田秋穎,林曉紅,宋長虹

(1.蘭西縣水務(wù)局,黑龍江蘭西 151500;2.巴彥縣水務(wù)局,黑龍江 巴彥 151800; 3.黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院,哈爾濱 150080)

灌區(qū)位于黑龍江省西部地區(qū)林甸縣東部,北面以雙陽河南堤為界,東至引嫩總干,西北、西南分別以林甸縣至富裕和林甸縣至黎明鄉(xiāng)公路為界,南面以中部澇區(qū)的三排干為界。雙陽河在灌區(qū)北側(cè)通過,灌區(qū)內(nèi)部沒有明顯的河流水系。灌區(qū)現(xiàn)有水田灌溉面積0.4萬h m2,本次設(shè)計灌溉面積近1.65萬h m2,其中水田0.93萬 h m2、旱田0.72萬h m2。灌區(qū)內(nèi)土壤黏重,鹽堿化程度比較重,在灌區(qū)設(shè)計時應(yīng)充分考慮土壤鹽漬化問題,建設(shè)一個以排澇排鹽堿相結(jié)合的排水排鹽系統(tǒng)。

1 制漬排水工程技術(shù)措施的初步選擇

根據(jù)林甸灌區(qū)土壤情況,防止區(qū)內(nèi)鹽堿化的加重,在排水設(shè)計時考慮了排漬。制漬排水工程技術(shù)措施包括:明溝排水、暗管排水、鼠道排水和其他方式排水等,各種措施的優(yōu)、缺點(diǎn)如下:

1.1 明溝排水

如果排水地區(qū)土質(zhì)滲透性好,可以考慮制漬與除澇排水采用同一套系統(tǒng),但明溝排水開挖深度要滿足控制地下水位的要求。若土質(zhì)透水性能很差,采用明溝控制地下水位時,可能需要很大密度。將造成占地過多,并影響農(nóng)業(yè)耕作,此時考慮采用其他方式。所以本灌區(qū)是否采用明溝排水應(yīng)該和其他方式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較后決定。

1.2 暗管排水

由于暗管埋于地下具有不占地、使用年限長、便于田間耕作及交通等優(yōu)點(diǎn),國內(nèi)外實(shí)踐證明,這是農(nóng)田制漬排水的發(fā)展方向,隨著波紋管塑料管的使用和施工的機(jī)械化,使農(nóng)田暗管排水發(fā)展到了一個新的階段。塑料原料較貴時,可利用當(dāng)?shù)夭牧霞庸ぶ谱鞲鞣N水泥管或瓦罐。所以本灌區(qū)適合采用暗管排水,但應(yīng)該與其他方式進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較后決定。

1.3 鼠道排水

在重黏土地區(qū),為達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)需要暗管間距很密,這樣會造成投資過高而無法實(shí)施,在這種情況下鼠道是一種很有效的方法。其優(yōu)點(diǎn)是施工簡便,不需要管材,造價低廉,且對排除犁底層滯水和地面殘留積水特別有效,但因其排水深度較淺,使用年限短(一般3a左右),所以它只是一種輔助排水措施。本灌區(qū)要求排漬深度為1.8m,所以不適于鼠道排水。

1.4 其他方式

線縫溝是用犁刀劃破阻水的犁底層以消除上層滯水。土暗溝是人工開挖溝槽而成,它與暗管和鼠道由某些相似之處,但往往需要年年施工,還因暗土溝用工較多逐漸被其他方式所代替。所以本灌區(qū)也不應(yīng)該選用這兩種方式。

以上幾種方式可以因地制宜的組合使用,通過比較發(fā)現(xiàn)兩種方式不適用于本灌區(qū)所以在在設(shè)計時,應(yīng)該進(jìn)行明溝和暗管兩種方案比較,根據(jù)溝道的不同級別確定不同的排水方式。

2 末級固定排水溝和吸水管間距計算

排水末級固定溝道為農(nóng)溝,農(nóng)溝間距為100 m,考慮排漬時重新確定水溝和吸水管間距。

2.1 水田排水溝

水稻區(qū)田面有淹水層排水溝邊坡陡直不計溝中水深穩(wěn)定滲流情況下的排水溝間距按公式:

式中:B為末級固定排水溝間距,m;K為排水地段含水層平均滲透系數(shù),m/d;H為田面水位與溝底高程之差即排水溝的作用水頭,m,取1.8 m;Q為設(shè)計要求的稻田滲漏強(qiáng)度,m/d,取0.0003 m/d;Ф0為穩(wěn)定滲流情況下排水溝排水地段的滲流阻抗系數(shù);Hd為排水溝的有效深度,m,取1.6 m;T為排水地段含水層的平均厚度,m。

計算結(jié)果詳見表 1。

表1 不同土質(zhì)水田排水溝計算間距表

2.2 水田吸水管

水稻區(qū)田面有淹水層吸水管內(nèi)充滿水穩(wěn)定滲流情況下的吸水管間距按以下公式計算:

式中:B為吸水管間距,m;Hd為吸水管埋深,m,取1.6 m;H為吸水管的作用水頭,m,管內(nèi)為有壓水時為有壓時,H為田面水位與吸水管承壓水位之差;管內(nèi)為無壓水時,H為田面水位與吸水管中心高程之差,取1.8 m;d為吸水管外圍直徑, m,0.05 m;Ф0為穩(wěn)定滲流情況下吸水管排水地段的滲流阻抗系數(shù)。詳見表 2。

表2 不同土質(zhì)水田吸水管計算間距表

2.3 旱田排水溝

旱作區(qū)田面無淹水層地下水位逐漸降落,起始地下水面形狀近似二次方曲線,不考慮蒸發(fā)影響,非穩(wěn)定滲流情況下的排水溝間距按以下公式計算:

式中:H0為地下水位降落起始時刻,排水地段中部地下水位高于溝內(nèi)水面的作用水頭,m,取1.6m;Ht為地下水位降落到t時刻,排水地段中部地下水位高于溝內(nèi)水面的作用水頭,m,取1.3 m;Hd為排水溝內(nèi)水面至地面的垂直距離,即排水溝的有效深度,m,取1.7m;T為設(shè)計要求地下水位由H0降到Ht的歷時,d,取4 d;μ為地下水面變動范圍內(nèi)的土層平均給水度,取0.01;Ω為地下水面形狀校正系數(shù)采用(0.7～0.8),取0.7;Φ為非穩(wěn)定滲流情況下排水溝排水地段的滲流阻抗系數(shù);D為溝內(nèi)水面至水平不透水層表面的垂直距離,m;B0為溝內(nèi)水面寬度,m,0.10 m。

綜合考慮灌區(qū)主要旱田種植作物的耐漬深度和耐漬時間,確定旱田作物在4 d內(nèi),地下水位由地表下降 0.5m,考慮作物耗水和田面蒸發(fā),計算時從田面以下0.2m開始,計算結(jié)果見表 3。

表3 不同土質(zhì)旱田排水溝計算間距表

2.4 旱田吸水管

計算旱田吸水管間距時,依據(jù)旱田排水溝間距的計算公式,,但式中Ω=0.8～0.9(取0.8),非穩(wěn)定滲流情況下吸水管排水地段的作用水頭,m,按下式計算:

計算結(jié)果詳見表 4。

表4 不同土質(zhì)旱田吸水管計算間距表

2.5 排水溝和吸水管間距確定

經(jīng)計算確定,水田排水溝或吸水管排漬間距為100m,溝深或埋管深度為1.8 m;旱田排水溝或吸水管排漬間距為50 m,溝深或埋管深度為1.8m。計算結(jié)果與規(guī)范《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》(G B 50288-99)無試驗(yàn)資料時黏土、重壤土末級固定排水溝(或吸水管)深度(埋深)和間距的范圍值基本一致。

3 吸水管與集水管管徑設(shè)計

3.1 設(shè)計流量

排水暗管的設(shè)計流量可按公式計算確定

式中:Q為排水暗管設(shè)計流量,m3/s;C為排水流量折減系數(shù); q為地下水排水強(qiáng)度取值,m/d;A為排水暗管控制面積,m2。

3.2 管徑確定

吸水管和集水管的內(nèi)徑可分別按下式和計算確定:

式中:d1為吸水管內(nèi)徑;d2為集水管內(nèi)徑;n為管內(nèi)壁糙率(光壁塑料管0.011,波紋塑料管 0.016);α為與管內(nèi)水的充盈度a有關(guān)的系數(shù);i為管的水力比降可采用管線的比降。

3.3 計算結(jié)果

進(jìn)行管材選取時考慮當(dāng)?shù)馗鞣N管材的價格,經(jīng)計算,水田吸水管(功能相當(dāng)于農(nóng)溝)的管徑(波紋塑料管))為11～32 m m,取50 m m;二級集水管(功能相當(dāng)于斗溝)的管徑(光壁塑料管)為12～47mm,取80 m m;一級集水管(功能相當(dāng)于支溝)的管徑(波紋塑料管)為24～98mm,取100 m m。

旱田集水管的計算和水田一致,吸水管間距(50 m)是水田吸水管間距(100 m)的一半,為此推薦旱田吸水管的管徑為 11～25mm,取值50 m m,各級吸水管與水田吸水管管徑一致。

4 明溝排漬與暗管排漬方案比較

在進(jìn)行排漬設(shè)計時,選擇一塊面積為1 027 h m2的典型區(qū),控制灌溉面積面積為807h m2,排漬設(shè)計考慮兩種方案。

方案 1:排水和排漬都采用明溝排水。

方案 2:地表排水采用明溝、地下排漬采用暗管(溝管結(jié)合)。對支、斗、農(nóng)溝按兩種方案分別比較。

不考慮排漬時,水、旱田典型區(qū)農(nóng)溝、斗溝、支溝布置與各級渠道相鄰布置,間距采用100 m,農(nóng)溝比降采用1/2 000,斗溝比降根據(jù)地形選用1/2 000～1/3 000,支溝比降選用1/5 000。農(nóng)溝邊坡選用 1∶1,斗溝邊坡選用 1∶1.5。農(nóng)溝底寬0.2 m,斗溝底寬0.3～0.5m,支溝底寬0.3～1.0 m。

考慮排漬時,水田農(nóng)溝要在不考慮排漬基礎(chǔ)上深挖,使平均挖深達(dá)到1.8 m,斗溝、支溝也相應(yīng)深挖,使水位銜接合適。農(nóng)溝、斗溝底寬均采用0.5m,邊坡選用 1∶1.5。支溝底寬 0.5～1.0 m;旱田與水田布置相同,但農(nóng)溝需要加密,間距達(dá)到50m。

吸水管埋在農(nóng)溝以下距地面1.8 m處,吸水管比降與農(nóng)溝比降一致,各級集水管比降與相應(yīng)的斗、支溝比降一致,且保證上下級管道銜接順暢。集水管和吸水管外包無紡布并設(shè)3c m厚的砂石反濾層。

通過方案 1和方案2,在水田挖方、占地面積及旱田挖方占地面積及兩項投資與方案 2在明溝挖方、占地面積、投資與暗管工程土方、砂石方、無紡布及其總投資的比較可知:斗、農(nóng)溝方案 1是方案 2投資 4.1～6.7倍,方案 2優(yōu)勢明顯,因此,斗、農(nóng)溝選用方案 2,地表排水采用明溝、地下排漬采用暗管。

支溝方案 1投資是方案 2的 1.5～1.6倍,方案 2優(yōu)勢不明顯,考慮到工程的可行性和排水效果,支溝選用方案 1排水和排漬都采用明溝排水。

[1] 國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局,中華人民共和國建設(shè)部.G B 50288-99灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,1999.

[2] 黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院 .尼爾基水利樞紐配套項目黑龍江省引嫩擴(kuò)建骨干一期工程——林甸縣林甸灌區(qū)初步設(shè)計[R].哈爾濱:黑龍江省水利水電勘測設(shè)計研究院,2009.

[3] 沈榮開,馮廣志,楊晴.灌區(qū)節(jié)水改造規(guī)劃[M].北京:中國水利水電出版社,2003.