第1篇　农田水利工程建设与管理

第1章　农田水利工程规划设计

1.1　作物需水量

作物需水量是灌溉农业用水的主要组成部分，也是整个国民经济中消耗水分的最主要部分。因此，它是水资源开发利用时的必需资料，同时也是灌排工程规划、设计、管理的基本依据。

1.1.1　作物需水量的概念

作物需水量从理论上说系指大面积生长的无病虫害作物，在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条件下的植株蒸腾和棵间蒸发量，包括组成植株体所需的水量。

农田水分的消耗途径主要有5个部分：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。

植株蒸腾是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%以上消耗于叶面蒸腾，只有不足1%的水量留在植株体内，成为作物植株体的组成部分。

棵间蒸发是指植株间土壤或田面的水分蒸发，又称株间蒸发。旱作物农田棵间蒸发是指旱作物植株间的土壤蒸发，水稻田的棵间蒸发是指水稻田的水面蒸发。

深层渗漏是指灌溉水或降水水量太多，使土壤水分超过了作物根系层土壤田间持水量，下渗到不能为作物利用的深层土壤的现象。通常情况下，对于旱作农田，深层渗漏是无益的水分消耗，且会造成养分的流失，灌溉要避免产生深层渗漏。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，且渗漏量较大，但是渗漏量过大也会造成水量和养分的流失。

在一定供水条件下，作物获得一定产量时实际所消耗的水量称为作物田间耗水量，简称耗水量。耗水量通常小于作物需水量。作物需水量是一个理论值，又称为潜在蒸散量（或潜在腾发量），而作物耗水量是一个实际值，又称实际蒸散量或实际腾发量。需水量与耗水量的单位一样，常以m3/hm2或mm水深表示。

作物生产单位产量（如1kg玉米）的需水量称为作物需水系数。反之，作物每消耗单位水量（mm或m3）所能生产的产量，称为作物水分生产率，又可称为作物水分利用效率，其单位通常为kg/m3。

1.1.2　作物需水量的计算

根据大量灌溉试验研究分析，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；另一方面常采用某些计算方法确定作物需水量。

在生产实践中，计算作物需水量的方法大致可归纳为两类，一类是直接计算出作物需水量，另一类是通过计算参照作物需水量来计算实际作物需水量。

1.1.2.1　直接计算作物需水量的方法

一般是先从影响作物需水量的诸因素中，选择一个或几个主要因素（例如水面蒸发、气温、湿度、日照、辐射等），再根据试验观测资料分析这些主要因素与作物需水量之间存在的数量关系，最后归纳成某种形式的经验公式。当已知影响因素的参数值时，便可算出需水量。目前，在我国采用较多的有蒸发皿法、产量法和多因素法等。下面以水面蒸发为参数的需水系数法（简称“α值法”或称蒸发皿法）为例来介绍直接计算作物需水量的方法。

大量灌溉试验资料表明，日照、气温、湿度和风速等气象因素是影响作物需水量的重要因素，而水面蒸发量能综合反映上述各种气象因素的影响。因此，可以用水面蒸发量这一参数来衡量作物需水量的大小。这种方法的计算公式一般为

式中：ET为某时段内的作物需水量，以水层深度计，mm；E0为与ET同时段的水面蒸发量，以水层深度mm计，一般采用E601型蒸发皿或20cm口径蒸发皿测定；b为经验常数；α为需水系数，或称为蒸发系数，为作物需水量与水面蒸发量之比值。

α值随作物生育阶段而改变，由实测资料确定。一般条件下，α取值为：水稻为0.8～1.57，小麦为0.3～0.9，棉花为0.34～0.9，玉米为0.33～1.0，谷糜为0.5～0.72。

由于“α值法”只需要水面蒸发量资料，易于获得且比较稳定，所以该法在我国水稻地区被广泛采用。多年来的实践表明，采用α值法时除了必须注意使水面蒸发皿的规格、安设方式及观测场地规范化外，还必须注意非气象条件（如土壤、水文地质、农业技术措施、水利措施等）对α值的影响，否则将会给资料整理工作带来困难，并使计算结果产生较大误差。

1.1.2.2　基于参照作物需水量计算实际作物需水量的计算方法

参照作物需水量是指土壤水分充足、地面完全覆盖、生长正常、高矮整齐的开阔（地块的长度和宽度都大于200m）矮草地（草高8～15cm）上的蒸发量，一般是指在这种条件下的苜蓿的需水量。因为这种参照作物需水量主要受气候条件的影响，所以都是根据当地的气候条件分阶段（月和旬）计算。有了参照作物需水量，然后再根据作物系数对参照作物蒸发蒸腾量进行修正，即可求出作物的实际需水量ET。此概念最早是由英国气象学家彭曼于1946年提出来的，它不受土壤含水量和作物种类的影响，故可以分为以下两步：①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参照作物需水量；②考虑土壤水分及作物条件的影响，对参照作物需水量进行修正，计算出实际作物需水量。

1.参照作物需水量的计算

在国外，对于这一方法的研究较多，有多种理论和计算公式，如Penman法、Penman-Monteith法、辐射法、布莱尼-克雷多法等。这些方法比较成熟、完整。其基本思想是：将作物腾发看作是能量消耗的过程，通过平衡计算求出腾发所消耗的能量，然后再将能量折算为水量，即作物需水量。其中Penman-Monteith法是在Penman法基础上加以修正提出的，并由联合国粮农组织（FAO，1998）推荐世界各地使用。

经国内外大量研究证明，Penman-Monteith公式适用于不同地区估算参考作物蒸腾蒸发量，该腾发量为一种假想的参照作物冠层的蒸发蒸腾速率，即假设作物高度为12cm，固定叶面阻力为70s/m，反射率为0.23，非常类似于表面开阔、高度一致、生长旺盛、完全覆盖地面且不缺水的绿色草地的蒸发蒸腾速率。与20世纪70年代应用的Penman公式比较，该公式统一了计算标准，无需进行地区率定和使用当地的风速函数，同时也不用改变任何参数即可适用于世界各个地区和各种气候，估值精度高且具备良好的可比性。

Peman-Monteith方法使用一般气象资料（湿度、风速、温度和实际日照时数）即可计算日、旬、月的参照作物蒸发蒸腾量，因此我国在计算作物需水量时多采用此公式，但计算公式较为复杂，限于篇幅，此处不予介绍，请参阅有关书籍。

2.实际作物需水量的计算

参照作物蒸发蒸腾量只考虑了气象因素对作物需水量的影响，实际作物需水量还应考虑作物因素和土壤含水率进行修正。Wright（1982）最早提出作物系数，用于计算实际作物需水量，并被联合国粮农组织（FAO）推荐采用。其计算公式为

式中：ET为实际作物蒸发蒸腾量；ET0为参照作物蒸发蒸腾量；Kc为作物系数，与作物种类、品种、生育期和作物的群体叶面积指数等因素有关，是作物自身生物学特性的反映；Ks为土壤水分修正系数，反映根区土壤水分不足对作物需水量的影响。

（1）作物系数。作物系数取决于作物冠层的生长发育。作物冠层的发育状况通常用叶面积指数（LAI）描述。叶面积指数为叶面积数值与其覆盖下的土地面积的比率。随着作物的生长，LAI逐步从0增加到最大值。作物系数Kc在作物全生育期内的变化规律是：在生育期初始，作物系数很小。随着作物生长，作物系数也随着冠层的发育而逐渐增大。在某一阶段，冠层得到充分发育，作物系数达到最大值。此后作物系数会在一定时期内保持稳定。随着作物成熟及叶片衰老，作物系数开始下降。

作物系数受土壤、气候、作物生长状况和管理方式等诸多因素影响，因此确定作物系数的主要方法是通过田间试验，利用试验资料反求作物系数。在没有实测资料的情况下，也可采用计算的方法确定作物系数。FAO（1998）给出了两种计算作物系数的方法。

（2）土壤水分修正系数。若供水充足，没有水分胁迫时，土壤水分修正系数Ks＝1；若供水不足，作物遭受水分胁迫时，土壤水分修正系数Ks＜1。其值主要与土壤含水率或土壤水势有关，有多种计算方法，如，詹森（Jensen）模型（1970）：

式中：AW为土壤实际有效水分百分数；θ为土壤根系层实际含水率，cm3/cm3；θc为田间持水量，cm3/cm3；θwp为永久凋萎点含水量，cm3/cm3。

雷志栋等建议的模型（1988）：

该式表示当含水率大于等于临界含水率θj时，作物蒸发蒸腾量达到最大值，且不受土壤水分限制；当含水率低于该临界值时，蒸发蒸腾量随含水率的降低而线性减小；a和b为待定系数。

对于多数作物，当根区的土壤水分含量低于毛管断裂含水量时，作物蒸发蒸腾过程受到土壤水分含量的限制，作物蒸发蒸腾量开始减少，即水分胁迫开始发生。一般可取θj等于田间持水量的65%～80%。

1.2　灌溉渠系规划设计

1.2.1　灌溉渠道系统及渠系建筑物

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。灌溉渠首工程有水库、提水泵站、有坝引水工程、无坝引水工程、水井等多种形式，用以适时、适量地引取灌溉水量。输配水工程包括渠道和渠系建筑物，其任务是把渠首引入的水量安全地输送、合理地分配到灌区的各个部分。田间工程指农渠以下的临时性毛渠、输水垄沟和田间灌水沟、畦田以及临时分水等，用以向农田灌水，满足作物正常生长或改良土壤的需要。

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灌溉排水系统，如图1.1.1所示。

1.2.1.1　渠道系统的组成和分类

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：多年使用的永久性渠道称为固定渠道；使用寿命小于一年的季节性渠道称为临时渠道。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1.1.1所示。

1.2.1.2　渠系建筑物

渠系建筑物系指各级渠道上的建筑物，按其作用的不同，可分为以下几种类型：

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。

2.配水建筑物

配水建筑物主要包括分水闸和节制闸。

（1）分水闸。分水闸的作用是控制和调节向下级渠道的配水流量，其结构形式有开敞式和涵洞式两种，如图1.1.2所示。

（2）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。

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。

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，中间用衔接建筑物连接，常见的衔接建筑物有跌水和陡坡。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，多采用陡坡。

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，当渠道水位超过加大水位时，多余水量即自动溢出或通过泄水闸宣泄出去，确保渠道的安全运行。

6.量水建筑物

灌溉工程的正常运行需要控制和量测水量，以便实施科学的用水管理。

1.2.2　渠道系统的规划

1.2.2.1　灌溉渠道的规划原则

（1）在既定的水源和水位下，各级渠道应布置在灌区的较高地带，以便自流控制较大的灌溉面积，对面积很小的局部高地宜采用提水灌溉的方式。

（2）使工程量和工程费用最小。一般来说，渠线应尽可能短直，以减少占地和工程量。尽可能与道路和防护林带、排水渠系等统一考虑（如渠线结合防护林带布置或沿路布置），以减少渠道深挖高填和交叉建筑物的数量，节约工程投资及管理费用。

（3）渠道的布置应尽量与行政区划或农业生产单位相结合，尽可能使各用水单位都有独立的用水渠道，以利管理。

（4）斗、农渠的布置要满足机耕要求。渠道线路要直，上、下级渠道尽可能垂直，斗、农渠的间距要有利于机械耕作。

（5）要考虑综合利用。山区、丘陵区的渠道布置应集中落差，以便发电和进行农副业加工。

（6）灌溉渠系规划应和排水系统规划结合进行。在多数地区，必须有灌有排，以便有效地调节农田水分状况。通常先以天然河沟作为骨干排水沟道，布置排水系统，在此基础上，布置灌溉渠系。应避免沟、渠交叉，以减少交叉建筑物。

（7）灌溉渠系布置应和土地利用规划（如耕作区、道路、林带、居民点等规划）相配合，以提高土地利用率，方便生产和生活。

1.2.2.2　干、支渠的规划布置

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3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。山区、丘陵区的干渠通常有两种布置方式，一种是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1.1.3所示。一种是在丘陵地区，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，控制岗岭两侧的坡地。

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。依地形情况可分为山前洪积冲积扇灌区和河谷阶地灌区两种情况。其中山前洪积冲积扇，地面坡度较大，排水条件较好，洪、涝威胁较轻，但干旱问题比较突出。当灌区内地下水丰富时，可同时发展井灌和渠灌。干渠多沿山麓方向大致和等高线平行布置，支渠与其垂直或斜交，如图1.1.4（a）所示；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，干渠多沿河流岸旁高地与河流平行布置，大致和等高线垂直或斜交，支渠与其成直角或锐角布置，如图1.1.4（b）所示。

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。该区域由于外河水位常高于农田，人们在江河两岸和沿湖滩地圈坪筑堤防洪（挡潮），进行围垦，形成独立的区域，叫作圩垸，如图1.1.5（a）所示。由于特殊的地形条件，本区常受外洪内涝威胁，地下水位较高。此外，因降雨不均，也常发生旱情。除涝和控制地下水位是圩垸型灌区的首要问题，圩垸区的渠道系统为灌、排、蓄结合的深沟河网系统，圩垸内地形一般四周高而中间低，干渠常沿圩垸四周布置，灌溉渠系一般设干、支两级到田。干渠控制面积大。以排为主，兼顾灌溉，排灌分家，各成系统。圩垸区渠道系统如图1.1.5（b）所示。

1.2.2.3　斗、农渠的的规划布置

1.斗、农渠的规划布置要求

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，还应满足以下要求：①适应农业生产管理和机械耕作要求；②便于配水和灌水，有利于提高灌水工作效率；③有利于灌水和耕作的密切配合；④土地平整工程量较少；⑤平原地区自流灌区的斗渠长度一般为3～5km，控制面积为3000～5000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；⑥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500～1000m，间距为200～400m，控制面积为200～600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。

2.布置形式

斗农渠的布置要与排水沟道相配合。其配合方式取决于地形条件，有以下两种基本形式：

（1）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1.1.6（a）所示。

（2）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，如图1.1.6（b）所示。

1.2.3　渠道设计流量

1.2.3.1　灌溉渠道流量概述

在灌溉实践中，渠道的流量是在一定范围内变化的，设计渠道的纵横断面时，要考虑流量变化对渠道的影响。通常用以下3种特征流量覆盖流量变化的范围，代表在不同运行条件下的工作流量。

1.设计流量

在灌溉设计标准条件下，为满足灌溉用水要求，需要渠道输送的最大流量。通常是根据设计灌水模数（设计灌水率）和灌溉面积进行计算的。

在渠道输水过程中，有水面蒸发、渠床渗漏、闸门漏水、渠尾退水等水量损失。需要渠道提供的灌溉流量称为渠道的净流量，计入水量损失后的流量称为渠道的毛流量，设计流量是渠道的毛流量，它是设计渠道断面和渠系建筑物尺寸的主要依据。

2.最小流量

在灌溉设计标准条件下，渠道在工作过程中输送的最小流量。用修正灌水模数图上的最小灌水模数值和灌溉面积进行计算。应用渠道最小流量可以校核下一级渠道的水位控制条件和确定修建节制闸的位置等。

3.加大流量

考虑到在灌溉工程运行过程中可能出现一些难以准确估计的附加流量，把设计流量适当放大后所得到的安全流量。简单地说，加大流量是渠道运行过程中可能出现的最大流量，它是设计渠堤堤顶高程的依据。

1.2.3.2　灌溉渠道水量损失

由于渠道在输水过程中存在水量损失，就出现了净流量（Qn）、毛流量（Qg）、损失流量（Ql）这3种既有联系、又有区别的流量，他们之间的关系为

对于一个渠段而言，段首处的流量为毛流量，段尾处的流量为净流量；对于一条渠道来说，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。渠道的水量损失包括渠道水面蒸发损失、渠床渗漏损失、闸门漏水和渠道退水等。水面蒸发损失一般不足渗漏损失水量的5%，在渠道流量计算中常忽略不计。闸门漏水和渠道退水取决于工程质量和用水管理水平，可以通过加强灌区管理工作予以限制，在计算渠道流量时不予考虑。把渠床渗漏损失水量近似地看作总输水损失水量。

1.2.3.3　渠道的工作制度

渠道的工作制度就是渠道的输水工作方式，分为续灌和轮灌两种。

（1）续灌。在一次灌水延续时间内，自始至终连续输水的渠道称为续灌渠道。这种输水工作方式称为续灌。

为了各用水单位受益均衡，避免因水量过分集中而造成灌水组织和生产安排困难，一般灌溉面积较大的灌区，干、支渠多采用续灌。

（2）轮灌。同一级渠道在一次灌水延续时间内轮流输水的工作方式叫做轮灌。实行轮灌的渠道称为轮灌渠道。

1.2.3.4　渠道设计流量推算

渠道的工作制度不同，设计流量的推算方法也不同，下面分别予以介绍。

1.轮灌渠道设计流量的推算

因为轮灌渠道的输水时间小于灌水延续时间，所以不能直接根据设计灌水模数和灌溉面积自下而上的推算渠道设计流量。常用的方法是：根据轮灌组划分情况自上而下逐级分配末级续灌渠道（一般为支渠）的田间净流量，再自下而上逐级计入输水损失水量，推算各级渠道的设计流量。

（1）自上而下分配末级续灌渠道的田间净流量。如图1.1.7所示，支渠为末级续灌渠道，斗、农渠的轮灌组划分方式为集中编组，同时工作的斗渠有两条，农渠有4条。为了使讨论具有普遍性，设同时工作的斗渠为n条，每条斗渠里同时工作的农渠为k条。

1）计算支渠的设计田间净流量。在支渠范围内，不考虑损失水量的设计田间净流量为

式中：Q支田净为支渠的田间净流量，m3/s；A支为支渠的灌溉面积，万亩；q设为设计灌水模数，m3/（s·万亩）。

2）由支渠分配到每条农渠的田间净流量为

式中：Q农田净为农渠的田间净流量，m3/s。

在丘陵地区，受地形限制，同一级渠道中各条渠道的控制面积可能不等。在这种情况下，斗、农渠的田间净流量应按各条渠道的灌溉面积占轮灌组灌溉面积的比例进行分配。

（2）自下而上推算各级渠道的设计流量。

1）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，即农渠的净流量为

2）推算各级渠道的设计流量（毛流量）。根据农渠的净流量自下而上逐级计入渠道输水损失，得到各级渠道的毛流量，即设计流量。由于有两种估算渠道输水损失水量的方法，由净流量推算毛流量的方法也就有两种。

a用经验公式估算输水损失的计算方法：

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。

b用经济系数估算输水损失的计算方法：

在大、中型灌区，支渠数量较多，支渠以下的各级渠道实行轮灌。如果都按上述步骤逐条推算各条渠道的设计流量，工作量很大。为了简化计算，通常选择一条有代表性的典型支渠（作物种植，土壤性质，灌溉面积等影响渠道流量的主要因素具有代表性）按上述方法推算支、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，用式（1.1.12）计算其余支渠的设计流量。

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，可计算出其他支渠控制范围内的斗、农渠的设计流量。

2.续灌渠道设计流量的推算

续灌渠道一般为干支渠道，渠道流量较大，上下游流量相差悬殊，这就要求分段推算设计流量，各渠段采用不同的断面。另外，各级续灌渠道的输水时间都等于灌水延续时间，可以直接由下级渠道的毛流量推算上级渠道的毛流量。所以，续灌渠道设计流量的推算方法是自下而上逐级、逐段进行推算。

由于渠道水利用系数的经验值是根据渠道全部长度的输水损失情况统计出来的，它反映出不同流量在不同渠段上运行时输水损失的综合情况，而不能代表某个具体渠段的水量损失情况。

1.2.3.5　渠道最小流量和加大流量的计算

1.渠道最小流量的计算

对于同一条渠道，其设计流量（Q设）与最小流量（Q最小）相差不要过大，否则在用水过程中有可能因水位不够而造成引水困难。为了保证对下级渠道正常供水，目前有些灌区规定渠道最小流量以不低于渠道设计流量的40%为宜；也有的灌区规定渠道最低水位不小于设计水位的70%。在实际灌水中，如某次灌水定额过小，可适当缩短供水时间，集中供水，使流量大于最小流量。

2.渠道加大流量的计算

渠道加大流量的计算是以设计流量为基础，设计流量乘以“加大系数”，按式（1.1.13）计算：

式中：QJ为渠道加大流量，m3/s；J为渠道流量加大系数，见表1.1.1；Qd为渠道设计流量，m3/s。

轮灌渠道控制面积较小，轮灌组内各条渠道的输水时间和输水流量可以适当调剂，因此轮灌渠道不考虑加大流量。在抽水灌区，渠首泵站设有备用机组时，干渠的加大流量按备用机组的抽水能力而定。

1.2.4　渠道纵横断面设计

最小流量主要用来校核对下级渠道的水位控制条件，判断当上级渠道输送最小流量时，下级渠道能否满足相应的最少流量。如果不能满足某条下级渠道的进水要求，就要在该分水口下游设节制闸，壅高水位，满足其取水要求。加大流量是确定渠道断面深度和堤顶高程的依据。

合理的渠道纵、横断面除了满足渠道的输水、配水要求外，还应满足渠床稳定条件，包括纵向稳定和平面稳定两个方面。纵向稳定要求渠道在设计条件下工作时，不发生冲刷和淤积，或在一定时期内冲淤平衡。平面稳定要求渠道在设计条件下工作时，渠道水流不发生左右摇摆。

1.2.4.1　设计原理

灌溉渠道一般都是正坡明渠。在渠道建筑物附近，因阻力变化，水流不能保持均匀流状态，但影响范围很小，其影响结果在局部水头损失中考虑。因此，灌溉渠道可以按明渠均匀流公式设计。

明渠均匀流水力计算可采用式（1.1.14）：

式中：Q为渠道过流量，m3/s；A为过水断面面积，m2；R为水力半径，m；i为渠底坡

度；C为谢才系数，常用曼宁公式C＝计算，其中n为渠床糙率。

1.2.4.2　梯形渠道横断面设计

对于梯形渠道横断面，过水断面面积和水力半径如下：

将其代入式（1.1.14）可得

式中：b为底宽，m；h为水深，m；m（m＝cotα）为边坡系数；其余符号意义同前。

式（1.1.15）中包括Q、b、h、m、i、n6个参数，其中只有流量Q已知，其余参数的确定还需要寻找另外一些条件。通常可利用已有工程经验先拟定m、n、i3个参数值，利用经济断面要求确定b和h的关系，然后依据不冲不淤流速要求校核所确定的断面尺寸。

1.渠道水力计算

渠道水力计算的任务是通过计算，确定渠道过水断面的水深h和底宽b。渠道梯形断面的水力计算分以下两种情况。

（1）一般断面的水力计算。这是广泛使用的渠道设计方法。根据式（1.1.14）用试算法求解渠道的断面尺寸，具体步骤如下：

1）假设b、h值。为了施工方便，底宽b应取整数。因此，一般先假设一个整数的b值，再选择适当的宽深比α，用公式h＝b/α计算相应的水深值。

2）计算渠道过水断面的水力要素。根据假设的b、h值计算相应的过水断面面积A、湿周P、水力半径R和谢才系数C等；

3）用式（1.1.15）计算渠道流量；

4）校核渠道输水能力。3）计算出来的渠道流量（Q计算）是假设的b、h值相应的输水能力，一般不等于渠道的设计流量（Q）。通过试算，反复修改b、h值，直至渠道计算流量等于或接近渠道设计流量为止。要求误差不超过5%，即

在试算过程中，如果计算流量和设计流量相差不大，只需修改h值，再行计算；如二者相差很大，就要修改b、h值，再行计算。

5）校核渠道流速。在稳定渠道中，允许的最大平均流速称为临界不冲流速，简称不冲流速，用vcs表示；允许的最小平均流速称为临界不淤流速，简称不淤流速，用vcd表示。

渠道的设计流速应满足条件vcd＜vd＜vcs。如不满足流速校核条件，就要改变渠道的底宽b值和渠道断面的宽深比，重复以上计算步骤。直到既满足流量校核条件又满足流速校核条件为止。

（2）U形断面设计。U形断面接近水力最优断面，具有较大的输水输沙能力，占地较少，省工省料，而且由于整体性好，抵抗基土冻胀破坏的能力较强。因此，U形断面受到普遍欢迎，在我国已广泛使用，多用混凝土现场浇筑。

图1.1.8为U形断面示意图，下部为半圆形，上部为稍向外倾斜的直线段。直线段下切于半圆，外倾角α＝5°～20°，随渠槽加深而增大。较大的U形渠道采用较宽浅的断面，深宽比H/B＝0.65～0.75；较小的U形渠道则宜窄深一点，深宽比可增大到H/B＝1.0。

U形断面水力计算的任务是根据已知的渠道设计流量Q、渠床糙率系数n和渠道比降i求圆弧半径r和水深h。由于断面各部分尺寸间的关系复杂，U形断面的设计，需要借助某些尺寸间的经验关系。其过水断面面积和湿周分别用式（1.1.18）和式（1.1.19）进行计算。

式中：H为水深，m；θ为圆心角，（°）；m为上部直线段的边坡系数；m′＝r为圆弧半径，m；A为过水断面面积，m2。

由上式推导出的最佳水力断面半径与水深之比Kr＝1，即水面线刚好通过圆心。实际上，设计中常选用实用经济断面，实用经济断面的Kr可按下列方法选用。

1）当渠顶以上挖深不超过1.5m，边坡系数m≤0.3，渠线经过耕地时，Kr值可按表1.1.2选用；

2）填方断面或渠顶以上挖深很小（接近0）以及土质差时，Kr取1.0～0.8。

2.渠道过水断面以上部分的有关尺寸

（1）渠道加大水深。渠道通过加大流量Qj时的水深称为加大水深hj。计算加大水深时，渠道设计底宽bd已经确定，明渠均匀流流量公式中只包含一个未知数，但因公式形式复杂，直接求解仍很困难。通常还是用试算法或查诺模图求加大水深，计算的方法步骤和求设计水深的方法相同。

（2）安全超高。为了防止风浪引起渠水漫溢，保证渠道安全运行，挖方渠道的渠岸和填方渠道的堤顶应高于渠道的加大水位，要求高出的数值称为渠道的安全超高，通常用经验公式计算。《灌溉与排水工程设计规范》（GB 50288—99）建议按式（1.1.20）计算渠道的安全超高Δh。

（3）堤顶宽度。为了便于管理和保证渠道安全运行，挖方渠道的渠岸和填方渠道的堤顶应有一定的宽度，以满足渠道稳定的需要。其中万亩以上灌区干、支渠岸顶宽度应大于2m，斗、农渠宜大于1m，万亩以下灌区可适当减小。如果有交通要求，应按照公路相关标准确定。对于防渗渠道，堤顶宽度可按照表1.1.3选用。U形和矩形渠道，公路边缘应距渠口边缘0.5～1.0m，堤顶应做成外倾斜1/100～1/50的斜坡。

1.2.4.3　渠道的纵断面设计

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。横断面设计通过水力计算确定了能通过设计流量的断面尺寸，满足了前一个要求。纵断面设计的任务是根据灌溉水位要求确定渠道的空间位置，先确定不同桩号处的设计水位高程，再根据设计水位确定渠底高程、堤顶高程、最小水位等。

1.灌溉渠道水位的推算

为了满足自流灌溉的要求，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，自下而上逐级推算出来的。水位推算公式如下：

式中：H进为渠道进水口处的设计水位，m；A0为渠道灌溉范围内控制点的地面高程，m；Δh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0.1～0.2m；L为渠道的长度，m；i为渠道的比降；ψ为水流通过渠系建筑物的水头损失，m，可参考表1.1.4所列数值选用。控制点是指较难灌到水的地面，在地形均匀变化的地区，控制点选择的原则是：如沿渠地面坡度大于渠道比降，渠道进水口附近的地面最难控制；反之，渠尾地面最难控制。

式（1.1.21）可用来推算任一条渠道进水口处的设计水位，推算不同渠道进水口设计水位时所用的控制点不一定相同，要在各条渠道控制的灌溉面积范围内选择相应的控制点。

2.渠道纵断面图的绘制

渠道纵断面图包括：沿渠地面高程线、渠道设计水位线、渠道最低水位线、渠底高程线、堤顶高程线、分水口位置、渠道建筑物位置及其水头损失等，如图1.1.9所示。

渠道断面图的绘制步骤如下：

（1）绘地面高程线。在方格纸上建立直角坐标系，横坐标表示桩号，纵坐标表示高程。根据渠道中心线的水准测量成果（桩号和地面高程）按一定的比例点绘出地面高程线。

（2）标绘分水口和建筑物的位置。在地面高程线的上方，用不同符号标出各分水口和建筑物的位置。

（3）绘渠道设计水位线。参照水源或上一级渠道的设计水位、沿渠地面坡度、各分水点的水位要求和渠道建筑物的水头损失，确定渠道的设计比降，绘出渠道的设计水位线。该设计比降作为横断面水力计算的依据。如横断面设计在先，绘制纵断面图时所确定的渠道设计比降应和横断面水力计算时所用的渠道比降一致，如二者相差较大，难以采用横断面水力计算所用比降时，应以纵断面图上的设计比降为准，重新设计横断面尺寸。所以，渠道的纵断面设计和横断面设计要交错进行，互为依据。

（4）绘渠底高程线。在渠道设计水位线以下，以渠道设计水深为间距，画设计水位线的平行线，该线就是渠底高程线。

（5）绘制渠道最小水位线。从渠底线向上，以渠道最小水深（渠道设计断面通过最小流量时的水深）为间距，画渠底线的平行线，此即渠道最小水位线。

（6）绘堤顶高程线。从渠底线向上，以加大水深（渠道设计断面通过加大流量时的水深）与安全超高之和为间距，作渠底线的平行线，此即渠道的堤顶线。

（7）标注桩号和高程。在渠道纵断面的下方画一表格（图1.1.9），把分水口和建筑物所在位置的桩号、地面高程线突变处的桩号和高程、设计水位线和渠底高程线突变处的桩号和高程以及相应的最低水位和堤顶高程标注在表格内相应的位置上。桩号和高程必须写在表示该点位置的竖线的左侧，并应侧向写出。在高程突变处，要在竖线左、右两侧分别写出高、低两个高程。

（8）标注渠道比降。在标注桩号和高程的表格底部，标出各渠段的比降。

至此，渠道纵断面图绘制完毕。根据渠道纵、横断面图可以计算渠道的土方工程量，也可以进行施工放样。

3.渠道纵断面设计中的水位衔接

在渠道设计中，常遇到建筑物引起的局部水头损失和渠道分水处上、下级渠道水位要求不同以及上下游不同渠段间水位不一致等问题，必须给予正确处理。

1.3　排水沟道系统规划设计

1.3.1　排水沟道系统的规划布置

1.排水沟道系统的组成

排水系统一般由排水区内的排水沟系和蓄水设施（如湖泊、河沟、坑塘等）、排水区外的容泄区及排水枢纽（如排水闸、抽排站等）四大部分组成。

一般排水沟系与灌溉渠系配套使用，且和灌溉渠系相类似，分为干、支、斗、农4级固定沟道，若排水面积较大或地形较复杂，固定排水沟可多于4级，如干沟上有总干、分干，支沟之下有分支；反之，也可少于4级。某一地区或灌区的排水沟系究竟适合采用几级，主要取决于灌区面积、灌区地形、流域防洪除涝规划等方面。干、支、斗3级排水沟属于输水系统，其作用为收集田间排水系统所排出的水量，并输送到容泄区。农沟及其以下的沟道属于田间排水系统，其作用为聚集排水地段上土壤内或地面上多余的水，并向下一级沟渠输送。容泄区一般多为天然湖泊、河网、洼地，也有人工兴建的容泄区。

2.排水方式及工程规划原则

（1）排水方式。排水沟系统的布置，通常由排水方式所决定。我国各地区或灌区的排水类别可以归纳为以下几种：

1）水平（沟道）排水和垂直（或竖井）排水。对于主要由降雨和灌溉渗水形成的涝地地区，一般采用水平排水方式；如由于地下深层承压水补给潜水所导致的渍涝，可考虑采用竖井排水方式；对于旱涝碱兼治地区，如地下水质和含水层出水条件较好，适宜实行井灌井排，并配合田间排涝明沟，形成垂直与水平相结合的排水系统。

2）自流排水和抽水排水。当容泄区水位低于排水干沟出口水位时，一般采用自流排水，否则须采取抽水排水或抽排与滞蓄相结合的除涝排水方式。

3）排涝和排渍。排涝是为了避免耕地受涝水淹没及江河泛滥。排渍则是为了控制地区的地下水位和农田水分。两者排水任务虽然不同，但均是为了保障农、林、牧业的正常生产，所以在规划布置排水沟系时，应均满足这两方面的要求。

4）地面截流沟（又称撇洪沟）和地下截流沟排水。对于外区流入排水区的地面水或地下水及其他特殊地形条件所形成的涝渍，可分别采用地面或地下截流沟排水的方式。

（2）规划布置原则。排水系统的规划布置，主要包括选择容泄区和排水出口及布置各级排水沟道两部分。由于排水地区的具体情况不同，因此排水系统规划时必须因地制宜，合理制定各种方案，根据排水系统的作用及任务，布置排水系统时应根据下列原则：

1）充分利用水土资源，尽量增加自流排水面积，减少占地面积，节省投资。

2）系统分级合理，长短适当，排水与行政区划相结合，以利于机耕和统一管理。

3）尽量利用现有水利设施，特别注意不打乱自然排水流势，以保障排水流畅。

4）建筑物尽量集中，尽量减少交叉。

5）系统线路在满足排水要求的前提下，争取做到“一直、二短、三安全”。线路尽量避免深挖高填、风化岩层、节理发育的破碎带和强透水地带。

6）灌排配套，有灌有排，保证及时灌溉与排水。

1.3.2　排水沟流量和水位的确定

1.3.2.1　排水流量的确定

排水流量是确定各级排水沟道断面、沟道上建筑物规模及分析现有排水设施排水能力的主要依据。排涝设计流量是指在发生除涝设计标准规定的设计暴雨时，排水沟中应通过的最大流量，它是由除涝设计标准和排水沟控制面积的大小决定的。确定排涝设计流量时，应首先确定除涝设计标准。

1.除涝设计标准

除涝设计标准是指排水设施计划达到的除涝能力，它是确定除涝设计流量和排水工程规模的重要依据。如果设计标准定得较低，虽然工程规模小，投资少，但抵御涝灾的能力较低，除涝的作用不大，作物易受涝。如果除涝设计标准定得过高，则排涝设计流量和排水工程规模将较大，工程投资和占地较多，但因出现排涝设计流量的几率不多，工程利用率不高。因此，除涝设计标准应根据自然条件、涝渍灾害、治理难易和工程效益等综合分析确定。排涝设计标准一般有3种表示方法：①暴雨重现期；②排涝保证率；③典型年。

（1）暴雨重现期。暴雨重现期是以治理区发生一定重现期的暴雨，作物不受涝作为除涝设计标准。这种表达方式除明确指出一定重现期的暴雨外，还规定在这种暴雨发生时作物不允许受涝。即当实际发生暴雨不超过设计暴雨时，农田的淹水深度、历时不应超过农作物正常生长所允许的耐淹水深和历时。

（2）排涝保证率。排涝保证率是以治理区作物不受涝的保证率作为除涝设计标准。作物不受涝的保证率，是指治理工程实施后作物能正常生长的年数与全系列总年数之比（经验保证率）。实际应用时，先假定在不同的工程规模下分别进行全系列的排涝演算，求出各种规模下作物能正常生长的经验保证率，然后选择经验保证率与治理设计保证率相一致的工程规模作为设计采用值。这种方法能综合反映雨量、水位及其他有关因素在时间、地点和数量上的组合情况，比较符合实际。但需要有相当长的降雨、水位等资料，且计算比较复杂，除大型的重要治理区外，通常较少采用。

（3）典型年。以某一定量暴雨或涝灾严重的典型年作为排涝设计标准。这种表达方式可以反映涝灾的实际情况，概念比较明确、具体，不因资料的加长而改变结果。与第二种表达方式一样，具有能反映各种有关因素之间有机联系的优点，但定量暴雨或典型年仅有一定重现期的概念，在选择定量暴雨或典型年时仍需进行频率分析。

根据《农田排水工程技术规范》（SL/T 4—1999），设计暴雨重现期可采用5～10a一遇，相应的频率为20%～10%；暴雨历时和排除时间，对于旱作物通常采用1～3d暴雨1～3d排完，对于水稻一般采用1～3d暴雨3～5d排至耐淹水深。我国部分省市地区的除涝设计标准见表1.1.5。

2.排涝设计流量（最大设计流量）

排涝设计流量是指在发生除涝设计标准规定的设计暴雨时，排水沟中应通过的最大流量。影响排涝设计流量的因素有设计暴雨、排涝面积、流域形状、地面坡度、地面植被、作物组成、土壤性质、水文地质、排水沟比降以及排水沟配套情况等。目前，计算排涝设计流量常用的方法主要有地区排涝模数经验公式法、平均排除法和排涝流量过程线法。

（1）地区排涝模数经验公式法。单位排涝面积上的最大排涝流量称为排涝模数（q）。在计算排涝设计流量时，一般是先求得除涝设计标准下的排涝模数，然后再乘以排水沟控制断面以上的排涝面积（F），就可以求得该排水沟控制的排涝设计流量（Q），即Q＝qF，故排涝模数是排水系统设计的重要数据，同时也是衡量排涝能力的技术指标。影响排涝模数的因素很多，主要有设计暴雨、流域形状、排涝面积、地形坡度、地面覆盖、作物组成、土壤性质、地下水埋深、排水沟网密度与比降以及湖塘调蓄能力等，应通过当地或邻近类似地区的实测资料分析确定。在生产实践中，多采用分析暴雨径流资料，建立设计净雨深、流域面积和排涝模数之间的经验关系，总结出排涝模数的经验公式。该法适用于大型涝区，需要求出最大排涝流量的情况。

1）平原地区排涝模数经验公式。

式中：q为设计排涝模数，m3/（s·km2）；F为排水沟设计断面所控制的排涝面积，km2；R为设计径流深，mm；K为综合系数（反映河网配套程度、降雨历时、排水沟坡度及流域形状等因素）；m为峰量指数（反映洪峰与洪量的关系）；n为递减指数（反映排涝模数与面积的关系）。

排水区的面积可以从地形图中量得，因此根据有关实测资料求得R、K、m、n等值后，该排水区的排水模数计算公式便已确定。由于有关系数和指数是根据实测资料进行分析确定的，所以求得的公式是经验公式，一般适用于汇水面积较大的除涝排水沟的流量计算。

2）山丘区排涝模数经验公式。对于山丘区，可采用设计洪峰流量经验公式计算排水沟流量。各省、区根据具体条件，统计分析了许多形式不同的经验公式可供采用。例如安徽省采用的经验公式为

式中：Q为一定频率的设计洪峰流量，m3/s；R24为相应频率的24h设计暴雨的净雨深，mm，深山区：R24＝X24-30；浅山和丘陵区：R24＝X24-40；X24为24h设计暴雨，mm，并通过点面关系折算而得；C为地区经验系数，该省分深山、浅山、高丘、低丘4类地区，相应C值为0.0514、0.0285、0.0239、0.0194；其余符号意义同前。

另外，当10km2＜F＜100km2时的经验公式为

式中：q为设计排涝模数，m3/（s·km2）；Ps为设计暴雨强度，mm/h；F为汇流面积，km2；Ka为流量参数，可按表1.1.6选用。

当F＜10km2时的经验公式为

式中：Kb为径流模数，各地不同设计暴雨频率的径流模数可按表1.1.7选用；n为汇水面积指数，可按表1.1.7选用，当F＜1km2时，取n＝1。

（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。

1）旱地排涝模数平均排除法的计算公式。

式中：Q为设计排涝流量，m3/s；qd为设计排涝模数，m3/（s·m2）；F为排水沟控制的排水面积，km2；R为设计径流深，mm；t为规定的排涝时间，d，主要根据作物的允许耐淹历时确定。对于旱地、因耐淹较差，排涝时间应当选得短些，通常取1～3d。

2）水田排涝模数平均排除法的计算公式。

式中：P为设计暴雨量，mm；hw为水田滞蓄水深，mm，由水稻耐淹水深确定；Ew为历时为t的水田田间蒸发量，mm；S为排涝时间内的水田渗漏总量，mm；t为规定的排涝时间，d，主要根据作物的允许耐淹历时确定。对于水田，通常选3～5d排除。

3）旱地和水田的综合排涝模数计算公式。

如排水区既有旱地又有水田时，则首先按上式分别计算水田和旱地的排涝模数，然后按旱地和水田的面积比例加权平均，即得综合排涝模数。

式中：Fd为设计排涝面积中的旱地面积，km2；Fw为设计排涝面积中的水田面积，km2；qd为旱田设计排涝模数，m3/（s·m2）；qw为水田设计排涝模数，m3/（s·m2）。

（3）排涝流量过程线法。当涝区内有较大的蓄涝区时，即蓄涝区水面占整个排涝区面积的5%以上时，需要考虑蓄涝区调蓄涝水的作用，并合理确定蓄涝区和排水闸、站等除涝工程的规模。对于这种情况，就需要采用概化过程线等方法推求设计排涝流量过程线，供蓄涝、排涝演算使用。

3.排渍设计流量

地下水排水流量，自降雨开始至雨后同样也存在一个流量高峰和一个变化过程。排渍流量是指非降雨期间为控制地下水位而经常排泄的地下水流量，即当地下水位达到一定控制要求时的地下水排水流量，又称日常流量。它不是降雨期间或降雨后某一时期的地下水高峰排水流量，而是一个经常性的比较稳定的较小数值。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［m3/（s·km2）］。地下水排水模数的值与当地的气象条件（降雨、蒸发）、土质条件、水文地质条件和排水沟的密度等因素有关。由于各因素之间的关系复杂，其值目前很难用公式进行精确计算，而是根据资料分析确定，表1.1.8是根据某些地区的资料分析确定的由降雨产生的排渍模数。在降雨持续时间长、土壤透水性强、排水沟网较密的地区，排渍模数可选表1.1.8中较大值。

盐碱土改良地区，由于冲洗而产生的地下水排水模数，其值一般较大，如山东省打渔张灌区在洗盐的情况下，实测的排渍模数见表1.1.9。而防止土壤次生盐碱化地区，在强烈返盐季节，其地下水控制在临界深度时的设计排渍模数通常较小。如河南省人民胜利渠引黄灌区在这种情况下测得的排水模数有时在0.002～0.005m3/（s·km2）以下，远比冲洗改良区的排渍模数小。

将确定的排渍模数乘以排水沟控制面积，即可得排水沟的排渍流量。

1.3.2.2　排水沟道设计水位的推算

设计排水沟，一方面要使沟道能通过排涝设计流量将涝水顺利排入外河；另一方面还要满足控制地下水位等要求。排水沟的设计水位可以分为排渍水位和排涝水位两种，确定设计水位是设计排水沟的重要内容和依据，需要在确定沟道断面尺寸（沟深与底宽）之前加以分析拟定。

1.排渍水位（又称日常水位）

这是排水沟经常需要维持的水位，在平原地区主要由控制地下水位的要求（防渍或防止土壤盐碱化）所决定。

为了满足最远处低洼农田降低地下水位的要求，其沟口排渍水位可由最远处农田平均田面高程（A0），考虑降低地下水位的深度和斗、支、干各级沟道的比降及其局部水头损失等因素逐级推算而得，即

式中：Z排渍为排水干沟沟口的排渍水位，m；A0为最远处低洼地面高程，m；D农为农沟排渍水位离地面距离，m；L为斗、支、干各级沟道长度，m；i为斗、支、干各级沟道的水面比降，如为均匀流，则为沟底比降；Δz为各级沟道沿程局部水头损失，如过闸水头损失取0.05～0.1m，上下级沟道在排地下水时的水位衔接落差通常取0.1～0.2m。

对于排渍期间容泄区（又称外河）水位较低的平原地区，如干沟有可能自流排除排渍流量时，按式（1.1.30）推得的干沟沟口处的排渍水位Z排渍，应不低于容泄区的排渍水位或与之相平。否则，应适当减小各级沟道的比降，争取自排。而对于经常受外水位顶托的平原水网圩区，则应利用抽水站在地面涝水排完以后，再将沟道或河网中蓄积的涝水排至容泄区，使各级沟道经常维持排渍水位，以便控制农田地下水位和预留沟网容积，准备下次暴雨后滞蓄涝水。

2.排涝水位（又称最高水位）

排涝水位是排水沟宣泄排涝设计流量（或满足滞涝要求）时的水位。由于各地容泄区水位条件不同，确定排涝水位的方法也不同，但基本上分为下述两种情况。

（1）当容泄区水位通常较低，如汛期干沟出口处排涝设计水位始终高于容泄区水位，此时干沟排涝水位可按排涝设计流量确定，其余支、斗沟的排涝水位亦可由干沟排涝水位按比降逐级推得；但有时干沟出口处排涝水位比容泄区水位稍低，此时如果仍须争取自排，势必产生壅水现象，于是干沟（甚至包括支沟）的最高水位就应按壅水水位线设计，其两岸常需筑堤束水，形成半填半挖断面，如图1.1.10所示。

（2）当容泄区水位很高、长期顶托无法自流外排时，沟道最高水位分两种情况考虑，一种情况是没有内排站的情况，这时最高水位通常不超出地面，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；另一种情况是有内排站的情况，则沟道最高水位可以超出地面一定高度（如内排站采用污工泵时，超出地面的高度就不应大于2～3m），相应沟道两岸亦需筑堤。

1.3.3　排水沟纵横断面设计

当排水沟的设计流量和设计水位确定后，便可确定沟道的断面尺寸，包括水深与底宽等。设计时，通常根据排涝设计流量计算沟道的断面尺寸，如有通航、养殖、蓄涝和灌溉等要求，则应采用各种要求都能满足的断面。

1.根据排涝设计流量确定沟道的过水断面

排水沟通常是按恒定均匀流公式设计断面，但在容泄区水位顶托发生壅水现象的情况下，往往需要按恒定非均匀流公式推算沟道水面线，从而确定沟道的断面以及两岸堤顶高程等。对于排水沟道的断面因素如底坡i、糙率n及边坡系数m等应结合排水沟特点进行分析拟定。

（1）排水沟的比降（i）。主要决定于排水沟沿线的实际地形和土质情况，沟道比降通常要求与沟道沿线所经的地面坡降相近，以免开挖太深。同时，沟道比降不能选得过大或过小，以满足沟道不冲不淤的要求，即沟道的设计流速应当小于允许不冲流速（可参考表1.1.10中数值）和大于允许不淤流速（0.3～0.4m/s）。通常说来，对照上述要求，平原地区沟道比降可在下列范围内选择：干沟为1/6000～1/20000，支沟为1/4000～1/10000，斗沟为1/2000～1/5000。

而在排灌两用沟道内有反向输水出现的情况下，沟道比降宜较平缓，其方向则以排水方向为准。对于有些结合灌溉、蓄涝和通航的沟道，其比降也有采用平底的情况。为了便于施工，同一沟道最好采用均一的底坡，在地面比降变化较大时，也要求尽可能使同一沟道的比降变化较少。

（2）沟道的边坡系数（m）。这主要与沟道土质和沟深有关，土质越松，沟道越深，采用的边坡系数应越大。由于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，沟坡容易坍塌，所以排水沟边坡通常比灌溉边坡缓，设计时可参考表1.1.11。

（3）排水沟的糙率（n）。对于新挖沟道，其糙率与灌溉渠道相同，约为0.02～0.025；对于容易长草的沟道，通常采用较大的数值，一般取0.025～0.03。

2.根据通航、养殖要求校核排水沟的水深与底宽

按除涝设计流量确定的排水沟水深h（相应的排渍水深为h0）及底宽b，往往还不一定是最后采用的数值。考虑到干、支沟在有些地区需要同时满足通航、养殖要求（表1.1.12），所以还必须根据这些要求对沟道排渍水深h0及底宽b进行校核。

通过校核，如果按排涝设计流量算出的沟道水深与底宽不能满足在排渍水位下通航、养殖和控制地下水位的要求，则沟道应按要求拓宽加深。在排涝流量和排渍流量相差悬殊且要求的沟深也显著不同的情况下，可以采用复式断面。

3.根据滞涝要求校核排水沟的底宽

平原水网圩区的一个特点就是汛期（5—10月）外江（河）水位高涨，关闸期间圩内降雨径流无法自流外排，只能依靠抽水机及时提水抢排一部分，大部分涝水需要暂时蓄在田间以及圩内部的湖泊洼地和排水沟内，以便由水泵逐渐提排出去。除田间和湖泊蓄水外需要由排水沟容蓄的水量（因蒸发和渗漏量很小，故不计）为

h沟蓄＝P-h田蓄-h湖蓄-h抽排

式中：h沟蓄为沟道蓄水量，mm；P为设计暴雨量（1d暴雨或3d暴雨，mm），按除涝标准选定；h田蓄为田间蓄水量，水田地区按水稻耐淹深度确定，通常取30～50mm，旱田则视土壤蓄水能力而定；h抽排为水泵抢排水量，mm；h湖蓄为湖泊洼地蓄水量，根据各地圩垸内部现有的或规划的湖泊蓄水面积及蓄水深度确定，mm。

h沟蓄、h湖蓄、h抽排均为折算到全部排水面积上的平均水层。

4.根据灌溉引水要求校核排水沟道底宽

当利用排水沟引水灌溉时，水位往往形成倒坡或平坡，这时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符合灌溉引水的要求，如不符合，则应调整排水沟的水力要素。

在通常工程设计中，对斗、农沟常常采用规定的标准断面（根据典型沟道计算而得），不必逐一计算，而只是对较大的主要排水沟道才需要进行具体设计。设计时，通常选择以下断面进行水力计算：①沟道汇流处的上、下断面（即汇流以前和汇流以后的断面）；②沟道汇入外河处的断面；③河底比降改变处的断面等。对于较短的沟道，若其底坡和土质都基本一致，则在沟道的出口处选择一个断面进行设计即可。

1.4　灌排泵站设计

1.4.1　灌溉泵站工程规划的内容和原则

1.泵站工程规划的内容

泵站工程规划的内容在很大程度上取决于兴建泵站的目的、规划内容和任务，其因建站目的不同而有所差异，所需要的基础性资料也各有侧重。总体而言，泵站工程规划的主要任务包括以下几方面：

（1）收集当地水文、气象、地质和交通、能源、社会经济状况等资料，勘察地形、行政区划、水源和已有水利工程设施等情况。

（2）收集当地水文、气象、地质和交通、能源、社会经济状况等资料，勘察地形、行政区，确定工程规模、控制范围及工程等级，确定灌溉或排水设计标准。

（3）确定工程总体布置方案。

（4）选择泵站站址，确定泵的设计扬程和设计流量。

（5）进行机组选型及配套，即选择适宜的泵型或提出研制新泵型的任务，选配动力机械和辅助设备，确定总装机容量。

（6）拟定工程运行管理方案。

（7）进行技术经济论证并评价工程的经济效益，为决策部门和泵站工程技术设计提供可靠的依据。

2.泵站工程规划的原则

（1）泵站工程规划必须以流域或区域水利规划为依据，按照全面规划、综合治理、合理布局的原则，正确处理灌溉与排水、自流与提水、灌溉排水与其他部门用水的关系，充分考虑泵站工程的综合利用。

（2）泵站工程的规模、控制范围和总体布置方案的确定，在很大程度上取决于兴建工程的目的，当地的经济、地形、能源、气象、作物组成，以及现有水利工程设施的情况等因素。规划中必须根据灌溉（或排水）区的地形、地貌特征，尽可能地照顾行政区划，充分利用现有水利工程设施，确定工程的控制范围和面积。

（3）工程总体布置应结合现有村镇或规划的居民点、道路、电网、通信线路、水利设施、林带等统筹考虑，合理布局。为了节约能源并便于运行管理，泵站和沟渠的布置必须遵循低田低灌、高水高排、内外分开、水旱作物分开的原则。在梯级提水灌溉工程中，应尽量减少两级泵站之间没有灌溉面积的空流段渠道长度和泵站级数，尽量使用同型号的水泵机组。

（4）灌溉或排水标准是确定泵站规模的重要依据，应根据灌溉区或排水区的水土资源、水文气象、作物组成，以及对灌排成本、工程效益的要求，按照国家最新颁布的《泵站设计规范》（GB 50265—2010）和《灌溉与排水工程设计规范》（GB 50288—99）等有关规定确定。

（5）泵站工程的技术经济论证和经济效果评价是确定泵站工程合理性与可行性，以及对不同方案进行比较与优化的依据。经济分析应按《水利建设项目经济评价规范》（SL 72—94）的规定进行。

1.4.2　设计标准

泵站规划中首先要解决的问题是设计标准问题，如排水泵站能够把多大暴雨产生的涝水在多长时间内排除，在选择水泵时按什么标准确定扬程、流量，在设计建筑物时以多高的水位作为防洪水位等，这些都与设计标准有关。如果设计标准太低，虽然工程投资较少，但工程效益也小；反之，工程效益增加，工程投资也增加。因此，设计标准问题是一个技术经济问题，应根据国家统一编制的规范来确定。

1.泵站工程等级划分

泵站工程的规模是根据流域或地区规划所确定的任务，以近期为目标，兼顾远景发展的要求，综合分析所确定的。根据泵站的规划流量或装机容量，灌溉排水泵站分为5个等级，见表1.1.13。对于工业、城镇供水泵站的等级划分，应根据供水对象、供水规模重要性确定。

2.泵站建筑物级别划分

泵站建筑物的级别是根据泵站所属等级及其在泵站中的作用和重要性进行分级的，见表1.1.14。建筑物是指泵站运行期间使用的建筑物，根据其重要性分为主要建筑物和次要建筑物。主要建筑物是指失事后造成灾害或严重影响泵站使用的建筑物，如泵房、引渠、进水池、变电设施等；次要建筑物是指失事后不造成灾害或对泵站使用影响不大并易于修复的建筑物，如挡土墙、导水墙和护岸等。临时建筑物是指泵站施工期间使用的建筑物，如导流建筑物、施工围堰等。

3.泵站建筑物的防洪标准

泵站建筑物的防洪标准直接影响泵站建筑物的防洪水位，从而影响到工程造价的高低，其防洪标准见表1.1.15。

1.4.3　站址选择

1.灌溉泵站站址选择

站址选择是根据建站处的具体情况合理地确定泵站的位置，包括取水口、泵房和出水池的位置。站址选择是否合理，关系到泵站建成后的安全取水、工程造价和运行管理等问题。灌溉泵站站址的确定，应根据泵站工程的规模、特点和运行要求，与灌区的划分同时进行，选择具体站址还应考虑以下因素。

（1）水源。为了便于控制整个灌区的面积，减小提水高度，泵站建设地点应尽量选在灌区的上游、提水流量有保证、水位稳定、水质良好的地方。

1）从渠道引水时，应选在等高线比较集中的地方。

2）从河流直接取水时，应尽量选在河段顺直、主流靠近岸边、河床稳定、水深和流速较大的地方。一般选在河床狭窄处，若遇弯曲河段，则选在水深岸陡、泥沙不易淤积的凹岸顶冲的上下游，应力求避免选在有沙滩、支流汇入和分岔的河段。

3）当从水库取水时，应首先考虑在坝下游取水；当在坝上游取水时，应选在淤积范围之外，并且站址选在岸坡稳定、靠近灌区、取水方便的地点。

4）当从湖泊中取水时，应选在靠近湖泊出口的地方或远离支流的汇入口。

5）当从感潮河段上取水时，应选在淡水充沛、含盐量低、可以长期取到灌溉用水的地方。

应该指出，在选择站址和取水口位置时，还应注意已有建筑物的影响，如在河段上建有丁坝、码头和桥梁时，由于桥梁的上游、丁坝与码头所在同岸的下游水位被淤高和水流紊乱，易形成淤积，因此站址和取水口位置宜选在桥梁的下游、丁坝和码头的上游，或对岸的偏下游。

（2）地形。站址处地形需开阔，岸坡适宜，这样有利于泵站建筑物的布置，要求开挖土方量较小，且有利于通风采光，便于对外交通和今后扩建等。

（3）地质。站址应选在岩土坚实、抗渗性能好的天然地基上。泵房及进水建筑物常需建在较深的开挖基面上，不仅要求地表附近地质良好，而且也要求开挖基面以下的地质良好。应尽量避开淤泥、泥沙所在地段，减少地基处理费用。若遇淤泥、流沙、膨胀土等不良地基，必须进行加固处理，否则不能作为建站的地址。

（4）电源。为了缩短输电线路的长度，减少工程投资，应尽可能地靠近电源。

（5）其他。

2.排水泵站站址选择

（1）站址应选在排水区的较低处，与自然汇流相适应；或利用原有的排水系统，以便减少挖渠的土方工程量，减少占地面积。但应注意将来渠系调整对泵站的影响，要靠近河岸，以便缩短排水渠的长度。

（2）站址应选在外河水位较低的地段（即设在外河下游处），以便降低排水扬程，减小装机容量和能耗。

（3）要充分考虑自排的条件，尽可能使自排与抽排相结合。

（4）注意综合利用，注意远景和近期相结合。若有灌溉的要求，则应考虑灌溉引水口与灌溉渠首的高程和布置，尽可能做到排灌结合，提高设备利用率，扩大工程效益。

（5）站址和排水渠应选在河流顺直（或凹岸）、河床稳定、冲刷淤积较少的河段，应有一定的外滩宽度，以利于施工围堰和工料场的布置，但也不宜太宽，以免排水渠太长。尽可能满足正面进水和正面泄水的要求。

（6）站址应选在地质条件较好的地方，尽可能避开淤泥软土和粉细砂地层，避开废河道、水潭、深沟等易淤积的地方。

（7）要尽量靠近居民点，并充分考虑交通、用电等方面的条件。

1.4.4　泵站建筑物布置

泵站主要建筑物通常包括取水口、引渠、前池、进水池、泵房、出水管道和出水池等。与主要建筑物配套的辅助建筑物一般有变电所、节制闸、进场公路与回车场、修配厂和库房、办公及生活用房等。

泵站建筑物的总体布置应依据站址处地形、地质、水源的水流条件和泵站的性质、泵房结构类型及综合利用的要求等因素全面考虑、合理布局。设计中，首先应把主要建筑物布置在适当的位置上，然后按辅助建筑物的用途及其与主要建筑物的关系分别布置。泵站建筑物总体布置应尽量做到布局紧凑，便于施工及安装、运行安全、管理方便、经济合理、美观协调、少占耕地等。

此外，泵站各建筑物之间应有足够的防火和卫生隔离间距；满足交通道路的布置要求；一般应在引渠末端或前池、进水池的适当位置设1～2道拦污栅及其配套的清污设施；当从多泥沙水源取水时，应在水源岸边布置防沙建筑物或在引渠的适当位置布置沉沙池等。

泵站引渠式输水干渠与铁路或公路干道相交时，站、桥或站、道宜分建且间距不应小于50m，以避免车辆噪声对值班人员工作产生干扰和尘土飞扬污染泵房区域，保证泵站的安全运行。有通航任务的泵站枢纽，泵房、船闸应分建，必须合建时，要采取保证安全通航的有效措施。

1.4.4.1　泵站枢纽配套工程建筑物

（1）公路桥。根据已建泵站工程的运用经验，认为公路桥与站身合建可以利用靠近泵房进出水的墩墙做桥墩，以节省建桥投资，但车辆的频繁过往，容易污染站区环境，直接影响值班人员工作。为了节省建桥投资，又能避免过往车辆对站区的影响，可以考虑公路桥与防洪闸、节制闸或引水渠上的拦污栅桥合建。但在一般情况下还是以单独建公路桥为宜。

（2）船闸。船闸和泵站合建的形式虽然可以节省投资，但因为泵站运行时，进出口的流速较大，有时还可能出现横向流速，从而影响通航安全。有时，为了考虑船闸的布置要求而影响泵站进出水建筑物的布置，致使泵站的进水条件受到影响。在河网地区，由于航运是重要的运输方式，兴建泵站一般应该考虑航运要求，因而很多采用小型轴流泵的内排站都考虑了泵站与船闸合建的方式。这样节省了工程投资，但水泵进水条件较差，应该引起注意。

（3）自流排水闸。在平原湖区，在兴建泵站之前，一般都有排水闸。因此，在兴建泵站时，应该考虑自排和提排相结合的问题。结合的形式应力求简单，可在原排水闸一侧建站，新开排水渠道与原排水渠道相衔接。如果建站前无自流排水闸，则在枢纽规划布置时要慎重考虑自排条件，是建自排闸还是结合泵站的附属建筑物自排，应根据具体情况进行分析比较。一般来说，在扬程较低、内外水位变幅不大时，中、小型轴流泵站可考虑闸站结合的布置形式，以利于自排和提排相结合。

（4）节制闸。对于排灌结合、自流与提水排灌结合的泵站或有综合利用要求的泵站，需要设置各种控制闸。在满足排灌或综合利用的条件下，尽量减少闸的座数，以便于管理，并有利于自动化。

（5）水电站。为了充分利用水利资源，可利用汛后内湖水位高而有余水的情况进行发电。对于这种兼有发电任务的泵站枢纽，有分建和合建两种形式。分建式投资较大，但泵站运行单一，操作简单；合建式可在不影响排灌任务的前提下发电，提高设备利用率，但水泵机组应满足提水和发电的可逆机组的要求，技术上要求较高。

根据泵站担负的任务不同，泵站枢纽布置一般有以下几种形式。

1.4.4.2　灌溉泵站建筑物布置

1.从江河、湖泊或灌溉渠道上取水的泵站

（1）有引水渠的布置形式。此形式适用于岸边坡度较缓、水源水位变幅不大、水源距出水池较远的情况。为了减小出水管长度和工程投资，常将泵房靠近出水池，用引水渠将水引至泵房。但在季节性冻土区应尽量缩短引水渠长度。对于水位变幅较大的河流，渠首可设进水闸控制渠中水位，以免洪水淹没泵房。

（2）无引水渠的布置形式。当河岸坡度较陡、水位变幅不大或灌区距水源较近时，常将泵房与取水建筑物合并，直接建在水源岸边或水中。这种布置形式省去了引水渠，习惯上称为无引水渠泵站枢纽。

2.从水库中取水的泵站

（1）从水库上游取水的泵站。从水库上游取水的泵站的布置形式与有引水渠、无引水渠的布置形式相同。当水库水位变幅较大，设置固定式泵站有困难时，可采用浮船式或缆车式移动泵站。

（2）从水库下游取水的泵站。从水库下游取水的泵站一般有明渠引水和有压引水两种方式。明渠引水是将水库中的水通过泄水洞放入下游明渠中，水泵从明渠中引水。有压引水是将水泵的吸水管直接与水库的压力放水管相接，利用水库的压能，以减小泵站动力机的功率。每个吸水管路上均设闸阀，这样可提高水泵安装高程，或省去抽真空设备。

3.从井中取水的泵站

从井中取水的泵站通常将泵房布置在井旁的地面上。如果井水位离地面较深，超过水泵允许吸上真空高度，可将泵房建在地下。

1.4.4.3　排水泵站建筑物布置

汛期排水区的涝（渍）水如不能及时顺利的排出，必须利用泵站提排，但在承泄区的枯水期或洪峰过后却可以自流排水。因此，常建成自流排水和泵站提排两套排水系统的泵站枢纽工程。按照自流排水建筑物和泵房的相对关系，排水泵站建筑物分为分建式和合建式。在分建式中，自流排水闸与泵房是分开建造的，而合建式则是将二者建在一起。

分建式与合建式布置相比，便于利用原有排水闸，且泵站有单独的前池和进水池，具有进水平顺、出水池易于布置等优点，因此实际工程中应用较多。

排水泵站的出水方式可以是出水池接明渠，也可以是出水池接暗管。按照泵房与围堤的相对位置，泵站建筑物布置可分为堤身式和堤后式。堤身式因泵房直接抵挡承泄区的洪水，一般应用于扬程不大于5m的场合。堤后式则一般扬程为10m左右。两种方式的布置和设计均应注意堤防安全并符合堤防的有关规定。

1.4.4.4　排灌结合泵站建筑物布置

一般排水区遇暴雨需排水，若承泄区水位低于排水干渠水位，可以自流排水；反之，则需泵站提排。由于受地形的影响低处排水时，高处需要灌溉；另外，由于季节间的气候差异，雨季需排水而旱季又需灌溉。这样，使同一泵站兼有排涝和灌溉任务则称为排灌结合泵站。

排灌结合泵站建筑物布置的形式很多，但就其主要特征可分为闸与泵房建在一起的合建式和分开建造的分建式。排灌结合，并考虑自流排水、自流灌溉要求的泵站，因其承担的任务较多，所以布置形式也多，一般以泵房为主体，需充分发挥其附属建筑物的协调作用，以达到多目标的排灌结合效果。当冬、春季节需要从水源引水或提水灌溉时，各附属建筑物的控制高程、尺寸和水泵安装高程等均应根据引水时期水源的低水位研究确定。

1.4.5　泵站设计流量和设计扬程的确定

在规划阶段，合理确定泵站的设计流量和设计扬程是选泵和建站的重要依据。泵站设计流量和设计扬程也是衡量泵站规模的重要指标，由该指标可确定泵站等级、泵站建筑物级别及防洪标准。

1.4.5.1　泵站设计流量的确定

泵站类型不同，其设计流量的确定方法也不同。下面就灌溉泵站和排水泵站分别介绍如何确定设计流量。

1.灌溉泵站设计流量

灌溉泵站设计流量就是在某一设计保证率下的提水灌区内，农作物的灌溉用水量或灌水定额。通常是根据灌区内气象、土壤、作物种类和耕作技术等因素估算作物需水量，再计算灌溉制度及灌溉用水过程线，然后采用灌溉用水过程中持续时间较长的最大一次灌溉用水量作为泵站设计流量。这种方法精确可靠，但较为复杂，一般用于大、中型灌区。对于小型灌区，可针对主要作物，粗略地拟定最大一次灌水定额或灌水率，然后计算泵站设计流量。

在设计灌水率确定的情况下，泵站的设计流量可由式（1.1.30）计算：

式中：Q为泵站设计流量，m3/s；q为设计灌水率，m3/（s·hm2）；A为泵站控制灌溉面积，hm2；t为泵站日开机小时数；η为灌溉水利用系数。

在有调蓄容积的提水灌区，向调蓄容积供水的泵站设计流量应根据灌溉用水量过程线和调蓄容积的大小，适当延长泵站开机天数，削减设计流量。

在确定设计流量时，应同时确定加大流量和最小流量。加大流量是泵站备用机组流量与设计流量之和。一般情况下，不应大于设计流量的1.2倍。对于多泥沙水源和装机台数少于5台的泵站，经过论证，加大流量可以适当提高。最小流量可用0.4倍设计流量确定。

2.农田排水泵站设计流量

农田排水包括排涝和排渍两部分。所谓排涝，即排除因降雨而引起的农田积水，以缩短淹水时间和深度；所谓排渍，即排除因地下水位过高而引起的农作物产量下降的那部分地下水量。考虑到工程的普遍性问题，这里只讨论排涝泵站。

确定排涝泵站设计流量前，需要首先明确排涝设计标准。排涝设计标准是指在设计暴雨情况下，为避免涝灾所允许的最长排水历时，一般包括设计暴雨频率、降雨历时、排水天数、设计外江水位频率等。目前，我国各地区都制定了自己的排涝设计标准，大多为5～10a一遇的设计暴雨3d排完。

在产流历时小于排水历时的小面积排水区，可用排水模数法计算泵站的设计流量。排水模数是指排水区内平均每平方千米排水面积的最大排水流量，其计算公式为

式中：Q为排水设计流量，m3/s；q为设计排水模数，m3/（s·km2），可以根据各地区经验公式确定；A为控制排水面积，km2。

1.4.5.2　泵站设计扬程的确定

一般而言，一个泵站有多个扬程，这是由于在运行期间，泵站上下游水位差经常发生变化。泵站扬程的变化会引起水泵工作参数的变化，为了保证水泵能够安全经济地运行，需要对泵站可能出现的各种扬程进行计算和分析。通常选取一些对水泵运行有特殊意义的扬程进行计算，并以此作为泵站设计和水泵选型的依据。这些具有特殊意义的扬程称为特征扬程，特征扬程所对应的水位称为特征水位。

（1）设计扬程。设计扬程是指泵站进、出水池设计水位的差值再加上进水池至出水池间的管道水力损失。泵站设计扬程是水泵选型的主要依据，在该工况下，泵站（水泵）必须满足设计流量的要求。

（2）平均扬程。平均扬程是在加权平均净扬程的基础上，计入进水池至出水池间的管道水力损失后的结果；或者按泵站进、出水池平均水位差，并计入水力损失来计算。

平均扬程对水泵选型也有重要的指导意义，在选择水泵时，应使水泵在该扬程下处于高效区运行，从而使能量消耗最少。

（3）最高扬程。最高扬程是指泵站出水池最高运行水位与进水池最低运行水位之差，并计入进水池至出水池间的管道水力损失。在不计入水力损失时，这一扬程称为最高净扬程，也是泵站运行的上限扬程。

水泵在该扬程下运行时，其流量虽然小于设计流量，但必须保证其运行稳定性，即必须满足水泵机组的振动和噪声不超过允许的范围、机组稳定运行等要求。

（4）最低扬程。最低扬程是指泵站出水池最低运行水位与进水池最高运行水位之差，并计入进水池至出水池间的管道水力损失。在不计入水力损失时，这一扬程称为最低净扬程。在该工况下运行时，水泵流量最大，因此必须保证机组不发生汽蚀，机组不产生有害振动和噪声等，对于离心泵站，还要保证电动机不过载。

在水泵的扬程和流量确定后，依据泵站的特征扬程、设计流量及其变化规律确定水泵的类型、型号及台数，并根据水泵的型号，合理选择与之配套的动力机型号。

1.4.6　泵房

1.泵房设计的内容

泵房也称为机房、厂房，它是安装水泵、动力机及其附属设备的建筑物，是泵站的主体工程。泵房的主要作用是为水泵机组及运行人员提供良好的工作环境。因此，合理的泵房设计对节省工程投资，发挥工程效益，以及延长设备使用寿命等方面都有很大的影响。

泵房设计内容包括：①泵房结构类型的选定；②泵房内部布置方式和各部分尺寸的拟定；③泵房整体稳定分析；④泵房结构设计。

2.泵房设计原则

（1）在保证设备安装、运行、检修等工作方便而且可靠的原则下，使泵房尺寸最小、布局紧凑、结构合理。

（2）在泵房可能遇到的各种外力作用及其最不利的组合下，满足整体稳定要求，构件满足强度和刚度要求，保证结构有足够的强度和寿命。

（3）泵房尽可能坐落在稳定的地基基础上，避开可能发生滑坡和坍塌的影响范围。

（4）保证泵房水下部分不渗水，泵房水下结构部分应进行抗裂或限裂校核及防渗处理。

（5）符合防火、照明、通风、散热、采光和防潮等要求。

（6）节约钢材、木材、水泥等建筑材料用量，减少工程投资。

（7）满足内外交通运输的要求。

（8）便于利用现代的建筑和施工方法，以利于今后的发展等。

3.泵房设计所需基本资料

（1）泵站的性质和规模等。

（2）水泵机组的型号、台数、外形尺寸、安装尺寸等。

（3）泵站枢纽的1ϒ100 000～1ϒ10 000地形图和地质资料。

（4）主要建筑物处的1/2000～1/200地形图和地质剖面图。

（5）当地的国民经济状况、能源及材料供应情况、施工技术力量。

（6）重要材料、设备、器具价格，原材料及人工单价。

4.泵房设计步骤

（1）根据选择的水泵类型、水源水位变幅及地基条件确定泵房的结构类型。

（2）根据泵房内部设备布置及通风、照明、防噪的要求和泵房整体稳定条件，确定泵房的各项尺寸及材料。

（3）进行细部结构及特种构件的计算。

1.5　机井设计

1.5.1　机井规划原则

（1）机井规划应在流域和区域水资源综合规划及地下水开发利用与保护规划的基础上进行，并应与规划区内社会经济近期和远景发展及生态环境保护的需要相适应。

（2）开采地下水应按现行国家标准《供水水文地质勘察规范》（GB 50027—2001）的有关规定取得的水文地质资料为依据，宜开采浅层地下水，并应严格控制开采深层地下水。在长期超采引起地下水位持续下降的地区，应限量开采；对已造成严重不良后果的地区，应禁止开采；滨海地区，应严防海水入侵。

（3）取用地下水时应节约用水，并应采用节水技术和设备；在规划区内应严禁污染地下水，并应保护生态环境。

1.5.2　机井布局

机井布局应根据规划区或水源地的水文地质条件和需水量，经济合理地选择井型。管井宜布局在平原、高原、山丘、沙漠、阶地等地区，可用于开采各种埋藏深度的地下水。管井井群应根据规划区或水源地的含水层厚度和层数、地下水水流方向、蓄水构造、地貌等地质和水文地质条件，以及地下水拟开采量进行合理布置。布置形式可采用方格网形、梅花形、圆弧形、线形等。井位与建（构）筑物应保持足够的安全距离。采用管井井群时，应留有备用井，备用井的数量宜按设计水量的10%～20%设置，且不得少于一眼。

灌溉用机井井距与井数的确定应符合下列规定：

（1）初选井距时的计算公式。

方格网形布井时：

梅花形布井时：

式中：L0为井距，m；F0为单井控制灌溉面积，hm2。

式中：F0为单井控制灌溉面积，亩；Q为单井平均出水量，80m3/h；t3为灌溉期机井每天开机时间，取22h/d；T2为每次轮灌期天数，8d；η为灌溉水利用系数，取0.80；η1为干扰抽水的水量削减系数，取15%；m2为净灌水定额，40m3/亩。

（2）井数的计算方法。

1）采用单井控制灌溉面积法时，按式（1.1.36）计算：

式中：N为规划区需要的打井数，眼；F4为规划区内灌溉面积，hm2。

2）采用可开采模数法时，按式（1.1.37）计算：

式中：M为可开采模数，m3/（km2·a）；F5为规划区内灌溉面积，km2；T0为灌溉天数，d/a。

1.5.3　机井设计出水量

机井设计出水量应根据当地的水文地质条件、含水层的性质及厚度等因素，采用理论计算或抽水试验的流量—降深曲线求得的经验公式计算确定。井群设计出水量的确定除应依据当地的水文地质条件、含水层的性质及厚度等因素外，还应确定机井布局和相互间干扰，应分别进行单井抽水试验和干扰抽水试验，计算不同井间距的水量消减系数，进而确定井群的设计出水量。井群设计的总出水量，应小于规划区地下水允许开采量。资料不足时，可采用勘探开采井的实测资料或根据附近同类条件的机井资料确定。成井后均应进行抽水试验，并应复核设计出水量。

设计出水量应符合下列要求：

（1）管井设计出水量应小于过滤管的进水能力。过滤管的进水能力，应按式（1.1.38）计算：

式中：Qg为过滤管的进水能力，m3/s；β为过滤管进水面层有效孔隙率，宜按过滤管面层孔隙率的50%计算；vg为允许过滤管进水流速，不得大于0.03m/s；Dg为过滤管外径，m；Lg为过滤管有效进水长度，m，宜按过滤管长度的85%计算。

（2）允许井壁进水流速可根据式（1.1.39）计算：

式中：K为含水层的渗透系数，m/s。

1.5.4　管井设计

管井设计宜包括下列内容：井管配置及管材选用、过滤器类型、填砾位置及滤料规格、封闭位置及材料、井的附属设施。

井身结构设计应根据地层情况、地下水位埋深及钻进工艺确定，并宜按下列步骤进行：

（1）宜按成井要求确定开采段和安泵段井径。

（2）宜按地层、钻进方法确定井段的变径和相应长度。

（3）宜按井段变径需要确定井的开口井径。

开采段井径应根据管井设计出水量、允许井壁进水流速、含水层埋深、开采段长度、过滤器类型及钻进工艺等因素综合确定。安泵段井径应根据设计出水量及测量动水位仪器的需要确定，宜大于选用的抽水设备标定的最小井管内径50mm。松散层地区非填砾过滤器管井的开采段井径，应大于设计过滤器外径50mm。管井深度设计应根据拟开采含水层（组、段）的埋深、厚度、地下水类型、水质、富水性及其出水能力等因素综合确定。沉淀管长度应根据含水层岩性和井深确定，宜为2～10m。管井设计中，宜设置水位测量的观测管，水位观测管的进水位置可埋设在机井的开采井段。管井的管材应根据水的用途、地下水水质、井深、管材强度、经济合理等因素综合确定。管井过滤器类型应根据含水层的性质选用。设计过滤管直径时，应根据设计出水量、过滤管长度、过滤管面层孔隙率和允许过滤管进水流速确定。填砾过滤器应包括缠丝过滤器、穿孔包网过滤器、无砂混凝土管过滤器和桥式过滤器等。