农田水力学5-排水系统规划设计

1第五章排水系统规划设计第一节排水沟道系统的规划布置第二节排水沟设计流量计算第三节骨干排水沟断面设计第四节排水承泄区2第一节排水沟道系统的规划布置排水系统组成：排水枢纽蓄水设施排水系统承泄区排水沟系3临时沟道斗沟支沟排水沟系农沟干沟农沟以下固定沟道4（3）技术经济论证，选取方案，拟出分期实施计划（2）制定规划原则，确定标准和主要措施，拟定方案排水系统规划步骤（1）搜集和分析资料，摸清涝、渍和盐碱化情况与原因51.1排水区（含灌区）的涝渍成因来水过多：（1）暴雨地面径流；（2）外来地面径流；（3）外来地下径流；（4）灌溉多余及洗盐水量排水不良：（1）承泄区和排水出口方面的问题；（2）排水区内部原因；（3）管理方面的问题。61.2排水沟系的布置1.2.1排水系统类型a.一般排水系统（1）组成：干、支、斗、农沟。（2）目的：排除地面径流和控制地下水位。（3）作用：一般只起除涝、防渍、治碱作用。（4）特征：排水沟道一般比降较大，断面较小，工程造价较低。（5）适用：南方山丘区；北方干旱区。内蒙古河套灌区灌排示意图81.2排水沟系的布置b.综合利用排水系统（1）组成骨干河网干河（一级河）支河（二级河）相当于干沟基本河网大沟（三级河）相当于支沟中沟（四级河）相当于斗沟小沟（丰产沟）相当于农沟墒网毛沟、腰沟、墒沟（2）作用除排水作用外、还有滞涝、引蓄水灌溉、养殖、通航等作用。1.2.1排水系统类型9b.综合利用排水系统（3）河网的主要特征深：沟河要深，能排地面水，也能降地下水，蓄水灌溉。网：水系成网，调度灵活。平：沟底要平，能排能引，航运、养殖。分：分级分片控制，高低片分级控制。其中“深”为关键。（4）适用南方圩垸区和地势低洼区。101.2.2排水方式（1）汛期排水和日常排水（2）自流排水和抽水排水（3）水平排水和垂直排水（4）地面截流沟和地下截流沟排水1.2排水沟系的布置11截流沟截流沟为拦截排水地区上游高地的地表径流而修建的排水沟道。它可以保护某一地区或某项工程免受外来地表水所造成的渍涝、冲刷、淤积等危害。截流沟沿保护地区上部边缘大致平行地形等高线布置。截流沟越长，要求的断面和工程越大，故应利用天然河沟或排水干沟就近导入承泄区，如图所示。131.2.3规划布置原则洪涝分治分片排水九原则滞蓄结合低处布置灌排分开统筹规划降低造价综合利用安全可靠1.2排水沟系的布置142.1除涝标准1、以治理区发生一定重现期的暴雨，作物不受涝为标准2、以治理区作物不受涝的保证率为标准3、以某一定量暴雨或涝灾严重的典型年作为排涝设计标准我国大多数地区采用暴雨重现期为5~10年一遇的设计标准。除涝标准除规定一定重现期的暴雨外，还应包括暴雨历时和排涝时间。第二节排水沟设计流量计算几种常见作物耐淹能力162.2排涝设计流量的计算排涝设计流量(designdischargeforsurfacedrainage)：排除在某一排涝设计标准下的暴雨产生的地面径流的排水流量。作用：确定排水沟断面（骨干排水沟）、排水建筑物的规模及分析现有排水设施排水能力。计算方法：排涝模数经验公式法、平均排除法172.2.1排涝模数经验公式法排涝模数q：排涝区单位面积（km2）的上排涝流量，单位为m3/（s·km2）。计算步骤：（1）确定设计暴雨P；（2）计算设计径流深R；（3）用经验公式计算排涝模数q（qmax）；（4）计算设计排涝流量Q（Qmax）。2.2排涝设计流量的计算18a.确定设计暴雨P（1）暴雨历时F=100~500平方公里选1日暴雨F=500~3000平方公里选3日暴雨（2）暴雨量①典型年法；②频率法。2.2排涝设计流量的计算2.2.1排涝模数经验公式法19b.求设计径流深R（1）水田地区——暴雨扣损法2.2排涝设计流量的计算2.2.1排涝模数经验公式法式中：P——设计暴雨量（mm）；h田滞——水田滞蓄水深，h田滞＝hp-h0；hp——雨后最大允许蓄水深度，mm；h0——雨前正常水深，可取；E——排水期间水田耗水量（mm）。20b.求设计径流深R（2）旱田地区——降雨径流相关图法2.2排涝设计流量的计算2.2.1排涝模数经验公式法1）利用P+Pa~R关系曲线Pa：前期影响雨量2）径流系数法（适用于小汇水面积）式中：——径流系数。21b.求设计径流深R（3）有水田也有旱田2.2排涝设计流量的计算2.2.1排涝模数经验公式法分别计算R水、R旱，然后加权平均，计算公式：式中：F水、F旱、F——分别为水田面积、旱地面积、水旱地总面积。22c.计算排涝模数qmax式中：R——设计径流深，mm；K——综合系数（反映河网配套程度、排水沟坡度、降雨历时及流域形状）；m——峰量指数（反映洪峰与洪量的关系）；n——递减指数（反映排涝模数与面积的关系）。d.计算排涝流量Qmax适用：大型涝区。Ｑmax＝qmaxF2.2排涝设计流量的计算2.2.1排涝模数经验公式法232.2.2平均排除法平均排除法是以排水面积上的设计净雨在规定的排水时间内排除的平均排涝流量或平均排涝模数作为设计排涝流量或排涝模数的方法。2.2排涝设计流量的计算农田会受短时间淹没。适用：规模较小的排水沟。24计算公式：注意：①平原河网地区宜考虑排水沟滞蓄；②圩区应考虑预降滞蓄，圩堤渗漏产水和套闸进水。式中，T——每天工作的小时数，h。若自排地区，T取24h，则简化为P237式（8－5）和（8－6）。其余参数同P237式（8－5）和（8－6）。2.2排涝设计流量的计算2.2.2平均排除法25例1已知淮北平原地区，F=20km2，水田、旱田及沟塘面积分别为12km2、7km2、1km2，稻田耗水e=4mm/d，稻田滞蓄水深为30mm，旱地的径流系数为0.69，沟水面蒸发强度为3mm/d，沟滞蓄水深为500mm。排涝标准为日雨量200mm两天排出。求Q、q。例题26解：（1）计算R1.计算R旱2.计算R水3.计算R沟4.设计R27（2）计算Q、q28例2已知苏南某圩区，F=3.8Km2，其中旱地占15%，水田占80%，河沟占5%。旱地的径流系数为0.67，水田日耗水e=5mm/d，水田滞蓄水深30mm，河沟水面蒸发e0=3mm/d，预降滞蓄500mm。圩堤总长7.8km，渗漏产水i=0.05mm/km/d，套闸进水0.55mm/d。排涝标准为日暴雨200mm，2日排出，每天工作22h。求Q、q。29解：（1）计算R1.计算R旱2.计算R水3.计算R沟4.计算R渗5.计算R闸6.设计R30（2）计算Q、q312.3.1排渍标准设计排渍深度：日常情况下地下水位的埋深要求。设计耐渍深度：暴雨后规定时间内要求地下水位达到的埋深。作物种类设计排渍深度设计耐渍深度旱作0.8~1.3m3~4d内地下水位降至0.3~0.6m水稻0.4~0.6m2.3排渍标准和防盐标准32盐碱地：含有危害农作物生长的过量可溶性盐碱成分的土地，又称盐碱土或盐渍土。土壤次生盐碱化：耕作土壤由于人类活动的影响而转化为盐碱土的过程。地下水临界深度：在一定的自然条件和农业技术措施条件下，为了保证土壤不产生盐碱化和作物不受盐害所要求保持的地下水最小埋藏深度。2.3.2防盐标准地下水位应控制在临界深度以下。33日常流量：当地下水位达到一定控制要求时的地下水排水流量称为日常流量。排渍模数：单位面积上的排渍流量称为设计地下水排水模数或排渍模数，单位m3/(s·km2)。作用：确定排水沟沟底高程，并校核允许最小流速2.4设计排渍流量（日常流量）的计算计算方法：1、确定排渍模数（1）采用当地或邻近地区实测资料。（2）采用公式计算（《规范》中公式）。式中：qh——设计排渍模数（m3/s.km2）；——土壤给水度（释放水量与土壤体积的比值）；H——地下水位设计降低深度（m）；T——排渍历时（h）。（3）采用经验数据。352、计算排渍流量计算方法：363.1排水沟的设计水位两点要求：A）能够通过排涝设计流量；B）满足地下水位控制要求。排涝要求排渍要求第三节骨干排水沟断面设计373.1.1排渍水位（日常水位）排渍水位——排水沟需要维持的水位。推算步骤：（1）确定排渍控制点A0高程（最远处低洼地高程）。（2）初拟各级排水沟的比降。（3）推算排干沟出口的日常水位：393.1.2排涝水位（最高水位）排涝水位是排水沟宣泄设计排涝流量时的水位。A、承泄区水位较低，排水条件较好计算步骤：（1）确定排涝控制点A。（2）拟定各级排水沟比降。（3）计算干沟出口处的排涝水位：式中：——农沟中最高水位到地面的距离，可取0.2-0.3m；L、i——自A点到排水沟出口的各级排水沟长度与比降；——局部水头损失，可不考虑上下级排水沟衔接的水位落差。40B、承泄区汛期水位较高，干沟出现短时的壅水现象。这时壅水段的排涝水位应按壅水水位线设计。41C、承泄区水位很高、长期顶托无法自流外排①没有内排站，这时最高水位一般不超出地面，以离地面0.2~0.3m为宜，最高可与地面齐平，以利排涝和防止漫溢，最高水位以下的沟道断面应能承泄除涝设计流量和满足蓄涝要求。②有内排站，则沟道最高水位可以超出地面一定高度，相应沟道两岸亦需筑堤。423.2排水沟断面设计排水沟横断面设计主要是确定排水沟横断面尺寸（水深与底宽）。一般干、支沟应作具体设计，斗沟选择有代表性斗沟作典型设计，农沟可采用地区统一的标准断面。排水沟纵断面设计主要是确定沟道的最高水位线、日常水位线和沟底高程线，并为沟道建筑物提供设计水位、沟底高程等设计资料。433.2.1排水沟横断面设计一般按明渠均匀流公式进行计算，但当有壅水现象时，需按恒定非均匀流公式推算沟道的水面线，确定沟道断面和堤顶高程。计算公式同前。3.2.1.1设计参数的选用a.底坡比降i（1）接近地面坡降，以避免深挖方；（2）应考虑承泄区水位，尽量自排；（3）满足不冲不淤（4）结合引水的沟道比降宜缓，此时应顺坡排水，倒坡引水；（5）结合蓄水灌溉、滞涝、通航时，也可采用平底。一般：干沟1/6000~1/20000，支沟1/4000~1/10000，斗沟1/2000~1/5000，农沟1/1000~1/2000。44b.边坡系数m主要与土质和沟深有关。一般同级沟、渠相比，沟道的边坡系数大于渠道的边坡系数，即排水沟边坡一般比灌溉边坡较缓。因为地下水汇入的渗透压力、坡面径流冲刷和沟内滞涝蓄水时波浪冲蚀等原因，使沟坡容易坍塌。3.2.1.1设计参数的选用46c.糙率n（1）新开挖的沟道，其糙率与灌溉渠道相同，约0.02~0.025;（2）易生杂草的沟道，一般采用较大数值。d.不冲不淤流速不淤流速一般为0.3~0.4m/s；不冲流速见教材表。排水沟的设计流速应满足不冲不淤的要求。3.2.1.1设计参数的选用48493.2.1.2排水沟断面校核a.根据防渍、通航、养殖要求校核排水沟的水深和底宽如果不能满足防渍、通航和养殖要求，则应拓宽加深断面；如果排渍要求的沟深与排涝要求的沟深相差很大时，则可以采用复式断面。51b.根据滞涝要求校核排水沟的底宽（1）确定需要排水沟滞蓄的水深式中，P——设计暴雨量h田蓄——田间蓄水量h沟蓄——沟道蓄水量h抽排——水泵抢排水量h湖蓄——湖泊洼地蓄水量h沟蓄、h湖蓄、h抽排均为折算到全面积上的水深。3.2.1.2排水沟断面校核52b.根据滞涝要求校核排水沟的底宽（2）计算需要排水沟滞蓄水量设排涝区面积为F（m2），则需要滞蓄的水量为：（3）排水沟滞蓄容积（滞蓄能力）排水沟滞蓄能力为：式中：l为排水沟的长度。53b.根据滞涝要求校核排水沟的底宽（4）校核若V沟≥W沟滞，则排水沟能满足滞蓄要求。若V沟W沟滞，则应当采取措施：1）增加抢排水量；2）减小要求的滞蓄量；3）扩大沟深或沟宽，或采用复式断面；4）增加沟道密度。54c.校核沟道灌溉引水能力利用排水沟引水灌溉时，水位往往形成倒坡或平坡，这就需要按非均匀流公式推算排水沟引水灌溉时的水面曲线，借以校核排水沟在输水距离和流速等方面能否满足灌溉引水要求，如不满足应调整排水沟的水力参数。3.2.1.2排水沟断面校核553.2.2排水沟纵断面图