三屯河灌區渠道改造工程設計及效益分析

寇 俊

（昌吉市三屯河流域管理處，新疆 昌吉 831100）

1 引言

我國是一個農業大國，水資源對農業產出具有較大的影響。水資源短缺是制約農業發展的一個重要因素，為此，我國自建國以來修建了大量的水庫、灌區，以改善水資源時空分布不均、季節性短缺問題，大大促進了農業的發展和當地居民的收入，具有重要的社會、經濟、環境效益[1～4]。大部分工程由于修建時期較早，受限于當時的經濟、設計、施工水平，導致工程在使用過程中出現了眾多的問題，如水資源利用效率低下，水利建筑物穩定性降低等[5～7]。為了充分解決這些問題就需要準確分析建筑的風險以及水資源利用效率，衡量多方面利益，提出最終的改造方案[8～10]。以三屯河灌區為例，對灌區渠道防滲改造方案進行研究，為新疆地區灌區改造工程提供參考。

2 工程概況

三屯河灌區位于天山北麓，始建于上世紀60 年代。轄區南北長260 km，東西寬30 km，總面積8044 km2。各骨干輸水工程概況如下：①西干渠。建于1961 年～1962 年，位于三屯河西岸，全長20.8 km，設計流量50 m3/s，從渠首至14.8 km 處為梯形斷面圓弧底，混凝土梯形斷面圓弧底。②東干渠。建于1965 年～1966 年，位于三屯河東岸，全長15.5 km，設計流量15.5 m3/s，為梯形斷面圓弧底，漿砌卵石襯砌。③盤山渠。位于西干渠首以上5 km，依山坡盤山而建，設計流量4 m3/s，土渠。

圖1 三屯河灌區概況

3 渠道改造工程設計

3.1 各級渠道用水需求

渠道改造主要目的是為滿足農作物灌溉用水需求，以東干渠為例，東干渠首灌區作物設計水平年需水量見表1。

表1 東干渠首灌區設計水平年灌溉需水量 單位：萬m3

根據作物用水需求、設計灌溉率及渠道水利用系數，計算東干渠各級渠道設計流量：式中：Q 為渠道設計流量，m3/s；q 為設計灌溉率，m3/（s·萬畝）；A為設計灌溉面積，萬畝；η 為灌溉水利用系數。

東干渠分段流量計算結果見表2。

表2 東干渠分段流量計算結果

3.2 渠道斷面及襯砌結構設計

3.2.1 斷面形式

東干渠全長15.5 km，設計流量15.5 m3/s，為梯形斷面圓弧底，漿砌卵石襯砌。渠道自建成以來，使用年限達到56 年，已超出設計的30 年，現狀渠道破損嚴重，為了保證渠道輸水效率以及耐久性，考慮對原渠道進行拆除重建。目前，渠道斷面形式主要有4 種，不同斷面特點見表3。原渠道形狀為梯形，結合表3 不同類型斷面的特點，選擇梯形斷面作為此次渠道改造的斷面形式，可以充分利用原有渠道，減少開挖工程量，同時施工難度較低，雖然占地面積略大，但場地主要分布為農田，施工費用較低。

表3 不同斷面類型特點

3.2.2 襯砌結構設計

新疆地區常用的渠道襯砌方案包括：全斷面現澆混凝土、底板和邊坡下部座漿、干砌卵石灌漿+邊坡上部現澆混凝土襯砌、全斷面漿砌石3 種。3 種方案對比見表4。

通過對表4 的各項特征進行分析，3 種方案每米造價分別為686 元、585 元、886 元（卵石運距大）。采用漿砌石底板+混凝土邊坡具有耐磨性高，造價較低等優點，因此選擇次方案作為渠道的襯砌方案。渠道斷面見圖2。

表4 渠道襯砌方案

圖2 渠道襯砌斷面

4 灌溉水利用系數分析

三屯河灌區灌溉可分為兩部分：地表水灌溉和地下水灌溉。兩種灌溉方式不同，因此，需要分別計算兩種灌溉方式的灌溉水利用系數。

現狀年地表水灌溉分兩部分：一部分為常規地面溝畦灌，通過干、支、斗、農渠道輸水至田間；一部分為渠水輸水高效節水灌，通過干、支渠、管道輸水至田間。因此，渠系水利用系數分別計算。根據之前的渠系水利用系數，計算值大于實測值，因此，采用實測方法獲取灌溉水的利用系數。灌溉水利用系數實測結果見表5、表6。現狀年設計水平、年地下水灌全部采用高效節水灌溉，灌溉水利用系數根據水管實測資料統計為0.90。

表5 地表水灌溉水利用系數實測值（常規灌溉）

表6 地表水灌溉水利用系數實測值（高效灌溉）

三屯河灌區灌溉面積82 萬畝。現狀年地面灌面積33 萬畝，占比40%；高效節水灌面積49 萬畝，占比60%。其中管渠灌37 萬畝，占比45%；地下水灌12 萬畝，占比15%。根據規劃設計，年灌區將進一步發展高效節水灌。設計水平年地面灌面積25 萬畝，占比30%；高效節水灌面積57 萬畝，占比70%。其中管渠灌41 萬畝，占比50%，地下水灌16 萬畝，占比20%。根據各灌溉方式、灌溉面積、加權計算綜合灌溉水利用系數，見表7。

表7 綜合灌溉水利用系數

5 結論

三屯河灌區在多年使用過程中，出現了渠道破損等現象，造成輸水效率低下，嚴重制約了當地經濟的發展。以東干渠為例，對渠道改造工程進行分析，收集農作物用水需求，作為各級渠道設計流量的基本依據，通過方案比選，采用梯形斷面和漿砌石底板+混凝土邊坡的襯砌方案，具備施工簡便、耐磨性能高以及投資較低等特點。通過分析，獲取了2016 年、2019 年渠道水利用系數。改造后的渠道水利用系數有了明顯的提升，在此基礎上，可為新疆地區灌溉改造工程提供一定的參考。