水资源与农田水利8

1、第六章农田排水 1第一节排水原理 一、农田水分过多对土壤和作物的影响 二、农田排水的任务和排水指标三、农田排水工作中应考虑的基本事项 2一、农田水分过多对土壤和作物的影响农田水分过多是指由于降水或洪泛产生地面径流不能及时排除时的淹水状态和由于地下水位过高、土体构型不良或土质过于黏重、土壤透水性差造成的土层滞水的情况。淹害 、渍害 、盐害在农业生产实际中，水分过多是涝洼低产土壤生产力发挥的主要障碍因子，因而排水除涝和降低地下水位就成了改良涝洼地和盐碱地的关键性措施。农田排水的重要性不仅体现在将生产潜力很大的涝洼、盐碱地改造成高产稳产农田方面，而且在灌溉地区，尤其是在干旱、半干旱地区也需要有完备的

2、排水条件。 3二、农田排水的任务和排水指标农田排水的任务是通过合理地采取工程、农业和生物等措施及时排除田间多余、有害的水分，降低地下水位并使之维持在一定深度范围，使作物根系层的土壤水分状况适于作物生长。排水的目的：减少洪涝淹渍为害，提高土壤肥力，实现农田的高产稳产排水任务的农田排水系统的排水标准有来自控制地面淹水深度、淹水时间和控制地下水位两方面的要求。 (一)地面排水指标：耐淹时间和耐淹水深 (二)控制地下水位指标：地下水埋深 4三、农田排水工作中应考虑的基本事项：来源农田过多水分的来源主要有：1大量降雨，水量集中。2河流洪水泛滥，淹没农田。3地区外有径流入侵或地势低洼地下水汇集，造成地下水

3、位上升。4不合理的灌溉等。 5三、农田排水工作中应考虑的基本事项：原因地形 盆地地形周围有水汇集，或地势过于平坦，坡度小出流不畅。外水顶托 汛期外河水位高于内水，排泄困难。排水能力不足排水系统不完备 如排水沟道的布置、数量、坡度、维修养护及排水口的位置不适当等造成不具备应有的排水能力。土质过于黏重或下层土壤有隔水层 6三、农田排水工作中应考虑的基本事项：措施治理农田水分过多的措施可概括为以下五个方面：1防止高地地面径流和地下径流向低地汇集。2加速地面径流的排出。3加速地下径流的排出，把地下水位控制在允许的深度范围。4排除滞留在作物根系层土壤中的多余水分。5改善土壤结构性，提高土壤的通气透水能力

4、，加速土壤水的下渗和出流。 7三、农田排水工作中应考虑的基本事项：事项在进行排水规划设计时还应考虑以下事项：(1)区分防洪除涝排水和控制地下水位排水；(2)要极力避免有外水流入 ；(3)尽可能采用自流排水；(4)排蓄结合；(5)注意排水区域内作物构成的多样性。 排水规划设计的主要内容有确定排水区域、踏查勘测、选择防止外水侵入的措施、确定总排水口位置、确定排水指标和除涝设计标准，划分排水区内的排水小区，选择排水方法，布置排水沟道，对排水沟道进行纵横断面设计，制定排水系统的管理方案等。排水系统布置一般与灌溉系统布置同时进行，其规划布置原则和依据设计流量、沟深等进行水力计算，设计沟道的纵横断面等内容

5、 8第二节排水沟的设计流量及设计水位一、除涝设计标准 二、排涝设计流量的计算三、日常设计流量的计算 四、排水沟的设计水位 9一、除涝设计标准除涝设计标准一般是用发生某一频率(或重现期)的暴雨而不受灾的这一暴雨雨量和降雨历时来表示的，亦被称之为设计暴雨。目前，中国大多数地区采用重现期为510年一遇(频率P=2010)的暴雨作为除涝设计标准，条件较好的地区或有特殊要求的粮棉基地和大城市郊区等地可适当提高标准。通常除了设计暴雨的雨量大小和历时长短外，除涝设计标准还同时规定了根据作物耐淹能力确定的允许排水时间，不少地区采用一日暴雨2d或3d排除，三日暴雨3d或5d排除为标准。除涝设计标准是确定排涝设计

6、流量和排水工程规模的重要依据，应考虑农业现代化建设的要求，以中央和地方有关部门颁发的规范、规程为依据，结合各地区经济发展要求和投资、劳力等可能条件，考虑受灾情况、治理难易和工程效益等，综合分析确定。 10二、排涝设计流量的计算排水设计流量是设计排水沟道和排水设施的依据。排水设计流量又有排涝设计流量(地面排水设计流量)和日常设计流量之分。排涝设计流量系指在发生除涝设计标准规定的暴雨时，排水沟所能通过的最大流量或平均流量。可见排涝设计流量是由除涝设计标准及排水沟道控制的排水面积大小决定的。确定排涝设计流量常用的方法有经验公式法和平均排除法。 11经验公式法降雨产生径流的流量是随时间变化的，表示流量

7、随时间变化的曲线被称为流量过程线。典型的流量过程线如图64所示。流量过程线的形状取决于降雨特性及降雨区的地形、植被和土壤条件等。为了保证排水通畅和排水沟道、排水设施的安全，排水系统应按发生除涝设计标准规定的暴雨所产生的最大径流流量Qmax(洪峰流量)进行设计，但由于以分析计算的方法很难准确地推求出Qmax值，所以实际工作中确定排水沟流量多用经验公式的方法。 经验公式法就是在统计分析实测资料的基础上建立某区域洪峰流量和设计净雨深、集水面积之间的关系式，据此推求排涝设计流量。排水区单位面积上的排涝流量被称作排涝模数一般是首先推求出在除涝设计标准下排水区内平均到每平方公里排水面积上的最大排涝流量。然

8、后再以排涝模数乘以某沟道所控制的排水面积即得到该沟道的排涝设计流量。 上述经验公式法多适用于控制大面积排水的骨干沟道，而不宜应用于农田田块等小面积排水沟道的设计。12平均排除法对于控制面积较小的排水沟道来说，由于在不同位置产生的径流到达排水沟的时间相差不多，且在不超过作物耐淹时间的条件下，可以允许短时间内漫溢田间排水沟道。排涝设计流量不必依最大流量或最大排涝模数设计，而可以按将排水面积上设计净雨量在规定的排水时间内排出所要求的平均排涝流量加以确定，即 13水田地区确定排涝设计流量的平均排除法 水田降雨产生的净雨量不同于旱田，水田具有调蓄雨水的能力，即降雨初期雨水能蓄于田内，只有当积水深度超过某

9、一限度后才会影响水稻生长。因此，水田的排涝设计流量和排水模数应以下式计算： 以上述各式计算排涝设计流量时，若排水区内既有旱田又有水田，应先分别算出水田和旱田的排涝流量或排涝模数，然后再按水、旱田面积的比例来算出综合排涝模数和排涝设计流量，计算公式如下： 中国南方圩区的形式较为多见，圩区内部以种植水稻为主，但也可能有部分旱田，圩区内河沟汛期可以预降蓄水，故其排水流量可按下式计算： 14三、日常设计流量的计算 地下排水流量自降雨开始后也同样有一变化过程，有一流量高峰，此高峰要比地面径流洪峰来得迟一些，当这一地下径流高峰过后地下水位逐渐回落，直至要求的一定的排水控制深度，以后排水沟排出的地下水流量称

10、为日常流量或排渍流量，它是一较小的数值。日常设计流量在设计计算中常用来校核排水沟的最小流速(不淤流速)。单位面积上的日常设计流量称为设计地下水排水模数，其数值的大小决定于地区的土质、水文地质及气象条件，也决定于排水沟密度等因素，通常使用的多是由分析当地或邻近地区的实测资料而得到的经验数值。 当求出地下水排水模数后即可根据各级沟道所控制的排水面积，计算出地下水排水设计流量：Q地下 q地下A排水沟的纵模断面应按地面径流和地下径流排水量之和进行设计，但由于地下径流与地面径流相比流量值很小，通常可以忽略不予考虑。15 四、排水沟的设计水位 排水沟道系统设计一方面要满足排涝设计流量的要求，另一方面还要满

11、足控制地下水位、养殖等对排水沟道水位的要求，大型沟道还要满足通航的要求。从土壤工作方面考虑，田间排水沟道的水位应首先满足控制农田地下水位的要求，即排渍水位的确定及推求是重要的。排渍水位又称日常水位，即排水沟内需要经常维持的水位。 排渍水位主要为控制地下水位的要求所决定，在一般情况下，排水沟内水面距离地表的深度应大于允许地下水埋深O.20.3m以上，故多大于1.21.5m，而在有盐碱威胁地区在质地中等的土壤上排水沟内水面至地表垂直距离大多在2.22.6m以上。由于沟道内的水面比降和局部水头损失所致，各级沟道的日常水位逐级下降，某级沟道出水口处的日常水位可由下式推算得出： 在自流排水情况下，按上式

12、推求的干沟沟口的日常水位应高于外河的平均枯水位或与之相平。逐级排涝水位的推算方法与排渍水位的推算方法基本相同，推算得出的干沟排水口处的排涝水位也应高于外河的设计洪水位才能实现自流排水。 由排水沟内水面至地表的距离和排水沟的深度有如下关系： 16第三节 田间排水沟的沟深与间距的确定 要满足排除地面积水的要求，排水沟的间距及断面的诸要素应根据降水、作物的耐淹时间和耐淹水深、田面坡度及机耕要求等确定，即这些因素都和排水沟的设计流量大小有关。本节将从控制地下水位的要求出发重点讨论田间排水沟的深度和间距问题。(以下自学，但要求写出总结）一、土壤物理性质与农田排水沟沟深、间距及地下水位沉降速度的关系(一)

13、地下水运动基本方程 (二)土壤物理性质与排水沟沟深和间距的关系二、排水沟的沟深与间距的关系及其数值的确定三、排水沟沟深与间距确定的理论计算式 (一)稳定流条件下的确定排水沟沟深与间距的计算式 (二)非稳定流条件下排水沟沟深和间距的计算式四、地下水位动态观测 17一、土壤物理性质与农田排水沟沟深、间距及地下水位沉降速度的关系(一)地下水运动基本方程 地下水运动有承压、非承压两种情况，农田排水地下水出流多数属于非承压地下水运动： 其物理模型为在土体的下部有不透水层，土壤均质；土层内无沿排水沟方向水流，且假定在时间dt内地下水位由曲线1变化为曲线2，降雨或过量灌溉等引起人渗其强度为。 AB由于地下水

14、运动是饱和土壤水运动，所以K为饱和土壤导水率，是一常数；另外，一般情况下地下水位在两排水沟间的变化远小于地下水位到不透水层的距离，故为了方便计算可用地下水位平均值H代替H，而把曰视为一常数，这样就有 地下水运动基本方程 18(二)土壤物理性质与排水沟沟深和间距的关系在地下水得到降雨和灌溉的补给，且补给强度一定时，随着排水时间增长，入渗补给的水量与排水沟排走的水量会趋于相等，地下水位将趋于稳定而不随时间变化，此时地下水位沉降曲线呈抛物线状，地下水位最高点位于两排水沟中间L/2处。 总之，在地下水埋深要求一定和排水沟深度相同时，砂性土和结构性良好的土壤上的排水沟间距要大于黏质土壤和结构性差的土壤；

15、换言之在排水沟间距相同时，在砂性土和结构性良好的土壤上的排水沟的沟深可较黏质和结构不良土壤上的浅些。 19二、排水沟的沟深与间距的关系及其数值的确定设计排水沟时，一般是首先根据作物生长所要求的地下水埋深、排水沟边坡稳定条件、施工难易程度初步确定排水沟的深度，然后再确定相应的排水沟的间距。当作物允许的地下水埋深H一定时，排水沟的深度D可写为： 在非盐碱化土壤地区，H是依据作物的高产要求而定的，其取值范围可参考表62，通常多在1.O1.5m之间，所以排水沟的沟深大都在1.32.0m；而在土壤盐碱化地区为了防止矿化地下水中的盐分上升至地表，改良盐碱地，应将地下水位严格控制在临界深度以下。地下水的临界

16、深度除受土壤质地、孔隙状况的影响外，还与气象、地下水矿化度等多种因素有关，因此这时的H应通过实地观测和调查确定之。 排水沟的深度确定后，根据沟深确定排水沟的间距，亦应通过实地试验或参考相似地区的资料进行。 20三、排水沟沟深与间距确定的理论计算式 (一)稳定流条件下的确定排水沟沟深与间距的计算式 两排水沟的间距为L，地下水在L/2处向两侧分水流出，且由两侧流人排水沟的单位宽度流量为q。现设定给水入渗强度不变，故排水至地下水位沉降曲线一定时，q亦不随时间变化，此即为稳定流条件。 稳定流条件下的排水沟间距与沟深的关系式21三、排水沟沟深与间距确定的理论计算式 (二)非稳定流条件下排水沟沟深和间距的

17、计算式 多量降雨或过量灌溉后，造成地表径流和地下径流汇集于田间排水沟道，箬此时的来水量大于去水量，沟道内水位上涨，地下水位也随之上升，会出现地下水位与排水沟内水位平齐乃至水自排水沟内溢出地面呈淹水状态；当降雨或灌溉停止后，排水沟继续不断排水，排水沟内水位回降，地下水位也随之降低，而在这一排水过程中地下水排水流量随排水时间增长逐渐变小，此即为非稳定流条件。 非稳定流条件下的排水沟间距与沟深的关系式理论计算公式是在理想化条件下推导出来的，它们的成立是有条件的。所以计算结果常常会与实际情况不符，并与生产实践中采用的经验数值也不相一致。 运用理论公式计算排水沟的间距或沟深时，其结果需要结合实践经验加以

18、修正，或者说理论计算的方法只能用来作为实践经验方法的辅助或补充。 22四、地下水位动态观测地下水的水位、流量、水质等要素不断地随时间变化，其规律被称为地下水动态。重要性：农田的地下水动态直接影响着土壤的理化性质，决定着土壤的利用、改良方向。灌溉、排水、盐碱地冲洗改良及地下水的开发利用等水利和农业措施也会给农田地下水的动态以重大影响。因此，对农田地下水动态进行观测，找出其规律性，不仅是排水工作中确定排水沟间距和沟深试验之必需，而且对于整个农业生产的发展、进行水利建设也是重要的。观测井布置：观测地下水动态，一般是在观测地区建立一系列观测井，观测井的排列方式和布设密度等须视研究的目的、要求及观测地区

19、的地形、水文地质条件等具体情况而定。 观测项目：农田地下水动态的观测项目有水位、水温、水质、流速等。就农田地下水位的动态观测来说，主要是用于掌握地下水位的变化规律，试验确定农田排水沟的沟深和间距，评价灌溉和排水措施对地下水位的影响以及推求土壤饱和导水率等，因此观测内容不仅要有水位的高低，还要有水位变化的速度。使用仪器： 自动计位仪23第四节排水方法 目前在世界范围内使用的排水方法大体可以分为地面排水(明沟排水)、暗沟(管排水和竖井排水(垂直排水)几种。一、明沟排水 二、暗沟(管)排水三、竖井排水 四、农田排水的农业措施 24一、明沟排水明沟排水是一种在田间地面开挖沟道进行排水的方法。优点：利于

20、排除地面水，也能降低和控制地下水位，投资较低。缺点：占地多，不利于机耕和交通，沟道易于坍塌淤积，维修费工。在生产实际中，骨干排水系统都采用明沟，田间排水系统目前虽然有些地区已开始采用暗沟但仍以明沟为主。 (一)排水沟道系统的组成及其布置方法 (二)排水沟道的纵横断面设计 25(一)排水沟道系统的组成及其布置方法地面排水系统由田间排水沟网、输水沟道和容泄区等部分组成，在非自流排水区还要设抽水站。1田间排水沟网 田间排水沟通常是指农沟，它是最末一级固定沟道，而农沟及其下一级的毛沟(临时排水沟)被统称为田间排水沟网。 2输水沟道系统 输水沟道系统同灌溉渠道一样分为若干级，如干沟、支沟、斗沟等，从田间

21、农沟排出的水汇入斗沟后，再经过支沟和干沟逐级下泄，最后排泄到容泄区去。3容泄区 容泄区一般是指排水区外部的容纳排水区泄水的河流、湖泊、洼地而言，对于河网化的输水沟道来说，其本身也是容泄区，它既可容纳部分余水，又能把余水输送到外部的容泄区去。而在一些封闭洼地或洪水河道包围的低地，容泄区的水位高于输水沟道水位而不能自流排水时，则要采用机械排水，对此原则上是要依地形条件进行高低分片，分别采用自流排水和机械排水，高水高排，低水低排。 26(二)排水沟道的纵横断面设计 当排水沟道系统规划布置完了和设计流量及设计水位确定后，即可进行排水沟道的纵横断面设计。排水沟断面通常是按明渠均匀流进行设计，其水力计算及

22、设计的方法步骤同灌溉渠道的纵横断面设计。1排水沟的比降i 2排水沟道的边坡系数m 3排水沟道的糙率n4排水沟的不冲、不淤流速 在排水沟的纵横断面设计中，要遵守沟道的最高水位一般要低于地面O.20.3m以上，和下级沟道沟底不得高于上级沟道沟底以及上下级沟道衔接处要有一定的水位落差(一般为0.1O.2m)的规定。 27二、暗沟(管)排水 (一)暗沟(管)排水的特点 (二)暗沟(管)的类型 (三)暗沟(管)的布置形式及其施工 (四)暗沟(管)的养护与维修 28(一)暗沟(管)排水的特点暗沟(管)排水是在地面以下铺设沟(管)道进行农田排水的一种方法，这种方法是使过多的水分从暗沟(管)壁上的小孔或暗管的

23、接头处渗入沟(管)内，再经由排水沟管逐级下泄汇集，最后排人容泄区的。优点：1暗沟管可埋人地下较深，密度不受耕作要求和土地面积利用率高低等因素的限制。 2暗沟(管)埋设在地下，既减少了沟道占地面积，提高了土地面积利用率，又有利于农机耕作作业，便于农事活动，也节省清淤护沟的劳力。3在有条件地区干旱时可利用暗沟(管)进行地下浸润灌溉，灌排结合。缺点：暗沟(管)铺设成本较高，施工复杂费时；使用中出现故障(淤积堵寒等)难于查找和排除，以及有时排除地面水的能力不足等。因此，暗沟(管)排水常常同明沟排水配合使用。 29(二)暗沟(管)的类型1排水管类 使用的管类中有瓦管、陶土管、混凝土管和聚乙烯塑料管等。2

24、暗沟类 暗沟排水的作法是将小的石块或砂砾铺在预先挖好的排水沟内，在石块层上面覆盖一层砂或稻壳、秸秆等作过滤层，以防泥沙随水侵入沟内淤塞孔隙，然后再在过滤层上覆土整平地面。3暗洞类 暗洞排水是在田面以下一定深度利用特定机械设备打出象鼠洞一样的孔洞。土层中多余的水分渗过孔洞洞壁汇集于洞内排出田外的，故又有鼠道排水之称。 30(三)暗沟(管)的布置形式及其施工 暗沟(管)排水系统也可以分成数级，但暗沟(管)常常同明沟配合使用，即田块内集水用暗沟(管)，输水用明沟，所以暗沟(管)使用多限于田间排水沟网部分。至于从哪级开始使用明沟，则要根据具体情况而定。另外，在铺设暗沟(管)地块上根据需要也可以开挖临时

25、排水明沟，以利迅速排除地表径流。 暗沟(管)的布置形式根据排水农地的地形、涝渍程度、雨重、土壤质地等确定，其基本形式有如下数种，可供选择使用。 a形式主要用于地形低洼、土壤条件变化地块；b形式用于一侧与高地邻接、自高地有水渗入的地形地块；c形式适用于两侧向中央倾斜、中间低且地形狭长的地形地块；d和e形式适用于平地或水田。 31(三)暗沟(管)的布置形式及其施工暗沟(管)的埋设深度和间距除与土地条件有关外还因暗沟(管)的种类不同而异，暗沟(管)的坡降多取1/10003/1000，长度一般不宜过长。暗沟(管)铺设施工有机械铺设和人工埋设两种方法。一般说来埋设暗管有放样、开挖、铺设和回填几个步骤。 在明沟和暗沟(管)排水配合使用地区，应先修完明沟后再开始暗沟(管)施工，在地下水位高的地块上还要先修临时排水沟降低地下水位，以便施工。暗管铺设开挖土方的顺序是先出水口端后末端，而铺管的顺序则正相反，这样做的目的是为了减少地下水位高、沟中积水带来的不便。排水管铺设过程中要尽可能保证沟管平直，确保符合设计要求，若沟底地盘软弱要用砂石铺垫，铺设暗管时在暗管的周围要均匀地垫上适当厚度的稻壳、秸秆、砂石等物，作成过滤层，以防泥砂侵入淤塞暗管。回填过程亦应注意表土复原以减少对土壤肥力的影响。 32(四)暗沟(管)的养护与维修 暗沟(管)排水最易出现的问题是管道及排水口堵塞(埋没)，因此，管道