農田水利灌溉渠道工程設計分析

楊文濤

（滄州水利勘測規劃設計院有限公司，河北 滄州 061000）

農田水利灌溉渠道工程主要是為農業服務，因此在開展相關的設計建設工作時要從實際出發，根據灌溉需求、農業發展需求以及當地自然環境特征等科學設計渠道工程，確保水利灌溉渠道工程能充分發揮作用。下面結合實際，對農田水利灌溉渠道工程設計問題做具體分析。

1 農田水利灌溉渠道工程特點分析

為了能夠更好地發揮出農田水利灌溉渠道工程的重要作用，要求農田水利灌溉工程要具備安全性和水資源利用效率高的特征。通過建設農田水利灌溉渠道工程，有效地保證水資源的充足性，為農田灌溉打下堅實的基礎。但在實際農田水利灌溉渠道工程建設過程中，由于各地情況不同，水質和土壤存在差異性，因此工程設計體系也會存在一定的變化性，這就需要加強對農田水利建設安全性的關注，更好地發揮出水利灌溉渠道工程的價值和作用。在實際渠道設計過程中，應保證渠道規劃要具備良好的地理條件，盡可能地避開軟土土質和透水性土質，進一步保證農田水利渠道工程的安全性。而且通過重視農田水利灌溉渠道工程建設，還可以保證農業生產過程中農民用水需要，進一步提高水資源的利用效率。因此在實際農田水利灌溉渠道工程設計過程中，需要強調功能性特征，更好地滿足工程發展，為水資源提供一定的利用條件，這樣能夠進一步展現渠道灌溉功能，降低資源浪費。并通過考慮局部發展特征，確保水利系統灌溉作用有提升。

2 農田水利灌溉渠道工程存在的問題

2.1 農田水利灌溉裝備落后，設備盲目購置

隨著市場競爭逐步激烈，決定競爭力的不僅是資金，現在主要是人才與設備之間的競爭。在科研水平逐步提高的背景下，現有的農田水利灌溉設備相對來說就比較陳舊，設備整體比較老年化，比較落后，這樣會導致農業生產受到限制，不利于農業的發展。為了適應現如今的發展形勢，必須適當地引進國內外比較先進的農田水利灌溉設備，以此來提高機械技術裝備水平。但是，部分地區并沒有結合實際情況，制定科學的農田水利灌溉設備的發展規劃和購買設備，而且并沒有合理地預估未來農田水利灌溉設備的市場使用情況，導致很多設備并不能滿足農業種植需求，造成經歷、資源的浪費。部分種植者為了能夠獲得較多的利潤，沒有結合實際進行設備的購買。比如說，購買設備沒有考慮到資源、種植、環保、操作使用等諸多因素。導致資金無法合理運轉，設備利用率低，很多都閑置或者不使用，這樣便會給種植者造成巨大的損失，不利于農業的發展。

2.2 農田水利灌溉渠道管理體系有待完善

目前大部分地區農田水利灌溉渠道工程維護和管理工作都存在制度不完善的問題，缺乏健全的管理體系，這也導致具體的維護和管理工作措施落實不到位，對工程項目效益的實現帶來較大的影響。一些地區為了能夠更好地發揮出農田水利灌溉渠道工程的重要作用，制定了具體的工程維護和管理的步驟和方法，但在實際工作開展過程中，具體安排缺乏統一性和科學性，而且監管力量薄弱，這也對農田水利灌溉渠道工程項目維護和管理工作的落實帶來較大的影響，在具體工作中還存在相互推諉責任的問題，權責不明確，運行管理機制欠缺完善性，這必然會對農田水利灌溉渠道工程的穩定運營帶來較大的影響。

2.3 農田水利灌溉渠道設計工時存在誤差

第一，平面設計缺乏靈活性。傳統開展水利工程設計時，是在手工平面圖上進行建筑物、構筑物布設，由于底圖只有一張，所以在平面設計時，靈活性受到限制，一旦出現錯誤，或需要進行修改時，需要在底圖上進行反復工作，耗費時間與精力，對圖紙的紙質也會造成磨損。另外也不方便在一張圖紙上，開展多個設計方案對比選擇。

第二，縱斷面設計，完全需要手工繪制以及計算。在進行較長的管線工程以及堤防設計時，縱斷畫圖繪制與計算，均需要進行手工進行，地面點樁號、高程以及拉坡設計，都需要逐點進行計算，圖形的繪制速度較慢，并且計算量更大，較易發生出錯。而樁號錯位修改更為困難，常會存在由于出現錯誤，導致圖紙報廢。

第三，工程量計算繁雜，且準確度低。在手工平面圖上進行水庫、壩體庫容或場地土石方數量計算時，常用的方式包括面積分割法、等高線法以及求積儀量面積法等。該類方法計算過程均較為復雜，且計算方法緩慢，準確度更低，易導致施工中出現變更或突發問題。

3 農田水利灌溉渠道工程設計方法

3.1 明確灌溉面積，計算灌溉凈流量

在農田水利渠道灌溉工程設計的過程中，首先，需要對實際灌溉面積進行明確。其次，在灌溉面積的基礎上進行灌水率設計。在灌水率設計過程中，需要依據農田作物種類、不同農作物種植占比、作物栽插進度以及灌水延續時間等因素進行明確計算，同時確保相關設計與計算符合《灌溉與排水工程設計規范》標準規范，從而準確計算出水利灌溉渠道特定時期的凈流量。

3.2 渠道跌水設計

渠道跌水設計效果會影響整個農田灌溉渠道工程的設計質量，因此在具體的設計中工作人員要高度重視渠道跌水設計。具體來說，在進行渠道跌水設計時，工作人員要合理控制跌差，從而減小水阻力，提高灌溉效率。另外，在進行渠道跌水設計時工作人員需認真做好實地考察工作，在全面把握工程特性特點的情況下科學控制跌差，使農田灌溉渠道工程能充分滿足當地的灌溉需求。

3.3 灌溉渠道橫斷面設計

渠道水力計算：在渠道水力計算時主要利用勻流公式，其主要目的是對渠道過水能力進行掌控，即對灌溉渠道斷面進行精確設計，以此保證水流量能夠正常穩定通過。除此之外，還可以對渠道能否滿足實際流量需求進行校驗，具體核算公式：Q=A×V。其中，Q代表渠道流量，單位為m3/s；A代表過水斷面的實際面積，單位為m2；V代表水流在渠道斷面的平均速度，單位為m/s。在明確設計流量的前提下對斷面進行設計，先要對渠道水流速度進行明確，水流速度V與灌溉渠道縱坡參數i之間具有一定關聯關系，縱坡參數越大，則水流速度越快，縱坡參數越小，水流速度越慢。則渠道均勻流的具體流速計算公式如下所示：V=CRi。其中，C代表謝才系數，其與水力半徑參數R以及糙率系數n相關，謝才系數具體計算公式為：C=1/n×R1/6。水力半徑主要包括過水邊界周長參數X以及過水斷面W，如果過水斷面保持一致，過水邊界周長參數越小的灌溉渠道擁有越小的水流阻力、水流速度越大、過水能力同樣越大。水力半徑計算公式為：R=A/X。其中，A代表過水斷面；X代表過水邊界周長參數。通過上述描述能夠得出渠道流量Q的具體計算公式：Q=A×V=ACRi。

計算參數選擇：灌溉渠道的計算參數主要包括糙率系數n、渠道縱坡系數I、寬深比a（=B/h）、渠道流量等因素。渠道設計和計算參數的合理性和準確性直接影響到整個灌溉工程的運行穩定性和安全性。在選擇灌溉渠道坡度時，應注意灌溉渠道底部必須保持一定的縱向坡度，即i=H/D=Tan 一其中I是梯度系數，H表示灌溉渠道兩端點的高度差，D表示兩端點的水平距離。同時，坡度應盡可能接近地面坡度，以防止過度填挖；當通道流量相對較大時。坡度應控制在相對緩慢的狀態；當河道水流中含有雜質時，必須科學控制坡度系數，以確保水流能夠攜帶泥沙和雜質，防止河道淤積。在設計河床結構的粗糙度系數n時，有必要闡明河道粗糙度系數的作用，即它真實反映河床的表面粗糙度。N值越大，河床表面越粗糙；N值越小，河床表面越光滑。同時，根據水力學中的標準規定和河道工程的實際地理環境參數，這是明確的。

渠道端面寬深比a（=B/h）的選擇：渠道斷面結構直接影響水利工程的實際工程量、斷面結構的穩定性和渠道工程的整體施工難度。河道斷面有多種類型，如寬水深型和窄水深型。在設計中，應根據渠道的最佳水力斷面計算分析寬深比，以確保渠道斷面處于最佳狀態，同時盡可能減少襯砌工程的施工量和石方的使用量。在知道河道坡度系數m的具體值后，可以獲得相應的最佳值a。在選擇和設計渠道斷面寬深比a時，應充分考慮施工量，并注意渠道斷面的結構穩定性。正常情況下，如果渠道流量Q為1~3m3/s，則需要將a值控制在1~3。

灌溉渠道允許的水流速度：在灌溉渠道流速設計時，必須保證其處于灌溉渠道允許的水流速度范圍內，即V不淤流速＜V設計流速＜V不沖流速，其中，不沖流速選用行業標準規定數值，不淤流速值需要依據渠道水流中雜質泥沙量的顆粒性質、數量多少以及組成成分等相關。為防止水草等植物在渠道中生長導致渠道過水能力下降，將渠道最小設計流速控制在0.4~0.6m/s，對于清水段灌溉渠道，可以將最小設計流速控制在0.2m/s左右。

3.4 縱斷面設計

在農田灌溉渠道設計中，渠道縱斷面設計是一項重要內容，縱斷面設計效果直接決定了渠道工程能否正常發揮功能。由于縱斷面設計十分重要，因此在正式設計縱斷面形式之前工作人員需進行實地勘察，查明灌溉區域的地形地勢特征，在此基礎上選擇等高線平行線位置來確定渠道工程縱斷面的走向。縱斷面走向確定后，設計人員還需對工程所在地的土壤性質、降水特點、農業灌溉需求等進行調查分析，在綜合考慮各項因素的基礎上科學設計渠道縱坡位置，同時參考縱斷面中心線來確定各樁點高程、渠道的頂部以及底部。設計渠道頂部高程需要參考借助渠道水位超高值以及水位高程進行。在通過上述計算確定出渠道縱斷面水位高程后，再根據當地具體的灌溉需求準確確定渠道流量，計算U型槽的縱向坡降等以及空斷面的尺寸，確保渠道縱斷面設計科學合理。

3.5 應用數字化工具展開設計

第一，電子圖設計具備可復制性。在開展水利工程設計時，能夠從AutoCAD電子地形圖中國進行圖形復制，能夠進行多種工程方案設計，直到所建設的方案平面布設科學合理，能夠滿足水利工程的需求，即滿足科研階段方案比選、初步設計以及施工圖設計的相關要求。

第二，電子圖紙設計易于修改。在水利工程設計過程中，可以使用AutoCAD工具從電子圖紙中排列固定的建筑物、管道等線性結構和構筑物，布局精度高，布局研究更清晰，變化更靈活。此外，在設計過程中，可以在電子圖紙上標記設計位置的角度、坐標、面積和距離，并且可以使用AutoCAD功能執行相關設計的各種命令，如中斷、修改和鏡像。設計更加靈活，可以根據實際施工數據隨時更改，以提高施工地形的一致性。減少了傳統手工計算和測量圖紙上的距離、角度和坐標所造成的誤差。

第三，在設計階段，可以結合電子圖紙和專業計算機軟件進行快速設計。在渠道、路堤和管道等線性結構的設計中，可以使用電子圖形的線控制點進行標記，并結合智能測繪技術和其他軟件，同步計算線性結構的線位置。根據測得的地面高程點，可自動生成逐樁坐標，并可重復快速繪制合理的設計高程，避免了在手工紙上繪制垂直剖面圖或手工AutoCAD圖時因樁號和距離錯位以及坡度圖計算而導致的高程誤差，減少了設計人員的工作量，節省了時間，提高了工作效率，使圖紙具有標準化的特點。如果是農田基礎設施、灌溉項目或場地平整項目，南部Cass軟件中的功能也可用于以嚴格的精度輕松計算開挖石方的數量；第四，可以準確計算工程量，以滿足招標要求。全站儀的無棱鏡功能用于在測量員難以或無法到達的危險地段（如懸崖和深水區）進行測量或施工放樣，提高了測點和選線人員的安全性，避免了地形測量中出現不完整的點或放樣尺寸，使工程設計更加準確，工程量計算更加準確，為編制招標依據或提供工程量清單奠定了良好的基礎，減少了施工過程中因設計原因引起的變更或索賠引起的糾紛，為今后的施工、管理和安全生產提供了便利。

4 結論

農田灌溉渠道工程的設計有較強的專業性，技術難度較高。在開展渠道設計時，要嚴格按照國家與行業的規定與要求，根據當地實際情況合理選擇渠道縱斷面、橫截面形式，科學計算渠道跌水誤差與流量，全面保證渠道工程設計質量。