慶陽市農田灌溉渠道水力設計研究

曹三海 沈加印

摘要 為了利用慶陽市含沙量較大的地表水進行農業灌溉，采用了不沖不淤和沖淤平衡2種渠道設計思路。研究分析了在2種設計思路下渠道斷面的設計流程，并舉例分析了不同思路下斷面的差異。結果表明，在不同的設計思路下，斷面尺寸差異較大，對工程的投入影響較大。為了節約投資，建議在地勢平緩地區采用不沖不淤的設計思路，在地勢陡峭的地區采用沖淤平衡法進行斷面設計。

關鍵詞 水力設計；不沖不淤；沖淤平衡；泥沙；農田灌溉渠道；甘肅慶陽

中圖分類號 F225.4 文獻標識碼 A 文章編號 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

慶陽市位于甘肅省東部，南與陜西省咸陽市及甘肅省平涼市相連，北鄰陜西省榆林市及寧夏鹽池縣，西與寧夏固原市接壤。慶陽市屬黃河中游內陸地區。介于東經106°20′～108°45′與北緯35°15′～37°10′之間。東倚子午嶺，北靠羊圈山，西接六盤山，東、西、北三面隆起，中南部低緩。黃河中下游黃土高原溝壑區，境內溝壑縱橫。耕地面積68.8萬hm2，有效灌溉面積4.4萬hm2，占總耕地面積的6.78%。

慶陽市地處西北內陸，降雨稀少是其基本特征。一方面，境內水資源匱乏，多年平均降雨量為492 mm，降雨時空分布不均，雨熱同季，7—9月降雨量占全年的60%以上[1]，與農作物生長需要時間不相適應，嚴重影響了作物的正常生長。隨著人口增長，農產品供需矛盾日益突出，不能實現區域自給自足，大力推廣節水灌溉，增加灌溉有效面積，提高農產品產量勢在必行。另一方面，慶陽市地處黃土高原腹地，水土流失嚴重，比例達到了全市總面積的92%，每年經河流帶走的泥沙達2.138億t，其中河流帶來境外泥沙0.49億t，自產泥沙1.648億t，河流每年帶走肥沃有機質達1.29億t。嚴重的水土流失導致土地肥力逐年下降，愈發貧瘠，境內河流泥沙含量高，對水資源的利用也帶來了巨大的影響。國家大力提倡的低壓管道輸水灌溉有著其傳統水利無法相比的優越性，具有節水、節能、節地、省時、省工、使用方便、適應性強的優越點。但對水質要求較高，慶陽市河流高泥沙的特點限制了一些比較先進的灌溉方式的應用。修復現有輸水渠道，新灌區的建設采用渠道輸水成為一種亟需的方式，不僅可以滿足耕地的灌溉需要，而且隨著水流將泥沙輸入耕地可以調節土壤理化性質，增加土壤有機質含量，提高土壤肥力，對減少河道淤積具有積極的意義。因此，在慶陽市這樣的黃土高原溝壑區研究渠道水力設計、河流泥沙特性對當地的農業灌溉具有一定的實用價值。

1 區域河流含沙量

慶陽市的茹河、馬蓮河、柔遠川、合水川是其境內的主要河流，并且國家水利部門都建有相應的水文測站，分別為開邊站、雨落坪粘、悅樂站、板橋站，水文控制站提供的實測資料為輸渾水灌溉渠道的設計提供了1656—2010年的可靠參考數據[2]，具體數據如表1所示。

從表1可以看出，慶陽市境內河流控制流域面積不大，平均流量不大，但是平均含沙量大。茹河開邊測站平均含沙量為228.0 kg/m3，馬蓮河平均含沙量為268.0 kg/m3，柔遠川和合水川平均泥沙含量相對較小。當地村民經常用“一瓢水，半瓢沙”來形容泥沙含量之大，使本來水資源緊缺的慶陽由于泥沙含量大的原因，更加劇了水資源供需矛盾，也影響了農業的持續發展。隨著國家退耕還林、封山禁牧政策的實施，水土流失得到了一定的控制，平均泥沙含量呈逐年下降趨勢。2005年，習近平總書記提出“綠水青山就是金山銀山”的科學論斷，這使得控制水土流失的觀念更加深入人心。但是，泥沙含量的下降是一個漫長的過程，可能需要幾代人的努力，更不可能一蹴而就。因此，研究在渾水條件下的農業灌溉顯得重要而緊迫。

2 淤積沖刷的危害及不沖不淤流速的確定

2.1 渠道淤積和流速過大的危害

渾水輸水渠道水力設計的基本原則是防淤和防沖，二者必須兼顧。渠道淤積的危害有以下幾點[3]：①降低了自身的輸水輸沙能力，影響了灌區灌溉的正常進行；②渠道淤積增加了清淤的工作量，在多數情況下渠道清淤只能人工進行，增加了灌區的年運行成本；③渠道清淤堆沙占用耕地，而且會逐年呈現上升趨勢；④清淤堆沙會嚴重影響周邊的生態環境，尤其是在黃土高原，春、秋季風沙較大，地面植被稀少，黃沙漫天；⑤渠道淤泥、灌溉尾水進入排水河道，逐漸抬高河床，影響行洪能力，加快了淤積頻率，使河道治理投入增加。

渠道水流速度過快的危害顯而易見。渠道水流速度大于不沖流速，就會導致渠道被沖毀，影響灌區的正常運行，危及糧食安全。

2.2 不淤流速和不沖流速的確定

2.2.1 不沖流速的定義及取值。水在渠道中流動時，具有的能量包括動能和勢能，隨著水流速度的增加，動能也隨之增加，當水流速度達到一定值時，組成渠床的顆粒材料就會在水流的沖擊作用下從母體脫落，通常把顆粒材料將要從母體脫落而沒有脫落的水流速度稱為不沖流速。

不沖流速的確定涉及的因素復雜多樣，以下經驗公式和試驗得出的數據可作為設計參考[5]：

（1）若渠槽土質為顆粒0.010～0.445 mm的淤積土，水流速度0.350～1.445 m/s，水力半徑為0.20～2.15 m，含沙量為0.5～177 kg/m3，可采用公式（1）[3]：

vs′=0.1■S1/3R0.2（1）

式中：vs′—渠道輸渾水時的允許不沖流速，m/s；γ、γs—渾水及沙粒容重；g—重力加速度，m/s2；S—渾水含沙量，kg/m3；R—水力半徑，m。

（2）當渠床為砂壤土或者粉壤土，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′—清水條件下的不沖流速，m/s2。

（3）常用襯砌渠道的不沖流速，國內外學者通過實驗室已經得出了比較詳盡的數據，設計中可以參考表2[4]。

2.2.2 不淤流速的定義及取值。水流在紊流條件下，泥沙顆粒在紊能的作用下懸浮隨著水流跳躍、翻滾向前運動所需要的最低流速稱為不淤流速。以保證渠道中泥沙被沖走的流速下限，允許不淤流速應根據水流的攜沙能力由各地區的經驗公式確定。

慶陽屬于黃河流域，位于黃河中游，故水流的攜沙能力可按沙玉清公式計算[5]。

S*=■（■）■（3）

式中：S*—渾水渠道的水流攜沙能力，kg/m3；d—泥沙顆粒粒徑，mm；ω—泥沙的下沉速度，m/s；V—渠道斷面的平均流速，m/s；R—渠道水力半徑，m；n—當Fr≤0.8時，n=2；當Fr>0.8時，n=3；V01—挾動幺速，m/s；K—水流攜沙系數，與不淤保證率有關。

令渠道攜沙能力等于設計渠道的渾水含沙量，可以反推出渠道的不淤流速v■"。

3 渾水渠道的設計

3.1 常用灌溉渠道的斷面形式

在防滲渠道中，明渠采用的斷面形式繁多，有U型、梯形、矩形、半圓形、復合型。暗渠采用的有圓形、城門洞形、箱形以及拱形。通過對已建灌區采用的斷面形式對比發現，在慶陽大多數灌區明渠多采用U型或者梯形。究其原因，U型、梯形具有良好的水力性能，而且便于機械化施工，提高施工進度，縮短工期。暗渠多采用圓形或者箱形[6]。基于水利設計的2項基本原則防沖、防淤，根據設計思路的不同，渾水渠道的設計可分為2類：不沖不淤渠道和沖淤平衡渠道。

3.2 不沖不淤的設計

根據灌區的規模、作物的品種、種類，灌溉制度等一系列影響因素可以確定輸水渠道的流量Q；根據修筑渠道材料的不同，基本可以確定修建后渠道的糙率n；邊坡系數可以根據項目區工程地質的實際情況擬定[7-8]。具體步驟如下：

（1）渠道斷面采用下列公式（適用于黃土高原）：

b=1.4Q1/2（4）

A=1.5Q5/6（5）

式中：b—渠底寬度，m；A—渠道過水斷面面積，m2；Q—渠道設計流量，m3/s。

（2）根據連續性方程計算出輸水渠道的水深h、流速v、濕周χ、水力半徑R。

（3）判斷流速v是否介于不沖流速和不淤流速之間，即：vs"

（4）用明渠均勻流公式計算渠道縱坡：

i=■（6）

式中：i—渠道縱坡；n—渠道糟率；公式中其他符號意義同上。

3.3 沖淤平衡的設計步驟

沖淤平衡渠道就是在夏秋季節有一定的淤積，在冬春季節有一定的沖刷。因此，渠道的設計流速略大于含沙量最小時的允許不沖流速，略小于含沙量最大時的允許不淤流速[9-10]。

允許攜沙能力與最大含沙量之間的換算關系為：

S*=■（7）

根據公式（3）反推出流速v，在由連續性方程計算過水斷面面積A，結合經驗公式確定濕周χ、水力半徑R、水深h、底寬b，然后進行縱坡設計。

4 算例

某灌區灌溉需水量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，泥沙平均粒徑0.003 mm，泥沙密度2.73 g/cm3，渠道里采用現澆混凝土，斷面形式為梯形。

4.1 不沖不淤渠道水力設計

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

A=1.5Q5/6=1.5×3.55/6=4.296/m2，取過水斷面面積4.3 m2。

根據慶陽地區高程經驗，邊坡系數取1.5，寬深比取0.6，則渠道深度為4.5 m。

由連續性方程Q=vA計算得：v=0.82 m/s。水深h=1.526 m、濕周χ=9.03 m、水力半徑R=2.1。

S*=■（■）■

代入參數52=■（■）■

求解上述方程得出不淤流速為0.43 m/s。

由0.43 m/s<0.82 m/s<8.0 m/s得出結論，渠道設計流速介于不沖流速和不淤流速之間，設計合理。

根據式（6）得出：i=■=■=0.000 05，計算得出的渠道縱坡過于平緩不符合《水利計算手冊》的相關內容，故縱坡取值為0.000 2。

4.2 沖淤平衡渠道水力設計

設計攜沙能力：S*=■=50.49 kg/m3

根據水流攜沙能力和流速的關系等經驗公式，邊坡系數取為1.5，寬深比取為0.6。

v=■=■=■=■；

χ=b+2（1.8h）=0.6h+3.6h=4.2h；

R=■=■=■。

將流速v、水深h、濕周χ、水力半徑R代入水流攜沙能力和流速的關系式得下列方程：

50.49= ■■■

求解得：h=1.131 m。

將水深h代入得：流速v=1.52 m/s、濕周χ=4.75 m、水力半徑R=2.07、底寬b=0.68 m。

根據式（6）得出設計縱坡：i=■=■=0.000 18。

5 結語

在2種不同設計思路之下，在相同的引水量、相同的泥沙條件下，計算結果差異較大，將導致渠道斷面尺寸的迥然不同，進而引起工程量有較大的差異，工程總投資不同。因此，建議在地勢比較平坦的區域采用不沖不淤的設計方法，在地勢高程變化較大的區域采用沖淤平衡法，在慶陽市采用渠道灌溉，在水利設計中應該結合工程實際情況選擇設計思路，做到設計合理、資金投入較少。

6 參考文獻

[1] 付蔡寧.慶陽市灌溉輸水工程現狀及發展建議[J].甘肅水利水電技術，2005，41（3）：278-280.

[2] 甘肅省水文水資源局.甘肅省河流泥沙公報[R].2010.

[3] 李煒.水利計算手冊[M].北京：中國水利水電出版社，2006：50-55.

[4] 李代鑫.最新農田水利工程規劃設計手冊[M].北京：中國水利水電出版社，2006：1317-1334.

[5] 沙玉清.泥沙運動的基本規律（三）攜沙量[J].西北農學院學報，1957，（2）：1-32.

[6] 馬振友，劉春晶.灌區渠道淤積的危害、機理與治理措施建議[J].水利建設與管理，2007（4）：63-65.

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[9] 毛繼新，曹文洪.引黃灌區泥沙遠距離輸送研究[J].水利水電技術，2009，40（3）：23-26.

[10] 脫云飛，王克勤.云南省坡改梯田工程灌溉渠道優化設計方法研究[J].中國農村水利水電，2014（4）：35-40.