固始縣高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田示范水利工程規(guī)劃與設(shè)計(jì)

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(shì)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(fā)量874.30 m，干旱指數(shù)0.96。土壤主要為黃棕壤土、沙壤土、潮土及其發(fā)育而成的水稻土，肥力中上，適宜多種農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)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(zhì)，對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)極為有利，為縣域內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)奠定了良好的基礎(chǔ)，有利于建設(shè)高標(biāo)準(zhǔn)的農(nóng)田水利項(xiàng)目示范工程。

1 縣級(jí)農(nóng)田水利建設(shè)規(guī)劃

1.1 總體布局

固始縣農(nóng)田水利規(guī)劃涉及32個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn)、街道辦事處)的412個(gè)行政村，規(guī)劃面積45 493.33 hm2，效益人口70.47萬人?；诠淌伎h對(duì)水資源利用以及全面振興當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求，此次縣域級(jí)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田水利工程在規(guī)劃上總體分為灌溉排水工程和水源工程的建設(shè)。灌溉排水工程涉及大型灌區(qū)末級(jí)渠系改造、小型灌區(qū)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(jī)電井和灌溉泵站改造。總體目標(biāo)力求灌蓄結(jié)合、灌排自如。

1.2 縣域分區(qū)規(guī)劃

綜合考慮固始縣地形、水源條件、縣域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平、農(nóng)田水利發(fā)展現(xiàn)狀和特點(diǎn)，以及農(nóng)藝、農(nóng)機(jī)技術(shù)需求等把全縣規(guī)劃分成2個(gè)區(qū)。分區(qū)Ⅰ：主要是南部淺山區(qū)，包括祖師、武廟等5個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，規(guī)劃重點(diǎn)為末級(jí)渠系改造、塘壩建設(shè)和小型灌區(qū)渠系整修配套；分區(qū)Ⅱ：包括胡族、黎集等27個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，地形主要為丘崗、平原和洼地相兼區(qū)，規(guī)劃重點(diǎn)為末級(jí)渠系改造、塘壩建設(shè)、排水溝道整治、灌排泵站改造和機(jī)電井建設(shè)。

1.3 高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)總目標(biāo)

以固始縣高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田水利建設(shè)規(guī)劃為基礎(chǔ)，結(jié)合項(xiàng)目區(qū)實(shí)際情況，在工程全部實(shí)施后，項(xiàng)目示范區(qū)的效益應(yīng)達(dá)到以下目標(biāo)：①項(xiàng)目區(qū)恢復(fù)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(nóng)田5 134.33 hm2，此新增的面積在固始縣總農(nóng)田耕地面積中所占的比重達(dá)75.60%(高于60%)；②保證建成后的灌溉渠道系統(tǒng)的渠系水利用系數(shù)由0.50提高到0.70，灌溉保證率由75%提高到85%，減少長(zhǎng)年淤積的土地15 580.00 hm2，年均節(jié)約灌溉用水量2 834.20萬m3；③項(xiàng)目區(qū)新增耕地面積按750.00 kg/hm2的增產(chǎn)糧食計(jì)算，每年的糧食收獲增加385.07萬kg，恢復(fù)有效灌溉的耕地糧食生產(chǎn)增速達(dá)10.40%(高于10%)。

項(xiàng)目實(shí)施后，灌溉水源進(jìn)一步得到了保障，水資源進(jìn)一步得到合理利用，從根本上解決和改善項(xiàng)目區(qū)農(nóng)村用水條件和水質(zhì)，提高了農(nóng)村衛(wèi)生水平，加之渠系的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)、配套工程和渠路植樹造林，不但加快了項(xiàng)目區(qū)的農(nóng)業(yè)林業(yè)發(fā)展，而且綠化美化了環(huán)境。其次，對(duì)于改良項(xiàng)目區(qū)的土壤地質(zhì)條件，改變農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)和種植比例，增加農(nóng)民收入都有巨大的促進(jìn)作用。另外，在推進(jìn)小型農(nóng)田水利工程管護(hù)機(jī)制改革的同時(shí)，能夠積極推進(jìn)農(nóng)業(yè)灌溉供水產(chǎn)權(quán)移交，便于農(nóng)業(yè)用水的管理。

2 工程設(shè)計(jì)原則

固始縣高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田水利示范項(xiàng)目進(jìn)行工程設(shè)計(jì)的總體原則為：堅(jiān)持布局合理，范圍和規(guī)模清晰，集中連片，整體推進(jìn)的原則。主要涉及的工程項(xiàng)目為斗渠和農(nóng)渠、灌溉所需配套建筑物、田間道路工程以及標(biāo)志牌的布置。

2.1 斗渠、農(nóng)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(nóng)渠控制面積一般為10.00～20.00 hm2，間距300～400 m。項(xiàng)目區(qū)的灌溉體系基本完善，問題在于大部分斗渠和農(nóng)渠淤積嚴(yán)重，如圖1所示。需對(duì)現(xiàn)有斗、農(nóng)渠進(jìn)行清淤治理，按照過流要求計(jì)算合理斷面，進(jìn)行混凝土襯砌。

2.2 配套建筑物布置

按實(shí)際灌溉要求，合理和規(guī)范配置斗門和農(nóng)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(shè)置過路涵，寬度一般取4.00 m，管徑根據(jù)渠道尺寸合理選擇。為方便耕作要求，渠道上設(shè)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(shè)置跌水建筑物，規(guī)格為D600。項(xiàng)目區(qū)橋型式設(shè)計(jì)為鋼筋混凝土平板橋，橋面與兩岸路面順接，基礎(chǔ)埋深不少于設(shè)計(jì)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(jù)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(jié)構(gòu)，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(jī)控制閘門運(yùn)行。進(jìn)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(xiàng)目區(qū)田間交通便利，進(jìn)行必要的田間道路改造。道路改造盡量利用現(xiàn)已形成的道路布局，將現(xiàn)有田間道路素土路面改造為混凝土路面。目前，項(xiàng)目區(qū)的機(jī)耕路仍然是泥土路，沒有經(jīng)過硬化處理，對(duì)工程運(yùn)輸造成不便。因此，此次規(guī)劃增加項(xiàng)目區(qū)10.59 km的硬化機(jī)耕路面積。根據(jù)需要，路面采用C25混凝土進(jìn)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(jié)構(gòu)下部基層采用20.00 cm厚、4.60 m寬三七灰土夯實(shí)，上部路面采用18.00 cm厚、4.00 m寬C25混凝土澆筑。路面設(shè)計(jì)應(yīng)考慮排水與道路防滑需要，因此路基及路面橫坡比均設(shè)計(jì)為1.50%，并對(duì)路面進(jìn)行壓槽處理。混凝土路面由于外界溫差較大造成脹縮時(shí)，容易出現(xiàn)開裂和變形，為避免該不利現(xiàn)象的出現(xiàn)，每200 m設(shè)置一寬為20 mm的脹縫，每5 m設(shè)置一寬5 mm、深35 mm的縮縫，縫內(nèi)均使用瀝青灌縫。

3 灌溉系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方案

3.1 渠道設(shè)計(jì)流量計(jì)算

根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50288-1999)中對(duì)灌溉渠道設(shè)計(jì)流量的規(guī)定，此次固始縣項(xiàng)目區(qū)的渠道設(shè)計(jì)流量為：

(1)

根據(jù)此項(xiàng)目的農(nóng)田水利工程設(shè)計(jì)，斗渠按續(xù)灌方式設(shè)計(jì)，農(nóng)渠按輪灌方式設(shè)計(jì)，農(nóng)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(shè)計(jì)流量。

3.2 渠道縱斷面設(shè)計(jì)

首先根據(jù)田間的用水需求來規(guī)劃渠道的走向，然后基于用水量、渠道的設(shè)計(jì)水位等參數(shù)來進(jìn)行縱斷面的設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮渠道內(nèi)的水流能夠順利向下游流動(dòng)，可采取的應(yīng)對(duì)措施是保證各級(jí)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(jù)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(duì)各級(jí)子渠道向上游入口進(jìn)行各點(diǎn)水位計(jì)算，同時(shí)考慮渠道上的沿程和局部水頭損失。計(jì)算公式如下：

H進(jìn)=A0+Δh+∑Li+Lζ

(2)

式(2)中：H進(jìn)為渠道進(jìn)水口處設(shè)計(jì)水位，m；A0為控制點(diǎn)地面高程，m；Δh為高程差；L為渠道長(zhǎng)度，m；i為渠道比降；Lζ為總局部水頭，m。

3.2.2 進(jìn)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(jí)渠道進(jìn)水口底板的高程在設(shè)計(jì)時(shí)若高于上級(jí)渠底，則差值應(yīng)小于等于上級(jí)0.30 m。

3.2.3 渠道縱比降

各級(jí)灌溉渠道的比降均需要確定，確定時(shí)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：①已知的控制點(diǎn)水位；②作物灌溉的便捷性；③盡量減小工程量；④適應(yīng)地形條件。最終確定此項(xiàng)目灌溉渠道中斗渠為1/2 000～1/5 000，農(nóng)渠為1/2 000～1/3 000的比降。

3.3 渠道橫斷面設(shè)計(jì)

橫斷面設(shè)計(jì)使用均勻流公式計(jì)算，即：

(3)

式(3)中：ν為渠道平均流速，m/s；ω為渠道過水?dāng)嗝婷娣e，m2，對(duì)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(shù)；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(shù)，C=(1/n)R1/6；n為溝道糙率。

渠道邊坡系數(shù)m值與河渠的河床的土質(zhì)有關(guān)。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(nèi)邊坡為1∶1，U型渠襯砌渠道，因此邊坡系數(shù)取零。此次河渠的斗渠和農(nóng)渠若為土質(zhì)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(jì)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(guān)，結(jié)合該工程的實(shí)際情況，斗渠采用0.30 m，農(nóng)渠采用0.20 m。

3.4 堤頂寬度確定

按照要求，支、斗、農(nóng)渠的護(hù)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(shè)計(jì)

項(xiàng)目區(qū)內(nèi)渠道全部襯砌，根據(jù)設(shè)計(jì)斷面，采用梯形襯砌和U型襯砌，梯形襯砌采用C20混凝土，護(hù)底和護(hù)坡厚度均為8.00 cm，每隔5.00 m設(shè)一道伸縮縫，縫寬2.00 cm，內(nèi)用“SBS”材料填縫；U型襯砌根據(jù)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(shè)計(jì)

3.6.1 基本資料

此工程渠道水利用系數(shù)0.90。此項(xiàng)目灌區(qū)內(nèi)兼有旱作灌區(qū)和水稻灌區(qū)，即選擇田間水利用系數(shù)設(shè)計(jì)值為0.80，則灌溉水利用系數(shù)為：

η水=η渠系×η田系

(5)

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

3.6.2 灌區(qū)設(shè)計(jì)灌水率的確定

在進(jìn)行農(nóng)田水資源灌溉時(shí)可能伴隨著灌溉用水高峰和產(chǎn)生短時(shí)間的供水不足現(xiàn)象，為了減小或消除這種現(xiàn)象而不影響農(nóng)作物灌溉，渠系設(shè)計(jì)灌水率的計(jì)算公式為

(6)

式(6)中：M為灌溉定額，m3/hm2，根據(jù)作物生長(zhǎng)期確定；T為灌水延續(xù)時(shí)間，d；α為作物種類比例，%；β為系數(shù)，取β=8.64，根據(jù)灌水持續(xù)時(shí)間確定。

3.6.3 設(shè)計(jì)流量和斷面尺寸

農(nóng)渠為U形斷面。為了減少灌溉時(shí)渠道的輸水損失水量，盡可能地減少水流流過無關(guān)農(nóng)渠的時(shí)間，在設(shè)計(jì)時(shí)按實(shí)際灌溉時(shí)各級(jí)渠道編組輪灌的方式進(jìn)行規(guī)劃，這樣能保證各級(jí)渠道輸水時(shí)對(duì)農(nóng)田進(jìn)行充分灌溉而不增加在多余渠道中的輸水時(shí)間，大大提高了耕地灌輸效率，實(shí)現(xiàn)渠道的高效利用。在確定入口處的水位之后，根據(jù)各級(jí)渠道所需的田間灌溉流量確定各級(jí)渠道的田間流量，然后從入口處向下游各個(gè)渠道分配流量，最后計(jì)算各渠道的水頭損失。從上往下分配到下游各級(jí)斗渠以及由斗渠分配到每條農(nóng)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(shè)計(jì)灌水模數(shù)，m3/(s·hm2)，n為同時(shí)工作的斗渠條數(shù)，條；k為每條斗渠同時(shí)工作的農(nóng)渠條數(shù)，條。

根據(jù)式(8)計(jì)算農(nóng)渠凈流量：

(9)

推算各級(jí)渠道的設(shè)計(jì)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(gè)輪灌組灌水時(shí)渠道的平均工作長(zhǎng)度，km。在各級(jí)農(nóng)渠設(shè)計(jì)流量的計(jì)算中，一般去取農(nóng)渠長(zhǎng)度的一半。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)，此次固始縣高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田水利工程典型U型渠設(shè)計(jì)水力要素如表1所示。

表1 典型U型渠設(shè)計(jì)水力要素表

3.6.4 斗渠設(shè)計(jì)流量和斷面尺寸計(jì)算

同樣的，對(duì)各級(jí)斗渠的設(shè)計(jì)流量計(jì)算，也是通過下游農(nóng)渠的流量從下游往上游確定的

Qs=qsAsηs

(11)

式(11)中：Qs為續(xù)灌渠道設(shè)計(jì)流量，m3/s；qs為設(shè)計(jì)灌水率，取6.07×10-2m3/(s·hm2)；As為該級(jí)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(shù)，由前面計(jì)算得灌溉水利用系數(shù)為0.70。

由于梯形渠道的設(shè)計(jì)過程較為類似，文中僅以吳營(yíng)斗渠、分水亭鎮(zhèn)中干西加支渠作為設(shè)計(jì)示例。分水亭鎮(zhèn)中干西加支渠控制面積2 333.33 hm2，計(jì)算Qs=0.20 m3/s；李店鄉(xiāng)吳營(yíng)斗渠控制面積4 333.33 hm2，計(jì)算得Qs=0.32 m3/s。根據(jù)渠道現(xiàn)狀，采用明渠均勻流計(jì)算方法，按流量加大35%計(jì)算，項(xiàng)目區(qū)李店鄉(xiāng)吳營(yíng)斗渠、分水亭鎮(zhèn)中干西加支渠水力要素見表2。

表2 項(xiàng)目區(qū)斗渠設(shè)計(jì)水力要素表

4 結(jié)語

田間水利工程建設(shè)關(guān)系到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)環(huán)境的改善，是全面實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興的基礎(chǔ)保障條件。加強(qiáng)田間工程建設(shè)是固始縣“打造高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田，促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展”行而有效的手段。項(xiàng)目區(qū)土壤肥沃，水源條件較好，有較高的增產(chǎn)潛力，但項(xiàng)目區(qū)的田間水利工程基礎(chǔ)設(shè)施已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)快速發(fā)展的需要。針對(duì)項(xiàng)目區(qū)進(jìn)行的高標(biāo)準(zhǔn)小型農(nóng)田水利設(shè)施建設(shè)，必將起到促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和增收，保障糧食安全，改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境的巨大作用。