林甸灌区排渍设计

田秋颖,林晓红,宋长虹

(1.兰西县水务局,黑龙江兰西 151500;2.巴彦县水务局,黑龙江 巴彦 151800; 3.黑龙江省水利水电勘测设计研究院,哈尔滨 150080)

灌区位于黑龙江省西部地区林甸县东部,北面以双阳河南堤为界,东至引嫩总干,西北、西南分别以林甸县至富裕和林甸县至黎明乡公路为界,南面以中部涝区的三排干为界。双阳河在灌区北侧通过,灌区内部没有明显的河流水系。灌区现有水田灌溉面积0.4万h m2,本次设计灌溉面积近1.65万h m2,其中水田0.93万 h m2、旱田0.72万h m2。灌区内土壤黏重,盐碱化程度比较重,在灌区设计时应充分考虑土壤盐渍化问题,建设一个以排涝排盐碱相结合的排水排盐系统。

1 制渍排水工程技术措施的初步选择

根据林甸灌区土壤情况,防止区内盐碱化的加重,在排水设计时考虑了排渍。制渍排水工程技术措施包括:明沟排水、暗管排水、鼠道排水和其他方式排水等,各种措施的优、缺点如下:

1.1 明沟排水

如果排水地区土质渗透性好,可以考虑制渍与除涝排水采用同一套系统,但明沟排水开挖深度要满足控制地下水位的要求。若土质透水性能很差,采用明沟控制地下水位时,可能需要很大密度。将造成占地过多,并影响农业耕作,此时考虑采用其他方式。所以本灌区是否采用明沟排水应该和其他方式进行经济比较后决定。

1.2 暗管排水

由于暗管埋于地下具有不占地、使用年限长、便于田间耕作及交通等优点,国内外实践证明,这是农田制渍排水的发展方向,随着波纹管塑料管的使用和施工的机械化,使农田暗管排水发展到了一个新的阶段。塑料原料较贵时,可利用当地材料加工制作各种水泥管或瓦罐。所以本灌区适合采用暗管排水,但应该与其他方式进行经济比较后决定。

1.3 鼠道排水

在重黏土地区,为达到一定的标准需要暗管间距很密,这样会造成投资过高而无法实施,在这种情况下鼠道是一种很有效的方法。其优点是施工简便,不需要管材,造价低廉,且对排除犁底层滞水和地面残留积水特别有效,但因其排水深度较浅,使用年限短(一般3a左右),所以它只是一种辅助排水措施。本灌区要求排渍深度为1.8m,所以不适于鼠道排水。

1.4 其他方式

线缝沟是用犁刀划破阻水的犁底层以消除上层滞水。土暗沟是人工开挖沟槽而成,它与暗管和鼠道由某些相似之处,但往往需要年年施工,还因暗土沟用工较多逐渐被其他方式所代替。所以本灌区也不应该选用这两种方式。

以上几种方式可以因地制宜的组合使用,通过比较发现两种方式不适用于本灌区所以在在设计时,应该进行明沟和暗管两种方案比较,根据沟道的不同级别确定不同的排水方式。

2 末级固定排水沟和吸水管间距计算

排水末级固定沟道为农沟,农沟间距为100 m,考虑排渍时重新确定水沟和吸水管间距。

2.1 水田排水沟

水稻区田面有淹水层排水沟边坡陡直不计沟中水深稳定渗流情况下的排水沟间距按公式:

式中:B为末级固定排水沟间距,m;K为排水地段含水层平均渗透系数,m/d;H为田面水位与沟底高程之差即排水沟的作用水头,m,取1.8 m;Q为设计要求的稻田渗漏强度,m/d,取0.0003 m/d;Ф0为稳定渗流情况下排水沟排水地段的渗流阻抗系数;Hd为排水沟的有效深度,m,取1.6 m;T为排水地段含水层的平均厚度,m。

计算结果详见表 1。

表1 不同土质水田排水沟计算间距表

2.2 水田吸水管

水稻区田面有淹水层吸水管内充满水稳定渗流情况下的吸水管间距按以下公式计算:

式中:B为吸水管间距,m;Hd为吸水管埋深,m,取1.6 m;H为吸水管的作用水头,m,管内为有压水时为有压时,H为田面水位与吸水管承压水位之差;管内为无压水时,H为田面水位与吸水管中心高程之差,取1.8 m;d为吸水管外围直径, m,0.05 m;Ф0为稳定渗流情况下吸水管排水地段的渗流阻抗系数。详见表 2。

表2 不同土质水田吸水管计算间距表

2.3 旱田排水沟

旱作区田面无淹水层地下水位逐渐降落,起始地下水面形状近似二次方曲线,不考虑蒸发影响,非稳定渗流情况下的排水沟间距按以下公式计算:

式中:H0为地下水位降落起始时刻,排水地段中部地下水位高于沟内水面的作用水头,m,取1.6m;Ht为地下水位降落到t时刻,排水地段中部地下水位高于沟内水面的作用水头,m,取1.3 m;Hd为排水沟内水面至地面的垂直距离,即排水沟的有效深度,m,取1.7m;T为设计要求地下水位由H0降到Ht的历时,d,取4 d;μ为地下水面变动范围内的土层平均给水度,取0.01;Ω为地下水面形状校正系数采用(0.7～0.8),取0.7;Φ为非稳定渗流情况下排水沟排水地段的渗流阻抗系数;D为沟内水面至水平不透水层表面的垂直距离,m;B0为沟内水面宽度,m,0.10 m。

综合考虑灌区主要旱田种植作物的耐渍深度和耐渍时间,确定旱田作物在4 d内,地下水位由地表下降 0.5m,考虑作物耗水和田面蒸发,计算时从田面以下0.2m开始,计算结果见表 3。

表3 不同土质旱田排水沟计算间距表

2.4 旱田吸水管

计算旱田吸水管间距时,依据旱田排水沟间距的计算公式,,但式中Ω=0.8～0.9(取0.8),非稳定渗流情况下吸水管排水地段的作用水头,m,按下式计算:

计算结果详见表 4。

表4 不同土质旱田吸水管计算间距表

2.5 排水沟和吸水管间距确定

经计算确定,水田排水沟或吸水管排渍间距为100m,沟深或埋管深度为1.8 m;旱田排水沟或吸水管排渍间距为50 m,沟深或埋管深度为1.8m。计算结果与规范《灌溉与排水工程设计规范》(G B 50288-99)无试验资料时黏土、重壤土末级固定排水沟(或吸水管)深度(埋深)和间距的范围值基本一致。

3 吸水管与集水管管径设计

3.1 设计流量

排水暗管的设计流量可按公式计算确定

式中:Q为排水暗管设计流量,m3/s;C为排水流量折减系数; q为地下水排水强度取值,m/d;A为排水暗管控制面积,m2。

3.2 管径确定

吸水管和集水管的内径可分别按下式和计算确定:

式中:d1为吸水管内径;d2为集水管内径;n为管内壁糙率(光壁塑料管0.011,波纹塑料管 0.016);α为与管内水的充盈度a有关的系数;i为管的水力比降可采用管线的比降。

3.3 计算结果

进行管材选取时考虑当地各种管材的价格,经计算,水田吸水管(功能相当于农沟)的管径(波纹塑料管))为11～32 m m,取50 m m;二级集水管(功能相当于斗沟)的管径(光壁塑料管)为12～47mm,取80 m m;一级集水管(功能相当于支沟)的管径(波纹塑料管)为24～98mm,取100 m m。

旱田集水管的计算和水田一致,吸水管间距(50 m)是水田吸水管间距(100 m)的一半,为此推荐旱田吸水管的管径为 11～25mm,取值50 m m,各级吸水管与水田吸水管管径一致。

4 明沟排渍与暗管排渍方案比较

在进行排渍设计时,选择一块面积为1 027 h m2的典型区,控制灌溉面积面积为807h m2,排渍设计考虑两种方案。

方案 1:排水和排渍都采用明沟排水。

方案 2:地表排水采用明沟、地下排渍采用暗管(沟管结合)。对支、斗、农沟按两种方案分别比较。

不考虑排渍时,水、旱田典型区农沟、斗沟、支沟布置与各级渠道相邻布置,间距采用100 m,农沟比降采用1/2 000,斗沟比降根据地形选用1/2 000～1/3 000,支沟比降选用1/5 000。农沟边坡选用 1∶1,斗沟边坡选用 1∶1.5。农沟底宽0.2 m,斗沟底宽0.3～0.5m,支沟底宽0.3～1.0 m。

考虑排渍时,水田农沟要在不考虑排渍基础上深挖,使平均挖深达到1.8 m,斗沟、支沟也相应深挖,使水位衔接合适。农沟、斗沟底宽均采用0.5m,边坡选用 1∶1.5。支沟底宽 0.5～1.0 m;旱田与水田布置相同,但农沟需要加密,间距达到50m。

吸水管埋在农沟以下距地面1.8 m处,吸水管比降与农沟比降一致,各级集水管比降与相应的斗、支沟比降一致,且保证上下级管道衔接顺畅。集水管和吸水管外包无纺布并设3c m厚的砂石反滤层。

通过方案 1和方案2,在水田挖方、占地面积及旱田挖方占地面积及两项投资与方案 2在明沟挖方、占地面积、投资与暗管工程土方、砂石方、无纺布及其总投资的比较可知:斗、农沟方案 1是方案 2投资 4.1～6.7倍,方案 2优势明显,因此,斗、农沟选用方案 2,地表排水采用明沟、地下排渍采用暗管。

支沟方案 1投资是方案 2的 1.5～1.6倍,方案 2优势不明显,考虑到工程的可行性和排水效果,支沟选用方案 1排水和排渍都采用明沟排水。

[1] 国家质量技术监督局,中华人民共和国建设部.G B 50288-99灌溉与排水工程设计规范[S].北京:中国计划出版社,1999.

[2] 黑龙江省水利水电勘测设计研究院 .尼尔基水利枢纽配套项目黑龙江省引嫩扩建骨干一期工程——林甸县林甸灌区初步设计[R].哈尔滨:黑龙江省水利水电勘测设计研究院,2009.

[3] 沈荣开,冯广志,杨晴.灌区节水改造规划[M].北京:中国水利水电出版社,2003.