黑龍江三江平原大型灌區(qū)設(shè)計(jì)中關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題分析

付　寧

(黑龍江農(nóng)墾勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150090)

?

黑龍江三江平原大型灌區(qū)設(shè)計(jì)中關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題分析

付寧

(黑龍江農(nóng)墾勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150090)

摘要：“十二五”期間以來(lái)，黑龍江省在三江平原相繼新建或改擴(kuò)建了一批大型灌區(qū)，設(shè)計(jì)中曾遇到一些現(xiàn)有規(guī)范及經(jīng)驗(yàn)無(wú)先例可循的問(wèn)題。作者根據(jù)其共性與技術(shù)難點(diǎn)歸納了以下問(wèn)題：一是水資源利用思路；二是灌排結(jié)合方式規(guī)劃設(shè)計(jì)要點(diǎn)；三是大型灌區(qū)設(shè)計(jì)難點(diǎn)及技術(shù)要點(diǎn)。筆者在設(shè)計(jì)中采用了不少有利于傳統(tǒng)的一些設(shè)計(jì)方法?？晒┩使采袒騾⒄?。

關(guān)鍵詞：三江平原；大型灌區(qū)；水資源；開(kāi)發(fā)方式；灌排結(jié)合；設(shè)計(jì)要點(diǎn)；技術(shù)難點(diǎn)；總結(jié)分析

近些年來(lái)，黑龍江省陸續(xù)開(kāi)工建設(shè)了一批大型灌區(qū)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到很多以前未遇到的問(wèn)題，根據(jù)已有規(guī)范及經(jīng)驗(yàn)沒(méi)有先例可遵循，本文針對(duì)其中的具有普遍性的問(wèn)題及關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行介紹及分析，一是對(duì)已有工作的回顧和總結(jié)，同時(shí)也希望對(duì)其他工程有一定的借鑒意義。

1水資源利用思路

常規(guī)灌區(qū)設(shè)計(jì)思路為單灌、單排，此方式已經(jīng)有很成熟的設(shè)計(jì)方法。目前新建灌區(qū)多是在已有的灌區(qū)基礎(chǔ)上進(jìn)行整合重新布置，現(xiàn)有灌區(qū)渠系及灌溉方式基本形成，排水體系大致形成；特別是在原有澇區(qū)治澇范圍內(nèi)新建的灌區(qū)，不宜打破原有排水體系；否則會(huì)造成大面積占用耕地，農(nóng)戶無(wú)法接受、征占地投資巨大及具體實(shí)施中也難于推進(jìn)；同時(shí)目前現(xiàn)有水田多數(shù)為井灌，全部廢除一是浪費(fèi)投資，再者造成引地表水工程規(guī)模巨大。因此在一些大型灌區(qū)設(shè)計(jì)中，結(jié)合農(nóng)墾系統(tǒng)特有的的、已經(jīng)運(yùn)行多年成熟的灌排結(jié)合模式，采用地表水地下水聯(lián)合調(diào)度的方式進(jìn)行了設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)中采用的有別于傳統(tǒng)的一些設(shè)計(jì)方法如下：

1.1水資源開(kāi)發(fā)利用方式

通過(guò)充分開(kāi)發(fā)利用過(guò)境地表水，適量開(kāi)采地下水，將灌溉排水系統(tǒng)和井渠系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，建設(shè)水田提水灌區(qū)。

具體設(shè)計(jì)中，利用井灌進(jìn)行泡田期削峰，降低引地表水工程規(guī)模及渠系造價(jià)，生育期由地表水灌溉；在滿足灌溉需求的前提下，通過(guò)總量控制，使多年形成的地下水漏斗近期不繼續(xù)惡化，中期回補(bǔ)到一定程度，遠(yuǎn)期恢復(fù)到正常狀態(tài)。

1.2水量平衡

常規(guī)設(shè)計(jì)地表水、地下水、灌區(qū)需水、蒸發(fā)及滲漏等是按照相對(duì)靜態(tài)計(jì)算的，實(shí)際地下水從大區(qū)域看是動(dòng)態(tài)的，對(duì)于大型灌區(qū)應(yīng)該用動(dòng)態(tài)的觀點(diǎn)去看待此問(wèn)題。

根據(jù)較長(zhǎng)系列灌區(qū)內(nèi)實(shí)測(cè)地下水位資料分析，三江平原典型地區(qū)江河水位及側(cè)向補(bǔ)給與灌區(qū)內(nèi)年際地下水位存在很強(qiáng)的相關(guān)性；理論計(jì)算該地區(qū)早已達(dá)到和超過(guò)了水資源利用和水田種植面積的極限；大面積發(fā)展水田多年，而未出現(xiàn)傳統(tǒng)概念中的地下水枯竭現(xiàn)象，如用動(dòng)態(tài)地下水觀點(diǎn)考慮江河及臨近區(qū)域地下水的側(cè)向補(bǔ)給，就很容易解釋并評(píng)價(jià)此現(xiàn)象了。

相關(guān)灌區(qū)設(shè)計(jì)中，從總量上已經(jīng)論證了地表水及地下水聯(lián)合調(diào)度的合理性及安全性，并已經(jīng)得到了上至水利規(guī)劃總院下至各級(jí)審批部門的認(rèn)可；目前，各級(jí)研究部門對(duì)此已經(jīng)立項(xiàng)，正在進(jìn)行深入研究；如能夠從土壤垂直滲透機(jī)理和江河側(cè)向補(bǔ)給機(jī)理方面有所突破，并提供適合本區(qū)域的數(shù)字模型，將對(duì)以后本區(qū)域的水資源利用及后續(xù)其他灌區(qū)的設(shè)計(jì)工作提供更加堅(jiān)實(shí)的理論支撐。

2灌排結(jié)合方式規(guī)劃設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1灌排結(jié)合方式需具備的基本條件及特點(diǎn)

水田灌溉區(qū)灌排渠道結(jié)合模式由于其節(jié)水、節(jié)地、取用水靈活、工程投資省的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在農(nóng)墾系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。

灌排結(jié)合模式的渠道一般在支、斗或干、支、斗級(jí)，主要適用于具有較完善的排水系統(tǒng)且便于和灌溉結(jié)合、地勢(shì)平坦、黏土層較厚和地下水位無(wú)鹽漬化的地區(qū)。

2.2灌排結(jié)合方式渠道布置原則

1)須同時(shí)滿足灌溉和排水要求；

2)總干渠、總干溝原則應(yīng)分開(kāi)布設(shè)，不宜灌排結(jié)合；

3)如下一級(jí)渠(溝)為灌排結(jié)合時(shí)，其本級(jí)渠道宜布設(shè)在各排水區(qū)的分水嶺；若田塊兩側(cè)均設(shè)有排水溝，且地面坡降向一側(cè)傾斜時(shí)，可將位于地勢(shì)較高的一側(cè)改建為以開(kāi)挖為主的灌溉渠道；

4)井渠結(jié)合的渠道或末級(jí)渠道應(yīng)只承擔(dān)灌水任務(wù)，且滿足自流灌溉要求。

2.3灌排結(jié)合方式建筑物布置原則

1)如灌排水方向相同的干、支渠(溝)，應(yīng)在灌溉分水口設(shè)分水閘，在排水出口設(shè)節(jié)制(退水)閘；如干、支渠灌排方向相逆，則只在分(匯)水口設(shè)分水閘；

2)如下級(jí)渠(溝)道灌溉水位較高，需在渠道分水口下游設(shè)置節(jié)制閘。

2.4灌排結(jié)合方式主要布置型式

1)渠(溝)道內(nèi)灌排水方向相同，即灌排口分別位于渠道上、下兩端，灌排控制范圍不在 同一區(qū)域，適用于干渠或支、斗渠較長(zhǎng)，地面坡降較陡的溝渠；

2)渠(溝)道內(nèi)灌排水方向相逆，即灌溉口只有一個(gè)，灌排控制范圍同屬一個(gè)區(qū)域，適用于支、斗渠較短，地面坡降較緩溝渠。

2.5水位線確定的基本方法

1)設(shè)計(jì)排水水位按常規(guī)方法推求確定。

2)設(shè)計(jì)灌溉水位原則上不應(yīng)高于排水位，從渠道分水的灌溉兩用渠(溝)分水口處設(shè)計(jì)水位同排水水位，當(dāng)灌溉和排水方向相同時(shí)，則灌溉水位線同排水水位線；反之則以分水口處排水水位為起始水位，按明渠恒定非均勻流試算法推求各斷面水深，以此確定水面線，同時(shí)要兼顧渠道斷面的挖填方平衡。

3)灌排結(jié)合渠(溝)建議設(shè)置控制運(yùn)行水位，其各級(jí)渠(溝)水面線原則上不高于地面(不出槽)。

2.6縱斷面設(shè)計(jì)

對(duì)于灌排水流方向相同的渠道，盡可能與上下游渠底、溝底及水面平順銜接；與原溝底坡降盡量相近，以節(jié)省工程量。

對(duì)于灌排水流方向相反的渠底坡降，盡可能放緩坡降，以減小挖深以便于反坡灌水。

2.7橫斷面設(shè)計(jì)

灌溉和排水方向相同的渠(溝)，按照明渠恒定均勻流公式分別進(jìn)行計(jì)算，以兩斷面的外包線做為各渠(溝)段的設(shè)計(jì)斷面。

如排水與灌溉引水方向相反，先按明渠恒定均勻流公式推算排水過(guò)流斷面，再根據(jù)分水口的灌溉設(shè)計(jì)水位，用灌溉流量按明渠恒定非均勻流校核各段的過(guò)水能力；如不滿足段則按灌溉流量用明渠恒定非均勻流逐段試算法修正水深和底寬，以此做為設(shè)計(jì)斷面。

3大型灌區(qū)設(shè)計(jì)難點(diǎn)及技術(shù)要點(diǎn)

3.1江河引水分水口設(shè)計(jì)方案及分流比

天然狀態(tài)下大型灌區(qū)水源部分分水口對(duì)應(yīng)各設(shè)計(jì)頻率下的主江道的分流比、行洪狀態(tài)下的進(jìn)水口結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，常規(guī)設(shè)計(jì)方法只能定性的確定方案，由于水位及流量變化較大很難精確地定量；設(shè)計(jì)中宜采用通過(guò)數(shù)模優(yōu)化確定基本方案，最終由物模驗(yàn)證的方法。

3.2大型天然引水河道及人工引渠設(shè)計(jì)

3.2.1局部復(fù)雜情況處理

大型天然引水河道及人工引渠局部會(huì)有水流流出及外水匯入，其水流沖刷及泥沙淤積會(huì)嚴(yán)重影響灌區(qū)輸水能力及安全；因水流條件復(fù)雜，設(shè)計(jì)中宜采用局部數(shù)模計(jì)算，主要解決外水交匯處渠底穩(wěn)定及襯砌方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，保證局部供水安全。

3.2.2引渠整體輸水能力及水面線

因渠道長(zhǎng)，其中節(jié)制、跨越建筑物多，按照常規(guī)流量及水面線計(jì)算方法，無(wú)法滿足設(shè)計(jì)精度要求；特別是局部建筑物的水頭損失無(wú)法精確判定，其對(duì)渠道終端的水位及渠頂高程的確定影響很大；常規(guī)設(shè)計(jì)方法局部建筑物水頭損失取值較大、偏于安全，推算到渠道末端時(shí)，會(huì)造成誤差累計(jì)使水面線偏低，實(shí)際供水時(shí)會(huì)造成渠頂水面線高于設(shè)計(jì)值；因此造成干渠渠頂超高不足、甚至冒水，同時(shí)會(huì)造成下級(jí)渠道挖深過(guò)大、浪費(fèi)投資。

宜采用大規(guī)模數(shù)模模擬，使水面線接近真實(shí)；如工程規(guī)模較大，模型可控制在干、支渠范圍內(nèi)。

3.2.3利用河道作為引渠的防洪問(wèn)題及中間泡澤、滯洪區(qū)設(shè)計(jì)

引水、排洪、滯洪、調(diào)節(jié)集于一體的渠道，其水文及水力計(jì)算比較復(fù)雜，傳統(tǒng)方法組合方案工作量巨大，且各種設(shè)計(jì)工況還不一定考慮周全；采用整體數(shù)模計(jì)算驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的辦法，能夠較好地解決各類矛盾，為設(shè)計(jì)安全提供可靠保證。

通過(guò)數(shù)模驗(yàn)證灌溉水位、水面線， 特別是其他二級(jí)建筑物引水口附近的水位、流態(tài)及分流比；模擬驗(yàn)證天然河道退洪水時(shí)的流態(tài)、沖刷、淤積狀態(tài)，以及外江、下游滯洪區(qū)洪水遭遇時(shí)水位頂托情況，驗(yàn)證、確定多個(gè)攔河樞紐閘的泄流能力、控制調(diào)度原則。

3.3大型渠道復(fù)雜地質(zhì)及料場(chǎng)問(wèn)題

大型渠道，沿途地質(zhì)應(yīng)采用局部加密勘探；主要解決局部軟弱帶、地下水偏高造成防滲頂托、大型節(jié)制跨越建筑物工程地質(zhì)問(wèn)題，為設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。

無(wú)論開(kāi)挖還是回填，一定要根據(jù)實(shí)際情況，按照設(shè)計(jì)精度勘探確定沿途料場(chǎng)。

3.4大型泵站

3.4.1基坑開(kāi)挖防滲及降水方案

常規(guī)基坑降水方案往往引起基礎(chǔ)細(xì)顆粒被帶走、局部地層被抽空，造成地基沉降大于設(shè)計(jì)允許值，形成破壞；對(duì)于對(duì)地基沉降要求不高的中小型建筑物影響不大，對(duì)地基沉降要求較高的大型泵站宜采用防滲封閉的基礎(chǔ)處理措施。

3.4.2大型泵站廠房整體穩(wěn)定及計(jì)算

大型泵站往往采取整體結(jié)構(gòu)，其對(duì)沉降、地基整體完整性有較高要求；特別是大型工程要求對(duì)地震力進(jìn)行復(fù)核，宜采用有限元整體計(jì)算及分析。

3.4.3泵站進(jìn)水、出水流道及機(jī)組選則

我省河流豐、枯期水位變化較大，國(guó)內(nèi)成熟、適合的機(jī)組往往沒(méi)有，需要對(duì)已有葉輪型譜進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)或研制新型譜系列；泵站需要做進(jìn)出水流道數(shù)模、物模優(yōu)化實(shí)驗(yàn)及機(jī)組裝置模型實(shí)驗(yàn)，以最終確定合適的設(shè)計(jì)參數(shù)，保證供水安全及降低運(yùn)行成本。

大型泵站的斷流方式是保證供水安全的關(guān)鍵點(diǎn)，應(yīng)引起設(shè)計(jì)部門的高度重視。目前普遍采用的是虹吸式斷流方式，其運(yùn)行安全可靠，但對(duì)機(jī)組啟動(dòng)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求較高。

3.4.4樞紐廠區(qū)總體布置

渠首泵站廠區(qū)總體布置，應(yīng)結(jié)合周邊地形地貌，與水環(huán)境、旅游、生態(tài)景觀、交通、將來(lái)可能的其他方面的開(kāi)發(fā)需要相結(jié)合；廠區(qū)景觀設(shè)計(jì)，要開(kāi)闊思路提高水平，采用適合北方特點(diǎn)的方法和設(shè)施。

3.5灌排結(jié)合模式運(yùn)行安全及灌區(qū)調(diào)度運(yùn)用原則的確定

灌排結(jié)合模式有其顯著的優(yōu)點(diǎn)，也有缺點(diǎn)，即對(duì)調(diào)度運(yùn)行及田間建筑物管理要求較高。應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況進(jìn)行專門設(shè)計(jì)，解決遇到大規(guī)模降雨或局部強(qiáng)降雨時(shí)，通過(guò)灌區(qū)灌排系統(tǒng)整體調(diào)度控制避免可能造成的局部澇災(zāi)的問(wèn)題；在保證安全的前提下，盡量利用現(xiàn)有溝渠及控制建筑物，攔蓄水量。

在設(shè)計(jì)中應(yīng)結(jié)合灌溉、暴雨監(jiān)測(cè)站點(diǎn)、灌區(qū)自動(dòng)監(jiān)控設(shè)施的建設(shè)、泵站調(diào)度、地下水位及土壤墑情檢測(cè)等系統(tǒng)，結(jié)合灌區(qū)灌水綜合調(diào)度、排水安全、地下水的恢復(fù)及補(bǔ)給等方面的需要，確定合理的設(shè)計(jì)方案、調(diào)度運(yùn)行原則及辦法。

文章編號(hào)：1007-7596(2016)04-0160-03

[收稿日期]2016-03-25

[作者簡(jiǎn)介]付寧(1965-)，男，黑龍江齊齊哈爾人，教授級(jí)高級(jí)工程師，現(xiàn)任農(nóng)墾設(shè)計(jì)院副總工程師，期間曾獲省科技進(jìn)步獎(jiǎng)1項(xiàng)，二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，三等獎(jiǎng)多項(xiàng)。

中圖分類號(hào)：TV212.5+4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B