控制沟道排水的半自动闸门设计

白素颖，陈 平

(扬州大学，江苏 扬州 225100)

控制排水是对传统自由排水方式的改良，其主要是通过田间排水工程的实施和管理来实现[1,2]。控制排水不仅可以保证作物良好的生长环境、减少地表土壤水分损失、降低农田地下水损失、缓解灌溉压力，而且还可以增加田间墒情、减少受旱概率、减少农田养分的流失及水环境的污染[3-5]。可以看出，控制排水对于作物生长具有和灌溉同等重要的作用[6]，对降低农田面源污染改善周边水环境意义重大。

目前，农田中一般采用的控制排水设施主要包括普通闸门、翻板闸门等。对于普通闸门控制沟道排水仅仅是一关了之，不能根据旱作物各生育阶段的降渍要求进行控制排水，即不能做到控制旱作物各生育阶段地下水不同埋深；若要控制不同阶段的沟道水位仅靠人工操作虽可实现，但难度大、工作强度也大，而且当种植面积较大时，人工操作起来也较繁琐；翻板闸门利用的是水压力的工作原理，虽然减少了手工操作，但只能实现对沟道一个水位的控制，且易受杂物缠绞而影响闸门翻转，最关键的是水旱轮作时，水田排水沟水位无法控制。因此，本文设计了一种控制沟道排水的半自动闸门，水旱作物种植时均适用，可以实现沟道多水位控制，既减少了人工频繁操作，又灵活、方便，安全可靠，同时经济适用。这种半自动闸门不仅保留了原有系统的排水能力，也更加适应目前的管理水平，使农民更容易接受[7]。

1 排水沟道控制水位的确定

传统排水是根据作物全生育期同一降渍标准进行排水沟深度设计与排水，而本文根据旱作物不同生育期的根系长度来控制排水，以此确定排水沟道在作物不同生育阶段的控制水位。土壤计划湿润层深度是对旱作物进行灌溉的关键，它随着旱作物各生育阶段的生长和根系发育，计划湿润层深度逐渐增加，下面给出了冬小麦、棉花不同生育期阶段的土壤计划湿润层深度，如表1所示[8]。而对于农田排水，控制旱作物各生育阶段的地下水位对防止作物渍害尤为重要。土壤计划湿润层深度是作物根系活动的最佳深度，排水沟控制水位可根据旱作物各生育阶段土壤计划湿润层深度分析确定，一般排水沟控制水位应低于旱作物各生育阶段根系生长所需水位，这里取相近值。由于旱作物生育阶段较多，理论上可以实现每个生育阶段设置一个沟道控制水位，但沟道控制水位设置过多也没多大意义，为避免操作太频繁，可将旱作物全生育期主要分成3个阶段来确定排水沟道控制水位，如表2所示。

表1 冬小麦、棉花不同生育期阶段的土壤计划湿润层深度 cm

表2 旱作物各生育期排水沟道控制水位 cm

注：控制水位指农田地面到排水沟水面的垂直距离。这里确定的沟道控制水位较适用于非盐碱地地区，对于盐碱地地区还需进行调整。

2 半自动闸门控制排水的实现

根据已确定的旱作物各生育期排水沟道控制水位，在沟道闸门上设置3个不同高度的圆形排水孔，如图1所示。用橡胶制成圆形孔塞，将孔塞用链条连接固定在闸墩墙上，既方便堵孔，又防止孔塞丢失。同时，为了满足水旱轮作，在闸门与排水沟之间留出一定高度Δh，以便在种植水生作物时，孔全部堵上，防田间灌溉水通过沟道漏失，雨期田间多余水可以从闸门上溢流，实现中小雨期间水田自动排水，遇大暴雨时，可以根据需要打开孔塞或提起闸门排水，使水田排水也方便自如。

对农田区域进行规划布置时，在农沟或斗沟末端安装控制排水的半自动闸门，如图2所示。既可利用斗、农沟蓄积雨水补充田间土壤水量与地下水，减少灌溉用水和提高雨水的利用率。实际应用时，根据旱作物各生育阶段控制水位需要，对半自动闸门橡胶塞进行人工调控，从而实现半自动闸门控制排水。旱作物生育期只需要进行3次关、拔孔塞操作。水田时塞上全部孔，仅在大暴雨时人工操作拔塞或开闸即可。

图1 半自动闸门示意图Fig.1 Schematic diagram of the semi automatic gate

图2 田间规划布置图Fig.2 Field layout plan

3 半自动闸门的设计

3.1 半自动闸门排水孔口直径的确定

旱作不控制排水时，通常沟道是无水或少量水，因此，半自动闸门排水孔的流水形态以孔口自由出流来确定排水孔的直径，如图3所示，通过孔口的流量公式为[9]：

(1)

式中：μ为孔口自由出流的流量系数，μ=εφ，小孔口的ε=0.63～0.64，φ=0.97～0.98，μ=0.6～0.62，以下计算取μ=0.6；A为孔口面积，m2；H为孔口全水头，m。

注：d1、d2、d3为孔口直径；H1、H2、H3为旱作物各生育阶段排水沟中水平面到孔口1、2、3的垂直距离；1、2、3为排水孔编号；Zmax为排水沟最大水位，即水面到闸门顶部。图3 排水沟纵断面示意图Fig.3 Schematic diagram of vertical section of drainage ditch

由于旱作物各生育阶段排水沟中，沟水位随降雨产流历时及排水量不断变化，而各生育阶段排水孔口数是一定的，所以这里假定旱作物各生育阶段排水沟稳定水面保持恒定不变，以下推导均采用平均排除法计算排水流量及进行排水孔径计算，以保证排水在规定的时间内排出。

(1)排水孔1直径d1的计算。旱作物处于第一生育阶段时，排水孔1开启，排水孔2、3关闭。此阶段的水量平衡方程为：

W排，1=W产,1-W蓄,1

(2)

(3)

(2)排水孔2直径 的计算。旱作物处于第二生育阶段时，排水孔1、2同时开启，排水孔3关闭。此阶段的水量平衡方程为：

W排,2=W产,2-W蓄,2-W排,1

(4)

(6)

(3)排水孔口3直径d3的计算。旱作物处于第三生育阶段时，排水孔1、2、3全部开启。此阶段的水量平衡方程为：

W排,3=W产,3-W蓄,3-W排,1-W排,2

(7)

(9)

d3=

(10)

式中：W排,1、W排,2、W排,3分别为排水孔1、2、3的排水量，m3；W产,1、W产,2、W产,3分别为旱作物第一、二、三生育阶段的产流量，m3；W蓄,1、W蓄,2、W蓄,3分别为旱作物第一、二、三生育阶段排水沟控制水位下排水沟蓄水量，m3；h1、h2、h3分别为旱作物第一、二、三生育阶段排水沟水位，即农田地面至排水沟水面的垂直距离，m；Z1、Z2、Z3为旱作物第一、二、三生育阶段排水沟控制水位，即农田地面至排水孔1、2、3的垂直距离，m；Δh1、Δh2、Δh3分别为1/2H1、1/2H2、1/2H3，m；d1、d2、d3为排水孔1、2、3的直径，m；t为排水时间，s。

3.2 工程实例分析

以江苏省盐城市沿海旱作物棉花的生长特点为例来设计半自动闸门。实验区规划布置的农沟长度为400 m，间距100 m，即排水沟控制面积为F=0.04 km2。沟道深度由最大降渍标准决定，沟道断面要能通过排涝流量。排水农沟尺寸为上口宽2.2 m，下口宽0.2 m，沟深1 m，边坡系数1.0。

表3 棉花各生育阶段最大1 d设计暴雨量 mm

棉花处于幼苗期时，排水孔1打开，排水孔2、3关闭，根据公式(3)计算排水孔1的直径。棉花处于现蕾期时，排水孔1、2打开，排水孔3关闭，根据公式(6)计算排水孔2的直径。棉花处于开花及吐絮时，排水孔1、2、3全部打开，根据公式(10)计算排水孔3的直径，棉花各生育阶段的产流量根据以上算出的棉花各生育阶段最大1 d设计暴雨量推算W产=αX1 d,10%F；根据排水沟的尺寸来确定W蓄,i(i=1,2,3)；最不利排出时间为2 d(雨后1日)；计算结果如表4所示。

表4 半自动闸门排水孔口直径Tab.4 Semi automatic gate drain orifice diameter

由此可知，以上计算出的排水孔直径介于4～11 cm之间，实际应用中3个孔口都取10 cm相同直径或取大一些均可，因为孔口直径取大一些同样可以满足旱作物各生育期根系生长需水要求，同时也可以在排水时间内很快降低到作物耐渍深度以下。半自动闸门排水孔口直径的确定要具体情况具体分析，因为影响排水孔口直径的因素有很多，如：研究地区的不同、重现期的不同、排水沟控制面积的大小等。

4 结 语

在农田灌溉中我国水资源的利用存在诸多问题，为了提高水资源的利用率、减少灌溉水量、增加田间墒情、有效的控制农田地下水位，通过在农田斗农沟末端安装控制排水设施(半自动闸门)来实现。本文就控制沟道排水的半自动闸门进行设计，根据旱作物不同生育期根系长度，确定了排水沟道的控制水位。阐述了利用半自动闸门控制排水的实现，依据旱作物各生育阶段排水量的要求，推算出了半自动闸门的孔口直径公式，并以工程实例加以分析计算出排水孔直径分别为10.09、7.43、4.66 cm，为方便施工与实际应用，孔口尺寸取10 cm左右为宜，北方地区可适当小些，南方地区可适当加大。半自动闸门在农田控制排水中的应用具有设计建造简单、操作方便灵活、适应性强、经济实用等优点，不但是对农田雨水的充分利用，也是对现有管理水平的提高。

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