规模化水田田间灌排渠系布局影响研究

孙雪梅，黄 彦，孙艳玲

(黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

黑龙江省作为我国农业和粳稻第一大省，2018年，全省农业灌溉水量占用水总量的87%，水田灌溉用水量约占农田灌溉用水总量的98%左右，农业用水占比过高、水田灌水效率低、水资源承载力不足已成为限制我省水稻种植和农业发展的瓶颈问题[1]。在高标准农田和现代化灌区建设背景下，我省水田灌区格田已由碎片化、不规则、低平整度逐渐向规模化、标准化、高平整度发展，在规模化水田建设中，田间灌排工程的合理布局直接影响农田的生产能力和灌排保证率[2]。国内学者在灌溉渠系布局方面做了大量研究，程毅强[3]分析了水源、土壤条件、地块形状、地形条件、条田方向、机械作业、运行管理等约束条件对灌溉渠系布置的影响；吴昌春[4]以舒庐干渠灌区末级渠系为例，探讨了末级渠系节水改造规划设计方法，保证了节水改造项目投资效益；汪海涛[5]以高标准农田建设中灌溉渠道改造工程为例，从流量计算、断面比选及结构布置等方面进行灌溉渠道设计。本文在水田灌区规模化格田条件下，对田间灌排渠系布局的影响因素进行分析，以期得到适合规模化水田的灌排工程最优布局，为规模化水田灌排工程建设提供依据，提高水田灌区排灌能力和抵御自然灾害的能力，改善粮食生产的基础条件。

1 规模化水田田间灌排渠系布局及形式

1.1 灌排渠系布置形式

灌排工程是农田水利建设发展不可或缺的内容，其灌溉功能是农业生产安全的重要保障[6]。渠系规划要与其他相关规划紧密配合，布置方案要结合田块、林带、道路等设计进行综合考虑，统一安排[7]。灌排渠系布置分为灌排分开和灌排结合两种形式。

(1)灌排分开布置形式。灌排分开布置形式的优点是利于控制地下水位，防止土壤碱化；灌溉与排水分别控制，灵活调控，不存在矛盾，有利于及时灌排；田间工程在规划或改造时，可以保留大部分合理的排水沟道，也可将现有排水沟道平整后筑成渠道，充分利用资源，节省大量人力物力，是平原地区田间渠系的主要形式。

灌排分开布置形式又分为灌排相邻布置和灌排相间布置。灌排相邻布置渠道向一侧供水，排水沟承泄一侧排水，这种布置形式适用于地形有单一坡向，灌排方向一致的地区；灌排相间布置渠道向两侧灌水，排水沟承泄两侧的排水，这种布置形式适用于平坦地形。

(2)灌排结合布置形式。灌溉与排水系统采用同一渠道，其优点是在规划建设时只需要复核现有排水沟道是否满足灌溉的要求，并对其进行必要的改建即可完成；控制左右两侧格田，起到又灌又排作用，可以减少占地面积并节省渠道工程量。灌排结合布置形式要确保灌排不交叉运行，合理控制，灌区不需要控制地下水位，灌排矛盾小，格田之间有一定高差，渠沿着最大地面坡度方向布置。灌排结合布置形式不适合在农渠及田间毛渠规划设计，通常只在支、斗两级渠道结合布置，只在地势较高、地面有相当坡度的地区或地下水位较低的平原地区适用。

1.2 渠系布置密度

渠系布置密度与地形、田块大小、灌排方式、布置形式等关系密切。灌排方式分单灌单排和窜灌窜排两种，单灌单排灌溉效率高，每个田块均与灌排渠道相邻，适合田块大的区域；窜灌窜排灌溉效率相对较低，但可减少灌排渠道布置密度，可应用于田块小的区域。布置形式分灌排分开、灌排相邻和灌排一体，灌水方式有单项灌水和双向灌水。目前，田块大小一般为0.3 hm2、0.5 hm2、1.0 hm2，农渠布置间距可为100～400 m，按照灌排方式和地形坡度增加或减小农渠布置密度；斗渠一般为双向灌水，布置密度是农渠长度的2倍。

1.3 渠道断面形式

目前，末级渠系常用的渠道断面形式为梯形、矩形和U型。梯形断面渠道分预制和现浇两种，预制梯形混凝土预制板厚度应不小于8 cm，质量以不大于25 kg/块为宜；现浇混凝土预制板厚度应不小于10 cm，平面宜采用矩形，尺寸应不大于2.0 m×1.5 m；强度等级为C25F200。矩形和U型渠道由于成型工艺较复杂，一般采用装配式，成型渠道现场直接铺装，施工工艺简单，占地少，对于大型灌区斗渠以下和中型灌区支渠以下推荐采用装配式渠道，可提高施工工效，强度等级为C30F300。考虑渠道使用寿命及寒地特点，应优先采用强度等级高、防渗防冻胀性能好的新型材料。

1.4 防冻胀措施

针对东北寒冷地区，灌溉渠系应采用基础换填、EPS颗粒轻质土、EPS保温板等防冻胀措施。基础换填防冻胀技术是在冻结深度内将渠道底板下的冻胀性土换成非冻胀性土的一种防冻胀方法，置换材料通常采用砂砾石或中粗砂以及多种保温材料；EPS颗粒轻质土是一种新型防冻胀材料，在细粒土或淤泥或砂土中添加水、固化剂混合搅拌，再加入泡沫塑料颗粒或球粒或碎片混合制成，密度和抗压强度可以通过配方的改变进行调节，28 d抗压强度一般在0.1～10 MPa之间。EPS保温板防冻胀技术在寒冷地区的应用已经有30多年的经验，取得较好的效果，并已经列入国家及行业标准中。

2 灌排渠系工程布局影响因素分析与研究

2.1 因素指标分析

灌排渠系工程布局需综合考虑地形、格田、灌排水方式、渠道布置间距、渠道长度、渠系水利用效率和工程造价等因素。

(1)地形与灌水方式。对于坡度小于5°的坡地，农渠灌水方式选择单向灌水；对于平坦的平原，农渠灌水方式选择双向灌水。斗渠灌水方式均为双向灌水。

(2)格田规格与农渠间距。农渠垂直于格田长边布置，单向灌水农渠间距为格田长边长度，沟渠相邻布置；双向灌水农渠间距为格田长边长度的2倍，沟渠相间布置；对于格田规格小的区域，为防止斗渠间距过小，增加施工成本，可选择窜灌窜排方式。农渠布置间距可为100～400 m。

(3)斗渠、农渠长度。渠道长度过长会降低渠系输水效率，综合考虑渠系水利用效率和控制面积因素，农渠长度可为400～600 m，斗渠长度可为600～1000 m。

(4)斗渠控制面积。斗渠控制面积由渠道间距与长度决定。斗渠控制面积过小，会导致灌区渠道密度增加，工程量增加；斗渠控制面积过大，则会由于渠道过长降低输水效率。应结合工程投资与输水效率综合考虑控制面积。

(5)渠系输水效率。渠系输水效率与渠道长度、施工质量相关，是衡量一个渠道系统的灌溉效率的指标，渠系布置应使渠系输水效率最大化。

(6)工程造价。工程造价由渠道密度与长度决定，在保证灌溉面积和渠系水利用效率的同时，尽量降低工程造价，达到灌溉系统的优化布置。

2.2 灌排工程布局主要影响因素研究

(1)分析方法。利用主成分分析法对灌溉系统性能的影响因素进行分析。主成分分析(PCA) 为回归分析的一种，是将多个影响因素转换为少数相互无关的综合指标的统计方法，该方法可以很好地处理变量间的多重相关性。主成分分析的数学模型如式(1)所示：

(1)

(i=1， 2， ...，p；j=1， 2， ...，k)

式中：Fj为各影响因素的成分；xi为灌溉系统性能的影响因素；aij为因子载荷系数。

通过计算各主成分的方差贡献率，选出累计方差贡献率大于85%的m(m

(2)

式中：ωj为第m个主成分的方差贡献率；Wi为各影响因素的权重，将其归一后得到的权重向量即为各影响因素的权重向量W，通过权重判断各因素的硬性程度，得到主要影响因素。

(2)确定评价因素。选择一个斗渠控制单元，选取农渠间距、农渠长度、斗渠长度、斗渠控制面积、渠系输水效率及工程造价6个因素的合理区间进行不同组合，其中农渠间距选择100 m、200 m、400 m三种宽度，农渠长度选择400 m、600 m 二种长度，斗渠长度选择600 m、800 m、1000 m三种长度，斗渠控制面积选择66.67 hm2、200.00 hm2、333.33 hm2三种规模，工程造价和输水效率根据渠道长度与控制面积计算。具体组合见表1。

表1 不同影响因素组合

2.3 分析结果

通过SPSS 软件，得出各主成分的特征值及方差贡献率见表2，可以看出第1、2、3、4主成分的累计方差贡献率已达到85% 以上，表明前4个主成分已包含了各影响因素中的大部分信息，因此，选用主成分1、2、3、4即可对各因素进行描述。前4个主成分各影响因素的权重见表3，可以看出，控制面积、工程造价对灌排渠系工程布局影响最大，其次是农渠间距、斗渠长度和输水效率，农渠长度对灌排渠系工程布局影响较小。

表2 各主成分的特征值及方差贡献率

表3 主成分的因子载荷系数

3 结 论

本文介绍了东北地区规模化水田田间灌排渠系布局，包括渠系布置形式、布置密度、渠道断面形式及防冻胀措施；选择农渠间距、农渠长度、斗渠长度、斗渠控制面积、渠系输水效率及工程造价6个因素，对其合理区间进行不同组合，利用主成分分析法对灌排渠系工程布局影响因素进行了评价，得出对灌排渠系工程布局影响最大的因素是控制面积、工程造价，其次是农渠间距、斗渠长度和输水效率，农渠长度对灌排渠系工程布局影响较小；研究结果可为东北地区高标准农田及现代灌区建设提供技术方案。