黑龍江三江平原大型灌區設計中關鍵技術問題分析

付　寧

(黑龍江農墾勘測設計研究院，哈爾濱 150090)

?

黑龍江三江平原大型灌區設計中關鍵技術問題分析

付寧

(黑龍江農墾勘測設計研究院，哈爾濱 150090)

摘要：“十二五”期間以來，黑龍江省在三江平原相繼新建或改擴建了一批大型灌區，設計中曾遇到一些現有規范及經驗無先例可循的問題。作者根據其共性與技術難點歸納了以下問題：一是水資源利用思路；二是灌排結合方式規劃設計要點；三是大型灌區設計難點及技術要點。筆者在設計中采用了不少有利于傳統的一些設計方法。可供同仁共商或參照。

關鍵詞：三江平原；大型灌區；水資源；開發方式；灌排結合；設計要點；技術難點；總結分析

近些年來，黑龍江省陸續開工建設了一批大型灌區，在設計過程中遇到很多以前未遇到的問題，根據已有規范及經驗沒有先例可遵循，本文針對其中的具有普遍性的問題及關鍵技術難點進行介紹及分析，一是對已有工作的回顧和總結，同時也希望對其他工程有一定的借鑒意義。

1水資源利用思路

常規灌區設計思路為單灌、單排，此方式已經有很成熟的設計方法。目前新建灌區多是在已有的灌區基礎上進行整合重新布置，現有灌區渠系及灌溉方式基本形成，排水體系大致形成；特別是在原有澇區治澇范圍內新建的灌區，不宜打破原有排水體系；否則會造成大面積占用耕地，農戶無法接受、征占地投資巨大及具體實施中也難于推進；同時目前現有水田多數為井灌，全部廢除一是浪費投資，再者造成引地表水工程規模巨大。因此在一些大型灌區設計中，結合農墾系統特有的的、已經運行多年成熟的灌排結合模式，采用地表水地下水聯合調度的方式進行了設計；設計中采用的有別于傳統的一些設計方法如下：

1.1水資源開發利用方式

通過充分開發利用過境地表水，適量開采地下水，將灌溉排水系統和井渠系統進行有機結合，建設水田提水灌區。

具體設計中，利用井灌進行泡田期削峰，降低引地表水工程規模及渠系造價，生育期由地表水灌溉；在滿足灌溉需求的前提下，通過總量控制，使多年形成的地下水漏斗近期不繼續惡化，中期回補到一定程度，遠期恢復到正常狀態。

1.2水量平衡

常規設計地表水、地下水、灌區需水、蒸發及滲漏等是按照相對靜態計算的，實際地下水從大區域看是動態的，對于大型灌區應該用動態的觀點去看待此問題。

根據較長系列灌區內實測地下水位資料分析，三江平原典型地區江河水位及側向補給與灌區內年際地下水位存在很強的相關性；理論計算該地區早已達到和超過了水資源利用和水田種植面積的極限；大面積發展水田多年，而未出現傳統概念中的地下水枯竭現象，如用動態地下水觀點考慮江河及臨近區域地下水的側向補給，就很容易解釋并評價此現象了。

相關灌區設計中，從總量上已經論證了地表水及地下水聯合調度的合理性及安全性，并已經得到了上至水利規劃總院下至各級審批部門的認可；目前，各級研究部門對此已經立項，正在進行深入研究；如能夠從土壤垂直滲透機理和江河側向補給機理方面有所突破，并提供適合本區域的數字模型，將對以后本區域的水資源利用及后續其他灌區的設計工作提供更加堅實的理論支撐。

2灌排結合方式規劃設計要點

2.1灌排結合方式需具備的基本條件及特點

水田灌溉區灌排渠道結合模式由于其節水、節地、取用水靈活、工程投資省的優點，近年來在農墾系統得到了廣泛應用。

灌排結合模式的渠道一般在支、斗或干、支、斗級，主要適用于具有較完善的排水系統且便于和灌溉結合、地勢平坦、黏土層較厚和地下水位無鹽漬化的地區。

2.2灌排結合方式渠道布置原則

1)須同時滿足灌溉和排水要求；

2)總干渠、總干溝原則應分開布設，不宜灌排結合；

3)如下一級渠(溝)為灌排結合時，其本級渠道宜布設在各排水區的分水嶺；若田塊兩側均設有排水溝，且地面坡降向一側傾斜時，可將位于地勢較高的一側改建為以開挖為主的灌溉渠道；

4)井渠結合的渠道或末級渠道應只承擔灌水任務，且滿足自流灌溉要求。

2.3灌排結合方式建筑物布置原則

1)如灌排水方向相同的干、支渠(溝)，應在灌溉分水口設分水閘，在排水出口設節制(退水)閘；如干、支渠灌排方向相逆，則只在分(匯)水口設分水閘；

2)如下級渠(溝)道灌溉水位較高，需在渠道分水口下游設置節制閘。

2.4灌排結合方式主要布置型式

1)渠(溝)道內灌排水方向相同，即灌排口分別位于渠道上、下兩端，灌排控制范圍不在 同一區域，適用于干渠或支、斗渠較長，地面坡降較陡的溝渠；

2)渠(溝)道內灌排水方向相逆，即灌溉口只有一個，灌排控制范圍同屬一個區域，適用于支、斗渠較短，地面坡降較緩溝渠。

2.5水位線確定的基本方法

1)設計排水水位按常規方法推求確定。

2)設計灌溉水位原則上不應高于排水位，從渠道分水的灌溉兩用渠(溝)分水口處設計水位同排水水位，當灌溉和排水方向相同時，則灌溉水位線同排水水位線；反之則以分水口處排水水位為起始水位，按明渠恒定非均勻流試算法推求各斷面水深，以此確定水面線，同時要兼顧渠道斷面的挖填方平衡。

3)灌排結合渠(溝)建議設置控制運行水位，其各級渠(溝)水面線原則上不高于地面(不出槽)。

2.6縱斷面設計

對于灌排水流方向相同的渠道，盡可能與上下游渠底、溝底及水面平順銜接；與原溝底坡降盡量相近，以節省工程量。

對于灌排水流方向相反的渠底坡降，盡可能放緩坡降，以減小挖深以便于反坡灌水。

2.7橫斷面設計

灌溉和排水方向相同的渠(溝)，按照明渠恒定均勻流公式分別進行計算，以兩斷面的外包線做為各渠(溝)段的設計斷面。

如排水與灌溉引水方向相反，先按明渠恒定均勻流公式推算排水過流斷面，再根據分水口的灌溉設計水位，用灌溉流量按明渠恒定非均勻流校核各段的過水能力；如不滿足段則按灌溉流量用明渠恒定非均勻流逐段試算法修正水深和底寬，以此做為設計斷面。

3大型灌區設計難點及技術要點

3.1江河引水分水口設計方案及分流比

天然狀態下大型灌區水源部分分水口對應各設計頻率下的主江道的分流比、行洪狀態下的進水口結構設計方案，常規設計方法只能定性的確定方案，由于水位及流量變化較大很難精確地定量；設計中宜采用通過數模優化確定基本方案，最終由物模驗證的方法。

3.2大型天然引水河道及人工引渠設計

3.2.1局部復雜情況處理

大型天然引水河道及人工引渠局部會有水流流出及外水匯入，其水流沖刷及泥沙淤積會嚴重影響灌區輸水能力及安全；因水流條件復雜，設計中宜采用局部數模計算，主要解決外水交匯處渠底穩定及襯砌方案的優化設計問題，保證局部供水安全。

3.2.2引渠整體輸水能力及水面線

因渠道長，其中節制、跨越建筑物多，按照常規流量及水面線計算方法，無法滿足設計精度要求；特別是局部建筑物的水頭損失無法精確判定，其對渠道終端的水位及渠頂高程的確定影響很大；常規設計方法局部建筑物水頭損失取值較大、偏于安全，推算到渠道末端時，會造成誤差累計使水面線偏低，實際供水時會造成渠頂水面線高于設計值；因此造成干渠渠頂超高不足、甚至冒水，同時會造成下級渠道挖深過大、浪費投資。

宜采用大規模數模模擬，使水面線接近真實；如工程規模較大，模型可控制在干、支渠范圍內。

3.2.3利用河道作為引渠的防洪問題及中間泡澤、滯洪區設計

引水、排洪、滯洪、調節集于一體的渠道，其水文及水力計算比較復雜，傳統方法組合方案工作量巨大，且各種設計工況還不一定考慮周全；采用整體數模計算驗證設計方案的辦法，能夠較好地解決各類矛盾，為設計安全提供可靠保證。

通過數模驗證灌溉水位、水面線， 特別是其他二級建筑物引水口附近的水位、流態及分流比；模擬驗證天然河道退洪水時的流態、沖刷、淤積狀態，以及外江、下游滯洪區洪水遭遇時水位頂托情況，驗證、確定多個攔河樞紐閘的泄流能力、控制調度原則。

3.3大型渠道復雜地質及料場問題

大型渠道，沿途地質應采用局部加密勘探；主要解決局部軟弱帶、地下水偏高造成防滲頂托、大型節制跨越建筑物工程地質問題，為設計提供可靠依據。

無論開挖還是回填，一定要根據實際情況，按照設計精度勘探確定沿途料場。

3.4大型泵站

3.4.1基坑開挖防滲及降水方案

常規基坑降水方案往往引起基礎細顆粒被帶走、局部地層被抽空，造成地基沉降大于設計允許值，形成破壞；對于對地基沉降要求不高的中小型建筑物影響不大，對地基沉降要求較高的大型泵站宜采用防滲封閉的基礎處理措施。

3.4.2大型泵站廠房整體穩定及計算

大型泵站往往采取整體結構，其對沉降、地基整體完整性有較高要求；特別是大型工程要求對地震力進行復核，宜采用有限元整體計算及分析。

3.4.3泵站進水、出水流道及機組選則

我省河流豐、枯期水位變化較大，國內成熟、適合的機組往往沒有，需要對已有葉輪型譜進行二次開發或研制新型譜系列；泵站需要做進出水流道數模、物模優化實驗及機組裝置模型實驗，以最終確定合適的設計參數，保證供水安全及降低運行成本。

大型泵站的斷流方式是保證供水安全的關鍵點，應引起設計部門的高度重視。目前普遍采用的是虹吸式斷流方式，其運行安全可靠，但對機組啟動及結構設計要求較高。

3.4.4樞紐廠區總體布置

渠首泵站廠區總體布置，應結合周邊地形地貌，與水環境、旅游、生態景觀、交通、將來可能的其他方面的開發需要相結合；廠區景觀設計，要開闊思路提高水平，采用適合北方特點的方法和設施。

3.5灌排結合模式運行安全及灌區調度運用原則的確定

灌排結合模式有其顯著的優點，也有缺點，即對調度運行及田間建筑物管理要求較高。應根據工程實際情況進行專門設計，解決遇到大規模降雨或局部強降雨時，通過灌區灌排系統整體調度控制避免可能造成的局部澇災的問題；在保證安全的前提下，盡量利用現有溝渠及控制建筑物，攔蓄水量。

在設計中應結合灌溉、暴雨監測站點、灌區自動監控設施的建設、泵站調度、地下水位及土壤墑情檢測等系統，結合灌區灌水綜合調度、排水安全、地下水的恢復及補給等方面的需要，確定合理的設計方案、調度運行原則及辦法。

文章編號：1007-7596(2016)04-0160-03

[收稿日期]2016-03-25

[作者簡介]付寧(1965-)，男，黑龍江齊齊哈爾人，教授級高級工程師，現任農墾設計院副總工程師，期間曾獲省科技進步獎1項，二等獎1項，三等獎多項。

中圖分類號：TV212.5+4

文獻標識碼：B