固始縣高標準農田示范水利工程規劃與設計

周永金

(河南省固始縣水利局,河南 固始 465200)

0 前言

固始縣位于豫東南大別山北麓,固始縣地勢南高北低，從西南向東北傾斜，年平均氣溫15.30℃，年均降水量1 058.40 mm，無霜期228 d，水面蒸發量874.30 m，干旱指數0.96。土壤主要為黃棕壤土、沙壤土、潮土及其發育而成的水稻土，肥力中上，適宜多種農作物生長發育。溫和適中的氣候條件，光、熱、水資源豐富，以及肥沃的土壤地質，對農作物生長極為有利，為縣域內農業生產奠定了良好的基礎，有利于建設高標準的農田水利項目示范工程。

1 縣級農田水利建設規劃

1.1 總體布局

固始縣農田水利規劃涉及32個鄉(鎮、街道辦事處)的412個行政村，規劃面積45 493.33 hm2，效益人口70.47萬人。基于固始縣對水資源利用以及全面振興當地農業生產和經濟發展的要求，此次縣域級高標準農田水利工程在規劃上總體分為灌溉排水工程和水源工程的建設。灌溉排水工程涉及大型灌區末級渠系改造、小型灌區固定渠道的整修配套和排水溝道整治及排水泵站改造。水源工程有塘壩改造、新打機電井和灌溉泵站改造?？傮w目標力求灌蓄結合、灌排自如。

1.2 縣域分區規劃

綜合考慮固始縣地形、水源條件、縣域經濟社會發展水平、農田水利發展現狀和特點，以及農藝、農機技術需求等把全縣規劃分成2個區。分區Ⅰ：主要是南部淺山區，包括祖師、武廟等5個鄉鎮，規劃重點為末級渠系改造、塘壩建設和小型灌區渠系整修配套；分區Ⅱ：包括胡族、黎集等27個鄉鎮，地形主要為丘崗、平原和洼地相兼區，規劃重點為末級渠系改造、塘壩建設、排水溝道整治、灌排泵站改造和機電井建設。

1.3 高標準農田建設總目標

以固始縣高標準農田水利建設規劃為基礎，結合項目區實際情況，在工程全部實施后，項目示范區的效益應達到以下目標：①項目區恢復有效灌溉面積360.00 hm2，改善灌溉面積4 774.33 hm2，為固始縣縣域新增高效灌溉的農田5 134.33 hm2，此新增的面積在固始縣總農田耕地面積中所占的比重達75.60%(高于60%)；②保證建成后的灌溉渠道系統的渠系水利用系數由0.50提高到0.70，灌溉保證率由75%提高到85%，減少長年淤積的土地15 580.00 hm2，年均節約灌溉用水量2 834.20萬m3；③項目區新增耕地面積按750.00 kg/hm2的增產糧食計算，每年的糧食收獲增加385.07萬kg，恢復有效灌溉的耕地糧食生產增速達10.40%(高于10%)。

項目實施后，灌溉水源進一步得到了保障，水資源進一步得到合理利用，從根本上解決和改善項目區農村用水條件和水質，提高了農村衛生水平，加之渠系的標準化建設、配套工程和渠路植樹造林，不但加快了項目區的農業林業發展，而且綠化美化了環境。其次，對于改良項目區的土壤地質條件，改變農業種植結構和種植比例，增加農民收入都有巨大的促進作用。另外，在推進小型農田水利工程管護機制改革的同時，能夠積極推進農業灌溉供水產權移交，便于農業用水的管理。

2 工程設計原則

固始縣高標準農田水利示范項目進行工程設計的總體原則為：堅持布局合理，范圍和規模清晰，集中連片，整體推進的原則。主要涉及的工程項目為斗渠和農渠、灌溉所需配套建筑物、田間道路工程以及標志牌的布置。

2.1 斗渠、農渠布置

斗渠控制面積一般為66.67～100.00 hm2，間距600.00～800.00 m。農渠控制面積一般為10.00～20.00 hm2，間距300～400 m。項目區的灌溉體系基本完善，問題在于大部分斗渠和農渠淤積嚴重，如圖1所示。需對現有斗、農渠進行清淤治理，按照過流要求計算合理斷面，進行混凝土襯砌。

2.2 配套建筑物布置

按實際灌溉要求，合理和規范配置斗門和農門，間距200.00 m左右；考慮水系與道路的連貫，可在渠道與道路交叉處，設置過路涵，寬度一般取4.00 m，管徑根據渠道尺寸合理選擇。為方便耕作要求，渠道上設置過渠涵，原則上過渠涵布置間距≥150.00 m。在渠道流向高程落差大的位置設置跌水建筑物，規格為D600。項目區橋型式設計為鋼筋混凝土平板橋，橋面與兩岸路面順接，基礎埋深不少于設計溝渠底線0.50 m；橋面采用C30混凝土鋪裝層(中厚120.00 cm，邊厚80.00 cm，橋面橫坡1.50%，以利排水)，橋面凈寬為5.00 m，并根據排水溝斷面，確定平板橋跨度。閘室部分采用開敞式，底板和閘墩均采用C25鋼筋混凝土結構，閘孔尺寸寬×高(1.00 m×1.00 m)，閘門均采用鑄鐵閘門，閘門尺寸為1.20 m×1.10 m，并安裝螺桿啟閉機控制閘門運行。進口與渠道連接均采用M7.5漿砌石扭面和直立式擋土墻，出口與渠道均采用扭面連接。

2.3 田間道路工程布置

為保證項目區田間交通便利，進行必要的田間道路改造。道路改造盡量利用現已形成的道路布局，將現有田間道路素土路面改造為混凝土路面。目前，項目區的機耕路仍然是泥土路，沒有經過硬化處理，對工程運輸造成不便。因此，此次規劃增加項目區10.59 km的硬化機耕路面積。根據需要，路面采用C25混凝土進行澆筑，保證路面平均凈寬4.00 m，路肩寬0.50 m，路基寬4.60 m。路面結構下部基層采用20.00 cm厚、4.60 m寬三七灰土夯實，上部路面采用18.00 cm厚、4.00 m寬C25混凝土澆筑。路面設計應考慮排水與道路防滑需要，因此路基及路面橫坡比均設計為1.50%，并對路面進行壓槽處理?；炷谅访嬗捎谕饨鐪夭钶^大造成脹縮時，容易出現開裂和變形，為避免該不利現象的出現，每200 m設置一寬為20 mm的脹縫，每5 m設置一寬5 mm、深35 mm的縮縫，縫內均使用瀝青灌縫。

3 灌溉系統工程設計方案

3.1 渠道設計流量計算

根據《灌溉與排水工程設計規范》(GB50288-1999)中對灌溉渠道設計流量的規定，此次固始縣項目區的渠道設計流量為：

(1)

根據此項目的農田水利工程設計，斗渠按續灌方式設計，農渠按輪灌方式設計，農渠輪灌分組為2～3組，以分組中的最大輪灌流量再加大30%作為斗渠的設計流量。

3.2 渠道縱斷面設計

首先根據田間的用水需求來規劃渠道的走向，然后基于用水量、渠道的設計水位等參數來進行縱斷面的設計，主要包括渠道的底高程和頂高程，以及渠道的坡度比降。

3.2.1 渠道水位推算

各條子渠道的設計應充分考慮渠道內的水流能夠順利向下游流動，可采取的應對措施是保證各級渠道水流入口處保證有最低要求水位，此水位的確定需根據該渠道入口連接的下游各條渠道綜合確定，從渠道的末端對各級子渠道向上游入口進行各點水位計算，同時考慮渠道上的沿程和局部水頭損失。計算公式如下：

H進=A0+Δh+∑Li+Lζ

(2)

式(2)中：H進為渠道進水口處設計水位，m；A0為控制點地面高程，m；Δh為高程差；L為渠道長度，m；i為渠道比降；Lζ為總局部水頭，m。

3.2.2 進水口底板高程確定

由于需要保證渠道沿線的灌溉用水以及上游其他需水，因此各級渠道進水口底板的高程在設計時若高于上級渠底，則差值應小于等于上級0.30 m。

3.2.3 渠道縱比降

各級灌溉渠道的比降均需要確定，確定時應考慮以下幾點：①已知的控制點水位；②作物灌溉的便捷性；③盡量減小工程量；④適應地形條件。最終確定此項目灌溉渠道中斗渠為1/2 000～1/5 000，農渠為1/2 000～1/3 000的比降。

3.3 渠道橫斷面設計

橫斷面設計使用均勻流公式計算，即：

(3)

式(3)中：ν為渠道平均流速，m/s；ω為渠道過水斷面面積，m2，對于梯形斷面排水溝則ω=(b+mh)h，其中b為溝道底寬，m；m為溝道邊坡系數；h為溝道水深，m；R為水力半徑，R=ω/x，m；χ為濕周，χ=b+2h(1+m2)1/2，m；i為溝道比降；C為謝才系數，C=(1/n)R1/6；n為溝道糙率。

渠道邊坡系數m值與河渠的河床的土質有關。此工程渠道的地表土壤為亞粘土和砂壤土，渠道斷面均采用寬淺式梯形斷面，內邊坡為1∶1，U型渠襯砌渠道，因此邊坡系數取零。此次河渠的斗渠和農渠若為土質渠道，取n=2.50×10-2；若為混凝土硬化渠道，則n=1.40×10-2。

渠道堤頂超高計算公式為：

Δh=0.25h+h′

(4)

式(4)中：Δh為渠道超高，m；h為渠道水深，m；h′與渠道有關，結合該工程的實際情況，斗渠采用0.30 m，農渠采用0.20 m。

3.4 堤頂寬度確定

按照要求，支、斗、農渠的護堤寬度分別為1.00、0.50、0.50 m，田面以上寬分別為0.50、0.30、0.30 m。

3.5 渠道混凝土防滲襯砌設計

項目區內渠道全部襯砌，根據設計斷面，采用梯形襯砌和U型襯砌，梯形襯砌采用C20混凝土，護底和護坡厚度均為8.00 cm，每隔5.00 m設一道伸縮縫，縫寬2.00 cm，內用“SBS”材料填縫；U型襯砌根據渠道采用三種類型，即U40、U60和U80，U型襯砌厚度為10.00 cm，壓頂寬度15.00～20.00 cm，厚度10.00～15.00 cm。

3.6 典型設計

3.6.1 基本資料

此工程渠道水利用系數0.90。此項目灌區內兼有旱作灌區和水稻灌區，即選擇田間水利用系數設計值為0.80，則灌溉水利用系數為：

η水=η渠系×η田系

(5)

式(5)中：η渠系為渠道水利用系數；η田間為田間水利用系數。因此此次固始縣農田渠道建設的灌溉水利用系數η水為0.90×0.80=0.72。

3.6.2 灌區設計灌水率的確定

在進行農田水資源灌溉時可能伴隨著灌溉用水高峰和產生短時間的供水不足現象，為了減小或消除這種現象而不影響農作物灌溉，渠系設計灌水率的計算公式為

(6)

式(6)中：M為灌溉定額，m3/hm2，根據作物生長期確定；T為灌水延續時間，d；α為作物種類比例，%；β為系數，取β=8.64，根據灌水持續時間確定。

3.6.3 設計流量和斷面尺寸

農渠為U形斷面。為了減少灌溉時渠道的輸水損失水量，盡可能地減少水流流過無關農渠的時間，在設計時按實際灌溉時各級渠道編組輪灌的方式進行規劃，這樣能保證各級渠道輸水時對農田進行充分灌溉而不增加在多余渠道中的輸水時間，大大提高了耕地灌輸效率，實現渠道的高效利用。在確定入口處的水位之后，根據各級渠道所需的田間灌溉流量確定各級渠道的田間流量，然后從入口處向下游各個渠道分配流量，最后計算各渠道的水頭損失。從上往下分配到下游各級斗渠以及由斗渠分配到每條農渠的田間凈流量分別為：

Q斗田凈=A斗qd

(7)

(8)

式(7)(8)中：A斗為灌溉面積，hm2；qd為設計灌水模數，m3/(s·hm2)，n為同時工作的斗渠條數，條；k為每條斗渠同時工作的農渠條數，條。

根據式(8)計算農渠凈流量：

(9)

推算各級渠道的設計流量(毛流量)為：

Qg=Qn(1+σL)

(10)

式(9)(10)中：Qn為渠道的凈流量，m3/s；σ為每公里渠道損失量與凈流量比值；L為最下游一個輪灌組灌水時渠道的平均工作長度，km。在各級農渠設計流量的計算中，一般去取農渠長度的一半。

根據以上設計，此次固始縣高標準農田水利工程典型U型渠設計水力要素如表1所示。

表1 典型U型渠設計水力要素表

3.6.4 斗渠設計流量和斷面尺寸計算

同樣的，對各級斗渠的設計流量計算，也是通過下游農渠的流量從下游往上游確定的

Qs=qsAsηs

(11)

式(11)中：Qs為續灌渠道設計流量，m3/s；qs為設計灌水率，取6.07×10-2m3/(s·hm2)；As為該級渠道控制灌溉面積，hm2；ηs為該渠道至田間的灌溉水利用系數，由前面計算得灌溉水利用系數為0.70。

由于梯形渠道的設計過程較為類似，文中僅以吳營斗渠、分水亭鎮中干西加支渠作為設計示例。分水亭鎮中干西加支渠控制面積2 333.33 hm2，計算Qs=0.20 m3/s；李店鄉吳營斗渠控制面積4 333.33 hm2，計算得Qs=0.32 m3/s。根據渠道現狀，采用明渠均勻流計算方法，按流量加大35%計算，項目區李店鄉吳營斗渠、分水亭鎮中干西加支渠水力要素見表2。

表2 項目區斗渠設計水力要素表

4 結語

田間水利工程建設關系到農業生產和農村經濟環境的改善，是全面實現鄉村振興的基礎保障條件。加強田間工程建設是固始縣“打造高標準農田，促進農村經濟發展”行而有效的手段。項目區土壤肥沃，水源條件較好，有較高的增產潛力，但項目區的田間水利工程基礎設施已遠遠不能滿足當前農業生產快速發展的需要。針對項目區進行的高標準小型農田水利設施建設，必將起到促進農業生產和增收，保障糧食安全，改善農村生態環境的巨大作用。