黑龙江省典型灌区灌排水两用渠道断面设计参数研究

梁贞堂，宋长虹

(黑龙江省水利水电勘测设计研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

中共中央国务院《关于深入推进农业供给侧结构性改革加快培育农业农村发展新动能的若干意见》指出：大规模实施农业节水工程，加大大中型灌排骨干工程节水改造与建设力度，同步完善田间节水设施，建设现代化灌区。中共黑龙江省委《关于加快发展现代农业争当全国农业现代化建设排头兵的意见》强调：到2020年确保建成1亿亩高标准农田，新增农田有效灌溉面积2000万亩，农田灌溉水有效利用系数提高到0.6以上。灌区建设得到了高度重视。

在科技飞速发展、新理论新技术日新月异的今天，灌区设计理论也应得到提升与创新；特别是输水干支渠道与排水干支沟道如何布置？成为灌区能否节水、节地和能否建设的关键。通过对黑龙江省两大平原现有灌区的调查，输水干支渠道与排水干支沟道结合布置应当是灌区设计理论的新发展。它的最大优点：节省土地、节省水资源、节省建筑物、节省建造成本、节省运行费用。它的设计理念符合绿色发展、最严格土地管理、山水田林湖生命综合体理念。

1 灌排两用输水渠(沟)道断面参数的确定

灌排输水两用渠(沟)设计的关键是确定渠(沟)的深度(H0)和底宽(B0)；其它参数，如渠底比降(i)、边坡系数(m)、糙率(n)等可根据地形、土质、管理情形按经验确定。

1.1 排水沟的断面参数

1.1.1 末级单纯除涝排水沟深度与间距

目前单纯末级除涝排水沟间距的确定还没有完善的理论方法，多数按经验确定。我国北方地区末级除涝排水农沟间距一般为150～400m，南方末级农沟间距一般为100～200m。

此排水沟的深度及断面尺寸可根据排涝流量，按明渠均匀流理论确定。排涝流量：黑龙江省三江平原地区和松嫩平原地区采用5年一遇洪水标准的流量，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末级控制地下水位排水沟(防渍，防盐碱)的深度与间距

(1)末级排水沟的沟深和间距

在要求的地下水位一定时，沟深与间距存在许多方案，宜用经济比较加以确定，如图1所示。确定沟深的示意图，如图2所示。

图1 排水沟深度与沟间距的关系图

图2 排水沟深度计算示意图

(1)

式中，△H—排渍深度或地下水临界埋深(作物要求的地下水埋深)，m；△h—悬挂水头，m，0.2～0.3m；S—日常水深，m，0.1～0.2m。

GB50288- 99《灌溉与排水工程设计规范》推荐了确定末级防渍排水沟沟深与间距、脱盐或防盐碱地区的排水沟沟深与间距的经验数据，见表1、2。

表1 防渍排水沟沟深与间距经验数据 单位：m

表2 脱盐或防盐碱地区的排水沟沟深与间距经验数据 单位：m

文献[2]给出了吉林省松嫩平原大安灌区地下水临界深度(△H)的数值；黑钙土次生盐渍化地区临界深度△H=3m，纯排渍时(不考虑盐渍)△H=1.0m。

文献[4]三江平原防止土壤盐渍化生态水深(△H)应控制在2.5～4.0m。

1.1.3 排水干沟的深度

排水系统的设置可按GB50288- 99规定，依次为干沟、支沟、斗沟、农沟等固定沟道。排水干沟的深度可用下式计算：

(2)

式中，H干—干沟的深度，m;D—末级沟道的深度，m；k—沟道的级别；n—沟道的数量；L—沟道的长度，m;i—沟道的底坡比降。

1.1.4 排水沟的断面参数

排水沟的设计流量(Q)根据排水面积、排水模数、产流与汇流历时，以及地下水位的控制要求按有关理论确定。

边坡系数(m)根据当地土质情况，经边坡稳定分析计算后确定，一般m>1.0。

底坡(i)根据地形与地表坡度确定，一般i<1/3000。

底宽(B)和过水断面水深(H)根据明渠均匀流理论确定，黑龙江省一般采用B>1.0m。

为了保证排水沟的设计排水能力，排水沟内最高水位应低于区内有代表性地面点0.2～0.3m，下级沟道水位应低于上级沟道水位0.1～0.2m，局部出现壅排，回水不能对上级沟道造成明显影响。

1.2 灌溉输水渠道的断面参数

按GB50288- 99规定，输水灌溉渠道依次为干渠、支渠和斗渠。各级渠道的设计流量(Q)、底坡(i)、边坡系数(m)和糙率(n)均有计算与选取方法。渠底宽度(b)和过水断面水深(h)按明渠均匀流理论确定。

(3)

A=(b+mh)h

(4)

(5)

R=A/X

(6)

(7)

式中，R—水力半径，m；X—过水断面湿周，m;A—过水断面面积，m2。C—谢才系数。

将计算与选定的Q、m、n和i，代入(3)～(7)式，经试算，可得出灌溉渠道的b、h。

1.3 灌溉排水两用渠(沟)道断面参数的确定

比较同级别的灌溉渠与排水沟断面的参数，选取H0=max{H，h}、B0=max{B，b}，作为断面参数。

2 灌排两用渠(沟)道的布置

2.1 灌排两用渠(沟)道同向布置

部分地区的农田由于地形的特殊性，可以做到灌溉渠道水流方向与排水沟道水流方向一致，即：灌排同向。此时，只要渠(沟)的底坡比降(i)合适，再配以适当的节制闸，灌区的输水与排水{既可完成；再用小型泵站将水抽至配水渠道，灌区既可完成灌溉功能。

2.2 干渠(沟)同向，支、斗渠(沟)逆向布置

干渠与干沟水流同向，支、斗渠与支、斗沟水流逆向，是这类灌区渠(沟)布置的常见型式。此时，应在支渠口下的干渠上建设节制闸，以控制水位；使支渠满足灌溉要求。如支渠较长，可建设抽水泵站与节制闸，以提高水位和提供水量。泵站前的水位与流量可用明渠非均匀流理论进行校核。设泵站的抽水流量为Q抽，渠道的来水为Q来，则：

(8)

如果Q抽Q来，则应提高上游水位或泵站下移。

2.3 灌排两用渠(沟)道逆向布置

灌溉干渠与排水干沟的水流方向相反，即：灌排两用渠道逆向布置。此时灌溉用水均需用抽水解决，用公式(8)校核各级渠道，可得出影响设计渠道的主要因素为同一级渠道的各渠段的过流能力；建设节制闸与泵站为水位及灌溉过程的主要控制性工程。

2.4 节制闸与泵站

节制闸的主要功能是控制水位。同向布置时，节制闸应在下一级渠道分水口下方(灌溉水流方向)；逆向布置时，节制闸应在下一级渠道分水口上方(灌溉水流方向)。节制闸的最高控制水位应满足安全超高要求。

泵站的主要功能是提供足够的水量。泵站一般与节制闸同址建造；在输水渠道上，水泵选择大流量低扬程的轴流泵为宜。

3 灌排两用渠(沟)道的用水调度

根据省气候特点，灌排两用渠(沟)道在用水调度时可分为3个阶段；即：5月1日～6月15日，是灌溉用水为主阶段；6月16日～8月20日，是灌溉与排水重叠阶段；8月21日～9月30日，是排水为主阶段。灌溉用水阶段控制启用所有节制闸与泵站，以满足灌溉用水需求；排水阶段控制所有节制闸，调节沟内水位，满足排水与生态用水要求。

灌溉与排水重叠阶段是灌区用水调度的关键，要根据降雨量级、作物的耐淹历时、排水的工程标准作好调度方案。当天气预报通知未来3d有降雨时，要研究灌溉系统的水位、水量，研究节制闸是否开启排水、泵站是否停止供水。

文献[6]对灌排两用渠(沟)道在灌溉期突遇5年一遇暴雨进行了数字模拟，模拟结果如图3、4所示。

图3 频率为20%的1日降雨模拟结果图

从图3、4可经看出，如果灌排两用渠(沟)道调度控制合适，在作物的耐淹历时内完全可以实现灌溉与排水的转换。

4 结语

灌溉与排水两用渠道是古老又现代的先进灌溉渠道，特别是在三江平原与松嫩平原上，更显现出它的优越性；如何将灌排两用渠道真正落实到灌溉工程中，还需实践中更进一步研究。

图4 频率为20%的3日降雨模拟结果图

[1] GB50288- 99. 灌溉与排水工程设计规范[S].

[2] 毕淑霞, 贾志国, 王军海, 等. 松嫩平原大安灌区渠系地下水临界深度的确定[J]. 东北水利水电, 2009(05).

[3] 戴春胜, 等. 三江平原水土资源利用与保护对策研究[M]. 北京: 中国农业科学出版社, 2012.

[4] 基本农田设计规范[EB/OL]. 中华文本库.

[5] 宋长虹, 等. 黑龙江省灌溉与排水两用渠道设计实用技术研究[R]. 黑龙江省水利水电勘测设计研究院, 2016.