湖南省末級(jí)渠道設(shè)計(jì)流量快速查算研究

徐義軍 胡春艷 李桂元

（湖南省水利水電科學(xué)研究所 長(zhǎng)沙市 410007）

1 研究背景及意義

小型農(nóng)田水利工建設(shè)目前形成了中央多部門投入、齊抓共管的良好局面，其主要為末級(jí)渠系建設(shè)，主要包括1萬畝以下的小型灌區(qū)的全部灌溉渠系、大中型灌區(qū)支渠以下設(shè)計(jì)流量不超過1 m3/s的末級(jí)渠系。隨著2011年中央1號(hào)文件出臺(tái)，在全國又掀起了新一輪農(nóng)田水利工程建設(shè)高潮。湖南省作為一個(gè)水利大省，農(nóng)田水利工程建設(shè)任務(wù)十分繁重，目前還缺乏對(duì)全省不同地區(qū)的小型渠道流量快速查算資料。因此，如何方便規(guī)劃設(shè)計(jì)工作者快速確定渠道灌溉流量，從而選定合理的渠道尺寸，節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間，減輕規(guī)劃設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)負(fù)荷，針對(duì)末級(jí)渠道流量確定開展研究，建立小型渠道快速查算表顯得十分重要和迫切。

2 設(shè)計(jì)流量的作用

決定渠道橫斷面尺寸的因素有：渠道斷面形式、設(shè)計(jì)流量、坡降及渠床糙率。

渠道坡降由地形決定，渠床糙率由襯砌形式及材料決定，規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)此2個(gè)參數(shù)均已知，因此，只要知道渠道設(shè)計(jì)流量，便可根據(jù)水力學(xué)原理計(jì)算得渠道橫斷面尺寸。

渠道設(shè)計(jì)流量是根據(jù)渠道承擔(dān)的灌溉面積與綜合凈灌水率求得的凈流量，加上預(yù)計(jì)的輸水損失及適當(dāng)留有余地的加大流量構(gòu)成。因此，渠道設(shè)計(jì)流量不僅與渠道設(shè)計(jì)灌溉面積有關(guān)，還與作物種植結(jié)構(gòu)、灌溉制度及綜合灌溉定額有關(guān)。而作物灌溉制定、灌溉定額與當(dāng)?shù)貧庀髼l件密切相關(guān)。前種參數(shù)（灌溉面積、種植結(jié)構(gòu)）均為設(shè)計(jì)已知條件，因此，通過作物灌溉制度分析計(jì)算，便可得到特定區(qū)域不同灌溉面積設(shè)計(jì)流量。

3 灌溉分區(qū)

渠道設(shè)計(jì)流量由設(shè)計(jì)灌溉面積、作物種植結(jié)構(gòu)及灌溉制度確定。而灌溉制度由氣候因子 （決定作物生理需水量）及灌水方式確定。因此，在已知渠道設(shè)計(jì)灌溉面積、作物種植結(jié)構(gòu)條件下，可以利用水文氣象資料，通過灌溉制度分析計(jì)算確定綜合凈灌水率，進(jìn)而求得渠道設(shè)計(jì)流量。

灌溉制度分析計(jì)算過程比較繁雜，還需要有長(zhǎng)系列水文氣象資料或灌溉試驗(yàn)資料。為方便廣大基層小型農(nóng)田水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)人員，本手冊(cè)收集了湖南省各縣氣象站1971～2005年氣象觀測(cè)資料（日降雨、氣溫、氣壓、日照、風(fēng)速），按照（GB 50288-99）推薦的聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一化后的Penman-Monteith公式 （FAO-56，1998），計(jì)算參考作物騰發(fā)量ET0。然后，采用“控灌中蓄”節(jié)水灌溉模式進(jìn)行日水量平衡計(jì)算，分析各縣水稻設(shè)計(jì)灌溉定額（P=90%）及其對(duì)應(yīng)的綜合凈灌水率，以此作為確定渠道設(shè)計(jì)流量的依據(jù)。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)湖南省主要種植結(jié)構(gòu)，分雙季晚稻和中稻兩種情況，參考近年湖南省有關(guān)末級(jí)固定渠道水利用系數(shù)調(diào)研成果，編制田間灌溉渠道設(shè)計(jì)流量簡(jiǎn)易查表。

作物灌溉制度、灌溉定額與當(dāng)?shù)貧庀髼l件密切相關(guān)。湖南省幅員廣闊，不同地理位置的氣候條件差異較大，導(dǎo)致作物灌溉制度、灌溉定額差異較大，從而造成了作物凈灌水率有較大差異。因此需要通過合理的農(nóng)業(yè)灌溉用水分區(qū)來解決上述存在的問題。根據(jù)湖南省水利水電科學(xué)研究所2009年完成的《湖南省主要作物灌溉制度與灌溉定額等值線圖》科研成果 （該成果已獲省科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)），本次將湖南省分為湘北環(huán)湖平原區(qū)、湘中南山丘區(qū)、湘南山區(qū)和湘西北山區(qū)4個(gè)灌溉分區(qū)，對(duì)同一灌溉分區(qū)中相同的種植結(jié)構(gòu)所取的凈灌水率相同。表1為湖南省農(nóng)業(yè)用水灌溉分區(qū)統(tǒng)計(jì)。

表1 湖南省農(nóng)業(yè)用水灌溉分區(qū)

4 綜合灌水率確定

利用各縣氣象站長(zhǎng)系列氣象觀測(cè)資料采用彭曼法，計(jì)算各地主要作物需水量系列，根據(jù)水量平衡原理及各地成熟的節(jié)水灌溉模式，計(jì)算主要作物灌溉定額系列，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)各地種植結(jié)構(gòu)，分析各地設(shè)計(jì)綜合凈灌水率。

由于湖南省以農(nóng)業(yè)種植為主的縣級(jí)行政單位有120余個(gè)，按縣級(jí)單位列出灌水率并作為設(shè)計(jì)流量的依據(jù)，將造成后面的渠道斷面查算表格過于龐雜，為此，根據(jù)全省地形地貌、作物種植結(jié)構(gòu)、氣候條件及群眾灌水經(jīng)驗(yàn)等區(qū)域共性特征，分為4個(gè)灌溉分區(qū)，每區(qū)給出一個(gè)綜合灌水率。具體可參考《末級(jí)灌溉渠道斷面設(shè)計(jì)快速查算表》。

5 末級(jí)渠道設(shè)計(jì)流量確定

渠道設(shè)計(jì)流量按下式計(jì)算:

式中A——設(shè)計(jì)灌溉面積（萬畝）；

q——凈灌水率（m3/s·萬畝）；

η——灌溉水利用系數(shù)，η=η渠道·η田。

η渠道——指田間各級(jí)固定渠道水利用系數(shù)之積。

渠道加大流量按下式計(jì)算

式中Qj——渠道加大流量（m3/s）；

j——加大流量的加大百分?jǐn)?shù)（%），根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50288-99）6.1.8的規(guī)定，j取35%。

根據(jù)4個(gè)分區(qū)確定的不同灌溉面積對(duì)應(yīng)渠道設(shè)計(jì)流量見附后表2～5。

根據(jù)已知的設(shè)計(jì)條件（灌溉面積、種植結(jié)構(gòu)、擬采用的襯砌形式），即可根據(jù)上述表格查得所在地渠道設(shè)計(jì)流量、加大流量。

6 結(jié)果與討論

（1）上述查算表是根據(jù)湖南省氣候條件及地形地貌特點(diǎn)，主要考慮湖南省以水稻種植區(qū)為主的小型渠道灌溉流量，以其他作物為主的種植區(qū)，不適合采用本查算表。

（2）表中未襯渠道設(shè)計(jì)流量?jī)H為土渠過水流量理論值（新開土渠），因土渠受強(qiáng)降雨、水流、耕作等外界因素影響極易垮塌、於塞，同時(shí)土渠極易滋生雜草堵塞渠道，嚴(yán)重影響渠道過流，因此固定性渠道原則上應(yīng)采取襯砌處理。

（3）因渠道襯砌有最小施工斷面要求，控制灌溉面積200畝以下的渠道若必須襯砌則不必計(jì)算流量，可采用最小施工斷面控制即可。

（4）田間毛渠為非固定性渠道，一般不應(yīng)考慮襯砌，一方面嚴(yán)重破壞了農(nóng)田生態(tài)環(huán)境；另一方面花費(fèi)了大量工程投資，勞民傷財(cái)，得不償失。

表2 湘北環(huán)湖平原區(qū)不同灌溉面積對(duì)應(yīng)渠道流量表

表3 湘中南山丘區(qū)不同灌溉面積對(duì)應(yīng)渠道流量表

表4 湘南山區(qū)不同灌溉面積對(duì)應(yīng)渠道流量表

表5 湘西北山區(qū)不同灌溉面積對(duì)應(yīng)渠道流量表