庆阳市农田灌溉渠道水力设计研究

曹三海 沈加印

摘要 为了利用庆阳市含沙量较大的地表水进行农业灌溉，采用了不冲不淤和冲淤平衡2种渠道设计思路。研究分析了在2种设计思路下渠道断面的设计流程，并举例分析了不同思路下断面的差异。结果表明，在不同的设计思路下，断面尺寸差异较大，对工程的投入影响较大。为了节约投资，建议在地势平缓地区采用不冲不淤的设计思路，在地势陡峭的地区采用冲淤平衡法进行断面设计。

关键词 水力设计；不冲不淤；冲淤平衡；泥沙；农田灌溉渠道；甘肃庆阳

中图分类号 F225.4 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2018）04-0149-03

Abstract In order to use surface water with large sediment concentration to irrigation in Qingyang City，the design idea adopted the two channels of no erosion and deposition，and fluvial equilibrium.The design process of channel section of two design ideas was analyzed，and the difference of cross-section under different thinking was analyzed.The results showed that under different design ideas，the difference of cross-section size was large，which had a great impact on the project.It is recommended to adopt the design idea of no erosion and deposition in the flat area，and use the fluvial equilibrium method in the steep terrain to achieve the purpose of saving investment.

Key words hydraulic design；no erosion and deposition；fluvial equilibrium；sediment；irrigation channels for farmland；Qingyang Gansu

庆阳市位于甘肃省东部，南与陕西省咸阳市及甘肃省平凉市相连，北邻陕西省榆林市及宁夏盐池县，西与宁夏固原市接壤。庆阳市属黄河中游内陆地区。介于东经106°20′～108°45′与北纬35°15′～37°10′之间。东倚子午岭，北靠羊圈山，西接六盘山，东、西、北三面隆起，中南部低缓。黄河中下游黄土高原沟壑区，境内沟壑纵横。耕地面积68.8万hm2，有效灌溉面积4.4万hm2，占总耕地面积的6.78%。

庆阳市地处西北内陆，降雨稀少是其基本特征。一方面，境内水资源匮乏，多年平均降雨量为492 mm，降雨时空分布不均，雨热同季，7—9月降雨量占全年的60%以上[1]，与农作物生长需要时间不相适应，严重影响了作物的正常生长。随着人口增长，农产品供需矛盾日益突出，不能实现区域自给自足，大力推广节水灌溉，增加灌溉有效面积，提高农产品产量势在必行。另一方面，庆阳市地处黄土高原腹地，水土流失严重，比例达到了全市总面积的92%，每年经河流带走的泥沙达2.138亿t，其中河流带来境外泥沙0.49亿t，自产泥沙1.648亿t，河流每年带走肥沃有机质达1.29亿t。严重的水土流失导致土地肥力逐年下降，愈发贫瘠，境内河流泥沙含量高，对水资源的利用也带来了巨大的影响。国家大力提倡的低壓管道输水灌溉有着其传统水利无法相比的优越性，具有节水、节能、节地、省时、省工、使用方便、适应性强的优越点。但对水质要求较高，庆阳市河流高泥沙的特点限制了一些比较先进的灌溉方式的应用。修复现有输水渠道，新灌区的建设采用渠道输水成为一种亟需的方式，不仅可以满足耕地的灌溉需要，而且随着水流将泥沙输入耕地可以调节土壤理化性质，增加土壤有机质含量，提高土壤肥力，对减少河道淤积具有积极的意义。因此，在庆阳市这样的黄土高原沟壑区研究渠道水力设计、河流泥沙特性对当地的农业灌溉具有一定的实用价值。

1 区域河流含沙量

庆阳市的茹河、马莲河、柔远川、合水川是其境内的主要河流，并且国家水利部门都建有相应的水文测站，分别为开边站、雨落坪粘、悦乐站、板桥站，水文控制站提供的实测资料为输浑水灌溉渠道的设计提供了1656—2010年的可靠参考数据[2]，具体数据如表1所示。

从表1可以看出，庆阳市境内河流控制流域面积不大，平均流量不大，但是平均含沙量大。茹河开边测站平均含沙量为228.0 kg/m3，马莲河平均含沙量为268.0 kg/m3，柔远川和合水川平均泥沙含量相对较小。当地村民经常用“一瓢水，半瓢沙”来形容泥沙含量之大，使本来水资源紧缺的庆阳由于泥沙含量大的原因，更加剧了水资源供需矛盾，也影响了农业的持续发展。随着国家退耕还林、封山禁牧政策的实施，水土流失得到了一定的控制，平均泥沙含量呈逐年下降趋势。2005年，习近平总书记提出“绿水青山就是金山银山”的科学论断，这使得控制水土流失的观念更加深入人心。但是，泥沙含量的下降是一个漫长的过程，可能需要几代人的努力，更不可能一蹴而就。因此，研究在浑水条件下的农业灌溉显得重要而紧迫。

2 淤积冲刷的危害及不冲不淤流速的确定

2.1 渠道淤积和流速过大的危害

浑水输水渠道水力设计的基本原则是防淤和防冲，二者必须兼顾。渠道淤积的危害有以下几点[3]：①降低了自身的输水输沙能力，影响了灌区灌溉的正常进行；②渠道淤积增加了清淤的工作量，在多数情况下渠道清淤只能人工进行，增加了灌区的年运行成本；③渠道清淤堆沙占用耕地，而且会逐年呈现上升趋势；④清淤堆沙会严重影响周边的生态环境，尤其是在黄土高原，春、秋季风沙较大，地面植被稀少，黄沙漫天；⑤渠道淤泥、灌溉尾水进入排水河道，逐渐抬高河床，影响行洪能力，加快了淤积频率，使河道治理投入增加。

渠道水流速度过快的危害显而易见。渠道水流速度大于不冲流速，就会导致渠道被冲毁，影响灌区的正常运行，危及粮食安全。

2.2 不淤流速和不冲流速的确定

2.2.1 不冲流速的定义及取值。水在渠道中流动时，具有的能量包括动能和势能，随着水流速度的增加，动能也随之增加，当水流速度达到一定值时，组成渠床的颗粒材料就会在水流的冲击作用下从母体脱落，通常把颗粒材料将要从母体脱落而没有脱落的水流速度称为不冲流速。

不冲流速的确定涉及的因素复杂多样，以下经验公式和试验得出的数据可作为设计参考[5]：

（1）若渠槽土质为颗粒0.010～0.445 mm的淤积土，水流速度0.350～1.445 m/s，水力半径为0.20～2.15 m，含沙量为0.5～177 kg/m3，可采用公式（1）[3]：

vs′=0.1■S1/3R0.2（1）

式中：vs′—渠道输浑水时的允许不冲流速，m/s；γ、γs—浑水及沙粒容重；g—重力加速度，m/s2；S—浑水含沙量，kg/m3；R—水力半径，m。

（2）当渠床为砂壤土或者粉壤土，可采用公式（2）：

vs′=v′（2.5SR2/3ω■1/2+1）1/3 （2）

式中：vs′、S、R—同（1）式；ω0—泥沙平均下沉速度，m/s；v′—清水条件下的不冲流速，m/s2。

（3）常用衬砌渠道的不冲流速，国内外学者通过实验室已经得出了比较详尽的数据，设计中可以参考表2[4]。

2.2.2 不淤流速的定义及取值。水流在紊流条件下，泥沙颗粒在紊能的作用下悬浮随着水流跳跃、翻滚向前运动所需要的最低流速称为不淤流速。以保证渠道中泥沙被冲走的流速下限，允许不淤流速应根据水流的携沙能力由各地区的经验公式确定。

庆阳属于黄河流域，位于黄河中游，故水流的携沙能力可按沙玉清公式计算[5]。

S*=■（■）■（3）

式中：S*—浑水渠道的水流携沙能力，kg/m3；d—泥沙颗粒粒径，mm；ω—泥沙的下沉速度，m/s；V—渠道断面的平均流速，m/s；R—渠道水力半径，m；n—当Fr≤0.8时，n=2；当Fr>0.8时，n=3；V01—挟动幺速，m/s；K—水流携沙系数，与不淤保证率有关。

令渠道携沙能力等于设计渠道的浑水含沙量，可以反推出渠道的不淤流速v■"。

3 浑水渠道的设计

3.1 常用灌溉渠道的断面形式

在防渗渠道中，明渠采用的断面形式繁多，有U型、梯形、矩形、半圆形、复合型。暗渠采用的有圆形、城门洞形、箱形以及拱形。通过对已建灌区采用的断面形式对比发现，在庆阳大多数灌区明渠多采用U型或者梯形。究其原因，U型、梯形具有良好的水力性能，而且便于机械化施工，提高施工进度，缩短工期。暗渠多采用圆形或者箱形[6]。基于水利设计的2项基本原则防冲、防淤，根据设计思路的不同，浑水渠道的设计可分为2类：不冲不淤渠道和冲淤平衡渠道。

3.2 不冲不淤的设计

根据灌区的规模、作物的品种、种类，灌溉制度等一系列影响因素可以确定输水渠道的流量Q；根据修筑渠道材料的不同，基本可以确定修建后渠道的糙率n；边坡系数可以根据项目区工程地质的实际情况拟定[7-8]。具体步骤如下：

（1）渠道断面采用下列公式（适用于黄土高原）：

b=1.4Q1/2（4）

A=1.5Q5/6（5）

式中：b—渠底宽度，m；A—渠道过水断面面积，m2；Q—渠道设计流量，m3/s。

（2）根據连续性方程计算出输水渠道的水深h、流速v、湿周χ、水力半径R。

（3）判断流速v是否介于不冲流速和不淤流速之间，即：vs"

（4）用明渠均匀流公式计算渠道纵坡：

i=■（6）

式中：i—渠道纵坡；n—渠道糟率；公式中其他符号意义同上。

3.3 冲淤平衡的设计步骤

冲淤平衡渠道就是在夏秋季节有一定的淤积，在冬春季节有一定的冲刷。因此，渠道的设计流速略大于含沙量最小时的允许不冲流速，略小于含沙量最大时的允许不淤流速[9-10]。

允许携沙能力与最大含沙量之间的换算关系为：

S*=■（7）

根据公式（3）反推出流速v，在由连续性方程计算过水断面面积A，结合经验公式确定湿周χ、水力半径R、水深h、底宽b，然后进行纵坡设计。

4 算例

某灌区灌溉需水量3.5 m3/s，最大引水含沙量52 kg/m3，最小引水含沙量17 kg/m3，平均引水含沙量45 kg/m3，泥沙平均粒径0.003 mm，泥沙密度2.73 g/cm3，渠道里采用现浇混凝土，断面形式为梯形。

4.1 不冲不淤渠道水力设计

b=1.4Q1/2=1.4×3.50.5=2.619/m，取底宽b=2.7 m。

A=1.5Q5/6=1.5×3.55/6=4.296/m2，取过水断面面积4.3 m2。

根据庆阳地区高程经验，边坡系数取1.5，宽深比取0.6，则渠道深度为4.5 m。

由连续性方程Q=vA计算得：v=0.82 m/s。水深h=1.526 m、湿周χ=9.03 m、水力半径R=2.1。

S*=■（■）■

代入参数52=■（■）■

求解上述方程得出不淤流速为0.43 m/s。

由0.43 m/s<0.82 m/s<8.0 m/s得出结论，渠道设计流速介于不冲流速和不淤流速之间，设计合理。

根据式（6）得出：i=■=■=0.000 05，计算得出的渠道纵坡过于平缓不符合《水利计算手册》的相关内容，故纵坡取值为0.000 2。

4.2 冲淤平衡渠道水力设计

设计携沙能力：S*=■=50.49 kg/m3

根据水流携沙能力和流速的关系等经验公式，边坡系数取为1.5，宽深比取为0.6。

v=■=■=■=■；

χ=b+2（1.8h）=0.6h+3.6h=4.2h；

R=■=■=■。

将流速v、水深h、湿周χ、水力半径R代入水流携沙能力和流速的关系式得下列方程：

50.49= ■■■

求解得：h=1.131 m。

将水深h代入得：流速v=1.52 m/s、湿周χ=4.75 m、水力半徑R=2.07、底宽b=0.68 m。

根据式（6）得出设计纵坡：i=■=■=0.000 18。

5 结语

在2种不同设计思路之下，在相同的引水量、相同的泥沙条件下，计算结果差异较大，将导致渠道断面尺寸的迥然不同，进而引起工程量有较大的差异，工程总投资不同。因此，建议在地势比较平坦的区域采用不冲不淤的设计方法，在地势高程变化较大的区域采用冲淤平衡法，在庆阳市采用渠道灌溉，在水利设计中应该结合工程实际情况选择设计思路，做到设计合理、资金投入较少。

6 参考文献

[1] 付蔡宁.庆阳市灌溉输水工程现状及发展建议[J].甘肃水利水电技术，2005，41（3）：278-280.

[2] 甘肃省水文水资源局.甘肃省河流泥沙公报[R].2010.

[3] 李炜.水利计算手册[M].北京：中国水利水电出版社，2006：50-55.

[4] 李代鑫.最新农田水利工程规划设计手册[M].北京：中国水利水电出版社，2006：1317-1334.

[5] 沙玉清.泥沙运动的基本规律（三）携沙量[J].西北农学院学报，1957，（2）：1-32.

[6] 马振友，刘春晶.灌区渠道淤积的危害、机理与治理措施建议[J].水利建设与管理，2007（4）：63-65.

[7] 钟国梁.灌溉渠道断面的设计[J].珠江现代建设，2010（4）：18-38.

[8] 脱云飞.灌溉渠道优化设计方法研究[J].中国农村水利水电，2012（4）：58-60.

[9] 毛继新，曹文洪.引黄灌区泥沙远距离输送研究[J].水利水电技术，2009，40（3）：23-26.

[10] 脱云飞，王克勤.云南省坡改梯田工程灌溉渠道优化设计方法研究[J].中国农村水利水电，2014（4）：35-40.