小型农田水利工程中灌溉渠道的设计研究

2022-12-02周玺

工程建设与设计 2022年20期

周玺

（兰州市水电勘测设计院有限责任公司，兰州 730000）

1 引言

小型农田水利工程也被称为“小农水”，主要指的是流量在1 m3/s以下的渠道，是对解决农村农田灌溉和人畜饮水所修建的各种基础设施的总称。小农水工程作为农业发展中基础设施的重要部分，根本目的是通过改善农田水源现状和区域水利，改变农田生产条件，实现农业综合生产的高效性，是农村发展迈入全面建设小康社会的基石。小农水工程建设形式具有多样性，如水源工程、渠道建筑、具有排水功能的河道工程等。灌溉渠道作为小农水工程中的基础设施，对农田生产效益的提高具有重要意义，目前，我国小型农田水利工程灌溉渠道的修筑大部分是采用砂砾石或者土质渠床，通过将水源分配输送到浇灌区域各处，达到灌溉的目的，因此，灌溉渠道设计需根据灌溉水量和流量进行[1]。

小农水的特点主要体现在工程和建设两方面，其中，工程方面的特点主要有5个层面：（1）群众性。我国地域辽阔，小农水工程分布在我国各地农村地区，极大地促进了农业的发展，有效改善了农民的生产生活方式，因此，小农水是一项惠民的公益性、群众性工程。（2）互助合作性。现阶段，小农水工程功能仍有短板，但实际应用过程中，可以发挥自身的最大作用，各功能相互配合，共同推动当地的经济发展。（3）水利建设末端工程。输配水是小农水工程的重要作用，其灌溉渠道一般处于斗渠等级以下，即末端工程。（4）小规模性。小农水工程与大型水利工程不同，小农水工程规模小，且功能不齐全。（5）区域性。受多种外在因素的制约，且各地区农业生产因素不同，例如，西北地区农业极易受天气影响，南方农业则受温度影响较大，在此情况下，小农水工程应运而生，为各地方农业发展提供有力保障，在其应用过程中，充分体现出工程区域性这一特点。

2 小型农田水利工程灌溉渠道的设计原则

设计小农水灌溉渠道时，一般需要遵循4个基本原则。

1）在农田灌溉过程中，灌溉渠道的设计需有效扩大一定水量的灌溉面积，确保水资源得到充分利用，对渠道的输送水环节可适当进行实验，避免水资源浪费。

2）灌溉渠道设计需结合当地农田实际情况，保证当地生态系统平衡的条件下，对灌溉渠道进行科学合理的设计，从而更好地对农田用水和人畜饮水进行分配[2]。

3）灌溉渠道设计应避免过度占用农田，对于渠道的蓄水区域及中转需做好细节处理，确保其满足相关技术要求的同时，遵循田地生产规律，在灌溉设计过程中，需将曲线设计平滑，加快水流流动速度，有效提高灌溉效率。

4）灌溉设计基本完成后，需对农田地质情况进行实际考察，对于遇到的问题及时处理，及时补充设计中存在的缺陷，在对设计进行补充时，遵循经济性原则，同时保证灌溉渠道质量和效益[3]。

3 小型农田水利灌溉渠道设计中存在的问题

现阶段我国农田水利灌溉渠道使用效率有待提高，分布不均，很大程度上降低了灌溉效率。由于我国地域辽阔，各地区农田土壤条件不同，在此情况下，农田灌溉水资源利用率较低，水源有限，在一定程度上阻碍了农业生产。传统的农田灌溉渠道设计大多需要穿越农田进行蓄水和分渠，导致灌溉渠道占用大面积农田，农作物种植面积相对减少，生产效益呈现下降状态。

3.1 设计人员技术水平有待提高

针对小型农田水利工程中灌溉渠道的设计，部分设计人员缺乏一定的经验，设计的专业性和技术性仍有不足之处，设计中一味注重图纸设计，往往忽视农田地质的实际情况。与此同时，部分设计人员仍沿用传统灌溉渠道设计方式，难以实现自我创新，在细节处理上不够仔细，未能对灌溉渠道设计图纸进行严格审查，导致设计严重背离实际情况。

3.2 灌溉渠道设计占用大面积农田

我国传统的小型农田水利工程灌溉渠道设计不能充分对农田实际条件进行考察，未能将其影响因素纳入灌溉渠道设计中，对于渠道的设计缺乏一定的科学性、合理性，从而降低了设计的可行性。同时，由于未能很好地掌握水资源的状况，导致设计中占用大面积农田，还在一定程度上破坏了生态平衡[4]。

3.3 灌溉渠道实际应用后效率不高

农业生产过程中需要充足的水源，因此，灌溉渠道在设计时应确保其能满足农田生产要求。但目前农田灌溉中，未能实现灌溉面积最大化；少部分虽然为了提高灌溉效率，借鉴了先进经验修建干渠，但这一技术应用范围小，大部分地区仍沿用传统的灌溉渠道的方式进行设计修建，不仅灌溉效率低，渠道中还出现了渗漏、泥沙淤积等问题。

4 小型农田水利工程中灌溉渠道设计

小型农田水利工程灌溉渠道设计：（1）需明确渠道的引水流量；（2）渠道断面设计从横断面和纵断面两方面进行设计；（3）完成前两点后，开始进行图纸设计，对工程总量进行精确计算，然后着手初步设计报告。同时，小型农田水利工程灌溉渠道设计工作的顺利开展需有效协调好农田灌溉用水、灌溉效果及灌溉面积间的关系，以此实现小型农田水利工程的灌溉目标，实现农业效益最大化。因此，为了更好地完成小型农田水利工程中灌溉渠道的设计，首先应掌握其设计原理和影响因素，对于农业中常用的小型水库、蓄水池、机电井等小型农田水利工程，应了解其设计原理和相互关系，详细了解其蓄水、输配水、取排水等功能，深入认识建造小型农田水利工程的真正作用；并能在此基础上，综合工程整体做好设计前的实地调查工作，将农田、水利设计进行有机结合，从而实现社会效益与经济效益的相互统一。

4.1 明确灌溉渠道引水流量

小型农田水利工程的灌溉渠道设计中，最基础的是农田浇灌损失流量计算。设计人员在设计时往往会受到多种因素的制约，因此，为了更好地进行渠道设计，设计人员在设计工作开展前应进行实地考察，结合当地农田地质条件、气候条件、种植面积等因素制订完善的设计方案，实现灌溉渠道设计的科学性、合理性、可行性。

小型农田水利工程灌溉渠道引水流量具体是指农田灌溉净流量和渠道损失流量的和。一般情况下，影响其因素较多，例如，灌溉河流的水流量大小、灌溉区域的水源条件、作物类别、农田地质、农田面积、地方气候、渠道长短等。在计算灌溉渠道引水量的过程中，需要对同一时间段的不同作物同时进行灌溉，在其灌溉量最大的情况下，结合作物灌溉制度和灌溉面积进行计算。灌溉渠道引水量的计算公式[5]为：

①1亩≈666.7 m2。

根据控制面积的不同，可将灌溉渠道分为干渠、支渠、斗渠、农渠和毛渠。通常情况下，在小型农田水利工程灌溉渠道的设计过程中，干渠有效利用系数为0.5~0.7；支渠有效利用系数为0.6~0.8；渠道在衬砌时系数可随之提高。

4.2 灌溉渠道的设计

4.2.1 确定渠道水位高程

在灌溉渠道设计过程中，根据灌溉范围内存在的地面参考点高程以及各级渠道沿渠水头损失，对渠道水位高程进行确定。其中，灌溉渠道中沿渠水头损失包括渠道比降损失和渠道建筑物水头损失。

4.2.2 渠道横断面设计

明确渠道引水量后即可开始灌溉渠道的断面设计。在其设计过程中需要注意的是，在灌溉渠道流量一定时，断面尺寸选择时要将渠道水流量的比降流速等考虑在内。

1）渠道比降及渠道流速

灌溉渠道设计时，其渠道比降一般是根据渠道地质、渠道水流中的含泥沙量以及灌溉区域地面坡度计算的。若渠道比降较大，则渠道引水流速同步增大，对于断面小的渠道，水头跌落速度加快，而灌溉渠道范围内可控面积较少，渠床易遭到大力冲刷；若渠道比降较慢，且流速较小，会造成渠道淤积，大大降低渠道的输水能力。一般小型农田水利工程灌溉渠道设计时，采用的比降范围按照控制面积进行计算。一般情况下，干渠、支渠的比降范围在1/2 500~1/500；斗渠的比降范围在1/1 500～1/200；引渠的比降范围根据农田的地形和渠道流量确定[6]。除此之外，灌溉渠道设计中对于渠道水流的流速，应保证其小于渠道最大允许不冲流速且大于允许不淤流速，从而有效确保渠床的稳定性。

2）渠道超高

小型农田水利工程灌溉渠道设计中，最为重要的一点是确定渠道超高，做好渠道超高设计能够有效确保引水安全。通常渠道的超高和渠道级别及流量相关，渠道超高的计算公式为：

式中，R为水渠中水流的爬高，cm；e为最大风壅水面高度，cm；A为安全加高，cm。

4）渠堤顶宽

一般渠堤顶宽的设计根据灌溉渠道的渠岸高度和流量大小设定。设计中，若渠堤与道路设计为一体，则道路一侧的堤顶宽需严格按照相关交通要求确定。通常情况下，汽车路面宽度均采用6 m，田间干道宽度采用2.5 m。

4.3 灌溉渠道设计材料的选择

在小型农田水利工程中灌溉渠道的设计中，为有效保证渠道质量和效益，需采用优质材料。灌溉渠道在实际应用过程中，所处环境较为复杂，影响渠道质量因素较多，因此，在其材料的选择上，应着重考虑材料的耐用性、抗老化性等性能。除此之外，考虑到大部分材料会出现热胀冷缩问题，材料选择时应避免不易安装且结构复杂的材料，有效减少甚至规避渠道渗漏等问题。相关设计人员在渠道材料的选择方面，除考虑其质量外，需遵循经济性原则，实现低成本高质量的材料选择。