農(nóng)田水利灌溉渠道工程設(shè)計分析

楊文濤

（滄州水利勘測規(guī)劃設(shè)計院有限公司，河北 滄州 061000）

農(nóng)田水利灌溉渠道工程主要是為農(nóng)業(yè)服務(wù)，因此在開展相關(guān)的設(shè)計建設(shè)工作時要從實際出發(fā)，根據(jù)灌溉需求、農(nóng)業(yè)發(fā)展需求以及當?shù)刈匀画h(huán)境特征等科學(xué)設(shè)計渠道工程，確保水利灌溉渠道工程能充分發(fā)揮作用。下面結(jié)合實際，對農(nóng)田水利灌溉渠道工程設(shè)計問題做具體分析。

1 農(nóng)田水利灌溉渠道工程特點分析

為了能夠更好地發(fā)揮出農(nóng)田水利灌溉渠道工程的重要作用，要求農(nóng)田水利灌溉工程要具備安全性和水資源利用效率高的特征。通過建設(shè)農(nóng)田水利灌溉渠道工程，有效地保證水資源的充足性，為農(nóng)田灌溉打下堅實的基礎(chǔ)。但在實際農(nóng)田水利灌溉渠道工程建設(shè)過程中，由于各地情況不同，水質(zhì)和土壤存在差異性，因此工程設(shè)計體系也會存在一定的變化性，這就需要加強對農(nóng)田水利建設(shè)安全性的關(guān)注，更好地發(fā)揮出水利灌溉渠道工程的價值和作用。在實際渠道設(shè)計過程中，應(yīng)保證渠道規(guī)劃要具備良好的地理條件，盡可能地避開軟土土質(zhì)和透水性土質(zhì)，進一步保證農(nóng)田水利渠道工程的安全性。而且通過重視農(nóng)田水利灌溉渠道工程建設(shè)，還可以保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中農(nóng)民用水需要，進一步提高水資源的利用效率。因此在實際農(nóng)田水利灌溉渠道工程設(shè)計過程中，需要強調(diào)功能性特征，更好地滿足工程發(fā)展，為水資源提供一定的利用條件，這樣能夠進一步展現(xiàn)渠道灌溉功能，降低資源浪費。并通過考慮局部發(fā)展特征，確保水利系統(tǒng)灌溉作用有提升。

2 農(nóng)田水利灌溉渠道工程存在的問題

2.1 農(nóng)田水利灌溉裝備落后，設(shè)備盲目購置

隨著市場競爭逐步激烈，決定競爭力的不僅是資金，現(xiàn)在主要是人才與設(shè)備之間的競爭。在科研水平逐步提高的背景下，現(xiàn)有的農(nóng)田水利灌溉設(shè)備相對來說就比較陳舊，設(shè)備整體比較老年化，比較落后，這樣會導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受到限制，不利于農(nóng)業(yè)的發(fā)展。為了適應(yīng)現(xiàn)如今的發(fā)展形勢，必須適當?shù)匾M國內(nèi)外比較先進的農(nóng)田水利灌溉設(shè)備，以此來提高機械技術(shù)裝備水平。但是，部分地區(qū)并沒有結(jié)合實際情況，制定科學(xué)的農(nóng)田水利灌溉設(shè)備的發(fā)展規(guī)劃和購買設(shè)備，而且并沒有合理地預(yù)估未來農(nóng)田水利灌溉設(shè)備的市場使用情況，導(dǎo)致很多設(shè)備并不能滿足農(nóng)業(yè)種植需求，造成經(jīng)歷、資源的浪費。部分種植者為了能夠獲得較多的利潤，沒有結(jié)合實際進行設(shè)備的購買。比如說，購買設(shè)備沒有考慮到資源、種植、環(huán)保、操作使用等諸多因素。導(dǎo)致資金無法合理運轉(zhuǎn)，設(shè)備利用率低，很多都閑置或者不使用，這樣便會給種植者造成巨大的損失，不利于農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

2.2 農(nóng)田水利灌溉渠道管理體系有待完善

目前大部分地區(qū)農(nóng)田水利灌溉渠道工程維護和管理工作都存在制度不完善的問題，缺乏健全的管理體系，這也導(dǎo)致具體的維護和管理工作措施落實不到位，對工程項目效益的實現(xiàn)帶來較大的影響。一些地區(qū)為了能夠更好地發(fā)揮出農(nóng)田水利灌溉渠道工程的重要作用，制定了具體的工程維護和管理的步驟和方法，但在實際工作開展過程中，具體安排缺乏統(tǒng)一性和科學(xué)性，而且監(jiān)管力量薄弱，這也對農(nóng)田水利灌溉渠道工程項目維護和管理工作的落實帶來較大的影響，在具體工作中還存在相互推諉責(zé)任的問題，權(quán)責(zé)不明確，運行管理機制欠缺完善性，這必然會對農(nóng)田水利灌溉渠道工程的穩(wěn)定運營帶來較大的影響。

2.3 農(nóng)田水利灌溉渠道設(shè)計工時存在誤差

第一，平面設(shè)計缺乏靈活性。傳統(tǒng)開展水利工程設(shè)計時，是在手工平面圖上進行建筑物、構(gòu)筑物布設(shè)，由于底圖只有一張，所以在平面設(shè)計時，靈活性受到限制，一旦出現(xiàn)錯誤，或需要進行修改時，需要在底圖上進行反復(fù)工作，耗費時間與精力，對圖紙的紙質(zhì)也會造成磨損。另外也不方便在一張圖紙上，開展多個設(shè)計方案對比選擇。

第二，縱斷面設(shè)計，完全需要手工繪制以及計算。在進行較長的管線工程以及堤防設(shè)計時，縱斷畫圖繪制與計算，均需要進行手工進行，地面點樁號、高程以及拉坡設(shè)計，都需要逐點進行計算，圖形的繪制速度較慢，并且計算量更大，較易發(fā)生出錯。而樁號錯位修改更為困難，常會存在由于出現(xiàn)錯誤，導(dǎo)致圖紙報廢。

第三，工程量計算繁雜，且準確度低。在手工平面圖上進行水庫、壩體庫容或場地土石方數(shù)量計算時，常用的方式包括面積分割法、等高線法以及求積儀量面積法等。該類方法計算過程均較為復(fù)雜，且計算方法緩慢，準確度更低，易導(dǎo)致施工中出現(xiàn)變更或突發(fā)問題。

3 農(nóng)田水利灌溉渠道工程設(shè)計方法

3.1 明確灌溉面積，計算灌溉凈流量

在農(nóng)田水利渠道灌溉工程設(shè)計的過程中，首先，需要對實際灌溉面積進行明確。其次，在灌溉面積的基礎(chǔ)上進行灌水率設(shè)計。在灌水率設(shè)計過程中，需要依據(jù)農(nóng)田作物種類、不同農(nóng)作物種植占比、作物栽插進度以及灌水延續(xù)時間等因素進行明確計算，同時確保相關(guān)設(shè)計與計算符合《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》標準規(guī)范，從而準確計算出水利灌溉渠道特定時期的凈流量。

3.2 渠道跌水設(shè)計

渠道跌水設(shè)計效果會影響整個農(nóng)田灌溉渠道工程的設(shè)計質(zhì)量，因此在具體的設(shè)計中工作人員要高度重視渠道跌水設(shè)計。具體來說，在進行渠道跌水設(shè)計時，工作人員要合理控制跌差，從而減小水阻力，提高灌溉效率。另外，在進行渠道跌水設(shè)計時工作人員需認真做好實地考察工作，在全面把握工程特性特點的情況下科學(xué)控制跌差，使農(nóng)田灌溉渠道工程能充分滿足當?shù)氐墓喔刃枨蟆?/p>

3.3 灌溉渠道橫斷面設(shè)計

渠道水力計算：在渠道水力計算時主要利用勻流公式，其主要目的是對渠道過水能力進行掌控，即對灌溉渠道斷面進行精確設(shè)計，以此保證水流量能夠正常穩(wěn)定通過。除此之外，還可以對渠道能否滿足實際流量需求進行校驗，具體核算公式：Q=A×V。其中，Q代表渠道流量，單位為m3/s；A代表過水斷面的實際面積，單位為m2；V代表水流在渠道斷面的平均速度，單位為m/s。在明確設(shè)計流量的前提下對斷面進行設(shè)計，先要對渠道水流速度進行明確，水流速度V與灌溉渠道縱坡參數(shù)i之間具有一定關(guān)聯(lián)關(guān)系，縱坡參數(shù)越大，則水流速度越快，縱坡參數(shù)越小，水流速度越慢。則渠道均勻流的具體流速計算公式如下所示：V=CRi。其中，C代表謝才系數(shù)，其與水力半徑參數(shù)R以及糙率系數(shù)n相關(guān)，謝才系數(shù)具體計算公式為：C=1/n×R1/6。水力半徑主要包括過水邊界周長參數(shù)X以及過水斷面W，如果過水斷面保持一致，過水邊界周長參數(shù)越小的灌溉渠道擁有越小的水流阻力、水流速度越大、過水能力同樣越大。水力半徑計算公式為：R=A/X。其中，A代表過水斷面；X代表過水邊界周長參數(shù)。通過上述描述能夠得出渠道流量Q的具體計算公式：Q=A×V=ACRi。

計算參數(shù)選擇：灌溉渠道的計算參數(shù)主要包括糙率系數(shù)n、渠道縱坡系數(shù)I、寬深比a（=B/h）、渠道流量等因素。渠道設(shè)計和計算參數(shù)的合理性和準確性直接影響到整個灌溉工程的運行穩(wěn)定性和安全性。在選擇灌溉渠道坡度時，應(yīng)注意灌溉渠道底部必須保持一定的縱向坡度，即i=H/D=Tan 一其中I是梯度系數(shù)，H表示灌溉渠道兩端點的高度差，D表示兩端點的水平距離。同時，坡度應(yīng)盡可能接近地面坡度，以防止過度填挖；當通道流量相對較大時。坡度應(yīng)控制在相對緩慢的狀態(tài)；當河道水流中含有雜質(zhì)時，必須科學(xué)控制坡度系數(shù)，以確保水流能夠攜帶泥沙和雜質(zhì)，防止河道淤積。在設(shè)計河床結(jié)構(gòu)的粗糙度系數(shù)n時，有必要闡明河道粗糙度系數(shù)的作用，即它真實反映河床的表面粗糙度。N值越大，河床表面越粗糙；N值越小，河床表面越光滑。同時，根據(jù)水力學(xué)中的標準規(guī)定和河道工程的實際地理環(huán)境參數(shù)，這是明確的。

渠道端面寬深比a（=B/h）的選擇：渠道斷面結(jié)構(gòu)直接影響水利工程的實際工程量、斷面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和渠道工程的整體施工難度。河道斷面有多種類型，如寬水深型和窄水深型。在設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)渠道的最佳水力斷面計算分析寬深比，以確保渠道斷面處于最佳狀態(tài)，同時盡可能減少襯砌工程的施工量和石方的使用量。在知道河道坡度系數(shù)m的具體值后，可以獲得相應(yīng)的最佳值a。在選擇和設(shè)計渠道斷面寬深比a時，應(yīng)充分考慮施工量，并注意渠道斷面的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。正常情況下，如果渠道流量Q為1~3m3/s，則需要將a值控制在1~3。

灌溉渠道允許的水流速度：在灌溉渠道流速設(shè)計時，必須保證其處于灌溉渠道允許的水流速度范圍內(nèi)，即V不淤流速＜V設(shè)計流速＜V不沖流速，其中，不沖流速選用行業(yè)標準規(guī)定數(shù)值，不淤流速值需要依據(jù)渠道水流中雜質(zhì)泥沙量的顆粒性質(zhì)、數(shù)量多少以及組成成分等相關(guān)。為防止水草等植物在渠道中生長導(dǎo)致渠道過水能力下降，將渠道最小設(shè)計流速控制在0.4~0.6m/s，對于清水段灌溉渠道，可以將最小設(shè)計流速控制在0.2m/s左右。

3.4 縱斷面設(shè)計

在農(nóng)田灌溉渠道設(shè)計中，渠道縱斷面設(shè)計是一項重要內(nèi)容，縱斷面設(shè)計效果直接決定了渠道工程能否正常發(fā)揮功能。由于縱斷面設(shè)計十分重要，因此在正式設(shè)計縱斷面形式之前工作人員需進行實地勘察，查明灌溉區(qū)域的地形地勢特征，在此基礎(chǔ)上選擇等高線平行線位置來確定渠道工程縱斷面的走向?？v斷面走向確定后，設(shè)計人員還需對工程所在地的土壤性質(zhì)、降水特點、農(nóng)業(yè)灌溉需求等進行調(diào)查分析，在綜合考慮各項因素的基礎(chǔ)上科學(xué)設(shè)計渠道縱坡位置，同時參考縱斷面中心線來確定各樁點高程、渠道的頂部以及底部。設(shè)計渠道頂部高程需要參考借助渠道水位超高值以及水位高程進行。在通過上述計算確定出渠道縱斷面水位高程后，再根據(jù)當?shù)鼐唧w的灌溉需求準確確定渠道流量，計算U型槽的縱向坡降等以及空斷面的尺寸，確保渠道縱斷面設(shè)計科學(xué)合理。

3.5 應(yīng)用數(shù)字化工具展開設(shè)計

第一，電子圖設(shè)計具備可復(fù)制性。在開展水利工程設(shè)計時，能夠從AutoCAD電子地形圖中國進行圖形復(fù)制，能夠進行多種工程方案設(shè)計，直到所建設(shè)的方案平面布設(shè)科學(xué)合理，能夠滿足水利工程的需求，即滿足科研階段方案比選、初步設(shè)計以及施工圖設(shè)計的相關(guān)要求。

第二，電子圖紙設(shè)計易于修改。在水利工程設(shè)計過程中，可以使用AutoCAD工具從電子圖紙中排列固定的建筑物、管道等線性結(jié)構(gòu)和構(gòu)筑物，布局精度高，布局研究更清晰，變化更靈活。此外，在設(shè)計過程中，可以在電子圖紙上標記設(shè)計位置的角度、坐標、面積和距離，并且可以使用AutoCAD功能執(zhí)行相關(guān)設(shè)計的各種命令，如中斷、修改和鏡像。設(shè)計更加靈活，可以根據(jù)實際施工數(shù)據(jù)隨時更改，以提高施工地形的一致性。減少了傳統(tǒng)手工計算和測量圖紙上的距離、角度和坐標所造成的誤差。

第三，在設(shè)計階段，可以結(jié)合電子圖紙和專業(yè)計算機軟件進行快速設(shè)計。在渠道、路堤和管道等線性結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，可以使用電子圖形的線控制點進行標記，并結(jié)合智能測繪技術(shù)和其他軟件，同步計算線性結(jié)構(gòu)的線位置。根據(jù)測得的地面高程點，可自動生成逐樁坐標，并可重復(fù)快速繪制合理的設(shè)計高程，避免了在手工紙上繪制垂直剖面圖或手工AutoCAD圖時因樁號和距離錯位以及坡度圖計算而導(dǎo)致的高程誤差，減少了設(shè)計人員的工作量，節(jié)省了時間，提高了工作效率，使圖紙具有標準化的特點。如果是農(nóng)田基礎(chǔ)設(shè)施、灌溉項目或場地平整項目，南部Cass軟件中的功能也可用于以嚴格的精度輕松計算開挖石方的數(shù)量；第四，可以準確計算工程量，以滿足招標要求。全站儀的無棱鏡功能用于在測量員難以或無法到達的危險地段（如懸崖和深水區(qū)）進行測量或施工放樣，提高了測點和選線人員的安全性，避免了地形測量中出現(xiàn)不完整的點或放樣尺寸，使工程設(shè)計更加準確，工程量計算更加準確，為編制招標依據(jù)或提供工程量清單奠定了良好的基礎(chǔ)，減少了施工過程中因設(shè)計原因引起的變更或索賠引起的糾紛，為今后的施工、管理和安全生產(chǎn)提供了便利。

4 結(jié)論

農(nóng)田灌溉渠道工程的設(shè)計有較強的專業(yè)性，技術(shù)難度較高。在開展渠道設(shè)計時，要嚴格按照國家與行業(yè)的規(guī)定與要求，根據(jù)當?shù)貙嶋H情況合理選擇渠道縱斷面、橫截面形式，科學(xué)計算渠道跌水誤差與流量，全面保證渠道工程設(shè)計質(zhì)量。