灌区控制地下水的水平排水系统设计

2013-10-24郭志刚

黑龙江水利科技 2013年2期

郭志刚

( 黑龙江省农垦总局牡丹江管理局云山农场水务局，黑龙江密山158420)

1 水平排水系统

暴雨地面径流利用田间沟网排除，也要利用田块本身以及田块上的沟、畦、格田等拦蓄一部分雨水。例如，旱作地区的灌水沟、畦，降雨时也聚集部分雨水，渗入土壤中暂时存蓄。在水稻地区，利用格田拦蓄部分雨水，在一定程度上也可以减轻涝灾。但在田块内部拦蓄雨水的能力是有一定限度的，这一限度可称为大田蓄水能力。降雨时，大田蓄水旱作物一般包括两部分: ①储存在地下水面以上的土层中;②补充了地下水，并使地下水位有所升高( 不超过规定的允许高度，以免影响作物生长) 。旱田蓄水能力一般可用下式计算:

式中:V 为大田蓄水能力，m; H 为降雨前地下水埋深，m; θ0为降雨前地下水位以上土层平均体积含水率; θmax为地下水位以上土壤平均最大持水率( 与土壤体积之比) ; θs为饱和含水率( 与土壤体积之比) ;H1为降雨后地下水允许上升高度，视地下水排水深度而定，m; μ 为给水度，μ = θs－ θmax。

在降雨量过大或连续降雨情况下，如果降雨径流形成的积水超过允许的作物耐淹深度和持续时间或入渗土中的水量超过大田蓄水能力时，必须修建排水系统，将过多的雨水( 涝水) 及时排出田块。

2 排水沟对地下水的调控作用

根据灌区地下水动态资料分析，引起地下水上升的主要水量来源于降雨、灌溉( 特别是种植水稻和采用不良的灌水技术) 、冲洗、河渠的渗漏水等。下面仅就降雨因素加以分析，以说明排水沟对地下水位的调节控制作用。

降雨时渗入地下的水量，一部分蓄存在原地下水位以上的土层中，另一部分将透过土层补给地下水，引起地下水水位的上升。地下水位上升过程如图1 中的abc 所示。在田间排水工程修建前，雨停后水位的回落主要依靠地下水的蒸发。由于蒸发强度随着地下水位的下降而逐渐减弱，因而由蒸发而引起的地下水位下降速度也随地下水埋深的加大而减弱。在地下水达到一定深度后，水位下降速度也随地下水埋深的加大而减弱。在地下水达到一定深度后，水位下降十分迟缓。在无排水设施的条件下，农田地下水回落过程将如图2 中的cde 所示。在建有田间排水工程的条件下，降雨过程中入渗水量的一部分将自排水沟排走，因而地下水上升高度将较无排水工程时为小，如图1 中ab'c'所示。愈靠近排水沟，对地下水位的控制作用愈显著，地下水位愈接近沟中水位;距沟愈远，控制作用相对减弱，因而两沟中间一点形成地下水位最高点，见图2，雨停以后由于排水沟和蒸发的双重作用，地下水位迅速降低，两沟中间一点水位降落过程如图1 中c'd'e'。综上所述，田间排水沟在降雨过程中可以减少地下水位的上升，雨停后又可以加速地下水的排除和地下水位的回落，因而对于控制地下水位可以起到重要作用。

图1 地下水位变化过程示意图

图2 排水沟对地下水位的控制作用示意图

3 排水沟的深度和间距

实际观测资料表明，在一定的排水沟深的条件下，要求的排水沟间距与土层的导压系数a =kh/μ( k 为土壤的渗透系数;h 为含水层厚度，μ 为土壤的给水度) 有着十分密切的关系。a 值愈大，排水沟( 管) 的间距可愈大，亦即土壤渗透系数愈大，含水层厚度愈大，土壤给水度愈小，满足一定地下水控制要求的排水沟间距可愈大; 反之，土壤渗水性愈差，含水层厚度愈小，土壤给水度愈大，排水沟间距愈小。在满足一定排水要求的排水沟深度和间距之间存在着密切的关系。在同一排水沟深度的情况下，排水沟的间距愈小，地下水下降速度愈快，在一定时间内地下水的下降值愈大; 反之，排水沟的间距愈大，地下水下降愈慢，在规定时间内地下水的下降值也愈小。在同一排水沟间距的情况下，沟深愈大，地下水下降速度愈快; 反之，沟深愈小，地下水下降愈慢。在允许的时间内要求达到的地下水埋深深度ΔH 一定时，排水沟的间距L1愈大，需要的深度D1也愈大;反之，排水沟的间距L2愈小，要求的深度也愈小，见图3。

图3 明沟排水示意图

设计排水农沟时，一般首先根据作物要求的地下水埋深、排水农沟边坡稳定条件、施工难易等初步确定排水农沟的深度，然后再确定相应的间距。

当作物允许的地下水埋深ΔH 一定时，排水农沟的深度( D) 可用下式表示:

式中:ΔH 为作物要求的地下水埋深，m;Δh 为当两沟之间的中心点地下水已降至ΔH 时，地下水位与沟水位之差，此值视农田土质与沟的间距而定，一般≥0.2 ～0.3 m; S 为排水农沟中的水深，排地下水时沟内深很浅，一般取0.1 ～0.2 m。

排水农沟的间距，应通过专门的试验或参照当地或相似地区的资料和实践经验加以确定。表1 根据我国某些地区试验资料分析统计，得出不同土质、不同深沟满足旱作物控制地下水位要求的排水沟间距的大致范围，可供参考。

表1 控制地下水位的田间排水沟间距表 m

水田地区排水农沟的深度，一般为0.8 ～1.5 m，旱作物地区的深沟为1.2 ～2.0 m，而沟的间距则为60 ～100 ～200 m不等，视各地土质而异。在盐碱化地区，对排水沟深度和间距的确定，不仅要控制和降低地下水位，而且要能达到在冲洗改良阶段，为了加速土壤脱盐，可采用深浅沟相结合的脱盐和改良盐碱土的预期效果。在冲洗改良阶段，为了加速土壤脱盐，可采用深浅沟相结合的办法。在深沟控制地段，加设深1 m左右的临时性浅沟( 毛排) ，待土壤脱盐后再行填平。在砂性壤土地区，排水毛沟的间距可采用150 m，在壤土黏重地区可采用100 m，根据各地经验，末级固定排水沟的沟深与间距关系见表2。