一种适宜于平原区农田的排蓄沟渠系统

摘要

本发明公开一种适宜于平原区农田的排蓄沟渠系统，包括由大沟、中沟、小沟、田头沟与田间沟相连构成篦式排蓄沟渠或梳式排蓄沟渠，所述大沟的间距为2000～3000mm，大沟的顶面宽度为18～22m，大沟的底面宽度为4～6m，大沟的深度为4～6m，大沟的长度为10000～20000m；本发明可以均衡农田水资源排蓄工程，以不同生长期农作物所需的水分为主线，通过调节沟网内的水位来调节地下水水位，给作物生长适宜的土壤水含量，充分高效地利用水资源，减少涝渍水对农田作物的影响，同时干旱时期沟网蓄水又能补充作物生长所需水分，减少干旱对作物的影响，提高农作物产量。

说明书

技术领域

本发明涉及农田沟渠与灌溉技术领域，具体是一种适宜于平原区农田的排蓄沟渠系统。

背景技术

平原区浅层地下水是农灌区的主要灌溉水源，地下水位的动态变化与农田沟渠排水系统的调节密切相关。土壤水是降水、地表水和地下水相互转化的纽带，主要受到降水入渗补给及地下毛管水的补给，农田土壤水分少对农作物生长至关重要：若土壤水分处于适宜作物生长的范围，就不需要灌溉；否则需要考虑灌溉或者排水；农作物如何在地表水、土壤水和地下水之间封闭循环中获取不同生长阶段所需的水分，同时防止水分过多，排水不利，产生渍害。

降水是平原区流域水资源的主要来源，在平原区，特别是连成片的农田，地形相对平坦，排水缓慢，易成涝渍、降水时空分布不均、旱灾多发等特点，农田的排水系统能够显著提高区域排水能力，加快地表径流的产汇流过程，产生大量无法利用的涝渍水，降低了地表水资源的可利用量。同时，降水入渗明显减少，农田土壤水分不足，地下水难于得到有效的补充。土壤水分不足使得深层土壤散发进一步加剧地下水的消耗，导致地下水位明显下降。

不同土壤类型，其水力传导度不同，农田土壤类型的不同对沟中的水位高度要求也需相应的变化。在沟中相同的水位高度，当土壤的水力传导度较低，在两沟中央的地下水埋深较浅，不理想；当土壤的水力传导度较高，在两沟中央的地下水埋深较深，除渍效果较好。所以，如何构建一套适合于平原区农田排蓄沟渠系统来指导农业生产和排水灌溉是一个函待解决的重要课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适宜于平原区农田的排蓄沟渠系统，该排蓄沟渠系统能够。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种适宜于平原区农田的排蓄沟渠系统，包括由大沟、中沟、小沟、田头沟与田间沟相连构成篦式排蓄沟渠或梳式排蓄沟渠，所述大沟的间距为2000～3000mm，大沟的顶面宽度为18～22m，大沟的底面宽度为4～6m，大沟的深度为4～6m，大沟的长度为10000～20000m；所述大沟、中沟、小沟、田头沟与田间沟的布局按照以下公式确定：

（1）

（2）

（3）

（4）

公式（1）～（4）中T为地下水水位下降深度对应的时间，a与n为待定参数，J为地下水面坡降，∆h为地下水水位与稳定沟渠的水位之差，L为测井至各沟的距离，h为各沟的深度，r为影响半径，B为相邻两个大沟、相邻两个中沟以及相邻两个小沟的间距，S为田头沟之间的间距，∆L为实际降渍沟深度；根据排涝设计标准中的沟系断面标准，将大沟、中沟、小沟的深度带入公式即可确定排蓄沟渠系统的布局。

排蓄沟渠系统的布局过程可按照下列步骤进行：

S1、获取平原区农田系统内的农田区域地下水水位，获取调蓄工程对地下水水位的影响程度和范围、确定植物生长的适宜土壤水含量与地下水水位控制其阈值；获取调蓄工程对地下水水位的影响程度和范围可以采用改变调蓄工程的水位，观察地下水水位的变化，并记录水位变化量的方式；

S2、根据调蓄工程对地下水水位的影响程度和范围，以及地理环境确定大沟、中沟、小沟、田头沟和田间沟的布局与规划；大沟、中沟、小沟、田头沟和田间沟的布局包括各个沟的布局方式以及各个沟长度、宽度、间距和沟深，其中布局方式包括篦式和梳式；

S3、根据植物生长的适宜土壤水含量和地下水水位的阈值范围，获取植物生长的适宜大沟、中沟、小沟、田头沟和田间沟中的水位范围；具体为通过调蓄工程水位对地下水水位的影响程度和范围，得到植物生长的适宜土壤水含量和地下水水位的阈值范围所对应的调蓄工程的水位范围，进而得到植物生长的适宜大沟、中沟、小沟、田头沟和田间沟中的水位范围；

S4、根据获取的植物生长的适宜大沟、中沟、小沟、田头沟和田间沟中的水位范围，实时控制大沟、中沟、小沟、田头沟和田间沟中的水位高度，也即向大沟中补给水或排放大沟内的水。

本发明的有益效果是：

一方面，本系统保证了农田中多余的地表水及时排出，避免形成涝渍水；另一方面，本系统通过涝渍水的回收和重复利用，补偿区域土壤水和地下水。以不同生长期的农作物所需水分为主线，依据调蓄工程对地下水影响程度和范围的定量分析，在降雨或者干旱期适时排水或者蓄水，合理优化布局农田排涝降渍排水系统工程和调蓄工程，，结合土壤墒情预报和监测以及地下水资源的控制红线、沟洫工程对地下水影响及回补，层层监控和规划，确定作物生长的适宜土壤水和地下水控制阈值，达到适时适度地调控沟渠地表水、田间土壤水及地下水位的“三控”目的。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是本发明中大沟、中沟、小沟、田头沟和田间沟的结构示意图；

图2为篦式排蓄沟渠的示意图；

图3为梳式排蓄沟渠的示意图。

具体实施方式

结合图1～3所示，本发明提供一种适宜于平原区农田的排蓄沟渠系统，包括由大沟1、中沟2、小沟3、田头沟4与田间沟5相连构成篦式排蓄沟渠或梳式排蓄沟渠，所述大沟1的间距为2000～3000mm，大沟1的顶面宽度为18～22m，大沟1的底面宽度为4～6m，大沟1的深度为4～6m，大沟1的长度为10000～20000m；所述大沟1、中沟2、小沟3、田头沟4与田间沟5的布局按照以下公式确定：

（1）

（2）

（3）

（4）

公式（1）～（4）中T为地下水水位下降深度对应的时间，a与n为待定参数，J为地下水面坡降，∆h为地下水水位与稳定沟渠的水位之差，L为测井至各沟的距离，h为各沟的深度，r为影响半径，B为相邻两个大沟、相邻两个中沟以及相邻两个小沟的间距，S为田头沟之间的间距，∆L为实际降渍沟深度；根据排涝设计标准中的沟系断面标准，将大沟、中沟、小沟的深度带入公式即可确定排蓄沟渠系统的布局。

排蓄沟渠系统的布局过程可按照下列步骤进行：

S1、获取平原区农田系统内的农田区域地下水水位，获取调蓄工程对地下水水位的影响程度和范围、确定植物生长的适宜土壤水含量与地下水水位控制其阈值；获取调蓄工程对地下水水位的影响程度和范围可以采用改变调蓄工程的水位，观察地下水水位的变化，并记录水位变化量的方式；

S2、根据调蓄工程对地下水水位的影响程度和范围，以及地理环境确定大沟、中沟、小沟、田头沟和田间沟的布局与规划；大沟、中沟、小沟、田头沟和田间沟的布局包括各个沟的布局方式以及各个沟长度、宽度、间距和沟深，其中布局方式包括篦式和梳式；

S3、根据植物生长的适宜土壤水含量和地下水水位的阈值范围，获取植物生长的适宜大沟、中沟、小沟、田头沟和田间沟中的水位范围；具体为通过调蓄工程水位对地下水水位的影响程度和范围，得到植物生长的适宜土壤水含量和地下水水位的阈值范围所对应的调蓄工程的水位范围，进而得到植物生长的适宜大沟、中沟、小沟、田头沟和田间沟中的水位范围；

S4、根据获取的植物生长的适宜大沟、中沟、小沟、田头沟和田间沟中的水位范围，实时控制大沟、中沟、小沟、田头沟和田间沟中的水位高度，也即向大沟中补给水或排放大沟内的水。

根据调蓄工程对地下水水位的影响程度和范围，以及地理环境确定大沟1、中沟2、小沟3、田头沟4和/或田间沟5的布局确定方法为：根据公式（1），大沟1闸控自由排水，中沟2和小沟3受变动回水顶托的公式为，大部分为农作区和大沟翻板闸门控制排水公式为。

由于一般旱作物耐淹时间不允许超过三天，以使用雨后36小时内田面中心地下水位降至地面下0.3m为准，田头沟4之间的间距与沟深的公式为：

带入地下水水位随调蓄工程水位的变化量，可获得沟渠沟深与影响半径的关系、相邻两个大沟、相邻两个中沟和相邻两个小沟的间距，以及各个沟渠的沟深，并根据地理环境进而确定各个沟渠的布局；再带入各个沟的深度，即可得到排蓄沟渠系统的布局，a和n分别取12.0和0.318，表示沟渠排水畅快，具体见表1和表2所示：

表1沟渠规格及布置方式数据表

表2沟渠每平方公里工程建设标准计算表

在淮河流域平原区，特别是连成片的农田，地形相对平坦，排水缓慢，易成涝渍、降水时空分布不均、旱灾多发等特点，普遍采用明沟排水方式，当地下水埋深过浅时，容易产生渍害；不同种类的作物，对浅层地下水位的埋深要求不同，同一种作物在不同的生长阶段对地下水位的埋深要求不同，也就要求沟渠出口处水位的高度进行相应的调整；在沟渠中相同的水位高度，当土壤的水力传到度较低，在两沟渠中央的地下水埋深较浅，不理想；当土壤的水力传到度较高，在两沟渠中央的地下水埋深较深，除渍效果较好；要使沟渠中央的地下水埋深满足作物生长要求，田间土壤低水力传导度，则要求较低沟渠水位，土壤高水力传导度，则要求较高沟渠水位。

本系统通过在河流或沟渠的出口处安装控制闸门或控制堰等控制设施，控制出口处水位、流量，从而控制上游整个沟渠系统的水位；由于沟渠中的水位升降，直接影响到沟渠之间农田的浅层地下水位升降，从而实施地下水位控制。由于安装在橡胶坝、控制闸门或控制堰，大沟1上游的沟系是连通的，升高大沟1的出口水位，整个控制区域的沟系水位上升，则影响整个控制区域的农田浅层地下水位上升；相反，降低大沟1的出口水位，则整个控制区域的沟系水位下降，整个控制区域的农田浅层地下水位下降。

沟渠的布置方式分为两种，一种为篦式，另一种为梳式，沟渠的级数取决于大沟排水面积的大小，各级沟渠之间的衔接视地形而定，不一定非要垂直于，且平坡地形按梳式布置，波浪地形按篦式布置。

在本发明的一个实施例中，控制大沟1在蓄水阶段影响地下水水位范围随大沟1间距的变化而变化，起初蓄水阶段大沟1影响范围小，随着时间的推移，影响范围不断增加，当大沟1水位趋于稳定时，影响范围接近大沟1间距的1/2。当大沟1间距为2000～2200m时，其影响范围为大沟一侧800～1200m，平均为1000m；当大沟间距为1540m时，其影响范围为大沟一侧400～800m，平均为600m。

中沟2之间的间距取500m～1000m，沟深为1.5m-2m，口宽为8m～10m，底坡为1/5000，边坡为1:1.5或2.0；小沟3之间的间距取150m～300m，沟深为1m～1.5m，口宽为4m～6m，底坡为1/3000，边坡为1:1或1:1.5；田头沟4的沟深为0.7m，田头沟4之间的间距约为40m，使得田头沟4的控制面积约10亩，小沟3的控制面积约200～450亩，中沟2的控制面积约2500亩，大沟1的控制面积约15000亩。

此方法设置的排蓄沟渠，可以承受5～10年一遇的暴雨洪水，连续阴雨15～20天的排涝除渍要求，沟渠在灌溉的同时还可以作为蓄水池蓄积雨水。在正常雨水情况下，小麦对地下水埋深的最佳要求为1m～1.5m，大豆对地下水埋深的最佳要求为0.8～1.2m左右，玉米对地下水埋深的最佳要求为0.8m～1.3m，如遇雨水特丰或特枯，则对地下水要求相应要低些或高些。

本发明可以均衡农田水资源排蓄工程，通过调节沟渠内的水位来调节地下水水位，给作物生长适宜的土壤水含量，充分高效地利用水资源，减少涝渍水对农田作物的影响，同时干旱时期沟渠蓄水又能补充作物生长所需水分，减少干旱对作物的影响，提供农作物产量。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。