河套灌区土地整治项目灌溉工程模式研究

苏磊　王晶

摘要：灌溉工程设计，应保证适时适量满足项目区作物不同时期生长发育阶段需要的人工补充水量，同时满足作物除涝的要求。

关键词：河套灌区；灌溉工程；模式；研究

河套灌区地表水资源丰富，原有灌溉渠系较多，灌溉建筑物较多，易选取黄灌渠自流灌溉。灌溉与排水工程设计主要有三项内容，一是水源（供水）工程。二是输（配）水工程和田间工程。三是农田防洪除涝工程设计。

1.灌溉制度设计

1.1灌溉设计标准

根据《灌溉与排水工程设计规范》GB5028-99，以及项目区采用渠灌的特点，灌溉设计保证率采用75%。

1.2地下水利用量（Wk）的确定

地下水利用量是指地下水借土壤毛细管作用上升至作物根系吸水层内而被利用的水量。参照《水工设计手册（第八卷）》确定。

1.3主要作物需水量

作物需水量以内蒙古水科院编制的《内蒙古自治区主要作物灌溉制度与需水量等值线图》为依据确定，主要作物需水量见表1-1。

1.4 设计灌溉定额

M=E-P_o-（W_o-W）-W_k

式中：M-作物生育期灌溉定额（m³/亩）；

E-作物需水量（m³/亩）；

p_o-有效降雨量（m³庙）；

（W_o-W）-播前及生育期末土层内的储水量（m³/亩）；

W_k-地下水补给量（m³/亩）。

1.5 秋浇灌溉制度

为使作物根系层土壤中盐分处于平衡状态，需通过一年一度的秋浇的淋洗，维持盐分平衡，达到逐步淡化的目的，秋浇与播前储水灌溉，按灌区耕地土壤为非盐化考虑，选定本项目区秋浇定额为100m³/亩，秋浇面积比例为95%的耕地。

1.6综合灌溉定额

根据上述灌溉制度设计，计算出综合灌溉定额，详见表1-2。

2.渠道工程设计

2.1灌溉渠道设计

（1）灌溉水利用系数

根据土壤条件、渠道流量、衬砌情况、地下水位等因素，结合项目区灌溉实际，计算各级渠道的渠系水利用系数。

（2）渠道流量计算

根据渠道现状运行情况和渠道的灌溉方式，本着满足现状灌溉要求，并考虑到渠道现状灌溉引水流量、灌溉面积与灌溉制度。

以斗渠-1控制范围座典型流量计算，斗渠-1控制面积约为1.56万亩。斗渠1下设12条农渠，可分成4个轮灌组，同时工作的农渠为3条。

斗渠输水至田间净流量：

Q_净=A×q

式中：A-为斗渠控制面积（万亩）；

q-为设计灌水模数（m³/s·万亩）；

Q_净-为斗渠应送至田间的净流量（m³/s）。

斗渠1控制面积为0.97万亩，设计灌水模数为0.524m³/（s·万亩）。

经过计算得：

Q斗1田净=A×q=0.51m³/s

农渠净流量计算：

Q_农田净=Q_斗1田净/（n×k）

Q_农净=Q_农田净/η

式中：Q_农田净-为农渠的田间净流量（m³/s）；

Q_农净-为农渠净流量（m³/s）；

Q_斗1田净-为斗渠1应送至田间的净流量（m³/s）；

n-为斗渠以下同时灌水的农渠数；

k-为农渠下同时灌水的毛渠数；

η-田间水利用系数。

Q_斗1田净为0.51m³/s，因为农渠分组轮灌，同时工作的农渠有2条，同时工作的毛渠数有3条，所以农渠的田间净流量为：

Q农田净=Q斗1田净/（n×k）=0.085（m³/s）

取田间水利用系数η=0.861，则农渠的净流量为：

Q农净=Q农田净/η=0.099（m³/s）

灌区土壤属中粘壤土，可以查出相应的土壤透水性参数：A=1.9，m=0.4。

农渠每公里输水损失系数：

σ^'_农=ε₀×σ_农=ε0A/（100Q农净m）

式中：σ^'_农-衬砌农渠的每公里输水损失系数；

σ^'_农-土质农渠的每公里输水损失系数；

ε₀-衬砌渠道渗水损失修正系数，取0.3；

A-渠床土壤透水系数，取1.9；

m-渠床土壤透水指数，取0.4；

Q_农净-农渠的净流量，（m³/s）。

计算得：σ^'_农=ε₀×σ_农=0.016

农渠毛流量（设计流量）计算：

Q农毛=Q农净（1+σ^'_农L农）

式中：Q_农毛-农渠的设计流量，（m³/s）；

Q_农净-农渠的净流量，（m³/s）；

L_农-农渠的平均工作长度，（km）。

计算得：Q_农毛=Q_农净（1+σ^'_农L_农）=0.099（m³/s）

农渠设计流量计算：

Q农净=3×Q农毛=0.297（m³/s）

斗渠每公里输水损失系数：

斗渠1设计流量计算：

斗渠每公里输水损失系数：

经过计算得

斗渠1的灌溉水利用系数：

2.2渠道断面设计

（1）梯形渠道断面参数选择

①比降。初步确定主干比降为1：6000和1：5000左右，农渠比降为1：3500左右，毛渠比降为1：2500左右。

②渠床糙率。混凝土衬砌防渗渠道渠床糙率系数衬砌渠采用0.016，土渠采用0.025。

③流速。根据渠道淤积流速公式：

[V]=C√（R）

式中：R为水力半径，以m计；

C为系数，与悬浮泥沙粒径和水力粗度有关，还与渠壁糙率有关。

近似计算时，对于砂土、粘壤土或粘土渠道，如取糙率n=0.016，悬浮泥沙不大于0.25mm时，C=0.50。

④超高。根据《渠道防渗工程技术规范》分析确定，渠道混凝土防渗层超高为0.10m～0.15m。

（2）渠道横断面设计：

渠道断面水力要素计算：

根据渠道断面水力要素计算公式，分别计算斗渠、农渠的水力要素。

式中：A-过水断面面积（m²）-湿周（m）

R-水力半径（m）C-谢才系数

Q_设计-设计流量（m³/s）V一渠道平均流速（m/s）

b-渠道底宽 h-渠道水深

m-边坡比 i-渠道比降

n-粗糙率（衬砌渠0.016，土渠0.025）

（3）渠道纵断面设计

田间各级渠道设计水位应相互衔接。农渠的水位应高出灌溉范围内地面0.20m，斗渠的设计水位应高出农渠水位0.2m。

按照明渠均匀流的公式设计渠道水位，过程如下：

H_进=H₀+△h+∑Li+∑φ

式中：H_进-渠道进水口处的设计水位（m）；

H₀-渠道控制灌溉面积内参考点高程（m）；

△h-参考点与该处末级固定渠道水位的高差，取0.20m；

∑Li-沿程水头损失之和；

i-渠道的比降；

I-渠道的长度（m）；

φ-水流通过各级渠道及建筑物的水头损失（0.08m）。

（4）渠堤设计

为保证渠道的稳定性，本次设计对渠道填筑土方全部进行夯实，对堤顶高度、宽度和外倾度进行整修，堤顶宽度为0.4m～0.6m。

（5）渠道防冻、防渗结构设计

①防渗结构。弧形脚梯形断面渠道底部铺设0.3m厚的中粗砂防冻层，两侧铺设0.04m厚的聚苯板（容重20kg/m³）；中粗砂和聚苯板上面铺设0.2mm厚聚乙烯薄膜；薄膜上用0.03m厚M10砂浆垫层铺装0.06m厚混凝土预制板。

②结构缝、伸缩缝及填缝材料。

a.伸缩缝间距及填缝材料。根据《渠道防渗工程技术规范》SL18-2004，砼板护砌梯形断面采用聚乙烯膜防渗、每隔6.25m设置一道缝宽2.5cm的横向伸缩缝。

填缝材料：在伸缩缝内填充9cm深沥青砂浆。

b.砌筑结构缝及填缝材料。砼板做保护层，防渗砌筑均采用矩形缝，结构缝缝宽2.5cm，填充材料为M15水泥砂浆。

③封顶板。本次设计衬砌渠道封顶板为600×400×60mm矩形C20砼预制板并与坡面顶层板预制为整体。

④渠道防冻胀设计

a.设计的原则和依据。依据《水工建筑物抗冰冻设计规范》SL211-98，工程地点的标准冻土深根据《内蒙古河套灌区利用自治区政府专项资金节水改造工程可行性研究》取1985年～1997年的多年平均值为0.98m，即Zk=0.98m。

b.设计冻深计算。设计冻深采用《水工建筑物抗冰冻设计规范》SL211-98公式：Z_d=φ_f·φ_d·φ_ω·Z_k

式中Z_d-设计冻深（cm）；

φ_f-冻深年际变化的频率模比系数；

φ_d-日照及其遮荫程度影响系数；

φ_ω-地下水位影响系数。

φ_k-标准冻深（cm）。

日照及遮荫程度影响系数φ_d，依据公式φ_d=a+bφ_i计算。

地下水位影响系数φ_ω=（1+ae^-Zwo）/（1+ae^-Zwi）计算确定。

式中α-系数，分中壤土和砂壤土；

Zwo-气象台（站）的地下水位深度（m），取2.0m；

Zwi-计算点的地下水位深度（m）。

c.设计冻胀量（东西走向渠道）。针对灌区内渠道的走向均为东西走向分中壤土、砂壤土土质分别进行计算渠坡（阴、阳坡）、渠底的设计冻胀量。

根据《渠系工程抗冻胀设计规范》SL23-91中地基土的冻胀性工程分类，结合冻胀量计算成果，本次设计的渠道的渠坡及渠底属于Ⅲ类。

防冻胀措施本着因地制宜、安全可靠、技术先进、经济合理的原则。吸取近几年河套灌区渠道防渗工程经验，结合防冻试验研究成果，衬砌渠道采取铺设聚苯乙烯板防冻保温措施。防冻效果比较理想且技术比较成熟。

渠道采取聚苯乙烯板保温防冻措施。