（水利工程专业论文）安徽淮北地区农田排灌和水资源优化配置研究.pdf

安徽淮北地区农田排灌和水资源优化配置研究 摘要 本论文采用农田水动力学、水文学、水资源系统工程的理论和方法，针对安徽淮北 地区水旱灾害频繁和水资源紧缺现状，进行了农田排水技术、墒情监测预报和抗旱减灾 信息系统和农灌区水资源优化配置技术等一体化研究。 在农田排水技术研究中，利用五道沟实验站地中蒸渗仪和排水试验区，采用试验法 和动态模拟法，分析了排水工程的水文效应，提出了农田排渍标准和作物适宜的地下水 位埋深，采用达西定律和农田水动力学原理，提出了农田排水系统的规格、布置方式及 经验公式，为排水工程规划提供依据。 ， l 在墒情监测预报研究中，采用降雨产流预报和包气带水运移理论和方法，提出了由 墒情预报指数表示的实用墒情预报模型，并把墒情预报技术、旱情灾情评估技术与现代 网络技术、g i s 信息技术紧密结合，提出了建设墒情监测预报和抗旱减灾信息系统的技 术思路和具体内容。本系统包龛有墒旱情、雨水情、农工情等综合实时信息，从而为防 旱抗旱决策提供信息服务。i 在上述研究基础上，进行了水资源优化配置研究。以位于淮北平原中南部韦店灌区 和北部亳州城北灌区为实例，根据该区农业资源特点、水资源紧缺状况、种植条件、灌 排工程现状，采用线性规划方法，建立了两个典型灌区水资源优化配置数学模型。通过 求解模型，得出农业种植及工程系统最佳布置模式和地表水、地下水各时段最优配置方 案，以及各种工程系统组合形式的灌溉经济效益。 关键词：排灌菝彩水资影。优化自噍安剃密舀b s t u d y o nt h ei r r i g a t i o na n dd r a i n a g ea n do p t i m a l a l l o c a t i o no fw a t e r r e s o u r c e sf o rt h en o r t ho fh u a i h e r i v e ri na n h u ip r o v i n c e abstract o nt h et h e o r ya n dm e t h o do ff a r mh y d r o d y n a m i c sa n dh y d r o l o g ya n dw a t e rr e s o u r c e s s y s t e me n g i n e e r i n g ，t h ep a p e r c o v e r st h r e e t o p i c ss t u d ya b o u tt h et e c h n i q u e s o ff a r m d r a i n i n g ( t o p i co n e ) ，a n ds o i lm o i s t u r em e a s u r i n ga n df o r e c a s t i n ga n dd r o u g h tp r e v e n t i n g i n f o r w a t o ns y s t e m ( t o p i c2 ) ，a n dw a t e rr e s o u r c e so p t i m a la l l o c a t i o n ( t o p i c3 ) ，i nt h el i g h to f t h ef l o o da n dt h ed r o u g h ta n dt h es h o r t a g eo f w a t e r r e s o u r c e si nt h en o r t ho f a n h u ip r o v i n c e i nt h et o p i c1 ，u t i l i z i n gt h en a t u r a ll y s i m e t e r sa n dd r a i n a g er e g i o ni nw u d a o g o us t a t i o n ， b a s e do ne x p r i m e n ta n di m i t a t i o nm e t h o d s ，f f i s tt h eh y d r o l o g ye f f e c to fd r a i n a g eh a sb e e n a n a l y z e d ，a n dt h e nt h ei n d e xo f w a t e rl o g g e df a r md r a i n a g ea n ds u i t a b l eg r o u n dw a t e rl e v e l h a v eb e e np r o v i d e d o nt h et h e o r yo fd a r c yr u l ea n df a r mh y d r o d y n a m i c s ，t h es t a n d a r da n d p a t t e r na n de m p i r i c a lf o r m u l ao ff a r md r a i n a g es y s t e mh a v eb e e np r e s e n t e da sw e l l ，a n d p r o v i d es c i e n t i f i c a l l yf o u n d a t i o nf o rd r a i n a g ep l a n n i n g i nt h et o p i c2 ，b a s e do nt h et h e o r yo fr a i n r u n o f fa n ds o i lw a t e rm o v i n g ，ap r a c t i c a ls o i l m o i s t u r ef o r e c a s t i n gm o d e le x p r e s s e db ym o i s t u r ei n d e xh a sb e e np r o v i d e d t h et e c h n i q u e s o fm o i s t u r ef o r e c a s t i n ga n dd r o u g h te v a l u a t i n gh a v eb e e nc o m b i n e dw i t ht h et e c h n i q u e so f n e t w o r ka n dg i s ，a n dt h ed e t a i l e dw a ya n dc o n t e n t sa b o u te s t a b l i s h i n gi n f o r m a t i o ns y s t e mo f m o i s t u r ea n dd r o u g h te x t e n th a v ea l s ob e e np r e s e n t e d ，a n dp r o v i d ed i r e c ts e r v i c e sf o r p r e v e n t i n ga n dc o n t r o l l i n gd r o u g h t b a s e do nm e n t i o n e da b o v e ，a se x a m p l e ，t h et o p i c3s e l e c t sw e i d i a ni r r i g a t i o na r e ai n t h es o u t ha n dc h e n g b e ii r r g a t i o na r e ai nt h en o r t hi nh u a i b e ip l a i n ，a n dt h em a t h sm o d e l s h a v eb e e ne s t a b l i s h e dw i t hm a x i m a ln e tb e n e f i to fa n n u a li r r i g a t i o na so b j e c t i v ea c c o r d i n gt o t h em e t h o do fl i n e a rp l a n n i n go fs y s t e me n g i n e e r i n g b yu s e do ft h em o d e la n da n a l y s i so f c o s ta n db e n e f i to f i r r i g a t i o ns y s t e m ，t h eb e s tp l a n t i n gc o n s t r u c t i o na n de n g i n e e r i n gs y s t e m p a t t e r na n d s u r f a c ew a t e ra n dg r o u n dw a t e ra l l o c a t i o nh a v eb e e nc a r r i e do u t i na d d i t i o n ，t h e i r r i g a t i o nn e tb e n e f i to f k i n d so f e n g i n e e r i n gp a t t e r nh a sa l s ob e e nd o n e k e yw o r d s ：i r r i g a t i o na n dd r a i n a g et e c h n i q u e ，w a t e rr e s o u r c e s ，o p t i m a la l l o c a t i o n ， t h en o r t ho fh u a i h er i v e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金壁王些盔堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作丁明确的说明并表示谢意 学位论文作者签名 立渺签字日期：砷7 月，占日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒胆王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅本人授权盒照王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 导师签名 签字日期： 年月日签字日期： 年月日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 致谢 值此硕士学位论文即将完成之际，我衷心地感谢我的两位指 导老师徐得潜教授和赵家良高工，感谢他们对我论文研究的悉心 指导和对我学习的鼓励。我衷心地感谢校研究生部、校学位处和 土建学院的领导、教师们对我的严格要求、关心和支持。同时， 我衷心地感谢安徽省水科院院长西汝泽教授、省水科院党委书记 吴太平教授、淠史杭管理总局局长王永乐高工、土建学院完海鹰 教授、安徽省水科院副院长王凤云高3 - 、院副总郑三元高工对论 文的指导和对我学业的大力支持。 最后，向所有关心支持我的领导和同事们表示衷心的感谢。 王振龙 2 0 0 2 年1 0 月 第一章绪 论 1 1 研究目的意义 安徽淮北平原耕地面积为3 1 0 0 万亩，约占全省总耕地面积的一半，是 安徽省重要的粮食生产和农副产品加工基地。本地区由于地处冷暖气团交 锋的南北过渡地带，水丈气象条件复杂，降水量年际变化大，年内分配也 很不均匀，因此，涝，渍、旱自然灾害是制约本地区农业生产发展的主要 因素。上世纪五十年代以来，该省水利、农业、气象、林业等各个部门， 从各自的专业特点出发，为治理涝、渍、旱等自然灾害都做出了不懈的努 力，从而大大改善了农业生产的基础条件。尤其是上世纪八十年代中期以 来，国家及各级政府部门加大了对农田水利基本建设的资金投入，先后实 施了排涝配套、旱涝保收片、黄淮海农业综合开发、现代农业节水灌溉示 范园建设等水利项目，这对于提高淮北地区农田的抗灾能力，促进和保障 本地区农业生产的发展，起到了至关重要的作用。 农田排灌工程的兴建和水资源开发利用程度的提高，改变了原来的农 田水平衡条件，使农田水资源的补、径、排关系发生了深刻的变化。尤其 是近几年来，伴随着阶段性和季节性干旱的频繁发生，干旱和缺水问题越 来越突出。怎样科学地布置农田排灌工程，合理地调控地下水和配置当地 有限的水资源，从而产生最大的排灌5 - 程效益和水资源开发利用效益，已 成为当前水利科研技术人员迫切需要研究解决的重要课题。 本论文针对淮北农灌区水资源不足且浪费严重、排灌工程效益不高等 实际问题，采用小区模拟试验和大田动态原位试验，运用农田水动力学、 水文学和水资源系统分析的理论和方法，对农田排水系统标准、排水技术 指标、利用墒情测报开展适时适量灌水技术，灌水信息技术、节水灌溉单 井可灌面积及灌区水资源开发利用配置技术等，进行系统研究。本项研究 成果，对指导淮北地区农灌区科学、合理、高效地利用水资源，充分发挥 农田排灌工程的效益，促进灌区农业生产和农村经济的发展，具有较重要 的理论和应用价值。 1 2 农田灌溉、排水技术原理及国内外研究现状 降水量和降水历时在时间上和空间上的分布存在不均匀性。在农业生 产中，当降水与作物生长需水不相适应时，便产生了灌溉或排水问题。作 物从种子萌发到植株成熟，需要大量的水份，包括生理需水和生态需水两 方面，其中前者占总需水量的6 0 8 0 ，后者占2 0 4 0 。如果植物 吸收的水量小于消耗的水量，轻则造成暂时萎蔫，重则干枯死亡，大气或 土壤干旱都会造成茎叶萎蔫，使光合作用减弱，从而影响到有机质的生成 和积累。如果土壤水分过多，造成土壤通气性不良，甚至细胞死亡，从而 影响到作物的正常生长。因此，通过灌溉和排水可适时满足作物需水要求， 改善土壤水、肥、气、热状况，改善农田小气候，达到农田增产增收的目 的。 灌水和排水技术要求也因土壤、农作物的不同，或同一作物而生育期 不同，亦有差剐。过量的灌水，会增加土壤中水肥的流失，也不经济，过 多的排水，则会带来土壤水分干燥，或影响到区域性水量平衡。因此，适 时适量地灌水和适度排水对于农作物的生长起到至关重要的作用，也是实 现水资源合理配置和可持续利用的重要措施和基本条件。 灌溉按不同的灌水技术可分为地面灌溉、喷灌、滴灌、地下灌溉等， 按水源条件及引水方式可分为并灌、引水、提水、蓄水、污水灌溉等。安 徽省淮北地区现行的主要灌溉形式：大田作物主要以地面灌溉为主，利用 井水或河水采用沟畦灌、地下低压管道输水灌和移动式轻管喷洒灌也称退 管灌。在近郊区或经济作物区还采用喷灌、滴灌、移动式软管喷洒灌等形 式。排水可分为明沟、暗管、竖井、机械、生物排水等类型。安徽省淮北 地区主要以明沟排水为主，即在排水区内按定的标准规格布置大沟、中沟、 小沟、田问沟排水系统，在某一水文气象条件下，沟深、沟距、沟宽等指 2 标满足农作物生长对排出土壤中多余重力水的要求。 围绕作物需水与耗水规律，作物耐旱、耐涝渍机理，在排水灌溉技术 研究中，人们已从传统的单项技术研究转向土壤一作物一大气连续体理论 研究，综合考虑以水为主的作物生长要素与产量的关系，“四水”转化、饱 和和非饱和土壤水转化，溶质运移等复杂要素关系。排灌技术和水资源管 理技术不仅要调度地表水，而且要建立地表水、地下水和土壤水三水统一 调度的农田水利排灌系统。根据土壤一作物一大气连续体的理论更科学地 进行排灌，调整农田供需、排水关系，选择农灌区供水、灌水、排水最优 方案，以实现资源的合理配置和建立良好的生态平衡。并逐步应用计算机 技术和现代信息技术对排灌系统实现自动控制，使“水浇地”逐渐转变成 “水浇作物”，单纯的灌溉转向结合补水进行施肥，补充作物所需微量元素 等。灌溉在调节土壤水分的同时，实现空气湿度和土壤温度的自动调节。 在排水调度运用上，综合考虑沟网、河道、湖泊的调蓄能力，增加调蓄次 数，结合雨型标准，合理掌握起排水位和起排时间。在地下水位过高有渍 涝危害的地方，明沟排地表水与暗管“鼠道”降渍排地下水结合，对不同 地形区和气候区，健全各级不同的排水体系，达到排地表水与排土壤水结 合，合理调控地下水位。 因此，随着科技的不断发展，现代化排灌技术的推广应用，大大拓展 了灌溉排水技术的发展和研究的空间，为地表水、地下水合理配置和综合 利用提供了先进的技术手段，同时显著地提高了灌溉排水的能力、作业效 率和保证程度，从而为工农业生产的可持续发展提供了强有力的支撑条件。 1 3 水资源优化配置技术的研究内容与方法 二十一世纪世界面临着人口增加，水污染加剧，水资源更加紧缺，农 业用水更加紧张的严竣形势，水资源和农田水利的研究任务繁重艰巨。在 基本维持灌溉用水量不增加的情况下，以有限的水量，生产数量更多、品 质更优、价格更具竞争力的农产品，基本满足我国1 3 亿人口对粮食等其他 农产品的需要，就必须以优化作物种植结构和合理配置水资源为前提条件， 实现人口、资源、环境可持续协调发展。但自然界所能提供的可用水资源 量是有一定限度的，需求与供给闻的矛盾将e l 益尖锐。 水资源配置是指在特定的区域或流域内，以可持续发展为总则，对有 限的、不同形式的水资源，通过工程和非x - 程措施在各用户之间和各时段 之间进行科学分配。水资源开发利用主要是通过各种工程和非工程措施， 对水资源从兴利和除害双重性出发，进行控制、配置、调节、保护、管理 及流域间、灌区间与地区间的调配协调，使水资源按时、按地、按量、按 质地为国民经济各部门服务，以获取综合利用水资源的最大效益，满足水 资源的可持续性发展的需要。水资源优化配置目标表达方法有两种：一是 使有限水资源产生最大经济效益，水资源的可供水量及开采条件则为约束 条件，而效益最大化为目标函数，是求最大化的最优规划问题；二是使取 得预定效益尽可能少的消耗水资源，这时预定效益值为约束条件，水资源 耗费最小是目标函数，是求最小化的最优规划问题。具体配置时，采用哪 种表达形式，应视具体情况而定。一般情况下，对于总体上如何配置水资 源问题，宜用第一种表达形式，对于完成预定目标的水资源配置问题宜用 第二种表达形式。 在我国，特别是黄淮海平原和西北地区，实施水资源合理配置更具紧 迫性。其主要原因，一是水资源的时空分布与生产力布局严重不相适应： 二是在地区间和各用水部门间存在着用水竞争；三是部分水资源开发利用 方式已导致产生许多生态环境问题。 水资源合理配置的基本功能涵盖两个方面：在需求方面通过调整产业 结构、建设节水型经济，抑制需水增长势头，以适应较为不利的水资源条 件；在供给方面则协调各项竞争性用水，加强管理，并通过工程措施改变 水资源的时空分布来适应生产力布局。两个方面相辅相成，以促进区域的 可持续发展。水资源合理配置的主要研究内容包括以下九个方面： ( 1 ) 社会经济发展问题 探索切实可行的社会经济发展规模，适合本地区的社会经济发展方向， 合理的工农业生产布局，社会对粮食、棉花、油料、布匹等物资的需求； ( 2 ) 水环境污染问题 评价现状的水环境质量，研究工农业生产和人民生活所造成的水环境 污染程度，分析各经济部门在生产过程中各类污染物的排放率及排放总量， 预测河流水体中各主要污染物的浓度，制定合理的水环境保护和治理标准； ( 3 ) 水资源需求问题 研究现状条件下各部门的用水结构、水的利用率，提高用水率的技术 和措施，分析未来各种经济发展模式下的水资源需求； ( 4 ) 水价问题 研究水资源短缺地区由于缺水造成的国民经济损失，水的影子价格分 析，水价的制定依据，分析水价对社会经济发展的影响和水价对水需求的 抑制作用； ( 5 ) 水资源开发利用方式、水利工程布局等问题 现状水资源开发利用评价，供水结构分析，水资源可利用量分析，各 种水源的联合调配，各类规划水利工程的合理规模及建设次序； ( 6 ) 供水效益问题 分析各种水源开发利用所需的投资及运行费用，根据水源的特点分析 各种供水资源( 包括工业、农业、城市生活和生态环境) ，分析水工程的防 洪、发电、供水三方面的综合效益； ( 7 ) 生态问题 生态环境质量评价，生态保护准则研究，生态耗水机理与生态耗水量 研究，分析生态环境保护与水资源开发利用的关系； ( 8 ) 供需平衡分析 在不同的水工程开发模式和区域经济发展模式下的水资源供需平衡分 析，确定水工程的供水范围和可供水量，以及各用水单位的供水量、供水 保证率、供水水源构成、缺水量、缺水过程及缺水破坏深度分布等； ( 9 ) 技术与方法研究 水资源合理配置分析模型开发研究，如评价模型、模拟模型、优化模 型的建模思路及建模方法，决策支持系统、管理信息系统的开发，g i s 等 高新技术应用。 1 4 国内外水资源优化配置技术的研究现状与进展 影响水资源优化配置的因素是多方面的，主要有以下5 个方面：区 域水资源数量、质量及其可利用量；区域社会人口经济发展水平及需水 量；水资源开发利用水平；水资源管理水平及评价指标体系；区域 外水资源调用的可能性等。围绕这5 个方面，国内外水资源研究工作者从 上世纪7 0 年代开始已经做了大量的探索和尝试，并取得了一些突破性的研 究成果。随着电子计算机技术的迅猛发展，这些成果已被广泛应用到水资 源研究领域当中，使得水资源研究方法和模型日趋成熟。 目前，国内外常用的水资源优化配置模型主要有：线性规划模型、非 线性规划模型、动态规划模型、模拟模型、多目标优化模型、大系统优化 模型等。近年来，运筹学优化理论中的排队论、存贮论和对策论、模糊数 学、灰色系统理论、人工神经网络理论、遗传算法等多种理论和方法的引 入，也大大丰富了水资源优化配置技术的研究手段和途径。此外，从实际 需要，多种优化方法的组合模型也得到了较快发展。如动态规划与模拟技 术相结合、图论方法与线性规划方法相结合、动态规划与线性规划相结合、 网络方法与线性规划方法相结合等方法。其各种优化配置模型的特点分析 如下。 ( 1 ) 模拟方法以功能模拟为基础，概念清晰易懂，但不能直接得到最 优解。模拟方法与优化方法结合是一种重要的技术手段。 ( 2 ) 优化方法可自动搜寻最优解，是解决水资源优化配置问题的有效 方法。但根据水资源系统实际情况建立数学模型时可能会有较大困难。其 中，线性规划方法发展最为完善、成熟。动态规划方法适合于水资源调度 的多阶段决策特点，供选算法也多，但求解较繁琐复杂，实用上存在“维 数灾，问题，需要借助一定方法进行降维处理。非线性规划方法能够有效 处理目标函数不可分和非线性约束问题，但优化过程缓陵，没有通用的解 法和程序，实际应用常需线性化，或与其他优化或模拟方法结合。网络流 规划方法在解决水资源优化问题上可提供相对较大的灵活性，但目前应用 刚刚起步。 ( 3 ) 多目标分析方法可以考虑多目标的组合和更多实际影响因素，但 其理论与方法均需进一步完善，应用时要与优化技术结合。大系统分解协 调方法对解决水资源系统联合调度大规模动态问题会较有成效，与多目标 分析理论结合使用，前景更好，但必须与优化方法相结合，对基本理论要 求也较高。 ( 4 ) 模糊优化、人工神经网络方法另辟蹊径，在水系统联合调度等问 题上具有探索价值。 ( 5 ) 耦合方法的研究应加以重视，目前在国外水资源研究方法应用越 来越普遍。 总之，优化方法是水资源优化配置问题的有效方法。今后的工作中， 优化方法与多目标分析方法、大系统分解协调方法和其它方法的耦合研究 应该得到足够的重视和加强。随着时间的推移，水环境问题会愈来愈突出， 目前对水资源管理模型的研究仅局限于水量管理模型和水质管理模型两个 方面，而从区域水环境角度对水资源开展的研究，工作还不够深入。因此， 多种水源联合管理的研究应该将水量模型和水质模型耦合成一个整体，以 区域水环境生态效益最优为目标，从而使水资源得以持续、高效的利用， 应是将来水资源研究发展的趋势。 1 5 本论文主要研究内容 安徽淮北农田排灌及水资源优化配置研究内容主要包括： ( 1 ) 农田排水技术试验研究，针对安徽淮北平原区，尤其是沿淮及河 间低洼平原区涝渍灾害突出的实际问题，在利用以往研究成果的基础上， 利用五道沟水文水资源试验站原状土地中蒸渗仪、五道沟径流一排水实验 场和新马桥农水试验站原状土排渍测坑等试验手段，重点对排水工程的水 丈效应、农田排渍指标、农作物适宜的地下水埋深、各级排水沟的规格及 布置方式进行系统试验研究。 ( 2 ) 根据墒情测报和作物需水开展适时适量灌水技术和信息系统研 究，运用墒情测报技术开展适时适量灌水技术是采用非工程措施解决灌溉 问题的有效途径之一。本文针对淮北地区灌溉时机难以掌握以及缺乏应有 的实时灌溉信息等实际问题，开展墒情测报技术及灌溉信息技术研究，提 出简便实用的土壤墒情预报模型及相关参数，并提出在淮北地区建立墒情 监测预报和抗旱减灾信息系统的具体步骤及内容。其研究成果对提高淮北 地区防旱抗旱的科学化水平，节约水资源，充分发挥灌溉工程的效益，将 具有重要的战略意义。 ( 3 ) 农灌区水资源优化配置技术研究。农灌区水资源优化配置技术研 究，是利用水资源系统分析的理论和方法，选择有代表性的淮北中南部固 镇县韦店灌区和北部亳州城北灌区为研究对象，对灌区种植结构组成、灌 溉工程系统布局、地表水和地下水配置进行优化计算，为灌区规划和水资 源合理开发利用提供科学依据。 本论文工作程序见图1 1 所示。 基础资料调查、 收集、整理阶段 野外试验模拟阶段 综合分析研究阶段 选定研究试验区，起草工作计划 拟定研究方案，制定技术路线 水文气象、土壤地貌、农业生产资料 灌排技术与水资源配置技术研究现状 灌排技术与水资源开发利用现状及问题 墒情测报与作物需水 径流一排水试验场 原状土地中蒸渗仪 原状土排渍测坑 典型农灌区试验拟合 农田排水技术 试验研究 墒情预报技术与 灌溉信息系统研究 农灌区水资源 优化配置技术研究 臣五圃 图1 1 农田排灌与水资源优化配置研究工作程序框图 9 第二章农田排水技术试验研究 2 1 引言 在淮北平原区，降水和地下水位过高常常形成农田内涝或土壤中水分 过多( 渍水) ，使农田土壤出现种种不良性状，给农作物生长和农业生产带 来不利的影响。因此，适时排除农田过多的地面水、土壤水，降低地下水 位，对农作物的生长起到至关重要的作用。 安徽淮北地区地势平坦，降水分配极不均匀，加上土壤属性不良，地 下水埋藏较浅( 2 5 m ) ，涝渍问题时常发生。尤其是在淮北中南部地区和 沿淮及河间低洼平原区，涝渍问题比较突出。在上世纪八十年代以前，水 利技术人员从宏观治理上曾做过大量的探讨和调查研究，对我省排水事业 的发展起到了很大的促进作用。但在微观和系统性方面，对排水技术包括 排水指标的研究较少，而且随着农田补、径、排条件的改善和人们认识水 平的逐步提高，以往的研究成果不能满足当前和今后农业生产发展的要求。 因此，需要对农田排水技术指标进行深入研究，为农田排水规划设计和规 范排水工程提供科学依据。 2 2 排水试验研究区概况及试验设旋 2 2 1 排水试验概况 排水试验研究区位于安徽淮北平原中南部固镇县新马桥镇境内，在獬 河与北淝河之间。土壤为砂姜黑土，质地粘重，垂直裂隙发育，水平渗透 性弱，地下水埋深为1 5 3 5 m 。多年平均降水量为8 5 0 m m ，年际间变化 大，年内分配也很不均匀，丰水年1 5 0 0 m m ，干旱年仅4 1 0 m m ，其中汛期 6 9 月降水量占年降水量的6 3 。多年平均气温1 4 6 c ，最高达4 0 7 1 2 ， 最低2 5 0 。c ，日照时数为2 0 7 4 7 小时，无霜期2 1 2 天。由于地下水埋藏较 浅，暴雨后陡升缓降，加上坡平流缓，未治理区排水系统不完善，其排水 标准小于3 年一遇，涝渍灾害时常发生。在旱涝渍综合治理区，骨干排水 系统较为完善，大中级排水沟排水标准达到5 年一遇。 该区农田经济以种植业为主，主要农作物有小麦、油菜、大豆、夏玉 米、棉花、山芋、花生、水稻等，平均耕地复种指数为1 7 5 。在非治理区 农作物亩产小麦2 0 0 2 5 0 k g ，油菜5 0 7 0 k g ，花生2 0 0 2 5 0 k g ，玉米2 5 0 3 0 0 k g ，大豆l o o k g 左右：在治理区农作物亩产小麦3 5 0 3 8 0 k g ，油莱1 3 0 1 5 0 k g ，花生4 0 0 k g 左右，玉米5 0 0 5 4 0 k g ，大豆1 5 0 1 8 0 k g 。五道沟试 验区土壤理化性质见表2 1 和表2 - 2 。 表2 1五道沟试验区土壤理化性质表 土层厚度容重孔隙率饱和含水率田问持水率有机质全盐量 p h f m )( e - , c m 3 ) ( )( )( )( )( ) 0 o ，ll ，3 05 0 13 8 53 2 41 2 60 0 9 17 9 0 1 - o 21 4 64 6 93 2 12 5 01 3 l0 0 9 97 8 o 2 0 31 4 15 1 93 6 83 0 o1 1 90 1 0 17 _ 8 o 3 0 41 4 l5 3 43 7 93 3 01 0 20 0 7 68 0 0 4 o 51 4 34 9 03 4 33 1 50 8 80 0 6 68 1 o 5 - 0 61 4 94 9 93 3 52 8 5o 3 10 0 8 08 1 0 6 0 71 4 95 1 13 4 32 7 7o 6 0o 1 0 l7 9 0 7 0 81 5 34 9 03 2 92 650 4 5 0 0 9 5 7 8 0 8 - o 91 5 44 9 03 1 82 5 20 3 8o 0 6 57 9 0 9 - 1 o1 5 54 7 83 0 82 4 80 3 0 0 0 7 68 0 表2 - 2淮北砂姜黑土的胀缩性能表 土层深度膨胀度收缩度胀缩系数 颗粒含量( ) 层次 质地 ( c m )( )( )( ) 五年遇4 0592 002 6 02 8 62 863 44 23 561 9 22 五年遇93 l l26 568 9 7 2 8 92 9 12 953 32 38 9 61 8 4 3 五年逼2 881 0 432 7 03 1 6 44 761 8 l9 五年遇8ll o72 7 02 6 42 85 53 2ll l l8 五年一遇1 361 424 201 2 002 582 5 42 773 3 5 73 051 1 97 五年遇861 324 501 3 402 8 42 9 22 9 33 3 i 表2 9不同工程标准完整排水系统连续阴雨1 5 天以上地下水位变化对比 降雨特枉地下水位特征 i区j i区 起止 雨最大 总降 雨前 埋深 埋深束日束日雨前 埋深 埋澡束日束日 时问0 i5 m0 1 5 m 0 5 m第三 年份月日 日三天 雨量以上 0 5 m第三 以上 数雨量埋深 滞留 以下埋深天埋埋深 滞留 以下埋深天埋 ( d )( m m ) 天数 澡天数藻 月日 ( r a m ) 时间时间 ( m )( d )( m )( m )( m )( d )( m )( m ) ( h )( h ) 63 0 1 9 6 52 01 7 872 9 992 5 44 423( ) 1 206 018 44 0 0 0200 302 6 72 2 62 0 1 9 7 51 71 1 i81 3 9 607 73 10 l8( j7 6o8 l09 21 2 9 0704 8 0 7 1 71 6 7 1 7 改水 1 9 7 71 01 1 991 6 58l0 26 9 0601 605 l 73 0稻 6 1 8 1 9 7 91 91 6 323 8 4807 62 0 0 l lo2 2 05 511 31 1 8 01 10 0 50 2 7 72 4 6 1 6 1 9 8 02 11 9 6 63 6 9 609 03 6o2 30 1 80 6 5o 8 11 1 8 0900 3o3 l 72 0 7l 1 9 8 72 31 7 053 8 8 910 21 301 6l01 604 6 11 44 40401 4o ，2 6 86 备注相邻两次降雨问隔时问 3 天视为连续降雨 表2 1 0五道沟排水区相同条件下不同工程标准排水效果比较 9月份1 0月份 田间排水效果时比 降雨 雨 下旬 下旬 降雨 雨上中上中l 区儿区i i l 区 孟庄东南湖 量 日 雨量 雨日 量 日旬雨旬雨 数数数 量 日数 小沟距1 0 0 l t l小沟距2 0 0 m小沟距3 0 0 m 只有大沟 ( m m )( m m )( m m ) 深10 m深l5 m 深1 o 一1 3 m ( d )( d )( d )( r a m )( d ) 十五天后 1 1 月底还在 三天后可田七天后可田 可田管。小烂泥地里收 l2 39 l21 0 081 09 961 35 586 管管玫延至1 0 山芋减产 月底播种4 0 2 5 农田除涝防渍排水系统工程规格与布局试验分析 依据达西定律：壤中出流量的大小与地下水面坡降成正比。可将地下 水位下降到一定深度所需时间t 与地下水面坡降j 成反比之关系表达为： t = a j ( 2 - 2 ) 式中：t 为地下水位正点降至一定深度所需时间；a 、n 为与地下水消退和 土壤特性有关的参数；j - - a m ，为地下水面坡降；a h 为地下水位与稳定 沟水位之差；l 为测井至排水沟距离。 根据不同排水标准各排水试验站实测资料，求得沟洫畅排条件下的经 验关系式。 t _ 1 2 0 j - o 3 1 8 ( 2 - 3 ) l = 4 1 0 。4 t 3 1 4 ( 2 - 4 ) 据实地试验观察分析，一般旱作物耐淹时间不允许超过三天，据此认 为，雨后经3 6 小时排水使升到地面的田块中心的地下水位降至地面下0 3 m 为佳。由式( 2 - 4 ) 求得田间防渍沟距与沟深的经验公式为： l = 3 0 a h b = 6 0 a h ( 2 - 5 ) 式中：b 为田间j 非渍沟沟距；a h 表示为实际排渍沟深度，一般不小于o 5 m 。 用此分析方法，根据实测试验资料，便可求得大中小沟的影响半径与沟深 的经验关系式： h = 0 1 7 r o 4 5( 2 - 6 ) b = 1 0 0 h 2 2 3 ( 2 - 7 ) 式中：h 为大、中、小排水沟沟深；r 为排水沟影响半径；b 为大、中、小 沟沟距；各变量均以米为单位。 结合除涝防渍排水沟系断面设计标准，将大、中、小沟和田间沟深度 分别代入式( 2 - 5 ) 和( 2 7 ) ，便可求得相应的沟距及其每平方公里应开挖 的土方量。各级排水系统规格及布置方式各项指标见表2 1 l 和表2 1 2 。 表2 一”农田除涝防渍排水系统各级排水沟规格及布置方式 口宽 沟深沟距控制面积 沟级底坡边坡 布置方式 ( m )( m )( m ) ( 亩) 大沟1 5 2 03 41 ：8 0 0 0l ：2 或2 51 5 0 0 2 5 0 01 5 0 0 0篦式 中沟8 1 0l5 20l ：25 0 0 1 0 0 01 5 0 0 3 0 0 0梳式 小沟4 61 0 1 5i ：i 5 或2 o1 5 0 3 0 01 5 0 2 0 0梳式 田问沟1 1 5o 7 0 8l ：o 54 01 0 排灌两用 深墒沟( 临时) o 30 2 03 一耙 表2 1 2农田除涝防渍排水系统每平方公里工程建设标准计算表 土方i 程及其他标准建筑物厦造价 布置挖填 挖压 平均建筑 劳务 方式沟级面积 占地条数长度土方 ie 1 占地 物名 数量造价 投入 宽 间距 ( 条1( m 、( g o 3 )( 天1( 呦( 座1( 万元) ( 万元、 ( m 2 )( m ) 称 ( m ) 大沟 l5 篦式大沟4 003 0 02 0 0 0 l5 0 01 8 4 0 01 2 2 7 0 l50542 9 桥1 8 中沟24 梳式中沟l20i5o5 0 0 l1 0 0 01 2 0