.50
7-20
7-29
1.40
6-23
6-30
1.35
9-23
9-30
1.30
7-30
8-8
1.50
7-1
7-11
1.20
10-1
10-10
1.20
8-9
8-18
1.50
7-12
7-21
1.10
10-11
10-20
1.10
8-19
8-28
1.30
根据多年运行资料和典型调查,推算灌区现状灌溉水利用系数为0.50。
需水系数法计算作物需水量及灌溉制度—以水面蒸发为参数的需水系数法(简称“α值法”或蒸发皿)
大量的灌溉试验资料表明,气象因素是影响作物需水量的主要因素,而当地的水面蒸发又是各种气象因素综合影响的结果。
因腾发量与水面蒸发都是水汽扩散,因此可以用水面蒸发这一参数估算作物需水量,其计算公式为:
(式2-1)
或
(式2-2)
式中:
——某时段内的作物需水量,以水层深度计,mm;
——与
同时段的水面蒸发量,以水层深度计,mm;
一般采用80cm口径蒸发皿的蒸发值,若用20cm口径蒸发皿,则
;
——各时段的需水系数,即同时期需水量与水面蒸发量之比值,一般由试验确定,水稻
=0.9~1.3,旱作物
=0.3~0.7;
——经验常数。
由于“
值法”只需要水面蒸发量资料,所以该法在我国水稻地区曾被广泛采用。
在水稻地区,气象条件对
及
的影响相同,故应用“
值法”较为接近实际,也较为稳定。
对于水稻及土壤水分充足的旱作物,用此式计算,其误差一般小于20%~30%;对土壤含水率较低的旱作物和实施湿润灌溉的水稻,因其腾发量还与土壤水分有密切关系,所以此法不太适宜。
根据资料提供的20cm口径逐日蒸发量,可求得80cm口径逐日蒸发量,并求出生育期内蒸发量的总和,即:
利用需水系数值α根据(式2-1)可求得生育期的作物需水量总和,根据地区生育期各生育阶段的需水量分配比,可得各生育阶段的作物需水量。
根据生育阶段天数的不同,将各生育阶段的作物需水量平均到每天,即逐日耗水量,则求得各生育阶段的逐日耗水量。
宿松县年平均蒸发量为748.1mm,则日平均蒸发量为2.05mm.
双早
双晚
中稻
起讫日期
需水系数
需水量
起讫日期
需水系数
需水量
起讫日期
需水系数
需水量
起
讫
起
讫
起
讫
5月1日
5月8日
1.1
15.785
7月26日
8月2日
1.1
15.785
5月21日
5月30日
1.1
20.3
5月9日
5月17日
1.15
18.86
8月3日
8月12日
1.2
22.14
5月31日
6月11日
1.2
27.06
5月18日
5月20日
1.1
4.51
8月13日
8月15日
1.2
4.92
6月12日
6月14日
1.2
4.92
5月21日
6月6日
1.3
42.64
8月16日
9月5日
1.3
53.3
6月15日
7月9日
1.3
63.96
6月7日
6月14日
1.5
21.525
9月6日
9月14日
1.5
27.675
7月10日
7月19日
1.3
23.99
6月15日
6月22日
1.5
21.525
9月15日
9月22日
1.5
21.525
7月20日
7月29日
1.4
25.83
6月23日
6月30日
1.35
19.3725
9月23日
9月30日
1.3
18.655
7月30日
8月8日
1.5
27.68
7月1日
7月11日
1.2
24.6
10月1日
10月10日
1.2
21.924
8月9日
8月18日
1.5
27.68
7月12日
7月21日
1.1
20.295
10月11日
10月20日
1.1
20.295
8月19日
8月28日
1.3
23.99
合计
189.11
206.2
245.4
则双早水稻的净需水量为189.11mm*500亩*48%=30273m3
双晚水稻的净需水量206.2mm*500亩*48%=33008m3
中稻的净需水量245.4mm*500亩*40%=32736m3
水稻总净需水量96017m3
灌区现状灌溉水利用系数为0.50
水稻总需水量96017/0.5=192034m3
四、农业用水量计算
4.1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1.3-1。
表1.3-1项目区农作物种植结构表
作物
双早
双晚
中稻
油菜
棉花
小麦
复种植物
比列
48%
48%
40%
28%
12%
3%
1.79
4.2种植面积及农业生产结构
项目区内农业生产结构以种植业为主,粮食中以水稻为主。
目前农作物种植组成仍然是两稻一油,即“一油二稻”,水稻以双季稻为主,辅以种植油菜、小麦等,旱季作物主要以油菜为主。
根据本次调查分析,项目区农作物种植结构见表1.4-1。
表1.4-1项目区农作物种植结构表
作物
双早
双晚
中稻
油菜
棉花
小麦
复种植物
比列
48%
48%
40%
28%
12%
3%
1.79
4.3水量平衡法计算作物需水量
用水量平衡法直接估算作物需水量。
由此可得△t时段内作物需水量计算式为:
对于旱作物:
式中
——时段初和任意时段t时的土壤计划湿润层内的储水量
——由于计划湿润层增加而增加的水量
——保存在土壤计划湿润层内的有效雨量
K——时段t内的地下水补量,即K=kt,k为t时段内平均昼夜地下水补给量
M——时段t内的灌溉水量
ET——时段t内作物田间需水量,即ET=et,e为t时段内平均每昼夜的作物田间需水量
(以上各值均以mm,
计)
旱作物的总灌溉定额包括播前灌溉定额和生育期内灌溉定额两部分。
播前灌溉定额可按下式计算:
=667H(
-
)n(
)
式中H—土壤计划湿润层深度(m),应根据播前灌水要求决定;
n—相应于H土层内的土壤孔隙率,以占土壤体积百分数计;
—一般为田间持水率,以占孔隙的百分数计;
—播前H土层内的平均灌水率,以占孔隙率的百分数计。
为了满足作物正常生长的需要,任意时段内土壤计划湿润层内的储水量必须保持在一定的适宜范围以内,即通常要求不小于作物允许的最小储水量(
)和不大于作物的最大储水量(
)
对于水田作物:
式中
——时段初田面水层深度
——时段末田面水层深度
p——时段内降雨量
d——时段内排水量
m——时段内灌水量
WC——时段内田间耗水
(以上各值均以mm计)
田间淹灌水层的深度应处于适宜水层上限(
)与适宜水层下限(
)之间。
泡田期的灌溉用水量(泡田定额)由下式计算:
=0.667(
+
+
)
式中
—泡田期灌溉用水量,
—插秧时田面所需的水层深度,mm
—泡田期的阶段渗漏量,mm
—泡田期的日数
—
时期内水田田面平均蒸发强度,mm/d
—
时期内的降雨量,mm
油菜是需水较多的作物。
据测定,油菜全生育期需水量一般在300~500mm,折合每亩田块需水200~300m3,其不同的生育时期由于生育特点以及外界环境条件的不同,对水分的需求特点也不相同。
1、苗期。
油菜苗期个体和群体较小;根系和叶片都处于生长发育的初期阶段,根量小,叶片少,叶面积系数低,蒸腾面积小,而且气温、地温日渐降低,根系吸水能力下降,需水量相对较小。
但此期持续时间长,地面覆盖少,田间蒸发量大。
从土壤水分供求情况看,北方地区秋季降水量日渐减少,一般难以满足油菜耗水需求。
油菜苗期缺水,不仅影响根系。
和叶片的生长,对培育壮苗和安全越冬不利,而且会影响花芽分化花角数,降低产量。
据试验,油菜苗期最适宜土壤水分为田间持水量的70%~80%。
北方的白菜型油菜需水量较小,土壤湿度在20%左右为宜;甘蓝型油菜需水量大,应保持在25%左右。
移栽油菜在移栽后,由于断根伤叶,吸收能力降低,处于萎蔫状态,如果水分缺乏,不仅不利于生根长叶,恢复生长,形成壮苗,而且抗逆性严重减弱。
因此油菜移栽后要及时灌水,促其早生根,早缓苗,早生长。
2、薹花期。
薹花期是油菜生长发育最旺盛的时期。
薹花期适宜的土壤湿度应保持田间持水量的75%~85%。
此期主茎迅速伸长,随着分枝的抽伸,叶面积日渐增大,叶面蒸腾量也相应增加厂花器分化速度加快,花序不断增长,边开花,边结角。
这个时期的水分状况对油菜单位面积产量影响很大。
据试验土壤水分在田间最大持水量的50%—60%的情况下,薹花期均不灌水的单产每亩143.7kg;薹期、花期各灌1次水的单产为187.9kg;花期灌1次水,薹期不灌水的单产158.9kg;薹期灌水,花期不灌水的单产169.8kg。
由此看出,灌一.花期灌水具有重要的增产作用。
3、角果发育期。
油菜终花期后,虽然主茎叶和分枝叶逐渐衰老,叶面积日渐减少,吸水和蒸腾作用减弱,但由于角果增大,角果皮的光合作用在一定时期内日益加强,所以仍需保持土壤有适宜的水分状态,以保证光合作用的正常进行和茎叶营养物质向种子中转运,促进增粒、增重。
但土壤水分过多,会使根系发生渍害,引起根系早死,影响灌浆和油分积累,导致产量和品质降低。
此期最适宜土壤水分为田间持水量的60%—70%。
“一油二稻”油菜全生育期需水量一般在300~500mm,折合每亩田块需水200~300m3,油菜净需水量300m3/亩*500亩*28%=42000m3.
油菜总需水量420000m3/0.5=840000m3
则农业总需水量以“一油二稻”计算,为180017m3。
五、斗农渠设计流量计算
5.1计算农渠设计流量
q设=0.8m3/(S.万亩)
Q田净=A*q设=0.04m3/s
将斗、农分两组轮灌,同时工作的斗渠有3条,农渠有6条
所以农渠的田间净流量
Q农田净=Q田净/(n*K)=0.022m3/s
取田间水利用系数为0.95,则农渠的净流量
Q农净=Q农田净/0.95=0.023m3/s
灌区耕作土壤主要为水稻土,可查相应的土壤透水系数A=1.9,m=0.4
据此可计算农渠每公里输水损失系数
农渠的毛流量或设计流量为
Q农毛=Q农净*(1+农L农)=0.026m3/s
5.2计算斗渠的设计流量
因为一条斗渠内同时工作的农渠有12条,所以斗渠的净流量等于12条农渠的毛流量之和。
Q斗净=12*Q农毛=0.312m3/s
斗渠每公里输水损失系数斗=A/(100Qm斗净)=0.0303
斗渠的毛流量或设计流量
Q斗毛=Q斗净*(1+斗净L斗)=0.315m3/s
六、渠道断面设计
6.1典型农渠横断面设计
灌溉渠道按明渠均匀流公式计算设计:
即
Q=AC
式中:
Q—渠道设计水深(m3/s)
A—渠道过水断面面积(m2)
R—水力半径
i—渠底比降
c—谢才系数常用曼宁公式c=
R1/6进行计算,其中n为糙率
农渠的渠底比降,为了减少工程量,应尽可能选用和地面相近的渠底比降。
此设计中取渠底比降1/5000~1/3000.式中i=0.0002~0.00033。
渠床糙率系数:
农渠采用砼护面,预制板砌筑,查表得光滑混凝土护面n=0.015.
农渠采用梯形断面,渠道内、外边坡系数m=1.0。
采用试算法:
初选定b=0.40m,n=0.015,Q=0.026m3/s,i=0.00025
迭代公式:
=
代入数据,经试算得h=0.153m
A=(b+mh)h=0.085(m2)
V=
=0.306(m/s)
渠道的不冲流速和土壤性质,水流含砂量,断面水力要素有关
V不冲=KQ0.1=1×0.0260.1=0.694
渠道的不淤流速,由不淤流速经验公式:
Vcd=C0Q0.5
式中:
Vcd为渠道的不淤流速(m/s)
C0为不淤流速系数,随渠道流量和宽深比而变,查得C0=0.4
Vcd=0.4×0.0260.5=0.0645(m/s)
Vcd=0.0645(m/s) 满足不淤不冲流速,断面尺寸适合,即: b=0.40(m),i=0.0025,m=1.0,n=0.015,Q=0.026。 预制板厚取0.06m,砂砾料垫层厚取此处取0.20m。 安全超高Δh= m,堤顶宽度D=hj+0.3=0.6m 典型农渠的水力要素见表5-3, i Q m h b A x R c v n 0.0025 0.026 1.0 0.15 0.40 0.263 1.390 0.189 4.456 0.306 0.015 6.2典型农渠纵断面设计 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。 纵断面设计根据灌溉水位要求确定渠道的空间位置,即先确定不同桩号处的设计水位高程,再根据设计水位求渠底高程、堤顶高程等。 为了灌溉要求,各级渠道入口处都应具有足够的水位,这个水位是根据灌溉面积上控制点的高程加上各种水头损失,自下而上逐级推求的。 即: = +△h+ + 式中: —渠道进水口处的设计水位(m)。 △h—控制点地面高程与附近末级固定渠道设计水位的高差,取值范围0.1~0.2m,此处取0.1m。 L—渠道的长度,L=110m。 —渠道的比降,此处取i=0.0025。 —水流通过渠系建筑物时的水头损失,查书P119此处取0.05m。 = +△h+ + =35+0.1+110×0.0025+0.05=35.425m 根据上式求得农渠进水口处水位为35.425m。 根据典型农渠的设计水位可推求渠底高程、堤顶高程等。 6.3典型斗渠纵横断面设计 ①下级渠道各分水口水位高程 由于农渠处的进水口处的水头损失忽略不计,对于典型斗渠而言,其下级渠道各分水口处水位高程与各农渠进水口设计水位相等。 先拟定斗渠的坡降i=0.00033,确定斗渠的设计水位,由典型农渠处的进水口水位高程+与斗渠之间的距离×比降,得 35.599(m)。 但斗渠分水口处的水位高程不能满足下级渠道的灌水要求,这时就要调整斗渠的设计水位线。 一般采用以下两种方法: 一是,保持原有斗渠比降不变,放弃分水口处水位,较高的农渠内部分高地的自流灌溉。 二是改变斗渠比降,将比降放缓,使斗渠设计水位满足农渠的灌水要求。 本设计采用方法一,保持原有比降。 ②典型斗渠横断面设计 已知Q=0.315 斗渠采用砼护面,预制板砌筑,n=0.015;斗渠采用梯形断面,渠道内、外边坡系数m=1.0。 采用试算法: 用迭代公式: = 代入数据,经试算最小得h=0.602m A=(b+mh)h=0.663 V= =0.474(m/s) V不冲=KQ0.11×0.3150.1=0.891 渠道的不淤流速,由不淤流速经验公式: Vcd=C0Q0.5 式中: Vcd为渠道的不淤流速(m/s) C0为不淤流速系数,随渠道流量和宽深比而变,见《灌溉排水工程学》P136,表3-26查得C0=0.4 Vcd=0.4×0.3150.5=0.224(m/s) Vcd=0.212(m/s) 满足不淤不冲流速,断面尺寸适合,即: b=0.5(m),i=0.00033,m=1.0,n=0.015,Q=0.315m3/s。 由迭代公式试算的水深以及在比降下的各水力要素表见下表 典型斗渠的水力要素见表 i Q m h b A x R c v n 0.0003 0.315 1.0 0.57 0.5 0.610 2.112 0.289 4.782 0.315 0.015 ③典型斗渠纵断面设计 由前面表5-6可知,斗渠引水口的水位为35.599m,在此,取为35.599m,可用闸门将水头壅高0.1m,即满足下级渠道的供水要求。 渠道纵断面图的绘制,应依据以下这些步骤: 1
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