黑龍江省典型灌區灌排水兩用渠道斷面設計參數研究

梁貞堂，宋長虹

(黑龍江省水利水電勘測設計研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

中共中央國務院《關于深入推進農業供給側結構性改革加快培育農業農村發展新動能的若干意見》指出：大規模實施農業節水工程，加大大中型灌排骨干工程節水改造與建設力度，同步完善田間節水設施，建設現代化灌區。中共黑龍江省委《關于加快發展現代農業爭當全國農業現代化建設排頭兵的意見》強調：到2020年確保建成1億畝高標準農田，新增農田有效灌溉面積2000萬畝，農田灌溉水有效利用系數提高到0.6以上。灌區建設得到了高度重視。

在科技飛速發展、新理論新技術日新月異的今天，灌區設計理論也應得到提升與創新；特別是輸水干支渠道與排水干支溝道如何布置？成為灌區能否節水、節地和能否建設的關鍵。通過對黑龍江省兩大平原現有灌區的調查，輸水干支渠道與排水干支溝道結合布置應當是灌區設計理論的新發展。它的最大優點：節省土地、節省水資源、節省建筑物、節省建造成本、節省運行費用。它的設計理念符合綠色發展、最嚴格土地管理、山水田林湖生命綜合體理念。

1 灌排兩用輸水渠(溝)道斷面參數的確定

灌排輸水兩用渠(溝)設計的關鍵是確定渠(溝)的深度(H0)和底寬(B0)；其它參數，如渠底比降(i)、邊坡系數(m)、糙率(n)等可根據地形、土質、管理情形按經驗確定。

1.1 排水溝的斷面參數

1.1.1 末級單純除澇排水溝深度與間距

目前單純末級除澇排水溝間距的確定還沒有完善的理論方法，多數按經驗確定。我國北方地區末級除澇排水農溝間距一般為150～400m，南方末級農溝間距一般為100～200m。

此排水溝的深度及斷面尺寸可根據排澇流量，按明渠均勻流理論確定。排澇流量：黑龍江省三江平原地區和松嫩平原地區采用5年一遇洪水標準的流量，水田3d暴雨4d排至作物耐淹水深；旱田作物24h暴雨2d排除。

1.1.2末級控制地下水位排水溝(防漬，防鹽堿)的深度與間距

(1)末級排水溝的溝深和間距

在要求的地下水位一定時，溝深與間距存在許多方案，宜用經濟比較加以確定，如圖1所示。確定溝深的示意圖，如圖2所示。

圖1 排水溝深度與溝間距的關系圖

圖2 排水溝深度計算示意圖

(1)

式中，△H—排漬深度或地下水臨界埋深(作物要求的地下水埋深)，m；△h—懸掛水頭，m，0.2～0.3m；S—日常水深，m，0.1～0.2m。

GB50288- 99《灌溉與排水工程設計規范》推薦了確定末級防漬排水溝溝深與間距、脫鹽或防鹽堿地區的排水溝溝深與間距的經驗數據，見表1、2。

表1 防漬排水溝溝深與間距經驗數據 單位：m

表2 脫鹽或防鹽堿地區的排水溝溝深與間距經驗數據 單位：m

文獻[2]給出了吉林省松嫩平原大安灌區地下水臨界深度(△H)的數值；黑鈣土次生鹽漬化地區臨界深度△H=3m，純排漬時(不考慮鹽漬)△H=1.0m。

文獻[4]三江平原防止土壤鹽漬化生態水深(△H)應控制在2.5～4.0m。

1.1.3 排水干溝的深度

排水系統的設置可按GB50288- 99規定，依次為干溝、支溝、斗溝、農溝等固定溝道。排水干溝的深度可用下式計算：

(2)

式中，H干—干溝的深度，m;D—末級溝道的深度，m；k—溝道的級別；n—溝道的數量；L—溝道的長度，m;i—溝道的底坡比降。

1.1.4 排水溝的斷面參數

排水溝的設計流量(Q)根據排水面積、排水模數、產流與匯流歷時，以及地下水位的控制要求按有關理論確定。

邊坡系數(m)根據當地土質情況，經邊坡穩定分析計算后確定，一般m>1.0。

底坡(i)根據地形與地表坡度確定，一般i<1/3000。

底寬(B)和過水斷面水深(H)根據明渠均勻流理論確定，黑龍江省一般采用B>1.0m。

為了保證排水溝的設計排水能力，排水溝內最高水位應低于區內有代表性地面點0.2～0.3m，下級溝道水位應低于上級溝道水位0.1～0.2m，局部出現壅排，回水不能對上級溝道造成明顯影響。

1.2 灌溉輸水渠道的斷面參數

按GB50288- 99規定，輸水灌溉渠道依次為干渠、支渠和斗渠。各級渠道的設計流量(Q)、底坡(i)、邊坡系數(m)和糙率(n)均有計算與選取方法。渠底寬度(b)和過水斷面水深(h)按明渠均勻流理論確定。

(3)

A=(b+mh)h

(4)

(5)

R=A/X

(6)

(7)

式中，R—水力半徑，m；X—過水斷面濕周，m;A—過水斷面面積，m2。C—謝才系數。

將計算與選定的Q、m、n和i，代入(3)～(7)式，經試算，可得出灌溉渠道的b、h。

1.3 灌溉排水兩用渠(溝)道斷面參數的確定

比較同級別的灌溉渠與排水溝斷面的參數，選取H0=max{H，h}、B0=max{B，b}，作為斷面參數。

2 灌排兩用渠(溝)道的布置

2.1 灌排兩用渠(溝)道同向布置

部分地區的農田由于地形的特殊性，可以做到灌溉渠道水流方向與排水溝道水流方向一致，即：灌排同向。此時，只要渠(溝)的底坡比降(i)合適，再配以適當的節制閘，灌區的輸水與排水{既可完成；再用小型泵站將水抽至配水渠道，灌區既可完成灌溉功能。

2.2 干渠(溝)同向，支、斗渠(溝)逆向布置

干渠與干溝水流同向，支、斗渠與支、斗溝水流逆向，是這類灌區渠(溝)布置的常見型式。此時，應在支渠口下的干渠上建設節制閘，以控制水位；使支渠滿足灌溉要求。如支渠較長，可建設抽水泵站與節制閘，以提高水位和提供水量。泵站前的水位與流量可用明渠非均勻流理論進行校核。設泵站的抽水流量為Q抽，渠道的來水為Q來，則：

(8)

如果Q抽Q來，則應提高上游水位或泵站下移。

2.3 灌排兩用渠(溝)道逆向布置

灌溉干渠與排水干溝的水流方向相反，即：灌排兩用渠道逆向布置。此時灌溉用水均需用抽水解決，用公式(8)校核各級渠道，可得出影響設計渠道的主要因素為同一級渠道的各渠段的過流能力；建設節制閘與泵站為水位及灌溉過程的主要控制性工程。

2.4 節制閘與泵站

節制閘的主要功能是控制水位。同向布置時，節制閘應在下一級渠道分水口下方(灌溉水流方向)；逆向布置時，節制閘應在下一級渠道分水口上方(灌溉水流方向)。節制閘的最高控制水位應滿足安全超高要求。

泵站的主要功能是提供足夠的水量。泵站一般與節制閘同址建造；在輸水渠道上，水泵選擇大流量低揚程的軸流泵為宜。

3 灌排兩用渠(溝)道的用水調度

根據省氣候特點，灌排兩用渠(溝)道在用水調度時可分為3個階段；即：5月1日～6月15日，是灌溉用水為主階段；6月16日～8月20日，是灌溉與排水重疊階段；8月21日～9月30日，是排水為主階段。灌溉用水階段控制啟用所有節制閘與泵站，以滿足灌溉用水需求；排水階段控制所有節制閘，調節溝內水位，滿足排水與生態用水要求。

灌溉與排水重疊階段是灌區用水調度的關鍵，要根據降雨量級、作物的耐淹歷時、排水的工程標準作好調度方案。當天氣預報通知未來3d有降雨時，要研究灌溉系統的水位、水量，研究節制閘是否開啟排水、泵站是否停止供水。

文獻[6]對灌排兩用渠(溝)道在灌溉期突遇5年一遇暴雨進行了數字模擬，模擬結果如圖3、4所示。

圖3 頻率為20%的1日降雨模擬結果圖

從圖3、4可經看出，如果灌排兩用渠(溝)道調度控制合適，在作物的耐淹歷時內完全可以實現灌溉與排水的轉換。

4 結語

灌溉與排水兩用渠道是古老又現代的先進灌溉渠道，特別是在三江平原與松嫩平原上，更顯現出它的優越性；如何將灌排兩用渠道真正落實到灌溉工程中，還需實踐中更進一步研究。

圖4 頻率為20%的3日降雨模擬結果圖

[1] GB50288- 99. 灌溉與排水工程設計規范[S].

[2] 畢淑霞, 賈志國, 王軍海, 等. 松嫩平原大安灌區渠系地下水臨界深度的確定[J]. 東北水利水電, 2009(05).

[3] 戴春勝, 等. 三江平原水土資源利用與保護對策研究[M]. 北京: 中國農業科學出版社, 2012.

[4] 基本農田設計規范[EB/OL]. 中華文本庫.

[5] 宋長虹, 等. 黑龍江省灌溉與排水兩用渠道設計實用技術研究[R]. 黑龍江省水利水電勘測設計研究院, 2016.