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一、 农业发展的制约因素和治理的必要性
1.农业发展的制约因素
⑴农场部分水利工程设施年久失修,已无法利用。灌区工程也由于多年的运行使用和维护管理不善,年久失修,造成了部分工程的损坏和无法使用,灌排系统不畅通,存在水资源跑冒浪费现象,水田生产环境日趋恶化。
⑵农场降水集中且多暴雨,地形低洼易涝,排水不畅,使水田成涝受损,轻者作物减产20-30%,重者50%以上。
2.治理的必要性
⑴由于农场内大多为老水田,引排水渠道淤积,灌溉、排水不畅,且年久失修,渠道破损严重,目前,因低洼易涝,池内高低差大,单产较低,只有正常地块单产的7-8成。如果加强对原有老水田的改造,不仅能使粮食单产明显增加,又能增强抗御自然灾害的能力。更能有效地提高经济效益和社会效益,因此,不论从当前利益,还是长远利益来看都是非常必要的。
⑵项目的建设是开发节约利用水资源发展的需要。一方面是由于现有水利工程的不配套,对现有水资源的开发利用程度低,水资源利用率仅达到供水能力的49%,浪费水资源的现象十分普遍;另一方面是未来灌区的农业生产必须实施节水灌溉,因为我国每年农业生产的总用水量为5000亿m3,其中农业用水量约占80%,随着区域经济的发展,工业用水、城市供水和农业用水间的矛盾势必加剧,农业用水面临日益严峻的挑战。而随着国民经济的发展,势必要削减农业用水的比例。预计到2010年,我国农业用水比例将从73%减少到64%左右。因此,发展节水农业,一是为了农业持续发展的自身需要,二是可以省出更多的水量支持工业和城市化的发展。这也是世界各国在用水量上重新分配的一个必然趋势。
该农场主要以发展水稻节水灌溉为重点,进行分区管理,分区灌溉,农场用水量主要以水稻节水灌溉用水需求为依据,合理开采地下水资源,据本地水稻节水灌溉定额,每亩灌溉年用水量为450立方米,井灌区渠系水利用系数为0.9,项目区亩毛用水量为500立方米,则项目区用水总量为350万立方米。
项目区水资源可利用量(Q可用)
①小区地下水可开采量Q1=SP
式中:S-开采面积(10平方公里)
P-开采模数(41.39)
Q1=SP=10×41.39=413.9万立方米。
②地下水补给量计算Q补 =SP
式中:S-小区面积(平方公里)
P-地下水补给模数(取44.93)
Q补 =SP=10×44.93=449.3万立方米。
可见小区地下水补给量超过了可开采量,完全可以满足地下水开采的需要。
③项目区多年平均降水量为550毫米,农作物生长期降水量占全年的80.7%。按20%可利用率计算,地表径流年可利用量为Q2=82万立方米。
3.水资源供求平衡
项目区用水总量为Q用总=350万立方米。
项目区供水总量为Q可用= Q1 Q2=350 82=432万立方米。
由此可见,供水量远远大于需水量,灌溉用水完全可以保证。
二、治理方法
1.治理标准
(1)农田排水标准,采用五年一遇一日暴雨三日排除,建筑物按十年一遇设计;
(2)坡水标准,灌区北部边缘有部分坡水汇入农场,但考虑汇水面积均为耕地,故按农田排水标准处理;
(3)堤防工程标准,按十年一遇洪水设计;
(4)灌溉保证率,本次治理按80%计算。
2.灌溉治理
根据省农业开发办编《农田水利工程选集》和农业开发田间配套规划措施,水田毛灌溉定额每亩450～750立方米。水田毛灌水率0.9～1.2立方米/秒/万亩,渠系有效利用体系数为0.7。根据灌区土壤的渗漏强、中、弱三个档次,根据实际情况,拟定灌溉制度。
(1)降雨资料分析
①设计生育期降雨量
本灌区有多年的实测降雨资料,利用原有的分析成果,本次规划不做重新计算,分析成果如下:
在水稻生育期的5月11日至9月5日间进行频率计算,经电子计算机频率计算和适线分析,设计降雨量为
XP=80%=380mm
在水稻泡田期的5月11日至5月25日间设计降雨量为
P1=27.5 mm
②生育期内降雨量分配
从项目区历年实测降雨资料中,选择接近设计灌溉期降雨量的年份为典型年,本次设计选择1982年为典型年,
③有效降雨量计算
水稻生育期有效降雨量有下式计算:
PO=σp
式中:PO—各阶段有效降雨量(㎜)
p—各阶段设计降雨量(㎜)
σ—降雨有效利用系数,
由上式计算各生育期有效降雨量。
(2)水稻需水量分析
水稻需水量是影响确定灌溉用水量的基本要素。水稻需水量采用a值法计算。
E=aEO
式中:E---水稻需水量(毫米)
EO---同时期内水面蒸发量(毫米)
a---由试验确定的系数
(3)渗漏量分析
水田渗漏量来源于灌区渗漏观测资料,渗漏量与土壤质地有关。
由于灌区土壤大都比较粘重,属于粘壤土类,并拌有次生盐咸化情况。故在本灌区设计中,田间渗漏量取为2.5毫升/天,其渗漏速度为:2.5×667×15/1000=25米3/公顷/天。
(4)水稻设计灌溉水层的确定
水稻设计灌溉水层不仅是为了满足水稻需水要求,而且也是为了调节水土温度,控制田间小气候的重要手段,通过改变淹灌水层厚度及落干烤田,可促进水稻生长,抑制无效分蘖。因此,适宜水层必须根据水稻生长情况,需水要求,并结合耕作等其它农业措施加以分析确定。本次设计主要采用泥南灌区灌溉站试验资料,同时也结合当地农民的灌水经验,设计中采用浅晒浅湿的灌水技术。
(5)灌溉定额的计算:
水稻灌溉分两个阶段,即泡田阶段和生育灌溉阶段,灌溉定额按两个阶段的灌水要求分别计算。
A、泡田定额的计算:
M=a1 s1t1 e1t1 p1
式中:a1——插秧水层深(mm)
s1——泡田渗漏量(mm)
t1——泡田日期
e1——泡田水田蒸发量(mm/d)
p1——泡田期降雨量(mm)。
B、生育期灌溉定额的计算
水稻生育期灌水定额的计算,采用下列水量平衡方程计算:
h2=h1 p m-E-c
式中:h1—时段初田面水层深度(mm )
h2—时段末田面水层深度(mm)
P—时段内降雨量(mm)
C—时段内排水量(mm)
m—时段内灌水量(mm)
E—时段内田间耗水量,包括田间渗漏量和田埂渗漏量。
灌水率计算公式如下:
q=M/86400T
式中:M—灌水定额m3/公顷;
T—灌水延续时间(天);
86400—自流灌区水每天以24小时计每天的总秒数。
由上表可计算灌区的灌溉定额为805.8mm/亩×0.7=537.5m3/亩。根据全省各地井灌节水灌溉经验,一般为450米3/亩,较为符合节水型灌溉的需要。考虑到该灌区地下水位较浅,多年种植水稻,已形成了土壤隔离层,水田渗透量较小,故将本灌区灌溉定额调整为450米3/亩÷0.9=500米3/亩,设计灌水率为q=0.0009m3/s/公顷,此两项指标用以确定灌区规模和推求灌溉渠道流量。
3.排水治理
项目区内排水主要由灌区内的1条排水干沟控制,因此,本小区的排水需与灌区排水相一致,以满足灌区排水干沟的排水能力。由于本项目区内全部规划为水田,所以本次排水模数设计只对水田排水模数进行分析,不对旱田和坡水排水模数进行分析。本小区规划设计排水标准为十年一遇,三日暴雨五日排出。
水田排水模数的确定,根据省农业开发办编《农田水利工程选集》,水田最大排水模数设计,假定排水临界期稻田平均正常水层为30mm,最高平均允许水层为50mm,超出此限的水量一律在5天排出,考虑稻田蓄水量在两天内其水深不超过秧顶的抗涝要求。
(1)灌水渠系规划布置
用水渠系的布置,除个别部分按干、支、斗、农四级布置外,绝大部分都按干、支(斗)、农渠平行于等高线布置(详见项目区规划图)。
(2)灌水渠系水位推求
用水渠系水位推求的方法是由田面较难控制的地面参考点开始,沿各级渠系,自下而上,逐级推算。但水库堤坝死水位一定,所以还必须结合自上而下的推求。采用如下公式推算:
H=A0 h ΣLi Σ∮
式中:A0—渠道所控制面积内地面参考点高程(m)
h—所选参考点处灌溉面积上的灌水深度,不小于0.1米;
L—各级渠道长度;
I—各级渠道比降;
∮—水位通过渠系建筑物的水头损失(m).
在水位推求中,新建筑构造物按本表取值。
根据灌区规划的特点和渠系布置方式,确定渠道的工作制度为:干支(斗)渠实行续灌,支(斗)渠以下农渠实行分组;轮灌。每条支(斗)渠控制的农渠分为两个轮灌组。按如下公式由田间开始,由下至上推求。
①农渠流量推求
Q净支田=W支q净
Q净支田= Q净支田/nR
Q净农 =Q净农田/ n田
Q毛,农=Q净,农 S农L农
②支(斗)渠流量推求
Q毛,支=Q净,支 S支L支
=KQ毛,农 S支L支
③干渠流量推求
即由干渠最末一条支(斗)渠开始,考虑干渠各段的水量按弱透水性,逐段向渠道推算。
(4)灌溉水利用系数
根据渠系流量推求成果计算各种渠道灌水利用系数如下:
n农=0.99n斗=0.95 n系=0.94
渠系灌溉水利用系数:
n水=n系n田=0.94×0.96=0.9
(5)渠系纵横断面设计
①渠道在平面上要求转弯半径大于5倍水面宽度。同时要求有足够的输入能力和较为经济的断面,采用如下公式计算:
Q=WC√ Ri
式中:Q——渠道设计流量(m3/S)
W——渠道过水断面面积(m2)
R——渠道过水断面水利半径(米)
i——水利比降
C——谢材系数,取C=R/n
n——渠床糙率,n=0.025
②渠道纵断面设计
各级渠道的糙率n、边坡系数m、超高△h、堤顶宽d等。
(5)排水沟流量计算
排水沟按五年一遇标准设计,现有各支沟要加深加宽,整形达标,田间工程做到全部配套到位。
各级沟道排水流量按下式计算:
Q=qF
式中:Q—设计流量(立方米/秒);
q—排水模数(立方米/秒);
F—汇流面积(平方公里);
(6)排水高程推求
排水高程推求采用公式:
A=H Li Σ∮ h
式中:A—水可以顺利排除的地面高程;
H—上级渠道的排水水位;
L—排水渠道的计算长度;
I—排水渠道的比降。
Σ∮--过渠系建筑物的水头损失;
h—农、毛沟及田间水头损失水拉。
各级排水沟道比降,按要求采用下列范围。
干沟:1/4000—1/6000
支沟:1/3000—1/5000
斗沟:1/2500—1/3000
⑶排水沟断面设计
采用明渠均匀流公式计算:
Q=WC√Ri
(作者单位:黑龙江省工程技术经济咨询事务所)
1.农业发展的制约因素
⑴农场部分水利工程设施年久失修,已无法利用。灌区工程也由于多年的运行使用和维护管理不善,年久失修,造成了部分工程的损坏和无法使用,灌排系统不畅通,存在水资源跑冒浪费现象,水田生产环境日趋恶化。
⑵农场降水集中且多暴雨,地形低洼易涝,排水不畅,使水田成涝受损,轻者作物减产20-30%,重者50%以上。
2.治理的必要性
⑴由于农场内大多为老水田,引排水渠道淤积,灌溉、排水不畅,且年久失修,渠道破损严重,目前,因低洼易涝,池内高低差大,单产较低,只有正常地块单产的7-8成。如果加强对原有老水田的改造,不仅能使粮食单产明显增加,又能增强抗御自然灾害的能力。更能有效地提高经济效益和社会效益,因此,不论从当前利益,还是长远利益来看都是非常必要的。
⑵项目的建设是开发节约利用水资源发展的需要。一方面是由于现有水利工程的不配套,对现有水资源的开发利用程度低,水资源利用率仅达到供水能力的49%,浪费水资源的现象十分普遍;另一方面是未来灌区的农业生产必须实施节水灌溉,因为我国每年农业生产的总用水量为5000亿m3,其中农业用水量约占80%,随着区域经济的发展,工业用水、城市供水和农业用水间的矛盾势必加剧,农业用水面临日益严峻的挑战。而随着国民经济的发展,势必要削减农业用水的比例。预计到2010年,我国农业用水比例将从73%减少到64%左右。因此,发展节水农业,一是为了农业持续发展的自身需要,二是可以省出更多的水量支持工业和城市化的发展。这也是世界各国在用水量上重新分配的一个必然趋势。
该农场主要以发展水稻节水灌溉为重点,进行分区管理,分区灌溉,农场用水量主要以水稻节水灌溉用水需求为依据,合理开采地下水资源,据本地水稻节水灌溉定额,每亩灌溉年用水量为450立方米,井灌区渠系水利用系数为0.9,项目区亩毛用水量为500立方米,则项目区用水总量为350万立方米。
项目区水资源可利用量(Q可用)
①小区地下水可开采量Q1=SP
式中:S-开采面积(10平方公里)
P-开采模数(41.39)
Q1=SP=10×41.39=413.9万立方米。
②地下水补给量计算Q补 =SP
式中:S-小区面积(平方公里)
P-地下水补给模数(取44.93)
Q补 =SP=10×44.93=449.3万立方米。
可见小区地下水补给量超过了可开采量,完全可以满足地下水开采的需要。
③项目区多年平均降水量为550毫米,农作物生长期降水量占全年的80.7%。按20%可利用率计算,地表径流年可利用量为Q2=82万立方米。
3.水资源供求平衡
项目区用水总量为Q用总=350万立方米。
项目区供水总量为Q可用= Q1 Q2=350 82=432万立方米。
由此可见,供水量远远大于需水量,灌溉用水完全可以保证。
二、治理方法
1.治理标准
(1)农田排水标准,采用五年一遇一日暴雨三日排除,建筑物按十年一遇设计;
(2)坡水标准,灌区北部边缘有部分坡水汇入农场,但考虑汇水面积均为耕地,故按农田排水标准处理;
(3)堤防工程标准,按十年一遇洪水设计;
(4)灌溉保证率,本次治理按80%计算。
2.灌溉治理
根据省农业开发办编《农田水利工程选集》和农业开发田间配套规划措施,水田毛灌溉定额每亩450～750立方米。水田毛灌水率0.9～1.2立方米/秒/万亩,渠系有效利用体系数为0.7。根据灌区土壤的渗漏强、中、弱三个档次,根据实际情况,拟定灌溉制度。
(1)降雨资料分析
①设计生育期降雨量
本灌区有多年的实测降雨资料,利用原有的分析成果,本次规划不做重新计算,分析成果如下:
在水稻生育期的5月11日至9月5日间进行频率计算,经电子计算机频率计算和适线分析,设计降雨量为
XP=80%=380mm
在水稻泡田期的5月11日至5月25日间设计降雨量为
P1=27.5 mm
②生育期内降雨量分配
从项目区历年实测降雨资料中,选择接近设计灌溉期降雨量的年份为典型年,本次设计选择1982年为典型年,
③有效降雨量计算
水稻生育期有效降雨量有下式计算:
PO=σp
式中:PO—各阶段有效降雨量(㎜)
p—各阶段设计降雨量(㎜)
σ—降雨有效利用系数,
由上式计算各生育期有效降雨量。
(2)水稻需水量分析
水稻需水量是影响确定灌溉用水量的基本要素。水稻需水量采用a值法计算。
E=aEO
式中:E---水稻需水量(毫米)
EO---同时期内水面蒸发量(毫米)
a---由试验确定的系数
(3)渗漏量分析
水田渗漏量来源于灌区渗漏观测资料,渗漏量与土壤质地有关。
由于灌区土壤大都比较粘重,属于粘壤土类,并拌有次生盐咸化情况。故在本灌区设计中,田间渗漏量取为2.5毫升/天,其渗漏速度为:2.5×667×15/1000=25米3/公顷/天。
(4)水稻设计灌溉水层的确定
水稻设计灌溉水层不仅是为了满足水稻需水要求,而且也是为了调节水土温度,控制田间小气候的重要手段,通过改变淹灌水层厚度及落干烤田,可促进水稻生长,抑制无效分蘖。因此,适宜水层必须根据水稻生长情况,需水要求,并结合耕作等其它农业措施加以分析确定。本次设计主要采用泥南灌区灌溉站试验资料,同时也结合当地农民的灌水经验,设计中采用浅晒浅湿的灌水技术。
(5)灌溉定额的计算:
水稻灌溉分两个阶段,即泡田阶段和生育灌溉阶段,灌溉定额按两个阶段的灌水要求分别计算。
A、泡田定额的计算:
M=a1 s1t1 e1t1 p1
式中:a1——插秧水层深(mm)
s1——泡田渗漏量(mm)
t1——泡田日期
e1——泡田水田蒸发量(mm/d)
p1——泡田期降雨量(mm)。
B、生育期灌溉定额的计算
水稻生育期灌水定额的计算,采用下列水量平衡方程计算:
h2=h1 p m-E-c
式中:h1—时段初田面水层深度(mm )
h2—时段末田面水层深度(mm)
P—时段内降雨量(mm)
C—时段内排水量(mm)
m—时段内灌水量(mm)
E—时段内田间耗水量,包括田间渗漏量和田埂渗漏量。
灌水率计算公式如下:
q=M/86400T
式中:M—灌水定额m3/公顷;
T—灌水延续时间(天);
86400—自流灌区水每天以24小时计每天的总秒数。
由上表可计算灌区的灌溉定额为805.8mm/亩×0.7=537.5m3/亩。根据全省各地井灌节水灌溉经验,一般为450米3/亩,较为符合节水型灌溉的需要。考虑到该灌区地下水位较浅,多年种植水稻,已形成了土壤隔离层,水田渗透量较小,故将本灌区灌溉定额调整为450米3/亩÷0.9=500米3/亩,设计灌水率为q=0.0009m3/s/公顷,此两项指标用以确定灌区规模和推求灌溉渠道流量。
3.排水治理
项目区内排水主要由灌区内的1条排水干沟控制,因此,本小区的排水需与灌区排水相一致,以满足灌区排水干沟的排水能力。由于本项目区内全部规划为水田,所以本次排水模数设计只对水田排水模数进行分析,不对旱田和坡水排水模数进行分析。本小区规划设计排水标准为十年一遇,三日暴雨五日排出。
水田排水模数的确定,根据省农业开发办编《农田水利工程选集》,水田最大排水模数设计,假定排水临界期稻田平均正常水层为30mm,最高平均允许水层为50mm,超出此限的水量一律在5天排出,考虑稻田蓄水量在两天内其水深不超过秧顶的抗涝要求。
(1)灌水渠系规划布置
用水渠系的布置,除个别部分按干、支、斗、农四级布置外,绝大部分都按干、支(斗)、农渠平行于等高线布置(详见项目区规划图)。
(2)灌水渠系水位推求
用水渠系水位推求的方法是由田面较难控制的地面参考点开始,沿各级渠系,自下而上,逐级推算。但水库堤坝死水位一定,所以还必须结合自上而下的推求。采用如下公式推算:
H=A0 h ΣLi Σ∮
式中:A0—渠道所控制面积内地面参考点高程(m)
h—所选参考点处灌溉面积上的灌水深度,不小于0.1米;
L—各级渠道长度;
I—各级渠道比降;
∮—水位通过渠系建筑物的水头损失(m).
在水位推求中,新建筑构造物按本表取值。
根据灌区规划的特点和渠系布置方式,确定渠道的工作制度为:干支(斗)渠实行续灌,支(斗)渠以下农渠实行分组;轮灌。每条支(斗)渠控制的农渠分为两个轮灌组。按如下公式由田间开始,由下至上推求。
①农渠流量推求
Q净支田=W支q净
Q净支田= Q净支田/nR
Q净农 =Q净农田/ n田
Q毛,农=Q净,农 S农L农
②支(斗)渠流量推求
Q毛,支=Q净,支 S支L支
=KQ毛,农 S支L支
③干渠流量推求
即由干渠最末一条支(斗)渠开始,考虑干渠各段的水量按弱透水性,逐段向渠道推算。
(4)灌溉水利用系数
根据渠系流量推求成果计算各种渠道灌水利用系数如下:
n农=0.99n斗=0.95 n系=0.94
渠系灌溉水利用系数:
n水=n系n田=0.94×0.96=0.9
(5)渠系纵横断面设计
①渠道在平面上要求转弯半径大于5倍水面宽度。同时要求有足够的输入能力和较为经济的断面,采用如下公式计算:
Q=WC√ Ri
式中:Q——渠道设计流量(m3/S)
W——渠道过水断面面积(m2)
R——渠道过水断面水利半径(米)
i——水利比降
C——谢材系数,取C=R/n
n——渠床糙率,n=0.025
②渠道纵断面设计
各级渠道的糙率n、边坡系数m、超高△h、堤顶宽d等。
(5)排水沟流量计算
排水沟按五年一遇标准设计,现有各支沟要加深加宽,整形达标,田间工程做到全部配套到位。
各级沟道排水流量按下式计算:
Q=qF
式中:Q—设计流量(立方米/秒);
q—排水模数(立方米/秒);
F—汇流面积(平方公里);
(6)排水高程推求
排水高程推求采用公式:
A=H Li Σ∮ h
式中:A—水可以顺利排除的地面高程;
H—上级渠道的排水水位;
L—排水渠道的计算长度;
I—排水渠道的比降。
Σ∮--过渠系建筑物的水头损失;
h—农、毛沟及田间水头损失水拉。
各级排水沟道比降,按要求采用下列范围。
干沟:1/4000—1/6000
支沟:1/3000—1/5000
斗沟:1/2500—1/3000
⑶排水沟断面设计
采用明渠均匀流公式计算:
Q=WC√Ri
(作者单位:黑龙江省工程技术经济咨询事务所)