控制溝道排水的半自動閘門設計

白素穎，陳 平

(揚州大學，江蘇 揚州 225100)

控制排水是對傳統自由排水方式的改良，其主要是通過田間排水工程的實施和管理來實現[1,2]。控制排水不僅可以保證作物良好的生長環境、減少地表土壤水分損失、降低農田地下水損失、緩解灌溉壓力，而且還可以增加田間墑情、減少受旱概率、減少農田養分的流失及水環境的污染[3-5]。可以看出，控制排水對于作物生長具有和灌溉同等重要的作用[6]，對降低農田面源污染改善周邊水環境意義重大。

目前，農田中一般采用的控制排水設施主要包括普通閘門、翻板閘門等。對于普通閘門控制溝道排水僅僅是一關了之，不能根據旱作物各生育階段的降漬要求進行控制排水，即不能做到控制旱作物各生育階段地下水不同埋深；若要控制不同階段的溝道水位僅靠人工操作雖可實現，但難度大、工作強度也大，而且當種植面積較大時，人工操作起來也較繁瑣；翻板閘門利用的是水壓力的工作原理，雖然減少了手工操作，但只能實現對溝道一個水位的控制，且易受雜物纏絞而影響閘門翻轉，最關鍵的是水旱輪作時，水田排水溝水位無法控制。因此，本文設計了一種控制溝道排水的半自動閘門，水旱作物種植時均適用，可以實現溝道多水位控制，既減少了人工頻繁操作，又靈活、方便，安全可靠，同時經濟適用。這種半自動閘門不僅保留了原有系統的排水能力，也更加適應目前的管理水平，使農民更容易接受[7]。

1 排水溝道控制水位的確定

傳統排水是根據作物全生育期同一降漬標準進行排水溝深度設計與排水，而本文根據旱作物不同生育期的根系長度來控制排水，以此確定排水溝道在作物不同生育階段的控制水位。土壤計劃濕潤層深度是對旱作物進行灌溉的關鍵，它隨著旱作物各生育階段的生長和根系發育，計劃濕潤層深度逐漸增加，下面給出了冬小麥、棉花不同生育期階段的土壤計劃濕潤層深度，如表1所示[8]。而對于農田排水，控制旱作物各生育階段的地下水位對防止作物漬害尤為重要。土壤計劃濕潤層深度是作物根系活動的最佳深度，排水溝控制水位可根據旱作物各生育階段土壤計劃濕潤層深度分析確定，一般排水溝控制水位應低于旱作物各生育階段根系生長所需水位，這里取相近值。由于旱作物生育階段較多，理論上可以實現每個生育階段設置一個溝道控制水位，但溝道控制水位設置過多也沒多大意義，為避免操作太頻繁，可將旱作物全生育期主要分成3個階段來確定排水溝道控制水位，如表2所示。

表1 冬小麥、棉花不同生育期階段的土壤計劃濕潤層深度 cm

表2 旱作物各生育期排水溝道控制水位 cm

注：控制水位指農田地面到排水溝水面的垂直距離。這里確定的溝道控制水位較適用于非鹽堿地地區，對于鹽堿地地區還需進行調整。

2 半自動閘門控制排水的實現

根據已確定的旱作物各生育期排水溝道控制水位，在溝道閘門上設置3個不同高度的圓形排水孔，如圖1所示。用橡膠制成圓形孔塞，將孔塞用鏈條連接固定在閘墩墻上，既方便堵孔，又防止孔塞丟失。同時，為了滿足水旱輪作，在閘門與排水溝之間留出一定高度Δh，以便在種植水生作物時，孔全部堵上，防田間灌溉水通過溝道漏失，雨期田間多余水可以從閘門上溢流，實現中小雨期間水田自動排水，遇大暴雨時，可以根據需要打開孔塞或提起閘門排水，使水田排水也方便自如。

對農田區域進行規劃布置時，在農溝或斗溝末端安裝控制排水的半自動閘門，如圖2所示。既可利用斗、農溝蓄積雨水補充田間土壤水量與地下水，減少灌溉用水和提高雨水的利用率。實際應用時，根據旱作物各生育階段控制水位需要，對半自動閘門橡膠塞進行人工調控，從而實現半自動閘門控制排水。旱作物生育期只需要進行3次關、拔孔塞操作。水田時塞上全部孔，僅在大暴雨時人工操作拔塞或開閘即可。

圖1 半自動閘門示意圖Fig.1 Schematic diagram of the semi automatic gate

圖2 田間規劃布置圖Fig.2 Field layout plan

3 半自動閘門的設計

3.1 半自動閘門排水孔口直徑的確定

旱作不控制排水時，通常溝道是無水或少量水，因此，半自動閘門排水孔的流水形態以孔口自由出流來確定排水孔的直徑，如圖3所示，通過孔口的流量公式為[9]：

(1)

式中：μ為孔口自由出流的流量系數，μ=εφ，小孔口的ε=0.63～0.64，φ=0.97～0.98，μ=0.6～0.62，以下計算取μ=0.6；A為孔口面積，m2；H為孔口全水頭，m。

注：d1、d2、d3為孔口直徑；H1、H2、H3為旱作物各生育階段排水溝中水平面到孔口1、2、3的垂直距離；1、2、3為排水孔編號；Zmax為排水溝最大水位，即水面到閘門頂部。圖3 排水溝縱斷面示意圖Fig.3 Schematic diagram of vertical section of drainage ditch

由于旱作物各生育階段排水溝中，溝水位隨降雨產流歷時及排水量不斷變化，而各生育階段排水孔口數是一定的，所以這里假定旱作物各生育階段排水溝穩定水面保持恒定不變，以下推導均采用平均排除法計算排水流量及進行排水孔徑計算，以保證排水在規定的時間內排出。

(1)排水孔1直徑d1的計算。旱作物處于第一生育階段時，排水孔1開啟，排水孔2、3關閉。此階段的水量平衡方程為：

W排，1=W產,1-W蓄,1

(2)

(3)

(2)排水孔2直徑 的計算。旱作物處于第二生育階段時，排水孔1、2同時開啟，排水孔3關閉。此階段的水量平衡方程為：

W排,2=W產,2-W蓄,2-W排,1

(4)

(6)

(3)排水孔口3直徑d3的計算。旱作物處于第三生育階段時，排水孔1、2、3全部開啟。此階段的水量平衡方程為：

W排,3=W產,3-W蓄,3-W排,1-W排,2

(7)

(9)

d3=

(10)

式中：W排,1、W排,2、W排,3分別為排水孔1、2、3的排水量，m3；W產,1、W產,2、W產,3分別為旱作物第一、二、三生育階段的產流量，m3；W蓄,1、W蓄,2、W蓄,3分別為旱作物第一、二、三生育階段排水溝控制水位下排水溝蓄水量，m3；h1、h2、h3分別為旱作物第一、二、三生育階段排水溝水位，即農田地面至排水溝水面的垂直距離，m；Z1、Z2、Z3為旱作物第一、二、三生育階段排水溝控制水位，即農田地面至排水孔1、2、3的垂直距離，m；Δh1、Δh2、Δh3分別為1/2H1、1/2H2、1/2H3，m；d1、d2、d3為排水孔1、2、3的直徑，m；t為排水時間，s。

3.2 工程實例分析

以江蘇省鹽城市沿海旱作物棉花的生長特點為例來設計半自動閘門。實驗區規劃布置的農溝長度為400 m，間距100 m，即排水溝控制面積為F=0.04 km2。溝道深度由最大降漬標準決定，溝道斷面要能通過排澇流量。排水農溝尺寸為上口寬2.2 m，下口寬0.2 m，溝深1 m，邊坡系數1.0。

表3 棉花各生育階段最大1 d設計暴雨量 mm

棉花處于幼苗期時，排水孔1打開，排水孔2、3關閉，根據公式(3)計算排水孔1的直徑。棉花處于現蕾期時，排水孔1、2打開，排水孔3關閉，根據公式(6)計算排水孔2的直徑。棉花處于開花及吐絮時，排水孔1、2、3全部打開，根據公式(10)計算排水孔3的直徑，棉花各生育階段的產流量根據以上算出的棉花各生育階段最大1 d設計暴雨量推算W產=αX1 d,10%F；根據排水溝的尺寸來確定W蓄,i(i=1,2,3)；最不利排出時間為2 d(雨后1日)；計算結果如表4所示。

表4 半自動閘門排水孔口直徑Tab.4 Semi automatic gate drain orifice diameter

由此可知，以上計算出的排水孔直徑介于4～11 cm之間，實際應用中3個孔口都取10 cm相同直徑或取大一些均可，因為孔口直徑取大一些同樣可以滿足旱作物各生育期根系生長需水要求，同時也可以在排水時間內很快降低到作物耐漬深度以下。半自動閘門排水孔口直徑的確定要具體情況具體分析，因為影響排水孔口直徑的因素有很多，如：研究地區的不同、重現期的不同、排水溝控制面積的大小等。

4 結 語

在農田灌溉中我國水資源的利用存在諸多問題，為了提高水資源的利用率、減少灌溉水量、增加田間墑情、有效的控制農田地下水位，通過在農田斗農溝末端安裝控制排水設施(半自動閘門)來實現。本文就控制溝道排水的半自動閘門進行設計，根據旱作物不同生育期根系長度，確定了排水溝道的控制水位。闡述了利用半自動閘門控制排水的實現，依據旱作物各生育階段排水量的要求，推算出了半自動閘門的孔口直徑公式，并以工程實例加以分析計算出排水孔直徑分別為10.09、7.43、4.66 cm，為方便施工與實際應用，孔口尺寸取10 cm左右為宜，北方地區可適當小些，南方地區可適當加大。半自動閘門在農田控制排水中的應用具有設計建造簡單、操作方便靈活、適應性強、經濟實用等優點，不但是對農田雨水的充分利用，也是對現有管理水平的提高。

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