灌區控制地下水的水平排水系統設計

郭志剛

( 黑龍江省農墾總局牡丹江管理局 云山農場水務局，黑龍江 密山158420)

1 水平排水系統

暴雨地面徑流利用田間溝網排除，也要利用田塊本身以及田塊上的溝、畦、格田等攔蓄一部分雨水。例如，旱作地區的灌水溝、畦，降雨時也聚集部分雨水，滲入土壤中暫時存蓄。在水稻地區，利用格田攔蓄部分雨水，在一定程度上也可以減輕澇災。但在田塊內部攔蓄雨水的能力是有一定限度的，這一限度可稱為大田蓄水能力。降雨時，大田蓄水旱作物一般包括兩部分: ①儲存在地下水面以上的土層中;②補充了地下水，并使地下水位有所升高( 不超過規定的允許高度，以免影響作物生長) 。旱田蓄水能力一般可用下式計算:

式中:V 為大田蓄水能力，m; H 為降雨前地下水埋深，m; θ0為降雨前地下水位以上土層平均體積含水率; θmax為地下水位以上土壤平均最大持水率( 與土壤體積之比) ; θs為飽和含水率( 與土壤體積之比) ;H1為降雨后地下水允許上升高度，視地下水排水深度而定，m; μ 為給水度，μ = θs－ θmax。

在降雨量過大或連續降雨情況下，如果降雨徑流形成的積水超過允許的作物耐淹深度和持續時間或入滲土中的水量超過大田蓄水能力時，必須修建排水系統，將過多的雨水( 澇水) 及時排出田塊。

2 排水溝對地下水的調控作用

根據灌區地下水動態資料分析，引起地下水上升的主要水量來源于降雨、灌溉( 特別是種植水稻和采用不良的灌水技術) 、沖洗、河渠的滲漏水等。下面僅就降雨因素加以分析，以說明排水溝對地下水位的調節控制作用。

降雨時滲入地下的水量，一部分蓄存在原地下水位以上的土層中，另一部分將透過土層補給地下水，引起地下水水位的上升。地下水位上升過程如圖1 中的abc 所示。在田間排水工程修建前，雨停后水位的回落主要依靠地下水的蒸發。由于蒸發強度隨著地下水位的下降而逐漸減弱，因而由蒸發而引起的地下水位下降速度也隨地下水埋深的加大而減弱。在地下水達到一定深度后，水位下降速度也隨地下水埋深的加大而減弱。在地下水達到一定深度后，水位下降十分遲緩。在無排水設施的條件下，農田地下水回落過程將如圖2 中的cde 所示。在建有田間排水工程的條件下，降雨過程中入滲水量的一部分將自排水溝排走，因而地下水上升高度將較無排水工程時為小，如圖1 中ab'c'所示。愈靠近排水溝，對地下水位的控制作用愈顯著，地下水位愈接近溝中水位;距溝愈遠，控制作用相對減弱，因而兩溝中間一點形成地下水位最高點，見圖2，雨停以后由于排水溝和蒸發的雙重作用，地下水位迅速降低，兩溝中間一點水位降落過程如圖1 中c'd'e'。綜上所述，田間排水溝在降雨過程中可以減少地下水位的上升，雨停后又可以加速地下水的排除和地下水位的回落，因而對于控制地下水位可以起到重要作用。

圖1 地下水位變化過程示意圖

圖2 排水溝對地下水位的控制作用示意圖

3 排水溝的深度和間距

實際觀測資料表明，在一定的排水溝深的條件下，要求的排水溝間距與土層的導壓系數a =kh/μ( k 為土壤的滲透系數;h 為含水層厚度，μ 為土壤的給水度) 有著十分密切的關系。a 值愈大，排水溝( 管) 的間距可愈大，亦即土壤滲透系數愈大，含水層厚度愈大，土壤給水度愈小，滿足一定地下水控制要求的排水溝間距可愈大; 反之，土壤滲水性愈差，含水層厚度愈小，土壤給水度愈大，排水溝間距愈小。在滿足一定排水要求的排水溝深度和間距之間存在著密切的關系。在同一排水溝深度的情況下，排水溝的間距愈小，地下水下降速度愈快，在一定時間內地下水的下降值愈大; 反之，排水溝的間距愈大，地下水下降愈慢，在規定時間內地下水的下降值也愈小。在同一排水溝間距的情況下，溝深愈大，地下水下降速度愈快; 反之，溝深愈小，地下水下降愈慢。在允許的時間內要求達到的地下水埋深深度ΔH 一定時，排水溝的間距L1愈大，需要的深度D1也愈大;反之，排水溝的間距L2愈小，要求的深度也愈小，見圖3。

圖3 明溝排水示意圖

設計排水農溝時，一般首先根據作物要求的地下水埋深、排水農溝邊坡穩定條件、施工難易等初步確定排水農溝的深度，然后再確定相應的間距。

當作物允許的地下水埋深ΔH 一定時，排水農溝的深度( D) 可用下式表示:

式中:ΔH 為作物要求的地下水埋深，m;Δh 為當兩溝之間的中心點地下水已降至ΔH 時，地下水位與溝水位之差，此值視農田土質與溝的間距而定，一般≥0.2 ～0.3 m; S 為排水農溝中的水深，排地下水時溝內深很淺，一般取0.1 ～0.2 m。

排水農溝的間距，應通過專門的試驗或參照當地或相似地區的資料和實踐經驗加以確定。表1 根據我國某些地區試驗資料分析統計，得出不同土質、不同深溝滿足旱作物控制地下水位要求的排水溝間距的大致范圍，可供參考。

表1 控制地下水位的田間排水溝間距表 m

水田地區排水農溝的深度，一般為0.8 ～1.5 m，旱作物地區的深溝為1.2 ～2.0 m，而溝的間距則為60 ～100 ～200 m不等，視各地土質而異。在鹽堿化地區，對排水溝深度和間距的確定，不僅要控制和降低地下水位，而且要能達到在沖洗改良階段，為了加速土壤脫鹽，可采用深淺溝相結合的脫鹽和改良鹽堿土的預期效果。在沖洗改良階段，為了加速土壤脫鹽，可采用深淺溝相結合的辦法。在深溝控制地段，加設深1 m左右的臨時性淺溝( 毛排) ，待土壤脫鹽后再行填平。在砂性壤土地區，排水毛溝的間距可采用150 m，在壤土黏重地區可采用100 m，根據各地經驗，末級固定排水溝的溝深與間距關系見表2。

表2 末級排水溝的溝深和間距表 m

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