黑龙江三江平原大型灌区设计中关键技术问题分析

付　宁

(黑龙江农垦勘测设计研究院，哈尔滨 150090)



黑龙江三江平原大型灌区设计中关键技术问题分析

付宁

(黑龙江农垦勘测设计研究院，哈尔滨 150090)

摘要：“十二五”期间以来，黑龙江省在三江平原相继新建或改扩建了一批大型灌区，设计中曾遇到一些现有规范及经验无先例可循的问题。作者根据其共性与技术难点归纳了以下问题：一是水资源利用思路；二是灌排结合方式规划设计要点；三是大型灌区设计难点及技术要点。笔者在设计中采用了不少有利于传统的一些设计方法。可供同仁共商或参照。

关键词：三江平原；大型灌区；水资源；开发方式；灌排结合；设计要点；技术难点；总结分析

近些年来，黑龙江省陆续开工建设了一批大型灌区，在设计过程中遇到很多以前未遇到的问题，根据已有规范及经验没有先例可遵循，本文针对其中的具有普遍性的问题及关键技术难点进行介绍及分析，一是对已有工作的回顾和总结，同时也希望对其他工程有一定的借鉴意义。

1水资源利用思路

常规灌区设计思路为单灌、单排，此方式已经有很成熟的设计方法。目前新建灌区多是在已有的灌区基础上进行整合重新布置，现有灌区渠系及灌溉方式基本形成，排水体系大致形成；特别是在原有涝区治涝范围内新建的灌区，不宜打破原有排水体系；否则会造成大面积占用耕地，农户无法接受、征占地投资巨大及具体实施中也难于推进；同时目前现有水田多数为井灌，全部废除一是浪费投资，再者造成引地表水工程规模巨大。因此在一些大型灌区设计中，结合农垦系统特有的的、已经运行多年成熟的灌排结合模式，采用地表水地下水联合调度的方式进行了设计；设计中采用的有别于传统的一些设计方法如下：

1.1水资源开发利用方式

通过充分开发利用过境地表水，适量开采地下水，将灌溉排水系统和井渠系统进行有机结合，建设水田提水灌区。

具体设计中，利用井灌进行泡田期削峰，降低引地表水工程规模及渠系造价，生育期由地表水灌溉；在满足灌溉需求的前提下，通过总量控制，使多年形成的地下水漏斗近期不继续恶化，中期回补到一定程度，远期恢复到正常状态。

1.2水量平衡

常规设计地表水、地下水、灌区需水、蒸发及渗漏等是按照相对静态计算的，实际地下水从大区域看是动态的，对于大型灌区应该用动态的观点去看待此问题。

根据较长系列灌区内实测地下水位资料分析，三江平原典型地区江河水位及侧向补给与灌区内年际地下水位存在很强的相关性；理论计算该地区早已达到和超过了水资源利用和水田种植面积的极限；大面积发展水田多年，而未出现传统概念中的地下水枯竭现象，如用动态地下水观点考虑江河及临近区域地下水的侧向补给，就很容易解释并评价此现象了。

相关灌区设计中，从总量上已经论证了地表水及地下水联合调度的合理性及安全性，并已经得到了上至水利规划总院下至各级审批部门的认可；目前，各级研究部门对此已经立项，正在进行深入研究；如能够从土壤垂直渗透机理和江河侧向补给机理方面有所突破，并提供适合本区域的数字模型，将对以后本区域的水资源利用及后续其他灌区的设计工作提供更加坚实的理论支撑。

2灌排结合方式规划设计要点

2.1灌排结合方式需具备的基本条件及特点

水田灌溉区灌排渠道结合模式由于其节水、节地、取用水灵活、工程投资省的优点，近年来在农垦系统得到了广泛应用。

灌排结合模式的渠道一般在支、斗或干、支、斗级，主要适用于具有较完善的排水系统且便于和灌溉结合、地势平坦、黏土层较厚和地下水位无盐渍化的地区。

2.2灌排结合方式渠道布置原则

1)须同时满足灌溉和排水要求；

2)总干渠、总干沟原则应分开布设，不宜灌排结合；

3)如下一级渠(沟)为灌排结合时，其本级渠道宜布设在各排水区的分水岭；若田块两侧均设有排水沟，且地面坡降向一侧倾斜时，可将位于地势较高的一侧改建为以开挖为主的灌溉渠道；

4)井渠结合的渠道或末级渠道应只承担灌水任务，且满足自流灌溉要求。

2.3灌排结合方式建筑物布置原则

1)如灌排水方向相同的干、支渠(沟)，应在灌溉分水口设分水闸，在排水出口设节制(退水)闸；如干、支渠灌排方向相逆，则只在分(汇)水口设分水闸；

2)如下级渠(沟)道灌溉水位较高，需在渠道分水口下游设置节制闸。

2.4灌排结合方式主要布置型式

1)渠(沟)道内灌排水方向相同，即灌排口分别位于渠道上、下两端，灌排控制范围不在 同一区域，适用于干渠或支、斗渠较长，地面坡降较陡的沟渠；

2)渠(沟)道内灌排水方向相逆，即灌溉口只有一个，灌排控制范围同属一个区域，适用于支、斗渠较短，地面坡降较缓沟渠。

2.5水位线确定的基本方法

1)设计排水水位按常规方法推求确定。

2)设计灌溉水位原则上不应高于排水位，从渠道分水的灌溉两用渠(沟)分水口处设计水位同排水水位，当灌溉和排水方向相同时，则灌溉水位线同排水水位线；反之则以分水口处排水水位为起始水位，按明渠恒定非均匀流试算法推求各断面水深，以此确定水面线，同时要兼顾渠道断面的挖填方平衡。

3)灌排结合渠(沟)建议设置控制运行水位，其各级渠(沟)水面线原则上不高于地面(不出槽)。

2.6纵断面设计

对于灌排水流方向相同的渠道，尽可能与上下游渠底、沟底及水面平顺衔接；与原沟底坡降尽量相近，以节省工程量。

对于灌排水流方向相反的渠底坡降，尽可能放缓坡降，以减小挖深以便于反坡灌水。

2.7横断面设计

灌溉和排水方向相同的渠(沟)，按照明渠恒定均匀流公式分别进行计算，以两断面的外包线做为各渠(沟)段的设计断面。

如排水与灌溉引水方向相反，先按明渠恒定均匀流公式推算排水过流断面，再根据分水口的灌溉设计水位，用灌溉流量按明渠恒定非均匀流校核各段的过水能力；如不满足段则按灌溉流量用明渠恒定非均匀流逐段试算法修正水深和底宽，以此做为设计断面。

3大型灌区设计难点及技术要点

3.1江河引水分水口设计方案及分流比

天然状态下大型灌区水源部分分水口对应各设计频率下的主江道的分流比、行洪状态下的进水口结构设计方案，常规设计方法只能定性的确定方案，由于水位及流量变化较大很难精确地定量；设计中宜采用通过数模优化确定基本方案，最终由物模验证的方法。

3.2大型天然引水河道及人工引渠设计

3.2.1局部复杂情况处理

大型天然引水河道及人工引渠局部会有水流流出及外水汇入，其水流冲刷及泥沙淤积会严重影响灌区输水能力及安全；因水流条件复杂，设计中宜采用局部数模计算，主要解决外水交汇处渠底稳定及衬砌方案的优化设计问题，保证局部供水安全。

3.2.2引渠整体输水能力及水面线

因渠道长，其中节制、跨越建筑物多，按照常规流量及水面线计算方法，无法满足设计精度要求；特别是局部建筑物的水头损失无法精确判定，其对渠道终端的水位及渠顶高程的确定影响很大；常规设计方法局部建筑物水头损失取值较大、偏于安全，推算到渠道末端时，会造成误差累计使水面线偏低，实际供水时会造成渠顶水面线高于设计值；因此造成干渠渠顶超高不足、甚至冒水，同时会造成下级渠道挖深过大、浪费投资。

宜采用大规模数模模拟，使水面线接近真实；如工程规模较大，模型可控制在干、支渠范围内。

3.2.3利用河道作为引渠的防洪问题及中间泡泽、滞洪区设计

引水、排洪、滞洪、调节集于一体的渠道，其水文及水力计算比较复杂，传统方法组合方案工作量巨大，且各种设计工况还不一定考虑周全；采用整体数模计算验证设计方案的办法，能够较好地解决各类矛盾，为设计安全提供可靠保证。

通过数模验证灌溉水位、水面线， 特别是其他二级建筑物引水口附近的水位、流态及分流比；模拟验证天然河道退洪水时的流态、冲刷、淤积状态，以及外江、下游滞洪区洪水遭遇时水位顶托情况，验证、确定多个拦河枢纽闸的泄流能力、控制调度原则。

3.3大型渠道复杂地质及料场问题

大型渠道，沿途地质应采用局部加密勘探；主要解决局部软弱带、地下水偏高造成防渗顶托、大型节制跨越建筑物工程地质问题，为设计提供可靠依据。

无论开挖还是回填，一定要根据实际情况，按照设计精度勘探确定沿途料场。

3.4大型泵站

3.4.1基坑开挖防渗及降水方案

常规基坑降水方案往往引起基础细颗粒被带走、局部地层被抽空，造成地基沉降大于设计允许值，形成破坏；对于对地基沉降要求不高的中小型建筑物影响不大，对地基沉降要求较高的大型泵站宜采用防渗封闭的基础处理措施。

3.4.2大型泵站厂房整体稳定及计算

大型泵站往往采取整体结构，其对沉降、地基整体完整性有较高要求；特别是大型工程要求对地震力进行复核，宜采用有限元整体计算及分析。

3.4.3泵站进水、出水流道及机组选则

我省河流丰、枯期水位变化较大，国内成熟、适合的机组往往没有，需要对已有叶轮型谱进行二次开发或研制新型谱系列；泵站需要做进出水流道数模、物模优化实验及机组装置模型实验，以最终确定合适的设计参数，保证供水安全及降低运行成本。

大型泵站的断流方式是保证供水安全的关键点，应引起设计部门的高度重视。目前普遍采用的是虹吸式断流方式，其运行安全可靠，但对机组启动及结构设计要求较高。

3.4.4枢纽厂区总体布置

渠首泵站厂区总体布置，应结合周边地形地貌，与水环境、旅游、生态景观、交通、将来可能的其他方面的开发需要相结合；厂区景观设计，要开阔思路提高水平，采用适合北方特点的方法和设施。

3.5灌排结合模式运行安全及灌区调度运用原则的确定

灌排结合模式有其显著的优点，也有缺点，即对调度运行及田间建筑物管理要求较高。应根据工程实际情况进行专门设计，解决遇到大规模降雨或局部强降雨时，通过灌区灌排系统整体调度控制避免可能造成的局部涝灾的问题；在保证安全的前提下，尽量利用现有沟渠及控制建筑物，拦蓄水量。

在设计中应结合灌溉、暴雨监测站点、灌区自动监控设施的建设、泵站调度、地下水位及土壤墒情检测等系统，结合灌区灌水综合调度、排水安全、地下水的恢复及补给等方面的需要，确定合理的设计方案、调度运行原则及办法。

文章编号：1007-7596(2016)04-0160-03

[收稿日期]2016-03-25

[作者简介]付宁(1965-)，男，黑龙江齐齐哈尔人，教授级高级工程师，现任农垦设计院副总工程师，期间曾获省科技进步奖1项，二等奖1项，三等奖多项。

中图分类号：TV212.5+4

文献标识码：B