土地开发整理中渠道灌溉工程设计.pdf

1 5.4 渠道灌溉工程 灌排工程是属于农田水利学的研究内容，农田水利学是一门研究农田水分状况和地区水情的变化规律及其调节措施，消减水旱灾害和充分利用水资源，为创造良好农业生态环境和发展农业生产服务的科学。农田水分状况一般指农田中的土壤水、地面水和地下水的状况及与其相关的养分、通气和热量状况。农田水分不足或过多，都会影响作物的正常生长和产量。引起农田水分过多或不足的主要原因是水旱灾害。调节农田水分不足或过多的主要措施是灌溉和排水。5.4.1 灌溉用水量 分析计算灌溉用水量及其年内变化过程，是灌区水利计算的基本内容之一，并为灌溉工程的规划设计和用水管理以及水资源的合理开发利用提供重要的依据。而作物需水量和灌溉制度又是进行作物灌溉和计算灌溉用水量的主要依据。农田水分状况则是分析作物需水量、制定作物灌溉制度和计算灌溉用水量的基础。1 土壤水 农田水分存在三种基本形式。即地面水、土壤水和地下水，而土壤水是与作物生长关系最密切的水分存在形式。土壤水主要来自降水和灌水，按其形态不同可分为汽态水、吸着水、毛管水和重力水等。（1）汽态水：是存在于土壤空隙中的水汽，有利于微生物的活动，故对植物根系有利。由于数量很少，在计算时常略而不计。（2）吸着水：包括吸湿水和薄膜水两种形式；吸湿水被紧束干土粒表面，不能在重力和毛管力的作用下自由移动；吸湿水达到最大时的土壤含水率称为吸湿系数。薄膜水吸附于吸湿水外部，只能沿土粒表面进行速度极小的移动；薄膜水达到最大时的土壤含水率称为土壤的最大分子持水率。（3）毛管水：毛管水是在毛管作用下土壤中所能保持的那部分水分，亦即在重力作用下不易排除的水分中超出吸着水的部分。毛管水是能被作物吸收利用的最主要的土壤水分。（4）重力水：土壤中超出毛管含水率的水分在重力作用下很容易排出，这种水称为重力水。重力水虽能被作物吸收，但由于它在根系分布层中停留的时间很短，可被作物利用的数量是很少的。2 土壤水分的有效性 土壤中持有的水分，并不是都能被作物吸收利用的，这取决于作物根系和土壤对水分吸力的对比。作物根系的吸水力因作物种类、品种等而异，大约在 0.33.0MPa 之间，平均在 1.5MPa 左右。土壤对水分的吸力为 1.5MPa 时，是有效水和无效水的分界限，这时相应的土壤含水率叫做凋萎系数。土壤对水分的吸力超过 1.5MPa，也就是土壤实际含水率小于凋萎系数时，作物很难从土壤中吸收到水分而呈现永久性凋萎，所以，这时的土壤含水率又叫永久凋萎系数，它是作物吸收土壤水分的下限含水率，约相当于吸湿系数的 1.52 倍。田间持水率是土壤有效水分的上限，常用田。所以，永久凋萎系数至田间持水率之间的那部分水量是土壤的最大有效水量。不同土壤的田间持水率及最大有效水量如表 5.4-1 所示。表 5.4-1 不同土壤的田间持水率田及有效水量（占干土质量分数）2 土 壤 质 地 田间持水率（）凋萎系数（）有效水量（）砂 土 816 35 511 砂壤土、轻壤土 1222 57 715 中壤土 2028 89 1219 重壤土 2228 912 1315 粘 土 2330 1217 1113 根据上述分析可知，土壤中的吸湿水为无效水；膜状水中的大部分为无效水，少部分为有效水；毛管水为有效水。当土壤含水率降至永久凋萎系数时，作物将呈现永久性凋萎，这时再灌水已为时过晚，因此，在生产实践中，通常以作物生长开始受到抑制，下部叶子开始萎蔫时的土壤含水率作为控制土壤含水率的下限，并把它叫做初期凋萎系数。这时相应的土壤对水分的吸力约为 0.8MPa，其值约为田间持水率的 60%左右。即当土壤含水率降至初期凋萎系数时，作物吸水不足，呈现旱象，需要及时灌水。3 农田水分状况 农田水分状况是指农田中的地面水、土壤水和地下水的数量、分布、形态及其变化的状况。一切农田水利设施，归根结底都是为了调节和控制农田水分状况，从而改善土壤的水、肥、气、热状况和农田小气候，以达到促进农业生产的目的。农田中的地面水、土壤水和地下水的状况必须适宜，才能有利于作物的生长发育。首先明确一个概念土壤含水率，又叫土壤含水量，也叫土壤湿度，它是衡量土壤含水多少的指标。它的表示方法有多种，如：以土壤水分质量占干土质量百分数表示；以土壤水分体积占土壤体积百分数表示等，这里用土壤实际含水率占田间持水率的百分数表示。（1）旱作地区适宜的农田水分状况 旱作地区的土壤水分形态及其对作物的有效性已如前述，结论是：适宜土壤含水率的下限是初期凋萎系数，上限是田间持水率，即适宜于作物生长的土壤含水率应在(0.61)田之间。旱作地区的农田田面是不允许长期积水的，一般只允许地面积水 12d，淹水深度 10cm 左右。作物对地下水的要求主要是地下水位适宜。地下水位过高，会使作物遭受渍害，甚至造成土壤盐碱化。为了防止渍害和土壤盐碱化，不同土壤、各种作物要求的地下水埋深一般应距地面 l 米以下。（2）水稻地区适宜的农田水分状况 水稻是一种喜水作物，除烤田期外，田面需要经常维持一定深度的水层，以满足水稻的生理要求，调节稻田温度，减少昼夜温差，防止过冷或过热对水稻生长的不利影响，使土壤中有较多的营养物质处于有效状态，便于水稻根系吸收，还可抑制某些杂草的滋生。但是，稻田的淹水也不宜深度过大和时间过长，否则，会使土壤空气缺乏，微生物活动减弱，有机质分解缓慢，有毒物质增多，根系发育不良，吸收能力衰减，且易造成发病条件。因此，生产实践中，多采用浅水勤灌、适时晒田的灌水技术，使淹水层经常处于适宜水层的上、下限之间。适宜水层的上、下限，随水稻种类、品种和生育阶段而不同，应根据灌溉试验成果和群众丰产灌水经验确定。表 5.4-2 给出长江中下游地区水稻各生育阶段的适宜水层深度，可供参考。3 表 5.4-2 水稻各生育阶段适宜水层下限上限最大蓄水深度表（mm）水稻地区的地下水状况，因地形、土壤等条件而不同。地势低平、出流条件差的地区，地下水可与地面水连为一体；地势较高、出流条件好的地区，地下水与地面保持一定的距离。水稻地区地下水位过高或过低，对水稻生长都不利。据广东省农科院调查，高产稻田的地下水埋深应在 0.50.7m 之间。4 作物需水量 作物在生长发育过程中必定要消耗水量。研究作物的需水特性和需水规律，对及时满 足作物需水要求，促进作物生长发育，有着积极的意义。确定作物需水量是制定灌溉制度、计算灌溉用水量和灌溉引水流量的基本参数，也是进行灌溉工程规划设计重要依据。（1）农田水分消耗的途径 农田水分消耗的途径主要有植株蒸腾、株间蒸发和深层渗漏（或田间渗漏）。植株蒸腾是指作物根系从土壤中吸入体内的水分，通过叶片的气孔扩散到大气中去的现象。试验证明，植株蒸腾要消耗大量水分，作物根系吸入体内的水分有 99以上是消耗于蒸腾，只有不足 1的水量是留在植物体内，成为植物体的组成部分。株间蒸发是指植株间土壤或田面的水分蒸发。株间蒸发相植株蒸腾都受气象因素的影响，但蒸腾因植株的繁茂而增加，株间蒸发因植株造成的地面覆盖率加大而减小，所以蒸腾与株间蒸发二者互为消长。深层渗漏是指旱田中由于降雨量或灌溉水量太多，使土壤水分超过了田间持水量向根系活动层以下的土层产生渗漏的现象。深层渗漏一般是无益的，且会造成水分和养分的流失。田间渗漏是指水稻田的渗漏。由于水稻田经常保持一定的水层，所以水稻田经常产生渗漏，且数量较大。在上述几项水量消耗中，植株蒸腾和株间蒸发合称为腾发，两者消耗的水量合称为腾发量，通常又把腾发量称为作物需水量。腾发量的大小及其变化规律，主要决定于气象条件、作物特性、土壤性质和农业技术措施等，而渗漏量的大小与土壤性质、水文地质条件等因素有关，它和腾发量的性质完全不同。因此，一般都是将腾发量与渗漏量分别进行计算。对水稻田来说，也有将稻田渗漏量计入需水量之内，通常则称之为“田间耗水量”，以使与需水量概念有所区别。根据大量灌溉试验资料分析，作物需水量的大小与气象条件（温度、日照、湿度、风速）、土壤含水状况、作物种类及其生长发育阶段、农业技术措施、灌溉排水措施等有关。这些因素对需水量的影响是互相联系的，也是错综复杂的目前尚难从理论上对作物需水量进行精确的计算。在生产实践中，一方面是通过田间试验的方法直接测定作物需水量；一方面常采用某些计算方法确定作物需水量。（2）作物需水量的确定 作物需水量受上述诸多因素的影响，在不同地区和不同水文年份里都有很大的变化。但是，由于气候条件是主要影响因素，所以，作物需水量的变化也有一定的规律，如干旱年比湿润年多；干旱地区比湿润地区多，生长期长的比生长期短的多；灌水技术差的比灌水技术好的多等。我国主要作物的需水量 4 如表 5.4-3 所示，可供参考。在土地整理项目中，设计单位可以从项目区所在地的水利部门收集相关作物需水量的资料，不需要计算，但是如果相关资料无法搜集，可以采用计算法计算出需水量。表 5.4-3 几种主要作物需水量大致范围表（m3/亩）5 作物灌溉制度的确定 农作物的灌溉制度是指作物播种前（或水稻栽秧前）及全生育期内的灌水次数、每次的灌水日期和灌水定额以及灌溉定额。灌水定额是指一次灌水单位灌溉面积上的灌水量，各次灌水定额之和，叫灌溉定额。灌水定额和灌溉定额常以 m3/亩或 mm 表示，它是灌区规划及管理的重要依据。充分灌溉条件下的灌溉制度，是指灌溉供水能够充分满足作物各生育阶段的需水量要求而设计制定的灌溉制度。长期以来，人们都是按充分灌溉条件下的灌溉制度来规划、设计灌溉工程的。灌溉制度的确定常采用以下三种方法：（1）总结群众丰产灌水经验 多年来进行灌水的实践经验是制定灌溉制度的重要依据。灌溉制度调查应根据设计要求的干旱年份，调查这些年份的不同生育期的作物田间耗水强度（mm/d）及灌水次数、灌水时间间距、灌水定额及灌溉定额。根据调查资料，可以分析确定这些年份的灌溉制度。一些实际调查的灌溉制度举例如表 5.4-4。对于旱作物，湿润年份及南方地区的灌水次数少，灌溉定额小；干旱年份及北方地区的灌水次数多，灌溉定额大。我国北方地区几种主要作物的灌溉制度如表 5.4-5。表 5.4-4 湖北省水稻泡田定额及生育期灌溉定额调查成果表（中等干旱年）5 表 5.4-5 我国北方地区几种旱作物的灌溉制度（调查）（2）根据灌溉试验资料制定灌溉制度 我国许多灌区设置了灌溉试验站，试验项目一般包括作物需水量、灌溉制度、灌水技术。试验站积累的试验资料，是制定灌溉制度的主要依据。但是，在选用试验资料时，必须注意原试验的条件，不能一概照搬。（3）按水量平衡原理分析制定作物灌溉制度 根据农田水量平衡原理分析制定作物灌溉制度，利用这种方法分析计算比较复杂，在土地整理项目中，灌溉制度的确定，一般由项目区所在地的相关部门提供，不属于土地整项目中的主要研究内容，在此不做详细介绍，需要时可参考农田水利学相关资料。6 作物灌溉用水量和灌溉用水流量 灌溉用水量和灌溉用水流量是指灌区需要从水源引入的水量和流量。它们可以根据灌溉面积、作物组成、灌溉制度及灌水延续时间等直接计算。但当灌溉面积较大，渠道及渠系建筑物较多时，如果逐个计算，工作量很大。为了简化计算，常用灌水模数来推求灌溉用水流量。（1）灌水模数 灌水模数是指单位灌溉面积上的作物所需要的净灌水流量，又叫灌水率。这里所指的灌溉面积不是某次灌水的实际受水面积，而是灌区的总灌溉面积。根据灌水模数的定义，可以得出它的计算公式为：0.360.36iiiiii ii iAma mqTt ATt （5.4-1）式中 iq某种作物某次灌水的净灌水模数，m3/（s万亩）；iA某种作物的种植面积，万亩；A灌区总灌溉面积，万亩，；ia某种作物种植比例，iaiA/A100（）；im某种作物某次灌水的净灌水定额，m3/亩；6 iT某种作物某次灌水的延续时间，d；it每天灌水的小时数，h；自流灌区按 24h 计，抽水灌区按 1822h 计。灌水延续时间是指某种作物灌一次水所需要的天数。它与作物种类和种植面积及农业技术条件等因素有关。它的长短直接影响着灌水模数的大小。灌水延续时间越短，作物的需水越容易得到及时满足，但灌水模数越大，渠道和渠道建筑物的设计流量也越大，这不仅会提高工程造价，而且还会造成灌水时劳力紧张和灌水后耕作困难；反之，灌水延续时间越长，则灌水模数越小，渠道和渠道建筑物的设计流量也越小，相应的工程投资也较少，但作物的生长可能由于灌水不及时而受到影响，所以，必须慎重选定。我国万亩以上灌区的灌水延续时间大致如下：水稻 泡田期 715d，生育期 35d；小麦 播前灌 1020d，生育期 1015d；棉花 播前灌 1025d，苗期和花铃期 812d，吐絮期 815d；玉米 播前灌 1020d，拔节和抽穗期 1015d，开花期 813d。下面是几种主要作物的灌水模数计算表，可供参考：表 5.4-6 灌水模数计算表 根据公式（5.4-1）可以计算出灌区各种作物各次灌水的灌水模数，如表 5.4-6 所示。然后，以灌水时间为横坐标，以灌水模数为纵坐标，即可绘出初步灌水模数图，见图 5.4-1。从图中可以看出，各时期的灌水模数高高低低，相差悬殊，灌水时间断断续续，不利管理。如以最大灌水模数值推算设计流量，势必加大渠系工程量和工程投资，而以最小值推算，又不能满足灌溉用水的要求。所以，必须对初步灌水模数图进行必要的修正。修正时，应以不影响作物的需水要求为原则，尽可能消除灌水模数高峰和短暂停水现象，最小灌水模数应不小于最大灌水模数的 40；尽量保持主要作物关键时期的灌水时间不变，必须变动时，灌水中间日的前后移动时间不应超过 3d，并且最好向前移动；尽量调整次要作物、非关键期的灌水日期和灌水延续时间，使修正后的灌水模数图比较均匀、连续，见图 5.4-1。7 图 5.4-1 灌水模数图 根据调查统计，我国万亩以上灌区的设计灌水模数为，水稻灌区 0.450.60m3/（s万亩），旱作灌区 0.200.35m3/（s万亩）。（2）灌溉用水流量 灌区所需要的灌溉用水流量在年内的变化过程叫做灌溉用水流量过程线。从灌水模数图的定义可知，灌水模数图实质上是设计年单位灌溉面积上的净灌溉用水流量过程线。因此，只需把修正后的灌水模数图中的各纵坐标值分别乘以灌区总灌溉面积 A，再除以灌溉水利用系数水，即把灌水模数图扩大 A/水倍，便可得到全灌区设计年的灌溉用水流量过程线，见图 5.4-1。灌溉用水流量的计算公式为 iiq AQ水 （5.4-2）式中 iQ某时段的灌溉用水流量，m3/s；iq相应时段的灌水模数，m3/（s万亩）；A灌区总灌溉面积，万亩；水灌溉水利用系数，为进入田间的净水量与同时期渠首引水量的比值，一般可取 0.60.8。灌溉用水流量过程线形象、直观、使用方便，设计时可用于来、用水量计算，如用于可发展灌溉面积计算、灌溉水库径流调节计算，引水灌溉工程设计引水流量计算等；管理阶段可用于编制水库调度计划、渠系引水计划及渠系配水计划等。（3）年灌溉用水量 年灌溉用水量的大小及其在年内的变化过程，与灌区的气候、土壤、作物、渠系质量、灌水技术、8 管理水平等因素有关。一般用下列方法进行计算：根据灌溉用水流量计算 灌溉用水流量与灌水延续时间的乘积即为灌溉用水量。因此，当绘出设计年的灌溉用水流量过程线后，就可用它来计算设计年各时段和全年的灌溉用水量，其公式为：iiiWQT （5.4-3）式中 iW某时段的灌溉用水量，m3；iQ该时段的灌溉用水流量，m3/s；iT该时段的长度，s。根据灌溉制度计算 某种作物某次灌水的灌溉用水量iW等于该作物该次灌水的灌水定额im与该作物的灌溉面积iA的乘积再除以灌溉水利用系数，即 iiim AW水 （5.4-4）当设计年的各种作物的灌溉制度和灌溉面积确定后，即可用公式（5.4-4）计算出各种作物各次灌水的灌溉用水量。全灌区任一时段的灌溉用水量等于该时段内各种作物灌溉用水量之和。根据综合灌水定额计算 某一时段内各种作物灌水定额的面积加权平均值称为该时段的综合灌水定额，即 1122nnma ma ma m综 （5.4-5）式中 m综某时段的综合净灌水定额，m3/亩；a作物种植比例，；m灌水定额，m3/亩。任一时段的灌溉用水量为 tm AW综水 （5.4-6）式中 A全灌区的灌溉面积，亩。9 在现代灌区建设中，灌溉渠道系统和排水沟道系统是并存的，两者互相配合，协调运行，共同构成完整的灌区水利工程系统，如图 5.4-2 所示。图 5.4-2 灌溉排水系统组成示意图 灌溉渠道系统是指从水源取水、通过渠道及其附属建筑物向农田供水、经由田间工程进行农田灌水的工程系统，包括渠首工程、输配水工程和田间工程三大部分。下面主要介绍灌溉渠系规划布置、渠道设计流量推算和渠道纵横断面设计和田间工程等内容。5.4.2 灌溉渠系规划布置 1 灌溉渠系的划分 灌溉渠系由各级灌溉渠道和退（泄）水渠道组成。灌溉渠道按其使用寿命分为固定渠道和临时渠道两种；按控制面积大小和水量分配层次又可把灌溉渠道分为若干等级：大、中型灌区的固定渠道一般分为干渠、支渠、斗渠、农渠四级，如图 5.4-2 所示；在地形复杂的大型灌区，固定渠道的级数往往多于四级，干渠可分成总干渠和分干渠，支渠可下设分支渠，甚至斗渠也可下设分斗渠；在灌溉面积较小的灌区，固定渠道的级数较少；如灌区呈狭长的带状地形，固定渠道的级数也较少，干渠的下一级渠道很短，可称为斗渠，这种灌区的固定渠道就分为干、斗、农三级。农渠以下的小渠道一般为季节性的临时渠道。2 灌溉渠道的布置原则（1）沿高地布置，力求控制灌溉面积最大。（2）灌排系统结合考虑，统一规划布置。（3）力求经济合理，尽可能做到渠线短，交叉建筑物少，土石方量少，占用耕地少，拆迁民房少。（4）要安全可靠，尽可能避免深挖方、高填方和难工险段，以求渠床稳固，施工方便，输水安全。山丘区渠道尽量不沿河，溪边缘布置，以防被山洪冲毁。渠道沿线应有良好的地质条件。沿渠应有足够 10 的防洪设施，以确保渠道安全。（5）便于管理。渠系布置要和行政区划与土地利用规划相结合，每个用水单位最好有单独的用水渠道，以便于管理和维护。（6）要考虑综合利用，尽可能满足其它用水部门的要求。（7）积极开源节流，充分利用水土资源。有条件的灌区应建立长藤结瓜灌溉系统，以发挥塘库的调蓄作用，扩大灌溉水源。（8）建筑物要尽量联合修建，形成枢纽；要充分利用现有水利设施，降低工程造价。3 干、支渠的规划布置形式 干、支渠的布置形式主要取决于地形条件，大致可以分为以下三种类型：（1）山区、丘陵区灌区的干、支渠布置 山区、丘陵区地形比较复杂，岗冲交错，起伏剧烈，坡度较陡，河床切割较深，比降较大，耕地分散，位置较高。一般需要从河流上游引水灌溉，输水距离较长。所以，这类灌区干、支渠道的特点是：渠道高程较高，比降平缓，渠线较长而且弯曲较多，深挖、高填渠段较多，沿渠交叉建筑物较多。渠道常和沿途的塘坝、水库相联，形成长藤结瓜式水利系统，以求增强水资源的调蓄利用能力和提高灌溉工程的利用率。山区、丘陵区的干渠一般沿灌区上部边缘布置，大体上和等高线平行，支渠沿两溪间的分水岭布置，如图 5.4-3 所示。在丘陵地区，如灌区内有主要岗岭横贯中部，干渠可布置在岗脊上，大体和等高线垂直，干渠比降视地面坡度而定，支渠自干渠两侧分出，控制岗的两侧的坡地。图 5.4-3 山区、丘陵区干支渠道布置（2）平原区灌区的干、支渠布置 这类灌区大多位于河流中、下游地区的冲积平原，地形平坦开阔，耕地集中连片。山前洪积冲积扇，除地面坡度较大外，也具有平原地区的其他特征。河谷阶地位于河流两侧，呈狭长地带，地面坡度倾向河流，高处地面坡度较大，河流附近坡度平缓，水文地质条件和土地利用等情况和平原地区相似，这些地区的渠系规划具有类似的特点，可归为一类。干渠多沿等高线布置，支渠垂直等高线布置。如图 5.4-4所示。11 图 5.4-4 平原区干支渠道布置（3）圩垸区灌区的干、支渠布置 分布在沿江、滨湖低洼地区的圩垸区，地势平坦低洼，河湖港汊密布，洪水位高于地面，必须依靠筑堤圈圩才能保证正常的生产和生活，一般没有常年自流排灌的条件，普遍采用机电排灌站进行提排、提灌。面积较大的圩垸，往往一圩多站，分区灌溉或排涝。圩内地形一般是周围高、中间低。灌溉干渠多沿圩堤布置，灌溉渠系通常只有干、支两级如图 5.4-5 所示。图 5.4-5 圩垸区干支渠布置 4 斗、农渠的规划布置（1）斗、农渠的规划要求 斗、农渠的规划和农业生产要求关系密切，除遵守前面讲过的灌溉渠道规划原则外，还应满足下列要求：12 适应农业生产管理和机械耕作要求；便于配水和灌水，有利于提高灌水工作效率；有利于灌水和耕作的密切配合；土地平整工程量较少。（2）斗渠的规划布置 斗渠的长度和控制面积随地形变化很大。山区、丘陵地区的斗渠长度较短，控制面积较小，平原地区的斗渠较长，控制面积较大。我国北方平原地区一些大型自流灌区的斗渠长度般为 35km，控制面积为 30005000 亩。斗渠的间距主要根据机耕要求确定，和农渠的长度相适应。（3）农渠的规划布置 农渠是末级固定渠道，控制范围为一个耕作单元。农渠长度根据机耕要求确定，在平原地区通常为5001000m，间距为 200400m，控制面积为 200600 亩。丘陵地区农渠的长度和控制面积较小。在有控制地下水位要求的地区，农渠间距根据农沟间距确定。（4）灌溉渠道和排水沟道的配合 灌溉系统和排水系统的规划要互相参照、互相配合、统盘考虑。斗、农渠和斗、农沟的关系则更为密切，他们的配合方式取决于地形条件、有以下两种基本形式：灌排相间布置 在地形平坦或有微地形起伏的地区，宜把灌溉渠道和排水沟道交错布置，沟、渠都是两侧控制，工程量较省。这种布置形式称为灌排相间布置，如图 5.4-6（a）所示。灌排相邻布置 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的径流 灌溉渠道和排水沟道只能并行，上灌下排，互相配合。这种布置形式称为灌排相邻布置。见图 5.4-6（b）。图 5.4-6 沟、渠配合方式（a）灌排相间布置；（b）灌排相邻布置 13 5 渠系建筑物的规划布置（1）引水建筑物 从河流无坝引水灌溉时的引水建筑物就是渠首进水闸，其作用是调节引入干渠的流量；有坝引水时的引水建筑物是由拦河坝、冲沙闸、进水闸等组成的灌溉引水枢纽。其作用是壅高水位、冲刷进水闸前的淤沙、调节干渠的进水流量、满足灌溉对水位、流量的要求，需要提水灌溉时修筑在渠首的水泵站和需要调节河道流量满足灌溉要求时修建的水库，也均属于引水建筑物。（2）配水建筑物 配水建筑物主要包括分水闸和节制闸。分水闸 建在上级渠道向下级渠道分水的地方。上级渠道的分水闸就是下级渠道的进水闸。斗、农渠的进水闸惯称斗门、农门。分水闸的作用是控制和调节向下级渠道的配水流量，其结构形式有外敞式和涵洞式两种。节制闸 节制闸垂直渠道中心线布置，其作用是根据需要抬高上游渠道的水位或阻止渠水继续流向下游。在下列情况下需要设置节制闸：a 在下级渠道中，个别渠道进水口处的设汁水位和渠底高程较高，当上级渠道的工作流量小于设计流量时，就进水困难，为了保证该渠道能正常引水灌灌，要在分水口的下游设一节制闸，壅高上游水位，满足下级渠道的引水要求，见图 5.4-7。图 5.4-7 节制闸与分水闸 b 下级渠道实行轮灌时，需在轮灌组的分界处设置节制闸，在上游渠道轮灌供水期间，用节制闸栏断水流，把全部水量分配给上游轮灌组中的各条下级渠道。c 为了保护渠道上的重要建筑物或险工渠段，退泄降雨期间汇入上游渠段的降雨径流，通常在它们的上游设泄水闸，在泄水闸与被保护建筑物之间设节制闸，使多余水量从泄水闸流向天然河道或排水沟道。（3）交叉建筑物 渠道穿越山岗、河沟、道路时，需要修建交叉建筑物。常见的交叉建筑物有隧洞、渡槽、倒虹吸、涵洞、桥梁等。（1）隧洞 当渠道遇到山岗时，或因石质坚硬，或因开挖工程量过大，往往不能采用深挖方渠道，14 如沿等高线绕行，渠道线路又过长，工程量仍然较大，而且增加了水头损失。在这种情况下，可选择山岗单薄的地方凿洞而过。（2）渡槽 渠道穿过河沟、道路时，如果渠底高于河沟最高洪水位或渠底高于路面的净空大于行驶车辆要求的安全高度时，可架设渡槽，让渠道从河沟、道路的上空通过；渠道穿越洼地时，如采取高填方渠道工程量太大，也可采用渡槽。图 5.4-8 表示渠道跨越河沟时的渡槽。图 5.4-8 渡槽（3）倒虹吸 渠道穿过河沟、道路时，如果渠道水位高出路面或河沟洪水位，但渠底高程却低于路面或河沟洪水位时；或渠底高程虽高于路面，但净空不能满足交通要求时，就要用压力管道代替渠道，从河沟、道路下面通过，压力管道的轴线向下弯曲，形似倒虹，见图 5.4-9。图 5.4-9 倒虹吸（4）涵洞 渠道与道路相交，渠道水位低于路面，而且流量较小时，常在路面下埋设平直的管道，叫做涵洞。当渠道与河沟相交，河沟洪水位低于渠底高程，而且河沟洪水流量小于渠道流量时，可用填方渠道跨越河沟，在填方渠道下而建造排洪涵洞。（5）桥梁 渠道与道路相交，渠道水位低于路面，而且流量较大、水面较宽时，要在渠道上修建桥梁，满足交通要求。（4）衔接建筑物 当渠道通过坡度较大的地段时，为了防止渠道冲刷，保持渠道的设计比降，就把渠道分成上、下两段，中间用衔接建筑物联结，这种建筑物常见的有跌水和陡坡。见图 5.4-10 和图 5.4-11。一般当渠道通过跌差较小的陡坎时，可采用跌水；跌差较大、地形变化均匀时，可采用陡坡。图 5.4-10 跌水 图 5.4-11 陡坡 15（5）泄水建筑物 为了防止由于沿渠坡面径流汇入渠道或因下级（游）渠道事故停水而使渠道水位突然升高，威胁渠道的安全运行，必须在重要建筑物和大填方段的上游以及山洪入渠处的下游修建泄水建筑物，泄放多余的水量。通常是在渠岸上修建溢流堰或泄水闸，当渠道水位越过加大水位时，多余水量即自动溢出或通过泄水闸渲泄出去，确保渠道的安全运行。泄水建筑物具体位置的确定，还要考虑地形条件，应选在能利用天然河沟、洼地等作为泄水出路的地方，以减少开挖泄水沟道的工程量。从多泥沙河流引水的干渠，常在进水闸后选择有利泄水的地形，开挖泄水渠，设置泄水闸。根据需要开闸泄水，冲刷淤积在渠首段的泥沙。为了退泄灌溉余水，干、交、斗渠的末端应设退水闸和退水渠。对于以上部分渠系建筑物的型式和水利计算请见本章 5.11 节，在此不作详细介绍。5.4.3 田间工程规划 田间工程通常包括最末级固定渠道（农渠）和固定沟道（农沟）之间的条田范围内的临时渠道，排水小沟、田间道路、稻田的格田和田埂、旱地的灌水畦和灌水沟、小型建筑物以及土地平整等农田建设工程。做好田间工程是进行合理灌溉、提高灌水工作效率、及时排除地面径流和控制地下水位、充分发挥灌排工程效益、实现旱涝保收、建设高产、优质、高效农业的基本建设工作。1 田间工程的规划要求和规划原则（1）田间工程的规划要求 田间工程要有利于调节农田水分状况、培育土壤肥力和实现农业现代化。为此，工程规划应满足以下基本要求：有完善的田间灌排系统，旱地有沟、畦，种稻有格田，配置必要的建筑物，灌水能控制，排水有出路，消灭旱地漫灌和稻田串灌串排现象，并能控制地下水位，防止土壤过湿和产生土壤次生盐渍化现象。田面平整，灌水时土壤湿润均匀，排水时田面不留积水。田块的形状和大小要适应农业现代化需要，有利于农业机械作业和提高土地利用率。（2）田间工程的规划原则 田间工程规划是农田基本建设规划的重要内容，必须在农业发展规划和水利建设规划的基础上进行。田间工程规划必须着眼长远、立足当前，既要充分考虑农业现代化发展的要求，又要满足当前农业生产发展的实际需要，全面规划，分期实施，当年增产。田间工程规划必须因地制宜，讲求实效，要有严格的科学态度，注重调查研究，走群众路线。田间工程规划要以治水改土为中心，实行山、水、田、林、路综合治理，创造良好的生态环境。2 条田规划 未级固定灌溉渠道（农渠）和末级固定沟道（农沟）之间的田块叫做条田，有的地方称为耕作区。它是进行机械耕作和田间工程建设的基本单元，也是组织田间灌水的基本单元。条田的基本尺寸要满足以下要求：16（1）排水要求 在平原地区，当降雨强度大于土壤入渗速度时，就要产生地面积水，积水深度和积水时间超过作物允许的淹水深度和允许的淹水时间时，就会危害作物生长。在地下水位较高的地区，当上升毛管水到达作物根系集中区时，就会招致土壤过湿。若地下水矿化度较高，还会引起表土层积盐。为了排除地面积水和控制地下水位，最常见的排水措施就是开挖排水沟，排水沟应有一定的深度和密度，排水沟太深时容易坍塌，管理维修困难。因此，农沟作为末级固定沟道，间距不能太大，般为 100200m。（2）机耕要求 机耕不仅要求条田形状方整，还要求条田具有一定的长度。若条田太短、拖拉机开行长度太小，转弯次数就多，生产效率低，机械磨损较大，消耗燃料也多。若条田太长，控制面积过大，不仅增加了平整土地的工作量，而且由于灌水时间长，灌水和中耕不能密切配合，会增加土壤蒸发损失，在有盐碱化威胁的地区还会加剧土壤返盐。因此，从有利于机械耕作这一因素考虑，条田长度以 400800m 为宜。（3）田间用水管理要求 在旱作地区，特别是机械化程度较高的大型农场，为了在灌水后能及时中耕松土，减少土壤水分蒸发，防止深层土壤中的盐分向表层聚积，一般要求一块条田能在 l2 天内灌水完毕。从便于组织灌水考虑，条田长度以不超过 500600m 为宜。综上所述，条田大小既要考虑除涝防渍和机械化耕作的要求，又要考虑田间用水管理要求，宽度一般为 l00200m，长度以 400800m 为宜。3 稻田区的格田规划 水稻田一般都采用淹灌方法，需要在田间保持一定深度的水层。因此，在种稻地区，田间工程的一项主要内容就是修筑田埂，用田埂把平原地区的条田或山丘地区的梯田分割成许多矩形或方形田块，称为格田。田埂的高度要满足田间蓄水要求，一般为 2030cm，埂顶兼作田间管理道路，宽约 3040cm。格田是平整土地、田间耕作和用水管理的独立单元。格田的长边通常沿等高线方向布置，其长度一般为农渠到农沟之间的距离。沟、渠相间布置时，格田长度一般为 100150m；沟、渠相邻布置时，格田长度为 200300m，格田宽度根据田间管理要求而定，一般为 1520m。在山丘地区的坡地上，农渠垂直等高线布置，可灌排两用。格田长度根据机耕要求确定，格田宽度视地形坡度而定，坡度大的地方应选较小的格田宽度，以减少修筑梯田和平整土地的工程量。稻田区不需要修建田间临时渠网。在平原地区，农渠直接向格田供水，农沟接纳格田排出的水量，每块格田都应有独立的进、出水口，如图 5.4-12 所示：17 图 5.4-12 稻田区田间灌排工程布置 5.4.4 灌溉渠道流量推算 渠道流量是渠道和渠系建筑物设计的基本依据。渠道流量计算是渠道设计的重要内容。正确地计算渠道流量，关系到工程造价、灌溉效益和农业增产。设计渠道时，需要用到设计流量、最小流量和加大流量，分别作为设计与校核之用。下面主要介绍这三种流量的计算方法。1 渠道的设计流量 渠道设计流量是指在设计年内作物灌水期间渠道需要通过的最大流量，或者说渠道在正常工作条件下需要通过的流量，因而又叫正常流量。它是设计渠道纵横断面和渠系建筑物的主要依据。渠道的设计流量与渠道的灌溉面积、作物组成和灌溉制度、渠道的工作制度以及渠道的输水损失等因素有关。（1）渠道流量的有关术语 灌溉水从渠首引入并经各级渠道输送到田间，各处的流量都不相同。因而在渠道流量计算中就会遇到不同的流量术语和概念，为以后叙述方便，先介绍如下：渠道田间净流量 该流量是指渠道应该送到田间的流量，或者说田间实际需要的渠道流量，用Q田净表示。渠道净流量和毛流量 对一个渠段而言，段首处的流量为毛流量，段末处的流量为净流量。对一条渠道来说，该渠道引水口处的流量为毛流量，同时自该渠道引水的所有下一级渠道分水口的流量之和为净流量。毛流量和净流量分别用Q毛和Q净表示。渠道的设计流量应该是毛流量。渠道损失流量 该流量是指渠道在输水过程中损失掉的流量，用Q损表示。很显然，渠道的毛流量、净流量和损失流量之间有如下的关系：Q毛Q净+Q损 （5.4-8）18（2）渠道输水损失Q损的估算 渠道在输水过程中一定要损失掉一部分流量或水量，称为渠道的输水损失。在进行渠道流量计算时，必须计入输水损失流量。渠道输水损失包括水面蒸发损失、漏水损失和渗水损失三部分。水面蒸发损失是指由渠道水面蒸发掉的水量，其数量很小，一般只占输水损失的 1.5左右，可以忽略不计。漏水损失是指由于地质条件不良、施工质量较差、管理维修不善以及生物作用等因素而形成的漏洞、裂隙、或渠堤决口和建筑物漏水等所损失的水量，一般约占输水损失的 15左右。而这些损失都应该是可以避免的，如提高施工质量；加强管理养护等，其数值可以大大减小。漏水损失的具体数值，可根据渠道的实际情况估算确定，在渠道流量计算时，一般不予计入。经渠床土壤的渗水损失是指通过渠床土壤孔隙渗漏掉的水量，是渠道输水损失的主要部分，是经常存在的、不能完全避免的水量损失，一般占输水损失的 80以上。渠道的输水损失估算主要是渗水损失的估算，并把它近似的作为渠道的总输水损失。渠道输水损失，在已成灌区的管理运用中，应通过实测确定；在新建灌区的规划设计中，可用经验公式和水的利用系数进行计算和表示。用经验公式估算 影响渗水损失的主要因素有：渠床土壤物理性质、渠床断面形式和渠中水深、沿渠地下水埋深和出流情况、渠道工作制度、渠道施工质量和淤积情况以及渠道的防渗措施等。渠道的渗水损失随着渠道的渗流过程而变化。现将渠道的渗流过程简介如下：渠道的渗流过程一般可分为自由渗流和顶托渗流两个阶段。渠道开始输水时，渠水沿垂直渠底和边坡的方向下渗，首先湿润紧靠渠床的土层，形成湿润圈，随着渗水时间的增长，渗水量逐渐增多，湿润层不断增大，湿润圈也随之扩大。直到湿润层和地下水面相接触为第一阶段。这一阶段以垂直下渗为主，称为湿润渠底以下土层阶段或垂直渗流阶段，见图 5.4-13（a）。之后，渠水继续下渗，并补给地下水，使渠床正下方的地下水面首先抬高，形成水峰，随着渗水时间的延长，渗水量逐渐增多，地下水峰也越来越高，直至和渠底相接为第二阶段，称为形成地下水峰阶段，见图 5.4-13（b）。以上两个阶段，渠道渗水都不受地下水的顶托影响，属于自由渗流阶段。自地下水峰上升至渠底，渠中水和地下水连为一体开始，渠道的渗水将受到地下水的顶托作用，渠道渗流进入顶托渗流阶段，见图 5.4-13（c）。这时，渗水将向两侧扩展，转入以侧向渗流为主。自由渗流发生在渠道过水的初期，或地下水埋藏较深，以及地下水出流条件较好的地区。而当渠道长期输水、地下水位较高和出流条件较差的地区则可能出现顶托渗流。图5.4-13 渠道渗流过程示意图 19（a）湿润渠底以下土层阶段渠道自由渗流（b）形成地下水峰阶段渠道自由渗流（c）渠道顶托渗流 a 自由渗流情况下的渗水损失估算。渗流情况下，渗水损失常用下列经验公式进行估算，即 100mAQ净 （5.4-9）1100010msQAQ净净 （5.4-10）1000sLQQ L损净 （5.4-11）式中：每公里长渠道的输水损失系数；A、m分别为渠床土壤透水系数和透水指数，可根据实测资料确定，无实测资料时，可采参见灌溉与排水工程设计规范中的数值；Q净渠道净流量（m3/s）；s每公里长渠道渗水损失流量L/（skm）；L渠道长度（km）；Q损渠道渗水损失流量（m3/s）。b 顶托渗流情况下的渗水损失估算。顶托渗流时，渠道的渗水损失将减小，常用自由渗流损失流量公式（5.4-10）计算出 s 值，再乘以修正系数进行计算，即 svs顶 （5.4-12）校正系数可根据渠道流量和沿渠地下水埋深参考灌溉与排水工程设计规范中的土渠渗水损失修正系数表中的数值。c 有防渗措施时的渗水损失估算。渠道采取防渗措施后，其渗水损失将显著减少，无实测资料时，可用未防渗时的 s 值乘以减少系数a进行估算，即 sas防 （5.4-13）减少系数a的值可参考灌溉与排水工程设计规范中的衬砌渠道渗水损失修正系数表中的数值。应当指出，以上各式都是建立在渠道净流量沿程不变的基础上，这与实际不符。事实上渠道净流量是沿程减少的，它是渠长的函数。因此，当渠长较大（如大于 l0km）时，用上述各式算出的结果误差较大。此