專利名稱：分期分級動態(tài)控制農(nóng)田排水設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本項發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)灌溉排水領(lǐng)域，具體提供一種根據(jù)設(shè)計新標準確定排水系統(tǒng)合理規(guī)格的分期分級動態(tài)控制農(nóng)田排水設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)下，有防治鹽漬化要求的北方渠灌區(qū)，普遍以臨界深度作為應(yīng)達到的控制降深指標，用來設(shè)計田間末級排水工程，并依此確定各級排水工程深度與相應(yīng)的間距規(guī)格。但由于現(xiàn)行標準不完全切合實際，其結(jié)果往往是田間工程的作用達不到理想的預(yù)期效果，排水系統(tǒng)的維護與運轉(zhuǎn)也存在困難。特別是輕質(zhì)土地區(qū)，明溝深度過大，溝坡坍塌問題不易解決，自流條件也難以得到保證，從而影響整體效益的發(fā)揮。
農(nóng)田排水標準通常分為排澇、治漬和防治鹽堿三類。在現(xiàn)行有關(guān)農(nóng)田排水的規(guī)范中，排澇和治漬標準主要是依據(jù)我國南方地區(qū)的條件制定的，一般針對積雨成澇和地下淡水的水位過高形成漬害。而防治鹽堿化標準則主要是針對我國北方灌區(qū)存在鹽堿化危害而單獨制定的，各有其地域特點，且相互之間無依存關(guān)系。事實上，在我國北方地區(qū)除了排澇標準的依據(jù)和使用與南方有某些共性和相似之處外，治漬和防治鹽堿化標準的依據(jù)和使用要求則有很大區(qū)別。首先，南方所遭遇的是“淡漬”危害，而北方則多受“咸漬”威脅，在治漬設(shè)計標準上有質(zhì)與量的不同；其次，鹽堿化為北方所特有，而南方除一些濱海地區(qū)受海潮咸水影響外，大都不存在鹽堿化的問題。對于北方灌區(qū)，特別是面臨節(jié)水改造的北方大中型灌區(qū)來說，區(qū)別南方澇漬和北方鹽漬危害的排水要求，而制定出更加切合實際的控制地下水位設(shè)計標準是一項迫切的任務(wù)。
根據(jù)調(diào)查，我國西北黃河上游和內(nèi)陸河流域一些大型引黃灌區(qū)，由灌溉來水帶來的鹽量，普遍大于排水排走的鹽量，其結(jié)果是水鹽狀況得不到有效平衡，多余鹽分長期積累在境內(nèi)土壤中，使土地鹽漬化逐步加重，作物生長受到威脅。加上來水量過多，去水量偏少，余水積存起來使地下水位抬高，形成含鹽地下水的漬害，威脅作物生長。即使在實行節(jié)水改造以后，如不相應(yīng)加強和改善現(xiàn)有排水工程系統(tǒng)，并實施合理運行，這一不利影響因素將仍然不能得到有效控制與消除。
作物生長期(灌溉季節(jié)和雨季)，根據(jù)土壤水鹽運行規(guī)律，在灌溉水和雨水作用下，土壤中的水分和鹽分基本上是以下行運移為主。在北方常年灌溉地帶的渠灌區(qū)，灌溉期間表土層受到淋洗，多呈脫鹽狀態(tài)，使作物生長受到抑制和威脅的因素，往往是含有一定數(shù)量鹽分的過高地下水位帶來的不良影響(或簡稱為“咸水漬害”)。為了給作物創(chuàng)造良好的生存條件，需要在每次灌水后較短時間內(nèi)快速降低地下水位，以及時消除這種“咸水漬害”的威脅，同時，通過排水排鹽，減輕鹽堿對作物的危害，這一任務(wù)通常由田間排水系統(tǒng)來完成。非作物生長期(灌溉季節(jié)和雨季結(jié)束后)，較長時期內(nèi)無灌溉水和雨水淋洗，只有蒸發(fā)影響，土壤中的水分與鹽分在蒸發(fā)和毛管水作用下，總體呈向上運移趨勢，在這種情況下，為避免表土和耕層土體強烈積鹽，危害來年作物生長，特別是幼苗期的生長，防止土壤次生鹽漬化，控制更深層次土壤中的水鹽就成為輸水排水和骨干排水工程的主要任務(wù)。為此，可采用在生長期灌溉結(jié)束后到來年春灌前，將地下水位逐漸降低到或接近于防治土壤產(chǎn)生鹽漬化的臨界深度。
以往設(shè)計以控制地下水位防治鹽漬化為目標的農(nóng)田排水工程，沿襲前蘇聯(lián)和歐美的傳統(tǒng)作法，都是從末級固定田間排水溝(管)承擔整個排水任務(wù)出發(fā)來進行設(shè)計。通常在工程設(shè)計計算中，采用兩種不同的方法當使用穩(wěn)定流公式計算排水溝(管)間距時，由田間末級排水溝(管)負擔排除的流量，是按設(shè)計排水率分布到控制面上所形成的水量考慮；而使用非穩(wěn)定流公式計算時，則是要求在規(guī)定時間內(nèi)，地下水位一次降低到需要控制達到的最大深度。
根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》(國標)和《農(nóng)田排水工程技術(shù)規(guī)范》(行標)，田間末級固定排水溝和吸水管間距計算公式為L=ktμΩΦlnH0Ht---(1)]]>式中L為不考慮地下水蒸發(fā)影響，非穩(wěn)定滲流情況下的排水溝(管)間距(m)；k為排水地段含水層平均滲透系數(shù)(m/d)；t為設(shè)計要求的地下水位降落歷時(d)；μ為地下水面變化范圍內(nèi)土層的給水度；Ω為地下水面形狀校正系數(shù)，明溝采用Ω＝0.7～0.8，暗管采用Ω＝0.8～0.9；Φ為排水地段的滲流阻抗系數(shù)，當含水層厚度有限(D≤L/2)時，可表示為對于明溝Φ=1πln2Dπ&Bgr;+L8D---(2)]]>對于暗管Φ=1πlnDπΩH‾d+18D---(3)]]>當含水層厚度很大(D≥L/2)時對于明溝Φ=1πln2Lπ&Bgr;---(4)]]>對于暗管Φ=1πlnLπΩH‾d---(5)]]>式中D為溝中水位或暗管中心距不透水層表面的距離(m)；B為窄深溝中水面寬度(m)或充水部分梯形斷面的折算直徑(m)；d為暗管外壁(含外包料)的直徑(m)； 為非穩(wěn)定滲流情況下，按降落過程平均的作用水頭(m)，用下式計算H‾=H0-HtlnH0/Ht---(6)]]>式中H0和Ht為降落時段始末時刻，排水地段中部地下水位高于溝中水位或高于暗管中心的作用水頭(m)。
由于L在上述間距計算公式組合中呈隱函數(shù)形式，故需采用試算法或迭代法逐次逼近求值。同樣公式組合也可用于計算其它各級排水溝(管)的間距。水文地質(zhì)參數(shù)k和μ宜采用現(xiàn)場實測的多點綜合平均值。
用現(xiàn)行方法所得結(jié)果存在的不足之處為1、末級固定溝(管)的有效深度(或埋深)至少應(yīng)比當?shù)貤l件的臨界深度值大0.2m～0.3m。以此為基礎(chǔ)，往下逐步加深各級排水工程，直至排水干溝和總出水口。以一般中度透水的粉質(zhì)壤土為例，防治鹽堿化的地下水臨界深度大致在2m左右，田間末級固定溝(管)的深度，按傳統(tǒng)設(shè)計要求，通常將達到2.3m～2.5m。若往下推算三級(斗、支、干)，每級銜接高差按0.2m計，排水干溝深度將達到3.0m左右，至排水總出口處，要求達到的出流水位將更低，一般情況下，自流排水很容易受阻。
2、在末級固定溝(管)深度較大的情況下，計算出來的間距相應(yīng)較大，由于受到各種因素制約，實際深度難以達到設(shè)計要求，使得排水工程控制地下水位和防治鹽堿化的作用相對削弱，往往是距溝近處效果尚明顯，稍遠處則較差，溝(管)中間部位更差，結(jié)果表現(xiàn)為治理效果在控制范圍內(nèi)分布極不均勻。
3、由于各級排水溝深度都較大，在多數(shù)易漬、易堿的輕質(zhì)土地區(qū)，排水溝邊坡坍塌、溝道淤積問題十分突出，成為制約這些地區(qū)發(fā)展農(nóng)田排水工程的一大瓶頸；而逐級治理坍塌、淤積問題，不僅工程費用高，而且管理難度大，在溝道普遍很深的情況下，往往難以根治。
4、排水總出口處遇容泄區(qū)水位頂托而限制自流排水的情況時有發(fā)生，在自流排水困難的條件下，必須建立抽排泵站，由此將增加一筆相當可觀的建站工程投資，而且常年運行當中的電費負擔較重，往往無從落實，也難以維持。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一種按分期分級動態(tài)控制標準進行農(nóng)田排水設(shè)計的方法是針對以上不足之處，采用新的排水標準與設(shè)計方法，在能夠達到控制要求的前提下，在合理可行的范圍內(nèi)，盡可能減小各級排水工程的深度，從而為避免上述不利因素和減輕其有害影響提供現(xiàn)實的可能性。
本發(fā)明的一種分期分級動態(tài)控制農(nóng)田排水設(shè)計方法，所采用的技術(shù)方案是對于北方易受鹽漬危害的渠灌區(qū)，根據(jù)其防治要求，區(qū)分時間階段和工程級別，制定不同的地下水位動態(tài)控制指標，作為排水設(shè)計標準。在時間階段上，區(qū)分作物生長期(包括灌溉期及雨季)和非生長期，在工程級別上，區(qū)分田間與集水工程和輸水與骨干工程，按所承擔任務(wù)分別制定符合實際要求的動態(tài)控制指標。其中，作為田間與集水排水工程設(shè)計標準的地下水位控制降深，將普遍小于當?shù)氐呐R界深度，依此按銜接要求逐漸加深到輸水與骨干排水工程，應(yīng)用上述新標準和相應(yīng)推出的設(shè)計新方法，其結(jié)果將使整個排水系統(tǒng)的深度和間距規(guī)格更趨于合理與完善，克服由于按原有標準設(shè)計所帶來的缺陷和不足，并且使新的排水系統(tǒng)能夠起到預(yù)期的作用，滿足防治任務(wù)要求。
根據(jù)對排水的實際需求，在時間上劃分不同的階段，確定各階段的防御目標，明確防治要求，分別提出不同時段的控制指標，作為不同級別排水工程的設(shè)計標準，稱為“分期分級控制”。將以往由用間末級一次性承擔的排水控制任務(wù)由各級分次承擔完成，即將全年劃分為作物生長期和非生長期兩個階段，分別對應(yīng)于田間排水工程和輸水或骨干排水工程；將灌水后的地下水位回落時間再分為前期和中期兩個階段，分別對應(yīng)于田間末級排水工程和下一級的田間集水排水工程；對于灌水間歇期很長的情況(超過一個月或更多時間無第二次灌水也無明顯降雨)以及最后一次灌水結(jié)束后，除了上述兩個階段以外再劃分出第三階段一后期。各個階段的時間不同，一般是前期短暫，中期稍長，后期較長，并且各階段彼此鏈接。
在常年渠灌區(qū)地下水位高的條件下，按各階段的防治任務(wù)設(shè)置動態(tài)控制指標(見圖1)和相應(yīng)級別排水工程規(guī)格的確定準則為1、前期灌溉期間，通過灌溉水的淋洗作用和土壤含水率上大下小的分布狀況，土體中水鹽運行特點是以下行為主，特別是灌水后的最初幾天，對作物有危害性的并不是土壤含鹽量過高和土壤溶液濃度過大，而是由于含有一定鹽分的地下水位持續(xù)過高，造成“咸水漬害”，對作物產(chǎn)生威脅。因此，在這一時期，排水工程應(yīng)發(fā)揮的作用是快速降低灌水所引起的高地下水位，消除成漬危害。參照《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》(國標)和《農(nóng)田排水工程技術(shù)規(guī)范》(行標)所制定的治漬排水工程設(shè)計標準，可采用旱作區(qū)在灌水停止后3～5天內(nèi)將地下水位由高水位降至埋深0.6～1.0m；水稻區(qū)在曬田期4～5天內(nèi)由接近地表降至0.6～1.0m。這個時期的防治漬害任務(wù)，主要由田間末級固定排水溝(管)承擔，其工程規(guī)格也按照此要求來確定。對于新設(shè)計的一般情況，末級溝(管)的深度可按治漬最大降深加0.3m的“剩余水頭”，再加0.2～0.3m的溝中水深(暗管為管徑0.06～0.1m)，即明溝深度達1.5m～1.6m(暗管1.3～1.4m)就基本可行。其間距可按上述降深要求指標用非穩(wěn)定流公式計算確定。由此得出的結(jié)果，雖然間距比現(xiàn)行方法得出的要小一些，但面上排水效果均勻度的提高是其最大優(yōu)點。此外，減小了田間末級排水溝(管)的深度，從而逐級減小整個系統(tǒng)排水工程的深度，避免或減輕一系列不利因素的產(chǎn)生是其最大的、不可取代的優(yōu)勢。當設(shè)計計算結(jié)果表明，田間末級固定工程采用排水明溝的間距過密(例如不到100m或更小)時，改為暗管排水方案是最佳選擇。對于已有明溝排水系統(tǒng)的灌區(qū)進行改建和提高的情況，則視現(xiàn)有末級明溝能夠接納排水的深度，按埋深最大而又能保證自流排水的原則確定暗管的深度。如果深度足夠，也可以按田間排水溝(管)同時負擔前期和中期的任務(wù)來進行設(shè)計。
前期地下水位距地面較近情況下，雖然降落過程中受蒸發(fā)影響有一些水量散失，但由于時間短暫，損耗的水量相對較小，可以在計算中忽略不計，一方面使計算方法簡化，容易實施；沒有考慮短期內(nèi)蒸發(fā)的影響，在滿足同一控制指標下的計算結(jié)果與考慮蒸發(fā)出入不大，且偏于安全。高水位期只計算發(fā)揮主要作用的田間末級排水工程，而其它各級工程的作用可暫不計入，與實際差別不大，也留有余地和偏于安全。
2、中期經(jīng)過3～5天的前期降落過程后，如果沒有明顯降雨過程或灌水補充，地下水位將繼續(xù)降落，這一階段延續(xù)了前期水鹽向下運行的特點，但速度放緩，而漬害威脅基本消除。這個階段排水工程的主要任務(wù)則轉(zhuǎn)變?yōu)檫M一步控制地下水位，加速水鹽下移進程，主要滿足改鹽要求，并在一定程度上起到一些防鹽作用。參照國標和行標規(guī)范中防治土壤鹽堿化排水標準，適當加以調(diào)整，提出中期控制地下水位指標為在5～10天內(nèi)將地下水位降到滿足改鹽要求的適宜深度，大致相當于將臨界深度減小約0.5m，一般情況下輕質(zhì)土地區(qū)約在1.50m左右。
中期以改鹽為主的控制地下水位任務(wù)，由田間末級的下一級集水排水工程來承擔，參照上述要求，這一級明溝的深度將在2.0m左右，暗管則在1.8m左右，其間距同樣可使用非穩(wěn)定流公式計算確定。由于這一階段地下水位有可能已降低到1.0m以下，受蒸發(fā)影響相對減弱，且降落歷時也不會太長，計算中不考慮蒸發(fā)出入不大，同樣也偏于安全。在中期，深度不大的田間末級排水工程的作用已經(jīng)減弱，計算中只考慮田間二級或集水排水工程的作用，也未考慮其它級別的作用，同樣與實際差別不大，也偏于安全。如果田間末級固定溝(管)下一級的集水排水工程也采用暗管，為達到中期控制地下水位的要求，該級暗管應(yīng)當做成濾水管。
3、后期灌水停止后間隙期很長或最后一次灌水后到翌年的春灌前，在較長的時段里，由于土壤中水分分布狀況的改變和長時期受蒸發(fā)影響，土壤中水鹽將逐漸由下行轉(zhuǎn)為上行，出現(xiàn)表土積鹽的機率增加。這一階段進一步控制地下水位達到更深的程度，對于防鹽來說是十分必要的，這一任務(wù)應(yīng)由輸水或骨干排水系統(tǒng)來完成。控制指標是在10天以上到1個月或更長時間內(nèi)，將中期結(jié)束時達到的地下水位由改鹽適宜深度降到防鹽要求的臨界深度。根據(jù)這一要求，輸水或骨干排水明溝的深度，最好能夠達到控制臨界深度的要求，即一般情況下，支、干兩級宜分別達到2.3～2.5m或略深一些，其間距仍按《規(guī)范》推薦的公式計算。由于后期地下水位已經(jīng)很低，可以不考慮蒸發(fā)影響，田間各級排水工程作用都趨于微弱，也可以不予計算。
下面給出分期分級動態(tài)控制排水設(shè)計方法的計算通式鑒于溝底(或管中心)以下隔水層的埋深D通常很難準確界定，而計算公式中又必須包含這一因素。同時，考慮到原有的計算公式層次較多，使用起來比較繁瑣。因此，在本項研究中，對原有的計算排水溝(管)公式系列加以改進，將原公式(2)、(3)中包含的未知數(shù)D，用按L/D比例劃分“模糊檔次”的方法進行近似處理；同時，把公式(1)、(2)、(4)和(6)合并成計算明溝間距的單一通式(7)；公式(1)、(3)、(5)和(6)則合并成計算暗管間距的單一通式(8)。通式中增加的幾個系數(shù)值，可通過查表得到。因此，只需選擇某種“模糊檔次”的分級，而無需提供具體的D數(shù)值，就可以按已知各條件和選取的分級進行間距計算，不僅計算過程得到簡化，易于實施操作，而且所得出的的計算結(jié)果能滿足設(shè)計上的精度要求。
計算排水明溝間距的通式為L=CktμlnH0Ht(C1+lnC2LB)---(7)]]>計算排水暗管間距的通式為L=CktμlnH0Ht(C1+lnC2L(H0+Ht)d/lnH0/Ht)---(8)]]>式中C＝π/Ω，為區(qū)分明溝和暗管的分類系數(shù)。對于明溝取Ω＝0.7，C＝4.49；對于暗管取Ω＝0.8，C＝3.93。在試算間距過程中，C值保持固定不變。C1＝πL/8D，為分級系數(shù)，按所選取的“模糊檔次”級別查表1得到，此數(shù)值對于明溝和暗管都相同。C2也是分級系數(shù)，同樣按所選取的“模糊檔次”級別查表1得到，但對于明溝和暗管，C2的取值不同。各系數(shù)值都可按所選取的“檔次”級別直接查表得到。
表1按L/D比值劃分“模糊檔次”的分類和分級系數(shù)
當L/D＜3時，隔水層埋深D對間距的計算結(jié)果基本上不產(chǎn)生影響，故L/D＝0和3.0之間無須再分級。
本發(fā)明的一種分期分級動態(tài)控制農(nóng)田排水設(shè)計方法具有以下有益效果1、以生長期治漬和改鹽要求的動態(tài)控制標準設(shè)計田間與集水排水工程，突破了以往按臨界深度的局限，相應(yīng)減少各級排水工程的深度，從而降低了治理明溝塌坡難度，易于爭取到自流排水，并方便管理。
2、按分期、分級動態(tài)控制要求設(shè)計排水系統(tǒng)，調(diào)動了各級排水工程的積極因素，作到了合理銜接和密切配合，既提高了田間排水效果，又充分估計到各分段骨干工程能同時發(fā)揮輸水與控制地下水(防鹽)的雙重作用，從而使排水系統(tǒng)的整體組合更為合理。
3、新的設(shè)計理念和方法，較原有方法更適應(yīng)北方常年灌溉的渠灌區(qū)，特別是在大型灌區(qū)改造中，對已有排水系統(tǒng)的整治、改善與增強排水能力方面，適應(yīng)性強并易于實施。
4、按新的標準設(shè)計出的排水系統(tǒng)能夠節(jié)省工程投資和管理維護費用，相應(yīng)增加經(jīng)濟和社會效益，并有利于環(huán)境改善，推動灌區(qū)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
圖1為本發(fā)明的一種分期分級動態(tài)控制農(nóng)田排水設(shè)計方法的動態(tài)控制標準示意圖；圖2為本發(fā)明的一種分期分級動態(tài)控制農(nóng)田排水設(shè)計方法的動態(tài)控制標準示意圖(具體實施例)；圖3為本發(fā)明的一種分期分級動態(tài)控制農(nóng)田排水設(shè)計方法中，間距L與相對埋深L/D關(guān)系示意圖；圖4為本發(fā)明對計算依據(jù)的地下水位動態(tài)曲線與實際產(chǎn)生的水位值對照圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明，但不作為對本發(fā)明的限定。
實施例新疆某渠灌區(qū)，位于準噶爾盆地西南部，天山北麓沖積洪積平原。灌區(qū)地處亞歐大陸腹地，屬典型的西北干旱、半干旱區(qū)大陸性氣候，作物生長期日照充足，光能資源豐富，對糧棉生長十分有利。年平均氣溫6.5-7.3℃，無霜期163-184天。灌區(qū)降水稀少，氣候干旱，年降水量在162～182mm之間，作物生長期降水占全年的75％左右；年蒸發(fā)量1710-2118毫米，年均相對濕度56-64％。區(qū)內(nèi)地形平坦開闊，土地集中連片，土層深厚，土質(zhì)為粉質(zhì)粘土或壤土。
從地下水資料看，1955年建團時平均地下水埋深超過11m，以后在灌溉條件下地下水位呈逐年上升趨勢，到2004年平均埋深只有1.59m，由于地下水位較淺和礦化度較高，土地歷來受鹽漬化威脅。原有為改良鹽漬地修建的明溝排水系統(tǒng)，由于間距過大，并且排水溝邊坡易坍塌淤積，影響和削弱了田間排水的治理效果。按照本發(fā)明分期分級動態(tài)控制理念的農(nóng)田排水設(shè)計方法實施，采用半機械化施工方法鋪設(shè)管道，以農(nóng)級排水明溝為集水溝，形成明暗組合排水工程，實現(xiàn)自流排水。結(jié)合明溝系統(tǒng)疏挖、清淤與整治，以明暗相結(jié)合的排水設(shè)施為主體，起到了有效治理鹽漬化的作用，特別是暗管控制地下水位和排鹽作用明顯，地下水位普遍降低，示范區(qū)的鹽漬土地得到改良，取得了增產(chǎn)和增收效益。
以該灌區(qū)內(nèi)163和165兩個條田地塊的暗排工程作為設(shè)計計算的實例已知設(shè)計區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)為實測滲透系數(shù)的綜合平均值163條田為k＝0.36m/d，給水度μ＝0.035；165條田為k＝0.62m/d，給水度μ＝0.04。目前田間農(nóng)溝的水面低于地面不小于2.0m，為保持暗管出水能夠自流入溝，而又能爭取到較大的暗管埋深，選取暗管中心的埋深為1.8m，使暗管出口和農(nóng)溝水面之間能保持0.20m左右的高差，圖2為設(shè)計采用的地下水位動態(tài)分期控制標準。由于暗管中心埋深比中期末所要求的控制深度1.5m還深0.3m，可以認為，這種深度的暗管能同時承擔田間一、二兩級排水的任務(wù)。因此，按中期動態(tài)控制標準來計算確定排水暗管間距是可行的。由此得作用水頭H0＝1.8-1.0＝0.8m，Ht＝1.8-1.5＝0.3m；降落歷時取t＝8d；暗管直徑為d＝0.08m。將k、t、μ、d、H0、Ht和C＝3.93等有關(guān)已知數(shù)據(jù)代入公式(8)，取幾種模糊檔次的級別，查表1分別得出各自的C1和C2值，代入公式中通過迭代逐次逼近，得出各檔次級別間距L的計算結(jié)果。然后，通過綜合比較，最終確定一個適合的間距來鋪設(shè)田間一級排水暗管。其次，可以按早期控制標準校核選取的暗管間距在滿足治漬要求方面的適應(yīng)性，并用動態(tài)控制標準對現(xiàn)有明溝系統(tǒng)的排水能力進行檢驗。
按中期控制標準計算確定排水暗管的間距將有關(guān)各已知數(shù)據(jù)代入公式(8)，得到用于計算兩條田暗管間距的簡化式對于163條田L(fēng)=330C1+lnC2L0.202;]]>對于165條田L(fēng)=497C1+lnC2L0.202]]>選取隔水層埋深“極深”、“較深”、“較淺”和“很淺”全部4種“模糊檔次”級別，查表1分別得出各自的C1和C2值，代入上述公式中做進一步簡化；先試選取初始L值，代入各“檔次”級別的簡化式中，得出L的第一次近似值，再將其代入公式中進行第二次計算，如此循環(huán)選代，直至逼近所求的值為止，表2為暗管間距計算的最終成果。
表2暗管間距計算成果表
按代表各檔次的相對埋深L/D比值，和通過計算得到的間距L，反推出相應(yīng)的隔水層埋深D數(shù)值，列入表中最后一欄，并繪出L與L/D的關(guān)系曲線圖3。從計算結(jié)果看出，隔水層埋深D由最淺(L/D＝7)逐步增大到極深(L/D＝0，D＝∞)，相應(yīng)得到的暗管間距L都在較小的范圍內(nèi)變化。以163條田為例，當L/D由7下降到3，即D由9m增大到23m時，其增加幅度為156％，而間距L的增大幅度卻只有12.4％，還不到埋深增加幅度的1/10。當D由23m增大到∞時，L的增加幅度減小到1.47％，幾乎沒有發(fā)生變化。165條田也顯示出同樣的規(guī)律性。這一現(xiàn)象表明，隔水層埋深D只是在很淺或較淺的情況下對間距L的計算結(jié)果帶來一定的影響，并且影響程度并不顯著，而在較深情況下則基本上不產(chǎn)生影響。因此，在當?shù)馗羲畬勇裆頓不能確切界定的水文地質(zhì)條件下，選用“模糊檔次”級別中較淺和極深兩種分級系數(shù)進行間距計算，在確認得到的兩個結(jié)果較為接近的情況下，可以取其平均值作為設(shè)計使用的間距數(shù)值。上述實例中，163條田的暗管間距可取67m左右，165條田的暗管間距可取94m左右。綜合考慮其它方面的因素，如明溝系統(tǒng)還有一定的輔助排水作用，以及工程經(jīng)濟方面等因素，可以將計算數(shù)值適當放寬一些。最終確定采用的間距是163條田為70m左右，165條田為100m左右，以此作為暗管排水工程的設(shè)計規(guī)格進行田間布置。
2.用早期控制標準校核暗管間距規(guī)格的適應(yīng)性如前所述，早期動態(tài)控制標準要求在3～5天內(nèi)將地下水位由灌后或雨后高水位降低到距地面1m左右的深度。取起始降落時刻有漬害威脅的高水位埋深為0.4m，在暗管埋深1.8m情況下，其作用水頭H0＝1.8-0.4＝1.4m，經(jīng)過歷時t后，要求達到1m深度時的作用水頭Ht＝1.8-1.0＝0.8m，其他數(shù)據(jù)不變。將通式(8)改寫成t=LμlnH0Ht(C1+lnC2L(H0-Ht)d/lnH0/Ht)Ck---(9)]]>其中C＝3.93，代入相應(yīng)的已知數(shù)值，分別得到用于計算兩條田暗管間距的簡化式對于163條田t＝0.97×(C1+ln239C2)對于165條田t＝0.92×(C1+ln342C2)選取不同級別的C1和C2值，代入上面的簡化式中，分別計算出兩個條用滿足早期控制要求的允許降落歷時t(d)，見表3。
表3按早期控制要求需要的降落歷時
計算結(jié)果表明，除遇到隔水層埋深D很淺的最不利情況，允許歷時略有超出外，其余多數(shù)情況下，兩個條田所采用間距規(guī)格的排水工程，都能夠允許在5天以內(nèi)，將早期高地下水位從距地面0.4m降低到1.0m的深度，滿足控制標準的要求。
用動態(tài)控制標準對現(xiàn)有明溝系統(tǒng)的排水能方進行檢驗將計算明溝間距的通式(7)改寫成t=LμlnH0Ht(C1+lnC2LB)Ck---(10)]]>其中C＝4.49。
首先用早期控制標準檢驗現(xiàn)有農(nóng)溝的排水能力，并評價其作用。在灌水剛結(jié)束的初始階段(早期)，農(nóng)溝水面距離地面約2.0m，根據(jù)早期控制標準的要求，H0＝2.0-0.4＝1.6m，Ht＝2.0-1.0＝1.0m，計算得lnH0/Ht＝0.47。取農(nóng)溝中水深0.3m，邊坡1∶1.5，底寬0.6，按濕周相等折算出等效半圓的直徑為B＝1.0m，其余數(shù)據(jù)同前。將兩條田的各項已知數(shù)值代入公式(10)，并選取不同“檔次”級別的系數(shù)C1和C2，使公式(10)簡化，分別得出降落歷時t(d)，計算結(jié)果見表4。表中數(shù)值顯示，通過計算得出需要的降落歷時都超過了允許的3～5d，表明現(xiàn)有農(nóng)溝的排水能力達不到早期控制標準的要求，因此，有必要在原有田間末級農(nóng)溝的基礎(chǔ)上增設(shè)暗管排水工程，以增強排水作用。
表4按早期控制要求需要的降落歷時
其次，用中期控制標準校核農(nóng)溝的排水能力，并評價其作用。早期結(jié)束中期開始時，地下水位已降到防漬深度1.0m，農(nóng)溝水面距地面仍為2.0m左右。根據(jù)中期控制標準要求，H0＝2.0-1.0＝1.0m，Ht＝2.0-1.5＝0.5m，計算得lnH0/Ht＝0.693。同上，將兩條田的各已知數(shù)值代入公式(10)，并選取不同的C1和C2系數(shù)，計算結(jié)果見表5。計算得出的需要降落歷時，都超過了允許的5～10d，表明現(xiàn)有農(nóng)溝能力同樣達不到中期控制標準的要求，因此，增設(shè)暗管排水工程完全必要。
表5按中期控制要求需要的降落歷時
最后用后期控制標準衡量農(nóng)溝的排水能力。當灌水結(jié)束或停灌以后，經(jīng)過早、中兩期的降落過程，地下水位已達到1.5m的深度，按后期控制標準要求歷時10天或更長的時間，將地下水位降到2.0m及其以下，這個階段的任務(wù)對于埋深僅有1.8m的暗管來說，是難以完成的，只能依靠深度更大一些的明溝來執(zhí)行。鑒于中期的控制任務(wù)已由深度足夠的暗管承擔了，到后期階段，深度更大一些的農(nóng)溝，能起到輸水排水的作用，因此，可使其承擔后期的控制任務(wù)。根據(jù)灌區(qū)經(jīng)驗，當灌溉停止后，經(jīng)過早、中期兩個階段，到后期地下水位已顯著降低，明溝流量相應(yīng)減少，溝中水位也隨之下降，以農(nóng)溝為例，其排水有效深度可達到2.2m左右，按此計算作用水頭，H0＝2.2-1.5＝0.7m，Ht＝2.2-2.0＝0.2m，于是得lnH0/Ht＝1.252。將兩條田的各項已知值代入公式(10)，得出計算結(jié)果163條田的農(nóng)溝需歷時t＝29～33d，比控制標準歷時的下限t＝10d約大2倍；165條田的農(nóng)溝需歷時t＝38～44d，比控制標準歷時的下限t＝10d約大3倍。灌溉停止后，地下水按這樣的速度下降尚能容許，若再加上其他級別排水溝的作用，這一歷時還會縮短，總體上可滿足防鹽要求。
用現(xiàn)場實測地下水位驗證設(shè)計采用的動態(tài)標準
明暗結(jié)合的組合排水工程建成后，在現(xiàn)場進行了地下水位動態(tài)的跟蹤監(jiān)測，取得測試數(shù)據(jù)。通過實測資料的整理分析，得到不同時段起始和截止時刻地下水位與降落歷時的關(guān)系。首先，按各時段控制指標，繪制出動態(tài)標準曲線，作為對比的基礎(chǔ)；其次，令各次起始時刻的地下水位埋深實測值h0測等于標準值h0標，從曲線上查出相應(yīng)的起始降落時刻t0(≥0)；然后，將各次的實測降落歷時加上去，得到截止降落時刻t；最后，按同步下降規(guī)律，對比該時刻的地下水位埋深實測值h測和標準值h標，求出其相對誤差(％)，用以判斷實施工程后，實際產(chǎn)生的地下水位動態(tài)，與按標準動態(tài)預(yù)期發(fā)生的是否一致，并表明其吻合的程度，據(jù)此對工程設(shè)計方法及其結(jié)果的可靠性作出評價。
現(xiàn)將計算分析成果列入表6，并繪成動態(tài)圖4以進行對比。結(jié)果表明，實際產(chǎn)生的地下水位動態(tài)變化在1～2m范圍，與設(shè)計所采用的動態(tài)標準變化趨勢完全一致，兩者之間的水位埋深相對誤差絕對值在0～7.3％之間變動，其綜合平均誤差僅0.47％，表明吻合較好。由于建成的組合排水工程起到了有效的治理鹽漬化作用，從另一方面也證明了作為設(shè)計采用的動態(tài)標準切合實際。
表6地下水位動態(tài)實測值與設(shè)計采用動態(tài)標準值對比
此外，本發(fā)明還引入下述排水規(guī)劃與設(shè)計的補充內(nèi)容1、對北方渠灌區(qū)、井灌區(qū)和渠井結(jié)合灌區(qū)應(yīng)制定不同的排水標準?，F(xiàn)行的按臨界深度要求控制地下水位的田間排水工程設(shè)計標準，應(yīng)限定其使用范圍。
2、對北方已建(含改造)或新建的渠灌區(qū)，應(yīng)區(qū)分田間、集水、輸水和骨干排水工程所擔負的治漬與防治鹽堿化任務(wù)，分別提出不同的控制地下水位要求，并相應(yīng)制定符合當前灌區(qū)實際情況的排水設(shè)計標準。
3、對于北方常年灌溉的渠灌區(qū)，在作物生長期(灌溉季節(jié)和雨季)，田間和集水排水系統(tǒng)應(yīng)主要擔負控制淺層地下水，達到治漬和提高改鹽效果的任務(wù)，而輸水排水系統(tǒng)則主要輸送來自田間的排泄水，并進一步控制地下水；在非生長季節(jié)里，輸水和骨干排水系統(tǒng)應(yīng)主要承擔控制較深層地下水和防鹽的任務(wù)。
4、對于北方常年灌溉的渠灌區(qū)，應(yīng)按治漬和改鹽要求，制定出適合(可小于臨界深度)的田間排水與集水排水系統(tǒng)地下水位深度控制標準，而不宜沿襲以往一律按臨界深度要求的簡單作法；至于有防鹽任務(wù)的輸水和骨干系統(tǒng)，則可以參照臨界深度要求確定排水標準與工程規(guī)格，但也需要因地制宜。對于實行節(jié)水灌溉和改善排水條件后，能保持良好的水鹽平衡狀況時，灌區(qū)排水系統(tǒng)可以按照小于臨界深度的標準進行設(shè)計和管理運行。
總體來說，在北方常年灌溉的渠灌區(qū)宜采用較淺而密的田間排水與集水排水工程，與較深而稀的輸水或骨干排水工程相配合，構(gòu)成組合式排水系統(tǒng)，綜合控制地下水位，以形成有利的水鹽平衡狀況，達到鹽、漬兼治的要求。在排水設(shè)計方面，應(yīng)采取分段與連續(xù)相結(jié)合的地下水位動態(tài)控制指標進行排水工程設(shè)計。
以上所述的實施例，只是本發(fā)明較優(yōu)選的具體實施方式
，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)進行的通常變化和替換都應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種分期分級動態(tài)控制農(nóng)田排水設(shè)計方法，是根據(jù)對排水的實際需求，在時間上劃分不同的階段，分別提出不同時段的地下水位控制指標，作為不同級別排水工程的設(shè)計標準，按照所述控制指標具體確定排水明溝深度或排水暗管深度，并通過設(shè)計計算確定明溝之間或暗管之間的間距，其具體方法如下A、將全年劃分為作物生長期和非生長期兩個時間階段，其動態(tài)控制指標分別對應(yīng)于田間排水工程和輸水或骨干排水工程；B、將每次灌水后的地下水位回落時間再分為前期和中期兩個階段，提出各自的地下水動態(tài)控制指標作為設(shè)計標準，分別對應(yīng)于田間末級排水工程和下一級的田間集水排水工程；C、根據(jù)各階段的動態(tài)控制指標，確定各級排水溝管的深度，并通過計算分析確定相應(yīng)的間距；排水溝管的間距可用以下通式計算計算排水明溝間距的通式為L=CktμlnH0Ht(C1+lnC2LB)]]>計算排水暗管間距的通式為L=CktμlnH0Ht(C1+lnC2L(H0-Ht)d/lnH0/Ht)]]>式中L為不考慮地下水蒸發(fā)影響，非穩(wěn)定滲流情況下的排水溝(管)間距(m)；C＝π/Ω，為區(qū)分明溝和暗管的分類系數(shù)，對于明溝取Ω＝0.7，C＝4.49；對于暗管取Ω＝0.8，C＝3.93；k為排水地段含水層平均滲透系數(shù)(m/d)；t為設(shè)計要求的地下水位降落歷時(d)；μ為地下水面變化范圍內(nèi)土層的給水度；H0和Ht為降落時段始末時刻，排水地段中部地下水位高于溝中水位或高于暗管中心的作用水頭(m)；B為窄深溝中水面寬度(m)或充水部分梯形斷面的折算直徑(m)；C1、C2為分級系數(shù)，可由下表查出
表中D為隔水層的埋深。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種分期分級動態(tài)控制農(nóng)田排水設(shè)計方法，其特征在于，對于前期，定義為灌水后的3-5天，要求由高地下水位下降到0.6～1.0米的治漬深度，相應(yīng)設(shè)置的田間明溝深度為1.5米～1.6米，暗管深度1.3米～1.4米；對于中期，定義為前期結(jié)束后的5-10天，要求地下水位繼續(xù)下降達到1.0～1.5米的改鹽深度，相應(yīng)設(shè)置的明溝深度為1.9～2.0米，暗管深度為1.7～1.8米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種分期分級動態(tài)控制農(nóng)田排水設(shè)計方法，其特征在于，對于灌水間歇期很長的情況(超過一個月或更多時間無第二次灌水也無明顯降雨)以及灌水期結(jié)束后，除了上述兩個階段之后，再劃分出后期階段，提出地下水動態(tài)控制指標作為設(shè)計標準，對應(yīng)于輸水或骨干排水工程；對于后期，定義為中期結(jié)束后后10天以上到1個月或更長時間，按防止次生鹽漬化達到臨界深度要求，輸水或骨干明溝深度在2.3米-2.5米或略深。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種分期分級動態(tài)控制農(nóng)田排水設(shè)計方法，其特征在于，當按照設(shè)計標準確定田間末級排水明溝的間距小于100米時，宜選用暗管排水方案。
全文摘要
本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)灌溉排水領(lǐng)域，具體提供一種分期分級動態(tài)控制農(nóng)田排水設(shè)計方法。本發(fā)明根據(jù)對排水的實際需求，在時間上劃分前期、中期、后期三個階段，分別提出地下水位動態(tài)控制指標，作為不同級別排水工程的設(shè)計標準，依次相應(yīng)確定田間、集水和輸水(或骨干)等不同級別排水溝(管)的間距，不但減少各級排水工程的深度，降低了治理明溝塌坡難度，使得易于爭取到自流排水，方便管理，而且提高了田間排水效果，使排水系統(tǒng)的整體組合更為合理，本發(fā)明較原有方法更適應(yīng)北方常年灌溉的渠灌區(qū)，適應(yīng)性強易于實施并能夠節(jié)省工程投資和管理維護費用。
文檔編號E02B11/00GK101021067SQ20071000506
公開日2007年8月22日 申請日期2007年2月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月13日
發(fā)明者王少麗, 許迪, 瞿興業(yè), 焦平金 申請人:中國水利水電科學(xué)研究院