基于農(nóng)用地分等成果的農(nóng)田水利工程設(shè)計研究

摘要：土地整理是通過工程等技術(shù)手段，進行內(nèi)部挖潛以實現(xiàn)耕地數(shù)量增加和質(zhì)量提升的耕地可持續(xù)發(fā)展模式，是緩解人地矛盾的重要手段。科學(xué)、合理的土地整理質(zhì)量潛力研究不僅能夠豐富土地整理研究體系使研究的重點從數(shù)量潛力轉(zhuǎn)移到數(shù)量和質(zhì)量潛力并重上來，而且能夠為土地整治規(guī)劃及糧食安全戰(zhàn)略提供基礎(chǔ)信息。分析土地整理質(zhì)量潛力的內(nèi)涵，并在農(nóng)用地分等理論的基礎(chǔ)上，對農(nóng)田水利工程的布局進行規(guī)劃和設(shè)計，其中的灌排工程依據(jù)官地坪鎮(zhèn)農(nóng)用地分等的成果。結(jié)果表明，官地坪鎮(zhèn)耕地自然質(zhì)量及土地整理現(xiàn)實質(zhì)量潛力分布有明顯區(qū)域差異。研究認(rèn)為，應(yīng)根據(jù)土地整理的質(zhì)量潛力分布的特點進行合理的土地整治規(guī)劃，在現(xiàn)實整理質(zhì)量潛力大的地區(qū)應(yīng)在加強土地整理力度的同時加大投資力度以改善耕地的糧食生產(chǎn)條件提高糧食產(chǎn)量。

關(guān)鍵詞：農(nóng)用地分等；土地整理；農(nóng)田水利工程

中圖分類號：F320文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1673-291X（2014）16-0038-04

一、輸水工程設(shè)計

項目區(qū)田塊設(shè)置考慮項目區(qū)丘陵地勢的特點以及未來農(nóng)業(yè)機械化和農(nóng)田規(guī)模經(jīng)營的要求，同時結(jié)合當(dāng)?shù)胤N植經(jīng)驗進行布置。渠道布置充分考慮項目區(qū)地形布設(shè)，同時遵循充分利用原有水利設(shè)施和投資最少原則，采用單向灌排，灌渠和排水溝相鄰布置。

（一）灌溉渠道流量

按《湖南省土地開發(fā)整理建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，灌溉方法采用地面灌溉，丘崗沖壟山地丘陵區(qū)水田灌溉保證率不低于85 %，旱地灌溉保證率不低于75 %，根據(jù)項目區(qū)實際情況及當(dāng)?shù)厮ㄔO(shè)實踐經(jīng)驗，確定水田灌溉設(shè)計保證率取90%，旱地灌溉設(shè)計保證率取75%。

根據(jù)桑植縣農(nóng)業(yè)局提供的《桑植縣農(nóng)業(yè)區(qū)劃報告集》，引用干旱年的統(tǒng)計資料，可知水田最大日耗水量為13mm。選擇項目區(qū)控制灌溉水田面積最大的渠道來設(shè)計。灌溉延續(xù)時間6d，每天灌水取20h。依據(jù)《農(nóng)田水利學(xué)》（郭元裕編）P100，灌溉面積為1萬畝~10萬畝，渠系水利用系數(shù)為0.75~0.7，本次設(shè)計渠系水利用系數(shù)取0.75。

計算新修灌排兩用渠時先計算渠道的灌溉流量，再用排水流量校核。項目區(qū)新修灌水渠道為新修灌排農(nóng)渠，項目區(qū)農(nóng)級渠道采用輪灌的灌溉方式，輪灌組數(shù)為2組，斗級渠道采用續(xù)灌的灌溉方式。

項目區(qū)內(nèi)續(xù)灌渠道公式：

續(xù)灌渠道公式：Q=（m3/s）

式中：α——主要作物的種植比例（%）；A——渠道的灌溉面積（畝）；e——日耗水量（mm），根據(jù)桑植縣農(nóng)業(yè)區(qū)劃報告，本項目日耗水量取13mm；t——每天灌水時數(shù)，本項目取24h；η——渠系水利用系數(shù)，取0.75。

輪灌渠道公式：Q=

式中：m——灌水定額，m3/畝，本項目取80 m3/畝；N——輪灌組數(shù)，N取2；T——灌水延續(xù)時間，取6d。

各新修渠道灌水流量計算結(jié)果（見下頁表1）：

（二）新修灌排渠道的排水量校核

新修灌排渠道需要滿足排水要求，以排水流量來校核渠道過水能力。根據(jù)《湖南省土地開發(fā)整理項目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)（試行）》規(guī)定，丘崗沖壟山地丘陵區(qū)的設(shè)計暴雨重現(xiàn)期為十年，設(shè)計暴雨歷時與排除時間為一日暴雨一日排至作物耐淹水深。

利用新修灌排渠道的排水控制面積進行排水流量的校核。該地區(qū)十年一遇一日暴雨96mm，根據(jù)有關(guān)規(guī)范，一日暴雨已日排至作物耐淹水深，根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范（GB 50288-99）》水稻分蘗期的田間水稻耐淹水深為60~100mm，本次項目取60mm。

設(shè)計凈雨深常用暴雨扣損法計算，根據(jù)《灌溉與排水工程學(xué)》（汪志農(nóng)主編，中國農(nóng)業(yè)出版社）第八章第二節(jié)相關(guān)公式。

計算公式為：R=P-h1-f-E

式中：R——設(shè)計凈雨深（mm）；P——設(shè)計暴雨量（mm）；h1——稻田的滯蓄水深（mm），與暴雨發(fā)生時間、水稻的造別和品種、生長期及耐淹歷時有關(guān)，根據(jù)當(dāng)?shù)卦囼灪驼{(diào)查資料確定，一般采用水稻允許淹水深與降雨前田面水深20mm的差值，本設(shè)計根據(jù)60mm的耐淹，設(shè)計取40mm滯蓄水深；f——設(shè)計排澇歷時T內(nèi)的稻田滲漏量（mm）。f=KT，本項目區(qū)的壤質(zhì)為中粉質(zhì)壤土；K——滲漏強度3.0-5.0（mm/d）；E——設(shè)計排澇歷時T內(nèi)的稻田騰發(fā)量（mm）。E=αEdT，α為雨水系數(shù)，根據(jù)當(dāng)?shù)卦囼炠Y料確定；Ed為水面騰發(fā)強度，一般為4~5mm/d。

利用平均排除法計算排澇流量。平均排除法是以排水面積上的設(shè)計徑流深在規(guī)定的排水時間內(nèi)平均排除的虛擬方式來計算排澇模數(shù)或排澇流量的。根據(jù)《灌溉與排水工程學(xué)》（汪志農(nóng)主編，中國農(nóng)業(yè)出版社）第八章第二節(jié)相關(guān)公式，計算公式為：

Q=

式中：Q——排澇設(shè)計流量（m3/S）；R——設(shè)計徑流深（mm）；T——排澇歷時（d），一般用作物的耐淹歷時，為1d；t ——每天排水時數(shù)（h），自流排水t=24h；F——排澇面積（km2）。

將各參數(shù)代入公式計算：

R=P-h1-f-E=96-40-5-4=47（mm）

再將凈雨深的計算結(jié)果代入公式校核新修灌排渠道的排水流量：

（三）渠道斷面設(shè)計

根據(jù)以上計算所得的渠道設(shè)計流量標(biāo)準(zhǔn)，項目區(qū)屬于丘陵工程類型區(qū)，斗級渠道縱坡比i=1/1 500，農(nóng)級渠道縱坡比i=1/1 000。新修渠道采用矩形渠道。

渠道橫斷面水力計算采用下式：

Q=AC

式中：Q——設(shè)計渠道的流量（m3/s）；A——過水?dāng)嗝娣e（m2）；i——渠道坡降，其值根據(jù)項目區(qū)的地形比降結(jié)合土壤特點選定斗級渠道縱坡比i=1/1 500，農(nóng)級渠道縱坡比i=1/1 000。R——水力半徑（m）；C——謝才系數(shù)（m1/2/s）。

明渠斷面各變量的計算公式如下：

斷面面積：A=（b+mh）h

濕周：x=b+2h

水力半徑：R=

謝才系數(shù)：C=R

式中：b——渠底寬度（m）；h——水深（m）；x——濕周（m）；m——邊坡系數(shù)；n——渠床糙率系數(shù)，新修灌溉渠道底板均為現(xiàn)澆混凝土，邊坡現(xiàn)澆混凝土或漿砌石（水泥砂漿抹面），根據(jù)《農(nóng)田水利學(xué)》（郭元裕編），光滑的混凝土護面渠床糙率系數(shù)取0.015。

二、排水工程設(shè)計

（一）排水溝設(shè)計流量

根據(jù)《湖南省土地開發(fā)整理項目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)（試行）》規(guī)定，丘崗沖壟山地丘陵區(qū)的設(shè)計暴雨重現(xiàn)期為十年，設(shè)計暴雨歷時與排除時間為一日暴雨一日排至作物耐淹水深。

利用新修灌排渠道的排水控制面積進行排水流量的校核。該地區(qū)十年一遇一日暴雨96mm，根據(jù)有關(guān)規(guī)范，一日暴雨一日排至作物耐淹水深，根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范（GB 50288-99）》水稻分蘗期的田間水稻耐淹水深為60~100mm，本次項目取60mm。

設(shè)計凈雨深常用暴雨扣損法計算，根據(jù)《灌溉與排水工程學(xué)》（汪志農(nóng)主編，中國農(nóng)業(yè)出版社）第八章第二節(jié)相關(guān)公式。

計算公式為：R=P-h1-f-E

式中：R——設(shè)計凈雨深（mm）；P——設(shè)計暴雨量（mm）；h1——稻田的滯蓄水深（mm），與暴雨發(fā)生時間、水稻的造別和品種、生長期及耐淹歷時有關(guān)，根據(jù)當(dāng)?shù)卦囼灪驼{(diào)查資料確定，一般采用水稻允許淹水深與降雨前田面水深20mm的差值，本設(shè)計根據(jù)60mm的耐淹，設(shè)計取40mm滯蓄水深；f——設(shè)計排澇歷時T內(nèi)的稻田滲漏量（mm）。f=KT，本項目區(qū)的壤質(zhì)為中粉質(zhì)壤土；K——滲漏強度3.0~5.0（mm/d）；E——設(shè)計排澇歷時T內(nèi)的稻田騰發(fā)量（mm）。E=αEdT，α為雨水系數(shù)，根據(jù)當(dāng)?shù)卦囼炠Y料確定；Ed為水面騰發(fā)強度，一般為4~5mm/d。

利用平均排除法計算排澇流量。平均排除法是以排水面積上的設(shè)計徑流深在規(guī)定的排水時間內(nèi)平均排除的虛擬方式來計算排澇模數(shù)或排澇流量的。根據(jù)《灌溉與排水工程學(xué)》（汪志農(nóng)主編，中國農(nóng)業(yè)出版社）第八章第二節(jié)相關(guān)公式，計算公式為：

Q=

式中：Q——排澇設(shè)計流量（m3/s）；R——設(shè)計徑流深（mm）；T——排澇歷時（d），一般用作物的耐淹歷時，為1d；

t ——每天排水時數(shù)（h），自流排水t=24h；F——排澇面積（km2），新修斗溝典型控制面積為90.00hm2；新修農(nóng)溝典型控制面積為4.8hm2。

將各參數(shù)代入公式計算：

R=P-h1-f-E=96-40-5-4=47（mm）

各渠道流量見如下表：

Q排水斗溝==0.490（m3/s）

Q排水農(nóng)溝I==0.026（m3/s）

（二）排漬流量計算

農(nóng)作物排漬標(biāo)準(zhǔn)是指控制農(nóng)作物不受漬害的農(nóng)田地下水排降標(biāo)準(zhǔn)，通常是將排水區(qū)由設(shè)計暴雨形成的地面水排除后，地下水位應(yīng)在作物耐淹時間內(nèi)排降到農(nóng)作物耐漬深度以下，以消除由于土壤水分過多或水稻田土壤通氣不良所產(chǎn)生的漬害。根據(jù)相關(guān)規(guī)范，水稻在曬田期5～7天內(nèi)，地下水位降到離地面以下0.4～0.6m為宜。

排漬流量設(shè)計公式為：

Q漬=q漬F

式中：q漬——排漬模數(shù)，m3/s/km2；F——排漬面積，km2。

項目區(qū)為中壤土質(zhì)，設(shè)計排漬模數(shù)取0.03 m3/s/km2。

新修排水斗溝排漬流量：Q漬=q漬F=0.03×0.9=0.027m3/s

新修排水農(nóng)溝排漬流量：Q漬=q漬F=0.03×0.048=0.0014m3/s

則新修排水斗溝流量Q=Q澇+ Q漬=0.49+0.027=0.517m3/s。

則新修排水農(nóng)溝流量Q=Q澇+ Q漬=0.026+0.0014=0.027m3/s。

（三）排水溝典型斷面設(shè)計

項目區(qū)規(guī)劃新修排水斗溝和排水農(nóng)溝兩級排水溝，根據(jù)以上計算所得的排水溝流量，排水溝橫斷面水力計算采用明渠均勻流公式：

Q=AC

式中：Q——設(shè)計渠道的流量（m3/s）；A——過水?dāng)嗝娣e（m2）；i——渠道比降，其值根據(jù)項目區(qū)的地形比降結(jié)合土壤特點選定，斗溝取1/2 000，農(nóng)溝取1/1 000；R——水力半徑（m）；C——謝才系數(shù)（m0.5/s）。

梯形斷面明渠各變量的計算公式如下：

斷面面積：A=（b+mh）h

濕周：x=b+2h

水力半徑：R=

謝才系數(shù)：C=R

式中：b——渠底寬度（m）；h——水深（m）；x——濕周（m）；m——邊坡系數(shù)；n——渠床糙率系數(shù)，新修斗溝、新修農(nóng)溝Ⅱ道底板均為現(xiàn)澆混凝土，邊坡為預(yù)制C20砼板，根據(jù)《農(nóng)田水利學(xué)》（郭元裕編），光滑的混凝土護面渠床糙率系數(shù)取0.015。

渠道斷面設(shè)計成果表如下：

三、結(jié)論與展望

通過結(jié)合農(nóng)用地生產(chǎn)潛力對項目區(qū)內(nèi)農(nóng)田水利工程進行規(guī)劃達到了以下目標(biāo)：（1）在農(nóng)用地分等的基礎(chǔ)上，利用農(nóng)用地分等成果中的線性回歸模型，并考慮到耕地的坡度及有效土層厚度對耕地質(zhì)量的影響，估算出官地坪各鎮(zhèn)街耕地自然質(zhì)量等指數(shù)，分析發(fā)現(xiàn)官地坪鎮(zhèn)平均耕地質(zhì)量較差，江津區(qū)耕地質(zhì)量呈現(xiàn)出沿山脈、溝槽走向的條狀分布特點。（2）受坡度的影響，坡度較大的區(qū)域土地整理的難度以及所需投入的資金較大，土地整理能夠?qū)崿F(xiàn)的質(zhì)量潛力和坡度并不是完全的線性關(guān)系。（3）在農(nóng)田水利的項目安排上，應(yīng)該優(yōu)先安排土地整理質(zhì)量潛力較大的街鎮(zhèn)，以提高其耕地質(zhì)量，改善耕作條件，減小坡耕地水土流失，以保護生態(tài)環(huán)境，提高耕地糧食產(chǎn)量。

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[責(zé)任編輯 吳高君]

收稿日期：2014-03-18

作者簡介：劉弘（1989-），男，湖南長沙人，碩士研究生，從事土地資源利用與管理研究。