固始县高标准农田示范水利工程规划与设计

周永金

(河南省固始县水利局,河南 固始 465200)

0 前言

固始县位于豫东南大别山北麓,固始县地势南高北低，从西南向东北倾斜，年平均气温15.30℃，年均降水量1 058.40 mm，无霜期228 d，水面蒸发量874.30 m，干旱指数0.96。土壤主要为黄棕壤土、沙壤土、潮土及其发育而成的水稻土，肥力中上，适宜多种农作物生长发育。温和适中的气候条件，光、热、水资源丰富，以及肥沃的土壤地质，对农作物生长极为有利，为县域内农业生产奠定了良好的基础，有利于建设高标准的农田水利项目示范工程。

1 县级农田水利建设规划

1.1 总体布局

固始县农田水利规划涉及32个乡(镇、街道办事处)的412个行政村，规划面积45 493.33 hm2，效益人口70.47万人。基于固始县对水资源利用以及全面振兴当地农业生产和经济发展的要求，此次县域级高标准农田水利工程在规划上总体分为灌溉排水工程和水源工程的建设。灌溉排水工程涉及大型灌区末级渠系改造、小型灌区固定渠道的整修配套和排水沟道整治及排水泵站改造。水源工程有塘坝改造、新打机电井和灌溉泵站改造。总体目标力求灌蓄结合、灌排自如。

1.2 县域分区规划

综合考虑固始县地形、水源条件、县域经济社会发展水平、农田水利发展现状和特点，以及农艺、农机技术需求等把全县规划分成2个区。分区Ⅰ：主要是南部浅山区，包括祖师、武庙等5个乡镇，规划重点为末级渠系改造、塘坝建设和小型灌区渠系整修配套；分区Ⅱ：包括胡族、黎集等27个乡镇，地形主要为丘岗、平原和洼地相兼区，规划重点为末级渠系改造、塘坝建设、排水沟道整治、灌排泵站改造和机电井建设。

1.3 高标准农田建设总目标

以固始县高标准农田水利建设规划为基础，结合项目区实际情况，在工程全部实施后，项目示范区的效益应达到以下目标：①项目区恢复有效灌溉面积360.00 hm2，改善灌溉面积4 774.33 hm2，为固始县县域新增高效灌溉的农田5 134.33 hm2，此新增的面积在固始县总农田耕地面积中所占的比重达75.60%(高于60%)；②保证建成后的灌溉渠道系统的渠系水利用系数由0.50提高到0.70，灌溉保证率由75%提高到85%，减少长年淤积的土地15 580.00 hm2，年均节约灌溉用水量2 834.20万m3；③项目区新增耕地面积按750.00 kg/hm2的增产粮食计算，每年的粮食收获增加385.07万kg，恢复有效灌溉的耕地粮食生产增速达10.40%(高于10%)。

项目实施后，灌溉水源进一步得到了保障，水资源进一步得到合理利用，从根本上解决和改善项目区农村用水条件和水质，提高了农村卫生水平，加之渠系的标准化建设、配套工程和渠路植树造林，不但加快了项目区的农业林业发展，而且绿化美化了环境。其次，对于改良项目区的土壤地质条件，改变农业种植结构和种植比例，增加农民收入都有巨大的促进作用。另外，在推进小型农田水利工程管护机制改革的同时，能够积极推进农业灌溉供水产权移交，便于农业用水的管理。

2 工程设计原则

固始县高标准农田水利示范项目进行工程设计的总体原则为：坚持布局合理，范围和规模清晰，集中连片，整体推进的原则。主要涉及的工程项目为斗渠和农渠、灌溉所需配套建筑物、田间道路工程以及标志牌的布置。

2.1 斗渠、农渠布置

斗渠控制面积一般为66.67～100.00 hm2，间距600.00～800.00 m。农渠控制面积一般为10.00～20.00 hm2，间距300～400 m。项目区的灌溉体系基本完善，问题在于大部分斗渠和农渠淤积严重，如图1所示。需对现有斗、农渠进行清淤治理，按照过流要求计算合理断面，进行混凝土衬砌。

2.2 配套建筑物布置

按实际灌溉要求，合理和规范配置斗门和农门，间距200.00 m左右；考虑水系与道路的连贯，可在渠道与道路交叉处，设置过路涵，宽度一般取4.00 m，管径根据渠道尺寸合理选择。为方便耕作要求，渠道上设置过渠涵，原则上过渠涵布置间距≥150.00 m。在渠道流向高程落差大的位置设置跌水建筑物，规格为D600。项目区桥型式设计为钢筋混凝土平板桥，桥面与两岸路面顺接，基础埋深不少于设计沟渠底线0.50 m；桥面采用C30混凝土铺装层(中厚120.00 cm，边厚80.00 cm，桥面横坡1.50%，以利排水)，桥面净宽为5.00 m，并根据排水沟断面，确定平板桥跨度。闸室部分采用开敞式，底板和闸墩均采用C25钢筋混凝土结构，闸孔尺寸宽×高(1.00 m×1.00 m)，闸门均采用铸铁闸门，闸门尺寸为1.20 m×1.10 m，并安装螺杆启闭机控制闸门运行。进口与渠道连接均采用M7.5浆砌石扭面和直立式挡土墙，出口与渠道均采用扭面连接。

2.3 田间道路工程布置

为保证项目区田间交通便利，进行必要的田间道路改造。道路改造尽量利用现已形成的道路布局，将现有田间道路素土路面改造为混凝土路面。目前，项目区的机耕路仍然是泥土路，没有经过硬化处理，对工程运输造成不便。因此，此次规划增加项目区10.59 km的硬化机耕路面积。根据需要，路面采用C25混凝土进行浇筑，保证路面平均净宽4.00 m，路肩宽0.50 m，路基宽4.60 m。路面结构下部基层采用20.00 cm厚、4.60 m宽三七灰土夯实，上部路面采用18.00 cm厚、4.00 m宽C25混凝土浇筑。路面设计应考虑排水与道路防滑需要，因此路基及路面横坡比均设计为1.50%，并对路面进行压槽处理。混凝土路面由于外界温差较大造成胀缩时，容易出现开裂和变形，为避免该不利现象的出现，每200 m设置一宽为20 mm的胀缝，每5 m设置一宽5 mm、深35 mm的缩缝，缝内均使用沥青灌缝。

3 灌溉系统工程设计方案

3.1 渠道设计流量计算

根据《灌溉与排水工程设计规范》(GB50288-1999)中对灌溉渠道设计流量的规定，此次固始县项目区的渠道设计流量为：

(1)

根据此项目的农田水利工程设计，斗渠按续灌方式设计，农渠按轮灌方式设计，农渠轮灌分组为2～3组，以分组中的最大轮灌流量再加大30%作为斗渠的设计流量。

3.2 渠道纵断面设计

首先根据田间的用水需求来规划渠道的走向，然后基于用水量、渠道的设计水位等参数来进行纵断面的设计，主要包括渠道的底高程和顶高程，以及渠道的坡度比降。

3.2.1 渠道水位推算

各条子渠道的设计应充分考虑渠道内的水流能够顺利向下游流动，可采取的应对措施是保证各级渠道水流入口处保证有最低要求水位，此水位的确定需根据该渠道入口连接的下游各条渠道综合确定，从渠道的末端对各级子渠道向上游入口进行各点水位计算，同时考虑渠道上的沿程和局部水头损失。计算公式如下：

H进=A0+Δh+∑Li+Lζ

(2)

式(2)中：H进为渠道进水口处设计水位，m；A0为控制点地面高程，m；Δh为高程差；L为渠道长度，m；i为渠道比降；Lζ为总局部水头，m。

3.2.2 进水口底板高程确定

由于需要保证渠道沿线的灌溉用水以及上游其他需水，因此各级渠道进水口底板的高程在设计时若高于上级渠底，则差值应小于等于上级0.30 m。

3.2.3 渠道纵比降

各级灌溉渠道的比降均需要确定，确定时应考虑以下几点：①已知的控制点水位；②作物灌溉的便捷性；③尽量减小工程量；④适应地形条件。最终确定此项目灌溉渠道中斗渠为1/2 000～1/5 000，农渠为1/2 000～1/3 000的比降。

3.3 渠道横断面设计

横断面设计使用均匀流公式计算，即：

(3)

式(3)中：ν为渠道平均流速，m/s；ω为渠道过水断面面积，m2，对于梯形断面排水沟则ω=(b+mh)h，其中b为沟道底宽，m；m为沟道边坡系数；h为沟道水深，m；R为水力半径，R=ω/x，m；χ为湿周，χ=b+2h(1+m2)1/2，m；i为沟道比降；C为谢才系数，C=(1/n)R1/6；n为沟道糙率。

渠道边坡系数m值与河渠的河床的土质有关。此工程渠道的地表土壤为亚粘土和砂壤土，渠道断面均采用宽浅式梯形断面，内边坡为1∶1，U型渠衬砌渠道，因此边坡系数取零。此次河渠的斗渠和农渠若为土质渠道，取n=2.50×10-2；若为混凝土硬化渠道，则n=1.40×10-2。

渠道堤顶超高计算公式为：

Δh=0.25h+h′

(4)

式(4)中：Δh为渠道超高，m；h为渠道水深，m；h′与渠道有关，结合该工程的实际情况，斗渠采用0.30 m，农渠采用0.20 m。

3.4 堤顶宽度确定

按照要求，支、斗、农渠的护堤宽度分别为1.00、0.50、0.50 m，田面以上宽分别为0.50、0.30、0.30 m。

3.5 渠道混凝土防渗衬砌设计

项目区内渠道全部衬砌，根据设计断面，采用梯形衬砌和U型衬砌，梯形衬砌采用C20混凝土，护底和护坡厚度均为8.00 cm，每隔5.00 m设一道伸缩缝，缝宽2.00 cm，内用“SBS”材料填缝；U型衬砌根据渠道采用三种类型，即U40、U60和U80，U型衬砌厚度为10.00 cm，压顶宽度15.00～20.00 cm，厚度10.00～15.00 cm。

3.6 典型设计

3.6.1 基本资料

此工程渠道水利用系数0.90。此项目灌区内兼有旱作灌区和水稻灌区，即选择田间水利用系数设计值为0.80，则灌溉水利用系数为：

η水=η渠系×η田系

(5)

式(5)中：η渠系为渠道水利用系数；η田间为田间水利用系数。因此此次固始县农田渠道建设的灌溉水利用系数η水为0.90×0.80=0.72。

3.6.2 灌区设计灌水率的确定

在进行农田水资源灌溉时可能伴随着灌溉用水高峰和产生短时间的供水不足现象，为了减小或消除这种现象而不影响农作物灌溉，渠系设计灌水率的计算公式为

(6)

式(6)中：M为灌溉定额，m3/hm2，根据作物生长期确定；T为灌水延续时间，d；α为作物种类比例，%；β为系数，取β=8.64，根据灌水持续时间确定。

3.6.3 设计流量和断面尺寸

农渠为U形断面。为了减少灌溉时渠道的输水损失水量，尽可能地减少水流流过无关农渠的时间，在设计时按实际灌溉时各级渠道编组轮灌的方式进行规划，这样能保证各级渠道输水时对农田进行充分灌溉而不增加在多余渠道中的输水时间，大大提高了耕地灌输效率，实现渠道的高效利用。在确定入口处的水位之后，根据各级渠道所需的田间灌溉流量确定各级渠道的田间流量，然后从入口处向下游各个渠道分配流量，最后计算各渠道的水头损失。从上往下分配到下游各级斗渠以及由斗渠分配到每条农渠的田间净流量分别为：

Q斗田净=A斗qd

(7)

(8)

式(7)(8)中：A斗为灌溉面积，hm2；qd为设计灌水模数，m3/(s·hm2)，n为同时工作的斗渠条数，条；k为每条斗渠同时工作的农渠条数，条。

根据式(8)计算农渠净流量：

(9)

推算各级渠道的设计流量(毛流量)为：

Qg=Qn(1+σL)

(10)

式(9)(10)中：Qn为渠道的净流量，m3/s；σ为每公里渠道损失量与净流量比值；L为最下游一个轮灌组灌水时渠道的平均工作长度，km。在各级农渠设计流量的计算中，一般去取农渠长度的一半。

根据以上设计，此次固始县高标准农田水利工程典型U型渠设计水力要素如表1所示。

表1 典型U型渠设计水力要素表

3.6.4 斗渠设计流量和断面尺寸计算

同样的，对各级斗渠的设计流量计算，也是通过下游农渠的流量从下游往上游确定的

Qs=qsAsηs

(11)

式(11)中：Qs为续灌渠道设计流量，m3/s；qs为设计灌水率，取6.07×10-2m3/(s·hm2)；As为该级渠道控制灌溉面积，hm2；ηs为该渠道至田间的灌溉水利用系数，由前面计算得灌溉水利用系数为0.70。

由于梯形渠道的设计过程较为类似，文中仅以吴营斗渠、分水亭镇中干西加支渠作为设计示例。分水亭镇中干西加支渠控制面积2 333.33 hm2，计算Qs=0.20 m3/s；李店乡吴营斗渠控制面积4 333.33 hm2，计算得Qs=0.32 m3/s。根据渠道现状，采用明渠均匀流计算方法，按流量加大35%计算，项目区李店乡吴营斗渠、分水亭镇中干西加支渠水力要素见表2。

表2 项目区斗渠设计水力要素表

4 结语

田间水利工程建设关系到农业生产和农村经济环境的改善，是全面实现乡村振兴的基础保障条件。加强田间工程建设是固始县“打造高标准农田，促进农村经济发展”行而有效的手段。项目区土壤肥沃，水源条件较好，有较高的增产潜力，但项目区的田间水利工程基础设施已远远不能满足当前农业生产快速发展的需要。针对项目区进行的高标准小型农田水利设施建设，必将起到促进农业生产和增收，保障粮食安全，改善农村生态环境的巨大作用。