农田水利学-田间排水原理及方法

第七章农田排水——田间排水原理与方法第一节农田对排水的要求田间排水系统是指末级固定沟渠控制范围内的田间沟网或暗管系统。它是排水系统的基础，和骨干排水系统一起，共同完成排出多余地面、土壤水和地下水的任务，有效控制和调节农田水分状况，消除涝、渍，防治盐碱化，与灌溉系统一起创造适合农作物生长的良好环境。农田水分过多对作物而言有三种形式：一是地面水过多二是土壤水过多三是地下水位过高田间排水系统的根本任务就是汇集和排除农田中多余水量，降低和控制地下水位。一、地表水过多的危害与农田除涝农作物对受淹的时间和淹水的深度有一定的限度，如果超过允许的淹水时间和深度，将影响作物生长，重者导致作物死亡。所以必须有排水工程，将淹水时间和淹水深度控制在必要的范围内。排除地面多余的地表水的措施叫除涝。除涝指标有：耐淹历时:作物在一定的淹水深度下不影响产量的承受时间。耐淹水深：在一定的淹水时间内作物能够承受的淹水深度。作物种类生育期耐淹水深(cm)耐淹历时(d)棉花开花结铃期5～101～2玉米苗期～拔节期抽穗期孕穗灌浆期成熟期2～58～128～1210～151～1.51～1.51.5～22～3甘薯全生育期7～102～3春谷苗期～拔节期孕穗期成熟期3～55～1010～151～21～22～3高粱苗期孕穗期灌浆期成熟期3～510～1515～2015～202～35～76～1010～20农作物耐淹水深和耐淹历时参考表农作物的耐淹水深和耐淹历时，应根据当地的农作物耐淹试验资料分析确定，无试验资料时可按表选取。作物种类和生育阶段有关。棉花、小麦等旱作物的耐淹能力较差，10cm，淹1天就会减产，6-7天就会死亡，一般旱作物10-15cm盐水时间不超过2-3天。作物种类生育期耐淹水深(cm)耐淹历时(d)大豆苗期开花期3～57～102～32～3小麦拔节～成熟期5～101～2水稻返青期分蘖期拔节期孕穗期成熟期3～56～1015～2520～2530～351～22～34～64～64～6农作物耐淹水深和耐淹历时参考表据此可以确定排水时间的问题二、土壤水分过多与作物的防渍要求除防止水淹要求外，还应满足控制和降低地下水位的要求。为了保证农作物的正常生长，必须使农田土壤具有适宜的含水率。这就是防渍排水要求。降低地下水位、降低根系活动层土壤的含水量的措施叫除渍。a、治渍排水标准耐渍时间与耐渍深度：农作物排渍标准是指农作物不受渍害的农田地下水排降标准，用耐渍时间与耐渍深度表示。耐渍深度是指作物要求的地下水埋深。b、耐渍时间和耐渍深度与作物品种及生育期有关治渍排水工程应以满足农作物全生育期要求的最大排渍深度为工程控制标准，一般可视作物根深不同而选用0.8～1.3m。旱作区在渍害敏感期间可采用3～4d内将地下水埋深降至0.4～0.6m；稻作区在晒田期3～5d内降至0.4～0.6m；淹灌期的适宜渗漏率可选用2～8mm/d，粘性土取较小值，砂性土取较大值。三、地下水位过高与防止土壤盐碱化改良盐碱土对农田排水的要求1、土壤水盐运动理论盐随水来，盐随水去。在耕层土壤中，盐分随水运动，呈动态变化，主要受蒸发和渗漏影响。可用下式表示：S=(ET-D)C式中：S为土壤盐分变化量ET为时段内腾发量D为时段内深层渗漏量C为地下水盐分浓度ETD耕作土层防治盐碱化排水标准的确定应符合下列规定：1）深度：通常应以地下水临界深度为工程设计标准，当采用小于临界深度设计时，应通过水盐平衡论证确定。2）时间：防治盐碱化的排水时间一般可采用8～15d内将地下水位降到临界深度，并达到以下要求：a)在预防盐碱化地区，应保证农作物各生育期的根层土壤含盐量不超过其耐盐能力。b)在冲洗改良盐碱土地区，应满足设计土层深度内达到脱盐要求。2、防盐碱排水标准地下水临界深度的概念在一定的自然条件和农业技术措施条件下，为了保证土壤不产生盐碱化和作物不受盐害所要求保持的地下水最小埋藏深度，叫做地下水临界深度。影响因素：土壤质地、地下水矿化度、气象条件、灌溉排水条件和农业技术措施(耕作、施肥等)有关。hk地下水临界深度的确定根据土壤质地、地下水矿化度、降雨、灌溉、蒸发和农业措施等因素，通过综合试验确定；也可根据不同自然条件和农业生产条件，通过实地调查确定。当缺少上述资料时，可按表选用，或按下式近似估算：hk=hp+△z土壤毛管水上升高度安全超高地下水临界深度表(m)土壤质地地下水矿化度(g/L)22～55～1010砂壤、轻壤中壤重壤、粘土1.8～2.11.5～1.71.0～1.22.1～2.31.7～1.91.1～1.32.3～2.61.8～2.01.2～1.42.6～2.82.0～2.21.3～1.5四、农业耕作条件对农田排水的要求影响耕作质量的主要自然因素是土壤的物理机械性，而土壤的水分状况则是影响土壤物理机械性的重要条件。水分过少的土壤，土粒之间的粘结性很强，耕作费力，土块不易破碎，耕作质量差；土壤过湿则对耕作机械的粘着力增大，同样耕作费力，而且过湿的土壤可塑性很大，耕作时会形成不易疏松的大土块。因此，过干过湿均不利于耕作。一般在田间持水率的60%-70%较为适宜。第二节田间排水沟的深度和间距一、除涝田间排水沟其任务是及时排除雨后多余的地表径流。影响因素有大田蓄水能力、地面径流过程、排水沟的间距和深度等。大田蓄水能力:大田内部拦蓄雨水的能力称为大田蓄水能力。大田蓄水一般包括两部分：一部分储存在地下水面以上的土层中；另一部分补充了地下水，并使地下水位有所升高(不超过规定的允许高度，以免影响作物生长)。排除地面水一般采用超蓄排水法，或超渗排水法，即在扣除大田蓄水或渗水之后多余的部分才要排除。因此,首先要确定大田能蓄多少水，以此确定排水沟的排水能力。（一）、大田蓄水能力通过大田蓄水能力主要解决排除水量的问题V=H(θmax-θ0)+H1(θs-θmax)在降雨量超过大田蓄能力后,就要及时排除,否则就会影响作物生长。▽▽HH1θmax-θ0θs▽需排除的水分耕层蓄水排除水量：R=P-V地下水位上升蓄水altii11tiIlVTti10)(110)(iVTt在设计排水沟间距时，一般是以作物允许淹水历时作为主要参数之一。但作物淹水历时必须以雨水渗入田间的限度（即大田蓄水能力）加以校核，如果根据大田蓄水能力确定的允许淹水历时小于作物允许淹水历时，则在设计间距时应采用根据大田蓄水能力确定的允许淹水历时为依据。式中：t为降雨历时；T为允许淹水历时a为系数，0.3-0.8入渗速度和入渗量公式大田蓄水能力校核大田蓄水能力对排水沟的影响CII（二）、田面降雨径流过程分析排水沟及其间距对地面积水深度和积水历时的影响。田面降雨径流过程（三）、田间排水沟间距田间排水沟如果布置过密，虽然排水效果好，但田块分割过小，机耕不便，占地过多；相反，如排水沟的间距过大，则达不到除涝排水要求，影响作物正常生长。因此排水沟的间距(如不考虑机耕及其他方面的要求)与降雨时的田面水层形成过程以及允许的淹水深度和淹水历时、旱田蓄水能力有密切关系。设计中，在满足作物要求的情况下尽量使间距大一些，以节省土地、工程量、方便农事作业。经验间距单纯排除地面水的排水沟沟深视排水流量而定，一般不超过O.8～1.Om。兼有控制地下水位作用的明沟，其深度则视防渍和防盐要求而定。综合分析，田间排水沟的间距与田面降雨径流过程、允许淹水历时和旱田蓄水能力有关，情况复杂。实践中，一般：北方地区农沟一般间距多在150～400m之间，毛沟间距为30～50m。南方地区末级排水沟间距多为100～200m。二、控制地下水位的田间排水沟地下水位的上升是造成渍害和土壤盐碱化的重要原因。为防治渍害和盐碱化，在地下水位较高或有盐碱化威胁的灌区，必须修建控制地下水位的田间排水沟，以便降低地下水位。bc▽a▽无排水1、无排水沟雨后地下水的升、降过程（一）、排水沟对地下水位的调控作用a’b’▽▽有排水2、有排水沟雨后地下水的升、降过程cc’dd’ee’▽▽c、d、e无排水c’、d’、e’有排水（二）、田间排水沟的深度和间距排水沟的深度与间距之间有着密切的关系，在一定的条件下，为达到排水的要求，可以通过不同的沟深和间距组合来实现。▽▽▽▽▽▽L2L2L2▽h2L1s2△H△h1D1D2S11、深度与间距的关系▽▽▽▽▽▽L2L2L2▽h2L1s2△H△h1D1D2S12、排水农沟设计步骤——D与L的确定设计排水农沟时，首先根据作物要求的地下水埋深、排水农沟边坡稳定条件、施工难易等初步确定排水农沟的深度D，然后再确定相应的间距L。D的确定：当作物允许的地下水埋深△H一定时，排水农沟的深度D可用下式表示：D=△H+△h+S▽▽L△H△hDSDD=△H+△h+SD=△H+△h+S式中△H——作物要求的地下水埋深，m；△h——当两沟之间的中心点地下水位已降至△H时，地下水位与沟水位之差。此值视农田土质与沟的间距而定，一般不小于0.2～0.4m；S——排水农沟中的水深，排地下水时沟内水深很浅，一般取0.1～0.3m。排水沟间距L的确定由于影响田间排水沟间距的因素错综复杂，目前主要是根据试验资料和实践经验来制定。根据我国一些地区试验资料分析统计，不同土质、不同沟深时满足旱作物控制地下水位要求的排水沟间距的大致范围，可供参考。a、结合除涝的田间排水沟一般采用明沟形式。既要考虑除涝排渍的要求，又要考虑够到占地和机械耕作的要求，综合分析确定。一般农沟深1.5-2m，间距长100-200m，或深2-3m，间距长200-400m。b、控制地下水位的排水沟可以参考下表c、盐碱化地区的排水沟地下水位要降到安全深度一下，达到控制盐碱的目的。可以参考下表3、影响排水沟深度和间距的因素在一定的排水沟深的条件下，要求的排水沟间距与土层的导压系数（水位传导系数）：α＝kH/μ有着十分密切的关系。k为土壤的渗透系数H为含水层平均厚度μ为土壤的给水度（1）导压系数土壤、蒸发、地下水补给、地下水含水层厚度、排水时的水的流态均影响排水沟深度和间距。α与L的关系◆α值愈大，排水沟(管)的间距可愈大，亦即土壤渗透系数愈大，含水层厚度愈大，土壤给水度愈小，满足一定地下水位控制要求的排水沟间距可愈大；◆反之，土壤渗水性愈差(土壤愈粘重)，含水层厚度愈小，土壤给水度愈大，排水沟间距愈小。αLαL▽▽L△H△hDSD（2）排水沟(管)的深度D与地下水的下降值△H关系◆在同一排水沟间距L的情况下，沟深愈大，地下水下降愈快；反之，沟深愈小，地下水下降愈慢。◆在允许的时间内要求达到的地下水埋藏深度△H一定时，排水沟的间距L愈大，需要的深度D也愈大；反之，排水沟的间距L愈小，要求的深度也愈小。LDD△H▽▽L△H△hDSD（3）排水沟间距L与地下水的下降值△H关系在同一排水沟深度D的情况下，排水沟的间距L愈小，地下水下降速度愈快，在一定时间内地下水的下降值愈大；反之，排水沟的间距愈大，地下水下降愈慢，在规定时间内地下水的下降值也愈小。L△H▽▽L△H△hDSD第三节田间排水系统的布置一、田间排水方式与布置形式1、排水方式1）明沟排水2）暗管排水3）竖井排水2、田间排水沟布置形式排水沟的布置一般与灌渠结合布置分别有相邻、相间、合一等形式；沟、渠、路、林的布置形式在渠道布置中已介绍，这里都不再讲。◆在易旱易涝易碱地区,在要求控制地下水位的末级排水沟间距为100～150m时，则在田间可以仅设毛沟。◆农沟及毛沟均应起控制地下水位的作用，毛沟深度一般至少1.0～1.2m，农沟则应在1.2～1.5m以上。◆如要求的末级排水沟间距在30～50m以下，则在农田内部采用两级排水沟(毛沟、小沟)。二、田间明沟排水系统布置要求◆排水农沟的纵坡主要决定于地形坡度。为了排水通畅和防止冲刷，其纵坡一般为0.004～0.006，最大不得超过0.01。横断面一般为梯形，边坡视土质而定。◆为了满足施工和管理要求，沟底宽度一般不小于0.3～0.5m。◆农业机械作业对排水要求的排渍深度，一般应控制在0.6～0.8m。因为如果土壤太湿，农业机械无法耕作。三、地下暗管排水系统地下排水暗管(沟)在我国南北方地