山東省德州市陵城區趙莊灌區渠道改造方案分析

劉 磊，肖津璇

（1.山東省德州市陵城區財政局,山東 德州 253500；2.山東省德州市陵城區水利局,山東 德州 253500）

趙莊灌區位于陵城區西北部,涉及前孫鎮、徽王莊鎮2個鄉鎮,設計灌溉面積10 萬畝,灌區的主要水源除地下水源外,主要為黃河水,主要有朱家河、馬頰河故道等2 條主干溝渠。由于歷史原因,灌區建設標準低,工程配套程度差,工程老化,完好率僅為37%,農田灌溉技術與節水意識還比較粗放,灌區有限的水資源不能得到合理利用,浪費水的現象較為嚴重。

灌區渠系建筑物大部分建于二十世紀六七十年代,受當時經濟條件制約,建設標準低、多年運行老化損壞嚴重,涵閘不能滿足灌溉排澇需求,溝渠配套生產橋威脅群眾生命財產安全。基于上述原因,本文針對趙莊灌區渠道進行改造設計。

1 工程概況

趙莊灌區位于陵城區城區北部,涉及前孫鎮、徽王莊鎮2個鄉鎮。趙莊灌區所在地的陵城區位于山東省西北部,隸屬于德州市,位于德州市腹部。南依平原縣,西與德城區接壤,北接寧津縣,東鄰臨邑縣和樂陵市。省道315 線、249 線、353 線國道104 線貫穿全境,交通便利。灌區位于馬北緩平坡地區和馬西河漫灘高地區,地面高程18 m~24 m。

1.1 氣候

灌區所在地山東省德州市陵縣屬暖溫帶半干旱大陸性季風氣候區,具有溫度適宜,熱量豐富,光照充足,四季分明的特點。多年平均降水量583.3 mm,最大年（1964年）為1089.1 mm,最小年（1986年）為220.3 mm,多年平均蒸發量為1663.4 mm,蒸發量是降水量的3倍,且降水量年際年內分配不均,呈現連續豐、枯或豐枯交替的特點。多年平均徑流深43.41 mm,徑流量為5270 mm。多年平均氣象因素值：日照2679.9 h,相對濕度67.2%,氣溫最高42℃,最低-21.8℃,平均12.5℃,無霜期202 d,最大凍土深度49 cm,平均凍土深度26.6 cm,年平均風速2.7 m/s。光熱充足,天然降水不足,且年際變化大,時空分布不均是本流域的氣候特點。

1.2 降水

灌區屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候區,四季分明,干濕季明顯。春季干旱少雨而多風,氣候干燥,多春旱：夏季炎熱多雨濕度大,雨量集中,時有夏澇出現；秋季涼爽,雨量明顯減少,常出現秋旱：冬季寒冷干燥,雨雪稀少。灌區多年平均降雨量560.1 mm,其中降雨量的最大值在1964 年,為1083.6 mm,是豐水年；最小值在1986 年,為222.3 mm,是特枯年。最大和最小的變幅為861.3 mm,占多年平均降水量的154.5%。降水量年際變化較大。年內春灌期（3月~5月）多年平均降雨量67.0 mm,占全年的11.9%；汛期（6 月~9 月）多年平均降水量436.3 mm,占全年的77.2%；秋冬季降水量62.5 mm,占全年的11.0%。

2 渠道改造方案設計

2.1 相關參數

依據上述設計的灌區工作制度和灌水模數（0.417 m3/（s·萬畝））進行計算。

趙莊灌區設計灌溉面積10 萬畝,根據灌區多年的運行制度,灌區內采用干溝、支溝、斗溝續灌的工作制度。

（1）渠道控制灌溉面積

本次設計以安善仁溝控制范圍做典型設計,灌區范圍內安善仁溝下設3條支溝（安善仁支溝、郭和睦溝、張架莊溝）,安善仁溝灌區范圍內控制灌溉面積0.85 萬畝,各級渠道的控制面積見表1。

表1 典型片溝渠級別統計表

（2）斗溝以下灌溉水利用系數

據《山東省小型農田水利工程建設技術手冊》規定田間實行高效節水灌溉工程后“旱作灌區田間水利用系數不宜低于0.90；采用管道輸水,渠系水利用系數不應低于0.95”。因此,灌區內斗溝以下的田間水利用系數取0.92,渠系水利用系數取0.96,可以得到典型區內斗溝以下的灌溉水利用系數為0.88。

（3）渠道流量推算

自上而下分配田間凈流量,然后根據所選擇的配水方式、各條溝道的灌溉面積、田間水利用系數等參數,自下而上逐段計入損失,推算各級渠道的設計流量［1］。

斗溝控制范圍內的田間凈流量：

斗溝凈流量：

式中：q為設計灌水模數,本灌區取q=0.417 m3/s/萬畝；Q田凈為斗溝以下田間凈流量,m3/s；Q斗凈為斗溝田間凈流量,m3/s；A斗為斗溝控制面積,萬畝；η斗以下為斗溝以下灌溉水利用系數。

根據上述公式求得典型區內各斗溝的田間凈流量。

典型區內斗溝均為土質溝渠,土渠每千米輸水損失系數為：

式中：σ為渠道每千米輸水損失系數；為考慮地下水頂托壅阻影響后的修正系數；A為渠床土壤透水系數；m為渠床土壤透水指數。

灌區土壤多為壤土,根據《灌溉與排水工程設計標準》（GB 50288-2018）查得相應的土壤透水性參數為：A=2.65,m=0.45；不考慮地下水的頂托壅阻影響,故修正系數取為1。

斗溝的毛流量或設計流量為：

典型片斗溝水利用系數：

按照上述方法計算支溝、斗溝的凈流量、設計流量和渠系水利用系數,計算結果見表2。

表2 固定CS/CV=3.5與變CS/CV（準則適線）頻率計算結果誤差統計

表2 各級溝渠流量計算結果表

2.2 渠道縱、橫斷面設計

紙房中型灌區輸水溝渠為灌排兩用渠道,由于排澇流量大于灌溉設計流量,渠道縱橫斷面按排澇流量設計。灌區排澇標準為設計暴雨重現期10 年,1 日暴雨2 日排盡。

據灌區觀測資料,各溝渠的排澇流量見表3。

表3 排澇流量統計表

（1）橫斷面設計

①斷面形式

白康等（2013）[5]研究發現，林麝正常期糞中睪酮含量較低，泌香初期含量開始急劇升高，至泌香盛期達最高峰，且明顯高于正常期，泌香后期急劇下降，且雌二醇的變化規律與睪酮相似，而孕酮含量在整個泌香期呈無規律性變化。張爭明等[6]對林麝泌香期血清性激素的研究發現，泌香初期血清雌二醇、睪酮和孕酮含量較低，泌香盛期均達到最高峰，泌香后期又都迅速降至與泌香前期接近的含量水平。由此可見，睪酮和雌二醇與麝的泌香反應密切相關。

灌區現狀溝渠的斷面均為梯形,經分析比較后本次灌區節水配套改造的溝道形式仍采用梯形斷面。根據渠床的土壤性質及淤積情況,并考慮盡量減少挖筑土方工程量,溝渠疏浚后仍然采用溝渠原邊坡系數。根據《灌溉與排水工程設計標準》（GB 50288-2018）,土渠的渠床糙率采用0.025。

②渠堤超高

渠堤超高：

式中：Δh為超高,m；hj為渠道通過加大流量時的水深,m。

根據《灌溉與排水工程設計標準》（GB 50288-2018）規定,續灌渠道設計流量1 m3/s~5 m3/s、5 m3/s~20 m3/s 、20 m3/s~50 m3/s時,渠道加大流量的加大百分數分別為35%~25%、25%~20%、20%~15%。根據渠道等級求得相應加大流量從而計算渠道加大水深。

渠道堤頂高程按下式計算：堤頂高程=加大水位+堤頂超高

③基本公式

根據明渠均勻流公式計算：

式中：V為渠道平均流速,m/s；C為謝才系數；R為水力半徑,m；i為渠底比降。

謝才系數采用曼寧公式：

式中：n為渠床糙率。

式中：Q為渠道設計流量,m3/s；A為渠道過水斷面面積,m2。

對于梯形斷面：

式中：b為渠道底寬,m；h為渠道水深,m；P為渠道濕周,m；m為邊坡系數。

④渠道的不沖不淤流速

根據陵城區水利局提供給的資料,灌區內渠道水的不沖不淤流速在0.5 m/s~0.7 m/s之間。

（2）縱斷面設計

根據地形、地質條件,渠道承泄區水位和沿程排澇水位、水中的泥沙含量以及渠道的設計流量,同時結合原有的工程狀況,盡量不進行大挖方、大填方,對現有的渠道比降不做調整。

溝道水位依自下而上和自上而下推算,遇到渠系建筑物和量測水設施時,則根據具體情況考慮水頭損失,上級渠道水位應高于下級渠道水位。

渠道水位推算采用如下公式：

式中：H為渠道進水口處的設計水位,m；A0為渠道灌溉范圍內控制點的地面高程,m；h0為控制點地面與附近末級固定渠道設計水位的高差；L為渠道長度,m；i為渠道的比降；為水流通過渠系建筑物時的水頭損失,m。

取值參考表4。

表4 渠道建筑物水頭損失最小數值表 單位：m

2.3 渠道設計成果

根據灌溉、排澇過流復核,現狀渠道斷面均能滿足要求,故不對現狀渠道僅進行疏浚,恢復至原設計斷面,不再進行擴挖,渠道（排水溝）設計成果見表5。

表5 渠道設計成果表

3 結論

本工程實施后,改善灌溉面積4.00萬畝,年節水量241.03 萬m3。按灌區每畝農田每年灌溉可減少1個工日計算,本年度工程效益影響范圍內每年省工效益約為86.4萬元（每個工日按72 元計）。

節水配套改造工程項目實施后,效益非常明顯,具有良好的經濟、社會和生態效益,并對周邊地區農業生產的發展起到一定的帶頭作用。通過灌區配套改造,可以大大提高灌區的工農業發展潛力。