梁貞堂，宋長(zhǎng)虹

(黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

中共中央國(guó)務(wù)院《關(guān)于深入推進(jìn)農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革加快培育農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展新動(dòng)能的若干意見》指出：大規(guī)模實(shí)施農(nóng)業(yè)節(jié)水工程，加大大中型灌排骨干工程節(jié)水改造與建設(shè)力度，同步完善田間節(jié)水設(shè)施，建設(shè)現(xiàn)代化灌區(qū)。中共黑龍江省委《關(guān)于加快發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)爭(zhēng)當(dāng)全國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)排頭兵的意見》強(qiáng)調(diào)：到2020年確保建成1億畝高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田，新增農(nóng)田有效灌溉面積2000萬畝，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)提高到0.6以上。灌區(qū)建設(shè)得到了高度重視。

在科技飛速發(fā)展、新理論新技術(shù)日新月異的今天，灌區(qū)設(shè)計(jì)理論也應(yīng)得到提升與創(chuàng)新；特別是輸水干支渠道與排水干支溝道如何布置？成為灌區(qū)能否節(jié)水、節(jié)地和能否建設(shè)的關(guān)鍵。通過對(duì)黑龍江省兩大平原現(xiàn)有灌區(qū)的調(diào)查，輸水干支渠道與排水干支溝道結(jié)合布置應(yīng)當(dāng)是灌區(qū)設(shè)計(jì)理論的新發(fā)展。它的最大優(yōu)點(diǎn)：節(jié)省土地、節(jié)省水資源、節(jié)省建筑物、節(jié)省建造成本、節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。它的設(shè)計(jì)理念符合綠色發(fā)展、最嚴(yán)格土地管理、山水田林湖生命綜合體理念。

1 灌排兩用輸水渠(溝)道斷面參數(shù)的確定

灌排輸水兩用渠(溝)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是確定渠(溝)的深度(H0)和底寬(B0)；其它參數(shù)，如渠底比降(i)、邊坡系數(shù)(m)、糙率(n)等可根據(jù)地形、土質(zhì)、管理情形按經(jīng)驗(yàn)確定。

1.1 排水溝的斷面參數(shù)

1.1.1 末級(jí)單純除澇排水溝深度與間距

目前單純末級(jí)除澇排水溝間距的確定還沒有完善的理論方法，多數(shù)按經(jīng)驗(yàn)確定。我國(guó)北方地區(qū)末級(jí)除澇排水農(nóng)溝間距一般為150～400m，南方末級(jí)農(nóng)溝間距一般為100～200m。

此排水溝的深度及斷面尺寸可根據(jù)排澇流量，按明渠均勻流理論確定。排澇流量：黑龍江省三江平原地區(qū)和松嫩平原地區(qū)采用5年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)的流量，水田3d暴雨4d排至作物耐淹水深；旱田作物24h暴雨2d排除。

1.1.2末級(jí)控制地下水位排水溝(防漬，防鹽堿)的深度與間距

(1)末級(jí)排水溝的溝深和間距

在要求的地下水位一定時(shí)，溝深與間距存在許多方案，宜用經(jīng)濟(jì)比較加以確定，如圖1所示。確定溝深的示意圖，如圖2所示。

圖1 排水溝深度與溝間距的關(guān)系圖

圖2 排水溝深度計(jì)算示意圖

(1)

式中，△H—排漬深度或地下水臨界埋深(作物要求的地下水埋深)，m；△h—懸掛水頭，m，0.2～0.3m；S—日常水深，m，0.1～0.2m。

GB50288- 99《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦了確定末級(jí)防漬排水溝溝深與間距、脫鹽或防鹽堿地區(qū)的排水溝溝深與間距的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，見表1、2。

表1 防漬排水溝溝深與間距經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù) 單位：m

表2 脫鹽或防鹽堿地區(qū)的排水溝溝深與間距經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù) 單位：m

文獻(xiàn)[2]給出了吉林省松嫩平原大安灌區(qū)地下水臨界深度(△H)的數(shù)值；黑鈣土次生鹽漬化地區(qū)臨界深度△H=3m，純排漬時(shí)(不考慮鹽漬)△H=1.0m。

文獻(xiàn)[4]三江平原防止土壤鹽漬化生態(tài)水深(△H)應(yīng)控制在2.5～4.0m。

1.1.3 排水干溝的深度

排水系統(tǒng)的設(shè)置可按GB50288- 99規(guī)定，依次為干溝、支溝、斗溝、農(nóng)溝等固定溝道。排水干溝的深度可用下式計(jì)算：

(2)

式中，H干—干溝的深度，m;D—末級(jí)溝道的深度，m；k—溝道的級(jí)別；n—溝道的數(shù)量；L—溝道的長(zhǎng)度，m;i—溝道的底坡比降。

1.1.4 排水溝的斷面參數(shù)

排水溝的設(shè)計(jì)流量(Q)根據(jù)排水面積、排水模數(shù)、產(chǎn)流與匯流歷時(shí)，以及地下水位的控制要求按有關(guān)理論確定。

邊坡系數(shù)(m)根據(jù)當(dāng)?shù)赝临|(zhì)情況，經(jīng)邊坡穩(wěn)定分析計(jì)算后確定，一般m>1.0。

底坡(i)根據(jù)地形與地表坡度確定，一般i<1/3000。

底寬(B)和過水?dāng)嗝嫠?H)根據(jù)明渠均勻流理論確定，黑龍江省一般采用B>1.0m。

為了保證排水溝的設(shè)計(jì)排水能力，排水溝內(nèi)最高水位應(yīng)低于區(qū)內(nèi)有代表性地面點(diǎn)0.2～0.3m，下級(jí)溝道水位應(yīng)低于上級(jí)溝道水位0.1～0.2m，局部出現(xiàn)壅排，回水不能對(duì)上級(jí)溝道造成明顯影響。

1.2 灌溉輸水渠道的斷面參數(shù)

按GB50288- 99規(guī)定，輸水灌溉渠道依次為干渠、支渠和斗渠。各級(jí)渠道的設(shè)計(jì)流量(Q)、底坡(i)、邊坡系數(shù)(m)和糙率(n)均有計(jì)算與選取方法。渠底寬度(b)和過水?dāng)嗝嫠?h)按明渠均勻流理論確定。

(3)

A=(b+mh)h

(4)

(5)

R=A/X

(6)

(7)

式中，R—水力半徑，m；X—過水?dāng)嗝鏉裰?，m;A—過水?dāng)嗝婷娣e，m2。C—謝才系數(shù)。

將計(jì)算與選定的Q、m、n和i，代入(3)～(7)式，經(jīng)試算，可得出灌溉渠道的b、h。

1.3 灌溉排水兩用渠(溝)道斷面參數(shù)的確定

比較同級(jí)別的灌溉渠與排水溝斷面的參數(shù)，選取H0=max{H，h}、B0=max{B，b}，作為斷面參數(shù)。

2 灌排兩用渠(溝)道的布置

2.1 灌排兩用渠(溝)道同向布置

部分地區(qū)的農(nóng)田由于地形的特殊性，可以做到灌溉渠道水流方向與排水溝道水流方向一致，即：灌排同向。此時(shí)，只要渠(溝)的底坡比降(i)合適，再配以適當(dāng)?shù)墓?jié)制閘，灌區(qū)的輸水與排水{既可完成；再用小型泵站將水抽至配水渠道，灌區(qū)既可完成灌溉功能。

2.2 干渠(溝)同向，支、斗渠(溝)逆向布置

干渠與干溝水流同向，支、斗渠與支、斗溝水流逆向，是這類灌區(qū)渠(溝)布置的常見型式。此時(shí)，應(yīng)在支渠口下的干渠上建設(shè)節(jié)制閘，以控制水位；使支渠滿足灌溉要求。如支渠較長(zhǎng)，可建設(shè)抽水泵站與節(jié)制閘，以提高水位和提供水量。泵站前的水位與流量可用明渠非均勻流理論進(jìn)行校核。設(shè)泵站的抽水流量為Q抽，渠道的來水為Q來，則：

(8)

如果Q抽Q來，則應(yīng)提高上游水位或泵站下移。

2.3 灌排兩用渠(溝)道逆向布置

灌溉干渠與排水干溝的水流方向相反，即：灌排兩用渠道逆向布置。此時(shí)灌溉用水均需用抽水解決，用公式(8)校核各級(jí)渠道，可得出影響設(shè)計(jì)渠道的主要因素為同一級(jí)渠道的各渠段的過流能力；建設(shè)節(jié)制閘與泵站為水位及灌溉過程的主要控制性工程。

2.4 節(jié)制閘與泵站

節(jié)制閘的主要功能是控制水位。同向布置時(shí)，節(jié)制閘應(yīng)在下一級(jí)渠道分水口下方(灌溉水流方向)；逆向布置時(shí)，節(jié)制閘應(yīng)在下一級(jí)渠道分水口上方(灌溉水流方向)。節(jié)制閘的最高控制水位應(yīng)滿足安全超高要求。

泵站的主要功能是提供足夠的水量。泵站一般與節(jié)制閘同址建造；在輸水渠道上，水泵選擇大流量低揚(yáng)程的軸流泵為宜。

3 灌排兩用渠(溝)道的用水調(diào)度

根據(jù)省氣候特點(diǎn)，灌排兩用渠(溝)道在用水調(diào)度時(shí)可分為3個(gè)階段；即：5月1日～6月15日，是灌溉用水為主階段；6月16日～8月20日，是灌溉與排水重疊階段；8月21日～9月30日，是排水為主階段。灌溉用水階段控制啟用所有節(jié)制閘與泵站，以滿足灌溉用水需求；排水階段控制所有節(jié)制閘，調(diào)節(jié)溝內(nèi)水位，滿足排水與生態(tài)用水要求。

灌溉與排水重疊階段是灌區(qū)用水調(diào)度的關(guān)鍵，要根據(jù)降雨量級(jí)、作物的耐淹歷時(shí)、排水的工程標(biāo)準(zhǔn)作好調(diào)度方案。當(dāng)天氣預(yù)報(bào)通知未來3d有降雨時(shí)，要研究灌溉系統(tǒng)的水位、水量，研究節(jié)制閘是否開啟排水、泵站是否停止供水。

文獻(xiàn)[6]對(duì)灌排兩用渠(溝)道在灌溉期突遇5年一遇暴雨進(jìn)行了數(shù)字模擬，模擬結(jié)果如圖3、4所示。

圖3 頻率為20%的1日降雨模擬結(jié)果圖

從圖3、4可經(jīng)看出，如果灌排兩用渠(溝)道調(diào)度控制合適，在作物的耐淹歷時(shí)內(nèi)完全可以實(shí)現(xiàn)灌溉與排水的轉(zhuǎn)換。

4 結(jié)語(yǔ)

灌溉與排水兩用渠道是古老又現(xiàn)代的先進(jìn)灌溉渠道，特別是在三江平原與松嫩平原上，更顯現(xiàn)出它的優(yōu)越性；如何將灌排兩用渠道真正落實(shí)到灌溉工程中，還需實(shí)踐中更進(jìn)一步研究。

圖4 頻率為20%的3日降雨模擬結(jié)果圖

[1] GB50288- 99. 灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 畢淑霞, 賈志國(guó), 王軍海, 等. 松嫩平原大安灌區(qū)渠系地下水臨界深度的確定[J]. 東北水利水電, 2009(05).

[3] 戴春勝, 等. 三江平原水土資源利用與保護(hù)對(duì)策研究[M]. 北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)出版社, 2012.

[4] 基本農(nóng)田設(shè)計(jì)規(guī)范[EB/OL]. 中華文本庫(kù).

[5] 宋長(zhǎng)虹, 等. 黑龍江省灌溉與排水兩用渠道設(shè)計(jì)實(shí)用技術(shù)研究[R]. 黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院, 2016.