农田排水沟（共6篇）
农田排水沟 篇1
加大农田水利建设的投入是近年来粮食产量增加的一大关键原因。国家加大资金投入, 增强农田水利建设, 经多年的努力后, 建设出了许多高标准农田, 在有效的促进了农业发展的同时, 又可以使粮食产量不断增加。在这其中, 排水沟发挥着极为重要的作用, 它可以排除地表多余的水分, 排除农田里面残留的化肥农药, 还对生态净水的建立起着重要作用。所以设计好的排水沟, 对农田水利建设是必不可少的。
1 排水沟的设计要点
在我国东北地区, 除了一些农场以外, 是大面积耕地, 其他的都是一些零散的地块, 所以一般的土地都不是大面积的排水沟在设计时, 要充分考虑周边情况, 比如周边的植树带, 电缆, 房屋或是其他建筑, 尽量避免破坏原有的建设, 并充分分析周围建筑的水位和流量, 计算出工程量, 确定排水沟的间距和深度, 这些是建设排水沟的要点。
1.1 间距和沟深
农田排水沟的间距是按机耕和排水的要求来确定的。比如云南北部, 常年降雨量较少, 排水沟间距一般是150~400m, 而南部降雨量较大, 那么间距一般为100~200m。农田排水沟的深度则是因排水任务的轻重而定, 如主要负责排除污渍, 深度在0.8~1.5m之间较为适宜, 若是负责其他任务, 应具体情况具体分析。一般情况下, 排水沟的间距和沟深是有密不可分的关系的, 在农田水利建设过程中应充分考虑这一点, 一般先根据实际条件和要求, 确定沟深, 再确定间距。在勘测过程中还要结合相关地区的资料, 人员的实际经验多方面的分析确定沟深和间距。
1.2 断面
农田排水沟断面的决定因素是排水的流量, 断面的尺寸则需通过水利来计算最后才可确定。一般步骤是先按要求确定排水沟的深度, 再逐步进行实际检验看能不能符合除涝的要求。
1.3 水位要求
农田排水沟的设计水位有两种。一种是日常水位, 又可称为排渍水位, 是排水沟平时日常维持的水位。应实际需要, 日常水位应该逐级降低, 各级沟渠之间应该有水位上的落差, 但是落差要适当, 一般是在0.1m左右。另一种水位是最高水位, 又被称作为排涝水位。最高水位在设计时要注意各沟渠要低于沟渠的两侧田面, 高度差在0.2m作用最为合适。特殊情况如在抽水的时候, 需要进行排涝, 则可以允许沟道的水位比两侧田面高。
1.4 边坡
因溢出地下水的原因, 为了避免坍塌, 需要使边坡较缓。而由于沟坡经常长草, 沟床的耐冲能力比较强, 也可以采用较为陡峭的纵向坡降。
2 排水沟的设计步骤
2.1 日常水位
日常水位是排水沟需要维持的水位。具体的设计步骤分为三步:第一步, 根据远处低洼地段的高程来确定控制点的高程。第二步, 初步拟定各个排水沟道的高度差。第三步, 根据实际情况, 推断得出干沟出口位置的排渍水位, 一定要满足这一水位要求。在某些地段会出现不能够自排的情况, 应该及时采取抽排的方法, 维持保证排渍水位。
2.2 最高水位
最高水位又可以成为排涝水位。具体的设计步骤同样分为三步:第一步, 确定一个中心控制点, 根据这个控制点来进行排涝。第二步, 初步模拟确定各个排水沟道的高度差。第三步, 通过计算, 得出排水沟干沟位置的最高水位, 保证其高于外部河流的最高的水位。如果出现不能够自排的情况, 同样应该及时采取抽排的方式。同时也可以采取一些措施来提高渠道的滞流储蓄能力。排渍和排涝要求可以相互间比较核对, 两者相配合才能确定渠道的断面。如果需要设计出既符合排渍要求又符合排涝要求的排水沟, 那么应该同时符合排渍水位和排涝水位的要求。
2.3 断面
排水沟断面的设计具体分为四个步骤:第一步, 通过各个地区的实际情况, 结合人员经验, 再经过勘察比较, 查阅资料等, 确定出排水沟的断面尺寸。第二步, 按排涝流量, 通过公式计算出排水沟的过水断面。第三步, 为了避免不必要发生的困难, 底坡在设计过程中应该设置为接近地面。比降也是重要的一点, 不能太小也不能太大。第四步, 起引水作用的渠道比降应该较为平缓, 顺着坡势引水和排水。
2.4 边坡
设计边坡应考虑沟深和土质的影响, 同时还要考虑渠沟积水、直流冲刷、侵蚀、溢出地下水等常见的情况。
3 设计过程中的要点
首先, 在平原地区, 必须要先确定排水沟的深度, 通过计算得出排水沟的水量容积和蓄水能力。增加沟深, 加宽沟宽, 从而增加沟道的密度。其次, 要严格遵循渠道灌溉引水的要求, 明确使用排水沟中的平坡引水和逆坡引水, 使水位符合灌溉的要求。再次, 要仔细检查排水沟的沟深和沟宽是否满足防渍的要求, 如果不能满足要求, 应该及时改进。最后, 随着国家越来越重视农业生产, 农田水利建设也越来越重要, 同时带来的生态环境问题也同样明显, 所以在建设过程中还应注意环境影响, 增强视觉感, 凸显出现代农田的美好生机与活力。
结束语
建设高标准农田水利工程, 不仅可以促进农业生产, 增加粮食产量, 也是国家越来越重视的一项重要产业。随着国家队这些设施投入的不断加大, 现代化农业正不断的呈现, 建设高标准农田正成为我国的一大重要工程。既保证了农田不受天灾的影响, 又能维持生态环境的平衡, 所以, 建设高标准的农田水利, 一定会在未来深刻的影响着人们的生活, 给人民带来更高的收益。高标准农田的建设, 也一定会成为全国各地区产业中的重中之重。
参考文献
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农田排水沟 篇2
关键词：生态灌区,减污,农田排水,沟塘湿地,农业面源污染
灌区是现代农业发展的重要基地和区域经济发展的重要支撑,同时也是当地生态环境保护的基本依托。但是,传统灌区的建设理念局限了灌区应有作用的发挥,其工程设施系统的建设对灌区水文循环产生了很大的影响,导致了灌区生态环境系统的恶化。现在,把传统灌区建设成生态型灌区已经成为灌区工作的主要目标之一[1,2,3]。茆智[1,2]认为灌区现代化的发展目标是节水生态型灌区,其构成条件之一为能保护和改善生态系统,具有较高的水污染防治水平,提出了灌区系统有效去除农业面源污染“三道防线”的理念,即第一道防线,田间节水与水肥综合调控;第二道防线,小型湿地;第三道防线,生态沟湿地。顾斌杰等[3]从“自然-社会-经济”可持续发展的角度分析了生态灌区构建的基本内涵,探索了构建生态型灌区的基本措施。农田排水沟渠及塘堰系统是《湿地公约》定义“湿地”概念里重要的组成部分[4],其作为农田与水体之间的一个过渡带,具有排水和生态湿地双重功效,能够通过土壤吸附、植物吸收、生物降解等一系列作用,降低进入下游受纳水体中的氮、磷等化合物的含量,对生态型灌区的建设起着重要作用。本文着眼于建设生态型灌区,从灌区农田排水沟渠和塘堰湿地系统去除农业面源污染的角度总结当前的研究成果,对基于减污功能的生态灌区沟渠塘堰排水系统的构建方法和管理运行方式进行探讨。
1 农田排水沟塘系统的水利工程属性
农田排水沟渠是农田灌排工程的重要组成部分。沟渠排水系统一般起始于田间毛沟或农沟,经斗沟、支沟、干沟或总干沟排入下游受纳水体。毛沟或农沟密度大,断面较小,灌溉(降雨)期间直接承接田间地表和地下渗漏排水,并逐级汇入斗沟、支沟、干沟,在非灌溉(降雨)期则基本呈干涸状态。相比较而言,支沟及干沟的间距、断面较大,下切较深,除接纳农(毛)沟排水外,还承担着区域泄洪排涝的功能,年内水位、流量呈周期性变化,灌溉(降雨)期间水位较高,流量较大,非灌溉(降雨)期间由于接纳田间深层排水,水位相对较低、流量较小,部分沟(床)底暴露。同时,在大部分丘陵灌区、平原灌区,农田排水系统在农沟、支沟等尺度上还串有塘堰等形成“长藤结瓜”式的灌排系统。所以,基于减污功能的农田排水沟塘系统首先应具备的特征是其水利工程属性,主要为满足排渍排涝及水流的不冲不淤要求[5,6],支沟或干沟尺度的排水沟在降雨(灌溉)时还应具有行洪的作用,对灌排两用的沟渠,则同时具有调节沟中水位满足灌溉要求的功能。
2 减污功能农田排水沟塘系统的构建及特征
2.1 毛沟-斗沟尺度
灌区农田排水毛沟~斗沟,是农业面源污染截留和净化的第一道屏障,尤其是毛沟。农田施用的化肥、农药随地表径流或田面排水首先进入毛沟,然后再汇入农沟、斗沟以及串联其中的塘堰湿地系统。因此,灌区毛沟-斗沟尺度排水沟塘系统怎样构建,直接影响灌区农业面源污染的输出量。
徐红灯等[7]选取长350 m的农田排水沟渠,研究了自然次暴雨条件下沟渠对农田排水总氮、总磷的去除效果,得出沟渠对总氮的去除率为40%~70%,对总磷的去除率为20%~80%,同时发现农田排水沟渠系统具有抗冲击可修复能力。王沛芳等[8]研究了自然水塘湿地系统对农业面源氮污染的去除和净化效应,3个不同降雨后的试验期内TN的净化效果分别为70.4%、14.5%和36.3%。Meuleman等[9]研究结果表明,植草沟渠能够吸收水中氮磷污染物,对磷素的去除率高达90%~95%。何军等[10]的研究表明自然状态下农沟~斗沟尺度三段典型沟渠和一处塘堰对稻田氮磷污染去除效果较好,并且对氮磷的去除呈现一定的抗冲击自修复能力,即在污染负荷达到其承载力而净化能力降低一定时间后其对氮、磷的各项净化作用恢复。自然条件下沟渠塘堰湿地系统对农田排水的氮、磷污染具有一定的去除效应已被诸多研究证明,该现象也可认为是自然生态系统的一种自我修复功能。然而相对于愈演愈烈的人类活动对环境产生的污染,这种自然生态系统的自我保护功能越发显得力不能支,过量施肥、施药、不合理的种植制度等单纯追求经济利益造成农业面源氮、磷等排放严重污染水生态与水环境就是典型的例证。所以,在充分了解和认识自然条件下沟渠塘堰湿地系统对农田排水的氮、磷污染去除效应和规律后,构建人工湿地系统以合理高效去除农业氮磷面源污染成为研究热点。
杨林章等[11]针对太湖流域面源污染现状提出一种由工程部分和植物系统组成的生态拦截型沟渠系统:两侧沟壁和沟底均由蜂窝状水泥板组成,两侧沟壁具有一定坡度,沟体较深,沟体内相隔一定距离构建拦截坝减缓水速、延长水力停留时间,拦截坝设有排水孔。有选择性地在沟中水体污染严重地段或沟渠系统末端摆放拦截箱以加强沟渠系统的去除功能。该系统对农田径流中TN、TP的去除效果分别达48.4%、40.5%。邵东国等[12]提出了一种生态减污型排水沟渠,该生态沟渠能够防止排水沟渠坍塌,保持其边坡稳定与排水通畅,并在满足农田排涝防渍标准要求下实行排水计量与控制排水,减少化肥营养物质从灌排系统的流失量。彭世彰等[13]在灌区内修整承泄沟塘、重建水生植物系统,结果表明沟塘出流水中TN、TP平均质量浓度分别比入口减少22.0%、9.6%,采用控制排水调控措施发现湿地中TN、NH+4-N、NO-3-N浓度随时间近似服从指数函数衰减趋势[14]。李跃勋等[15]通过对湖滨废弃鱼塘改造,建立了表面流人工湿地系统,该系统对污水中COD、NH+4-N、TN、TP 的去除率分别为15.6%、56.8%、40.4%和35.6%。Ray等[16]的研究表明,在农田排水沟渠中装设FGD石膏板,径流中可溶性磷的去除达35%~90%。崔远来等[17]在漳河灌区对典型塘堰进行人工改造,即疏浚塘堰底泥(深0.5 m)和收割塘堰中的水草,改造后的塘堰湿地对TN、TP的去除率达49.6%、47.7%,好于自然状态下塘堰对氮磷的去除率。
总体来讲,减污功能的生态灌区农田排水毛沟~斗沟尺度的排水沟塘系统应具备以下基本特征:
(1) 沟渠尾端或塘堰出水口修建控制排水闸、低坝。目前设计灌溉排水渠系工程的适用规范[5,6]对该尺度排水沟渠并未规定排水闸的修建。本文建议,考虑成本的原因,条件较好的灌区可以修建排水闸,条件一般的灌区则为土质低坝,低坝中间设置排水孔。遇降雨,来水较大时,开启闸门或排水孔,不影响其水利工程的排水作用;平常来水较小时关闭闸门或排水孔,也可设置一定深度水深的溢流坝形式等,达到控制排水、增加水力停留时间,实现其生态减污功能。
(2) 沟渠或塘堰中种植当地的优势植被,可为挺水,也可为沉水植被。一般情况下,在产生污染的地方存在有效治理和吸收污染的某种优势植被,对其进行选育和人工管理即可。不建议一个地方引进其他外来物种,因为可能会破坏当地物种的生态平衡;若必需引进,须进行相关试验。同时,沟渠或塘堰中水生植物要及时收割,以防止秋冬天的腐烂产生二次污染。
对于毛沟~斗沟尺度这类初端的排水沟塘系统,受人为活动影响较大。何军等的研究表明[18]:农民多在毛沟~斗沟尺度沟塘中自发筑坝拦截稻田排水,以便再用水泵提水灌溉。然而,目前这种行为多是出于方便补充灌溉或是降低水稻某个种植时段的抗旱成本,只需对这种行为科学引导,对农户宣传沟段中筑坝可有效去除稻田面源污染,则毛沟-斗沟尺度减污功能的排水沟塘系统构建便可实现。另外,减污功能沟塘湿地系统的运行管理也要引起重视,除了水生植物的及时收割,沟塘湿地底泥也须定期疏浚。
2.2 支沟-干沟尺度
顾斌杰[19]在自然状态下研究了支沟-干沟对水体中生源物质的截留效应,表明沟渠中生长的植被对氮磷污染有着明显的去除作用,流速越小,一定范围内污染物浓度越高,其去除效率越高。姜翠玲等[20,21]以天然干沟(宽10~30 m)湿地为研究对象,结果表明对排入其中的农田氮磷污染物有很好的去除效应,且主要是沟渠生长的茭白、芦苇等对氮、磷的吸收,为防止植物残株在冬季死亡后,地上部分发生分解而造成水体和表层底泥中污染物含量上升,作者认为需对其进行收割,解决了二次污染的同时也能带来较好的经济效益。与毛沟~斗沟尺度的排水沟渠相同,支沟-干沟尺度排水沟自然状态下对农田排水氮、磷污染具有较好去除效应。张展羽等[22]研究了采用生态治理模式的沟渠对农田排水污染的去除效应,生态整治包括:直立式浆砌石护坡,河岸上植草、柳树等植被,近水面种植草、芦苇等护坡植被,河道中种植的大型挺水植物主要有芦苇、菖蒲等,沉水植物主要有苦草,以及菱角、水花生等浮叶植物,护坡石材之间的空隙种植蒿子等野生植物。研究结果表明,河流生态系统对污染物的汇入有较好的净化作用。
总体来讲,减污功能的生态灌区农田排水支沟-干沟尺度的排水沟渠应具备以下基本特征:
(1) 生态护岸及护底工程。生态护岸、护底是支沟-干沟尺度减污功能排水沟渠重要组成部分,可采取网垫植被复合型、框架覆土复合型、水生植物护岸等技术,护底可采用植生型防渗砌块等[19]。同毛沟-斗沟尺度一样,沟渠中水生植物需及时的收割处理,防止秋冬天腐烂产生二次污染,另外,未进行生态护底工程的沟渠也须定期的疏浚底泥。
(2) 排水系统上的排水闸、退水闸等水工建筑物的生态减污型工况设计。支沟-干沟尺度排水沟渠还承担着区域泄洪排涝的功能,年内水位、流量呈周期性变化,灌溉(降雨)期间水位较高,流量较大。设置其中的排水闸、退水闸等主要是为了排泄洪涝渍等多余水量,承泄区水位上涨时,关闭闸门,防止外水倒灌;退落时,打开闸门,排除内涝渍水。当洼地内农田有蓄水灌溉要求时,也可关门蓄水或从江河引水。排水闸、退水闸等目前运行工况设计主要是为了行使其水工建筑物的水利功能,作为挡水建筑物,实则可为生态排水沟渠充分发挥减污效果提供诸如延长水力停留时间、加大水深等有利条件,目前灌区水工建筑物运行工况并未考虑其中的减污功能,所以本文提出,在设置于支沟~干沟尺度排水沟渠的排水闸、退水闸等水工建筑物运行工况中考虑其生态减污功能。例如,当排水沟渠具备一定的水位且来水较少、水位增幅不大时,可先关闭闸门不急于排水,延长排水的水力停留时间,加大水深,以便设计的减污型排水沟渠充分去除净化水中氮磷等污染物。
3 结论和讨论
本文总结了利用灌区农田排水沟渠和塘堰湿地系统去除农业面源污染的研究进展,对基于减污功能的灌区沟渠塘堰排水系统的构建方法和运行管理进行讨论,分析认为:减污功能的农田排水沟塘系统应具备其水利工程属性;毛沟~斗沟尺度排水沟渠尾端或塘堰出水口修建控制排水闸、低坝,沟渠或塘堰中种植当地的优势植被;支沟~干沟尺度排水沟渠采用适合的生态护岸及护底工程,排水系统上的排水闸、退水闸等水工建筑物运行工况中考虑其生态减污功能。
减污功能的灌区排水沟塘湿地系统的运行管理需和其构建一样引起重视,特别是沟渠中季节性、一年生植被的及时收割,是避免二次污染的有效措施,同时,沟塘湿地底泥也须定期疏浚。另外,生态减污型沟塘系统的规划和布置还应充分考虑其对氮磷污染去除的容量问题,即沟塘湿地面积与其所承受排水的农田面积比,太大则占用过多农田,太小则又对氮磷污染没有去除效果或去除效果不明显,这是下一步的研究重点。
农田排水沟 篇3
近年来, 随着人口增加和经济发展, 粮食需求的巨大压力加剧了我国化肥、农药的需求量, 导致农田退水中氮、磷浓度和负荷不断上升, 加之不合理的田间灌溉排水管理, 农田排水沟渠功能严重受损, 造成面源污染问题日渐突出, 生态效益日益降低, 已成为当今世界的热点和难点问题[4,5]。农田排水沟渠系统在多个方面具有重要作用, 包括改善生态环境、涵养地下水源、净化土壤及水质、调节气候、保护生态多样性[6]。近年来, 随着生态环境问题的日益突出, 研究者对于农田排水沟渠的研究从其水利功能转向生态功能、环境效应, 以充分发挥其作用[7,8,9,10,11,12]。因此, 有必要对以往研究情况及时进行回顾和总结, 以为相关研究的进一步开展提出合理建议。
1 农田排水沟渠水文与生态环境效应
1.1 水文效应
农田排水沟渠是农田排水汇入河流和湖泊的通道, 沟渠中生长着适应于此环境的水生植物, 一般有芦苇、蒲草等挺水植物, 当暴雨发生时, 可起到蓄持降水、阻滞地表径流的作用。
排水沟渠系统中各个沟渠系统相互独立, 形成各个独立的小水库, 起到蓄持整个区域降水的目的, 起到农田排水的“汇”的作用, 同时淹没农田及洪水发生的机会减少。相应的, 沟渠也可起到田间灌溉水的“源”的作用, 在少雨的季节可以用来补充农田水分亏缺[2]。
沟渠还可调控地表及地下水位, 主要途径有以下2个:一是利用其输水两道的功能直接影响;二是通过边界的渗透性补给或排泄潜水间接影响[1]。研究表明, 在沟渠密布的农业区, 沟渠水位与农田地下水位呈显著正相关, 整个区域的地下水位随着沟渠中的水流多少而改变[3]。国内外研究认为控制水位对农田水文和水环境产生重要影响, 可减少农田排水中氮、磷的养分输出, 改善排水水质, 同时可人为抬高地下水位, 使土壤水分得到充分利用[6]。目前, 国内外对沟渠水文效应的研究不太系统, 不利于湿地、农田保护与管理工作的开展。
1.2 生物效应
农田排水沟渠由水、生物、土壤组成[9,13,14], 具有一定的深度和宽度, 可发挥相应的生态功能。农田排水沟渠可作为水生动植物的栖息地, 对保持农业景观的生物多样性具有重要的意义, 是影响区域生物活动的重要因素。但由于其是半自然生态系统, 容易受到耕作、农药、施肥等农业活动的干扰和影响, 且由于其没有乔木的遮挡, 较易受到风的影响。
农田排水沟渠的生物群落包括植物、鱼、无脊椎动物、两栖动物、哺乳动物及鸟类等。国内外研究[15,16,17,18,19]发现, 农田排水沟渠系统作为水生动植物的重要栖息地, 可为景观物种提供避难场所, 是许多农业景观中生物多样性的一个重要的残存源, 同时增加了人的视觉效果和农业景观的可视性。沟渠内的蒲草、芦苇等为鸟类提供了食物和栖息地, 沟渠生态系统的各个组成部分互相影响, 底质的稳定受底栖动物活动的影响, 底栖动物还会影响沟渠内的水质状况。有研究者[20]认为, 沟渠的存在还会导致生境破碎化, 从而降低某些物种的生境质量, 因为排水导致物种丰富度的减少, 再加上对来自自然和人类干扰的调节能力很差, 不利于某些动物的发展。
沟渠系统的结构不同, 发挥的功能也不尽相同, 其可作为农田中动物的迁移廊道, 影响动物的数量和种类。一般情况下, 低级廊道系统以结点为连接点, 作为高级廊道系统的整体性部分, 从而构成高等级廊道系统。研究表明, 周围水田的水力连通性与农田排水沟渠影响鱼类在农田和沟渠之间的迁移, 如果迁移难度越小, 捕食及繁殖就更容易, 沟渠系统中的动物物种丰富度就越高[21]。
农药及化肥等农用化学物质的使用量, 随着对农田经济效益的片面追求而逐渐增加, 造成沟渠内水体水质的恶化, 沟渠内生物的栖息环境遭到破坏。特别是某些农药含有剧毒, 遗留在沟渠中直接将所有动物杀死, 青蛙和蟾蜍等有益动物的种群减少加剧了农田病虫害的暴发程度, 从而促使农民使用更多的农药, 造成恶性循环。排水沟渠内氮、磷等的浓度和污染负荷升高, 使水体呈现富营养化状态, 造成藻类植物过度生长, 成为沟渠中优势群落, 大量的植株残体腐败时严重污染水体, 严重影响了沟渠湿地的生态服务功能[22]。
1.3 去污效应
农田排水沟渠系统作为特殊的生态系统, 不仅利用自身的物理、化学和生物作用吸收和转化了周围环境输入的氮磷等元素, 同时又作为上游农田非点源污染的“汇”和下游水体中污染物的“源”, 对下游的湖泊和河流等水体的水质有严重的影响, 所以目前沟渠的去污净化受到了广泛的关注和重视。
农田排水沟渠中的污染物一般指氮、磷等营养元素, 农田排水沟渠的主要组成部分包括基质底泥、植物和微生物, 通过植物吸收、沉降作用、介质吸附、微生物作用及三者协同对农业非点源污染进行净化, 减少进入河流和湖泊的污染物, 降低河流和湖泊发生富营养化的可能性[23,24]。Meuleman (1993) 等的研究指出, 天然沟渠能够吸收水体中氮、磷污染物, 其中对磷素的去除率高达90%~95%[25], 2001年, Woltemade在美国马里兰、伊利诺斯、依阿华等地开展湿地接纳农田排水的试验, 结果表明:所有试验区的湿地都能降低氮和磷的浓度, 且氮、磷的去除率与湿地的大小、汇水面积及农田排水在湿地中的滞留时间有很大关系, 同时也存在着再次污染的威胁[26]。
近来研究表明, 植物是沟渠去除营养物质能力最强的因素之一。Abe等[27]在研究沟渠内植物如何去除水体中的氮、磷时发现, 植物吸收和底泥的同化作用是沟渠有效去除氮的主要途径;徐红灯等[28]通过动态模拟试验研究对比不同排水沟渠对农田流失氮、磷的截留作用, 同时通过静态模拟试验探讨了水生植物对氮、磷在水—沉积物—水生植物这一微观系统中的截留作用, 结果表明:有植物的生态沟渠氮、磷的截留效率在30%以上, 而自然沟渠的截留效率为20%~30%;姜翠玲等[29]的研究表明长江中下游地区植物对营养物质的吸收是去除面源污染的主要机制, 其中芦苇和茭白对氮的吸收能力较强, 每年秋季收割的芦苇可带走氮818 kg/hm2和磷103.6 kg/hm2, 茭白可带走氮131 kg/hm2和磷28.9 kg/hm2, 定期收割湿地植物是防止植物二次污染的主要措施, 因为湿地植物死亡后会向水体中释放营养物质;沟渠中的水生植物可以加速营养物质的水土界面交换和传递, 从而使上覆水中的营养物质含量快速减少, 同时水生植物液可通过自身吸收作用截留一部分营养物质, 因此水生植物能有效截留和转化营养物质。
底泥吸附被看作是湿地去除磷的主要方式, 其主要发生在表层, 深度越浅, 吸附能力越高, 这是由于铁、铝呈无定性的氧化态形式, 表层土壤和底泥处于好氧状态, 能与磷形成难溶的复合物[30]。但是这种反应是一个可逆的过程, 如果湿地排水中磷的浓度较低时, 其吸附的部分磷有可能重新释放到水中。
湿地降解污染物的主要机制是利用微生物分解和转化氮, 通过微生物的硝化和反硝化作用来完成氮的去除。污水中磷的去除是在微生物对磷的正常同化和过量积累的基础上, 将有机磷化合物转变成磷酸盐, 并将溶解性差的磷化合物溶解。
2 沟渠的模型及管理措施研究
2.1 沟渠模型研究
沟渠模型的研究对象主要是排水沟渠中氮、磷污染物的迁移和转化, 包括对其进行定量及定性的描述, 分析其氮、磷污染物的主要来源和迁移特性, 预计其对受纳水体的影响, 针对不同土地利用变化及土地管理技术对沟渠产生的污染负荷进行估计, 进而估算其对环境的影响, 为流域规划和科学管理提供决策[31]。目前, 专门用于模拟沟渠的模型为非点源模型。
多数沟渠模型是在河流或湖泊的基础上发展起来的, 改造后的模型对沟渠水文和生态环境效应进行了一定研究。通过Waterpas-model模型 (Devos等[32]提出) 的模拟, 结果发现如果沟渠水位过高, 不仅减少农作物产量, 降低农民的经济效益, 而且会增加地表水中磷负荷, 从而导致非点源污染的严重发生。通过DITCH模型的模拟发现, 农田地下水位受沟渠水位的影响较大, 且受土壤水力导度影响较大[33]。水体中植物的优势种从沉水植物变为浮游植物是水体富营养化的典型标志, 可用PCDitc模型确定引起水体富营养化的营养物质的阈值[34]。
2.2 沟渠管理措施研究
农田排水沟渠的主要作用就是为农田灌溉和排水服务, 保证粮食生产安全, 但随着农田非点源污染的加剧, 沟渠水环境遭到破坏, 水体富营养化加剧。因此, 对农田排水沟渠的管理既要考虑农业收益, 又要考虑对环境的保护, 在提高农业生产力的同时, 保护水环境, 为动植物提供良好的栖息地, 保持生态系统良性循环, 获得良好的经济效益和生态效益。
农田排水沟渠的管理措施有很多, 从控制水质来看, 目前最广泛有效的是在美国发展起来的“最佳管理措施 (best management practices, BMPs) ”, 最佳管理措施是防治或减少农业非点源污染最有效和最实际的措施[35], 主要用来控制农业活动中污染物的产生和运移, 防止污染物进入水体, 避免农业非点源污染的形成。从对沟渠来讲, 管理措施主要有底泥清淤、植物收割等。清淤能提高沟渠的排水能力, 沟渠底部的营养物质 (主要是磷) 可通过清淤移除沟渠, 可以改善沟渠内的水质[36,37,38]。有研究表明, 五里湖底泥清淤后半年内水体中总磷和溶解磷含量比疏浚前下降10%~25%[39]。底泥清淤措施在国内外得到广泛应用。但是清除底泥的处理即是需要解决的问题。如果底泥弃置沟渠旁, 在降水条件下底泥中的磷被淋溶, 再次随地表径流进入沟渠水体。同时, 也有研究表明, 清淤在短期内可能恶化水质, 清淤前的底质向上覆水释放磷素的速率要比清淤后的底质慢, 所以短期内水质会有一定的恶化, 清淤对环境的影响还需要进行进一步研究。沟渠底泥中包含大量植物所必需的营养元素, 可将底泥返田, 目前关于底泥返田的研究还比较少。植物吸收是沟渠去除氮、磷等营养物质的主要途径, 但植物地上部分死亡后, 其残体内的营养物质将再次释放产生二次污染, 通过植物收割的方法去除营养物质是重要的途径。研究表明, 每年进行收割或至少2年收割1次对于维持沟渠内植物种群多样性具有非常重要的意义[37]。但是野生植物对农民来说没有很大的利用价值, 农民不会主动进行收割, 如果用吸收氮、磷能力强的经济植物作为渠道的野生植物, 可以促使农民自觉收割。姜翠玲等[9]研究表明, 通过在渠道中种植茭白, 自然生长的茭草可以有效吸收沟渠湿地底泥中富集的氮、磷, 同时秋季收获的茭白也为当地农民带来可观的收益。
3 趋势及展望
3.1 加强沟渠湿地生态水文过程和机理的研究
目前, 沟渠湿地生态水文方面的研究主要包括调节径流、去除污染物、维护生物多样性方面, 但对于整体上水文生态过程及其内部机理的研究还比较少。因此, 在以后的研究过程中, 应该将整个沟渠系统作为一个整体, 研究其与其他各生态系统之间的关系, 对大气—植物—土壤各个界面的水文生态过程进行模拟从而进一步揭示沟渠整体性效应发挥的作用机制。
3.2 沟渠湿地与农田生态系统安全的研究
沟渠湿地生态系统与农田生态系统有密切的联系, 目前国内外对农田排水沟渠在维持农田生态系统生物多样性方面的作用研究较少, 两者之间的相互关系及影响机理尚不清楚, 加强沟渠湿地与农田生态系统安全需进一步进行研究, 从而为保持农田生态系统的稳定、保证粮食安全提供依据。
3.3 沟渠模型的研究
目前, 已有学者提出少量的沟渠湿地模型, 但这些模型多数是在河流或湖泊的基础上发展起来的, 针对性不强, 不具备广泛使用性, 不能对沟渠湿地中的物理、生物、化学过程进行精确模拟。对农田排水沟渠的研究需要通过模拟综合, 但目前多数模型均较单一, 特别是与GIS的结合, 解释污染物在农田—沟渠—生物间的迁移转化和相互作用机理是沟渠模型需要研究的方向。
3.4 加强对沟渠管理措施的研究
农田排水沟 篇4
全球范围内来看,30%～50%的陆地已受到面源污染的影响,并且在全世界不同程度退化的12亿hm2耕地中,约12%由农业面源污染引起。关于控治面源污染的研究在国内外已有很多,其中农田控制排水是一项新的农田水分调控模式,国内外研究证明,农田控制排水能取得控治农田面源污染、提高农作物产量、提高水资源利用等效果,所带来的环境效益、经济效益、社会效益都很明显。在我国,农田控制排水研究尚处于起步阶段,农田控制排水机制等都有待改进;多智能体(Agent)系统作为一种集分析、推理、决策等于一体的智能系统,其实际上也是计算机语言编程和一系列的电子器件等的组合,将其引入农田控制排水机理研究当中符合农田控制排水多目标性要求,将进一步促进多目标的和谐统一,推动农田控制排水智能化、网络化、自动化的发展进程。
1 国内外农田控制排水概况及多目标分析
1.1 国内外农田控制排水发展概况
农田控制排水在国外的试验研究已经有10年之久,在瑞典,Ingrid Wesstrom在瑞典南部农田进行了排水控制试验,通过调整排水强度、排水系统排水闸门的高度控制农田排水量,从而减少农田排水中氮、磷养分的输出;在美国与加拿大,也已广泛进行试验与推广农田控制排水技术,本项技术主要是通过控制地下排水闸的高度来实现的,从而可以控制农田的排水量,进而减少农田养分流失,在美国北卡罗来纳州进行了14项农田控制排水试验,取得了很好的农田水管理效果;在欧洲、日本,农田控制排水的试验研究也取得了很多成果,集中表现农田控制排水朝自动智能化方向发展。
在我国,农田控制排水作为一项全新的农田水分调控模式,国内相关的研究还处于初始阶段,但是所取得的研究成果颇多。
1.2 农田控制排水目标分析
农田控制排水是一个多目标的水资源调控措施。农田控制排水在我国的试验研究表明,它在农业面源污染控治方面起到了很好的功效,如稻田排水是南方地区氮磷损失和面源污染的主要途径,控制排水可减少地面排水量和排水中氮磷浓度,尤其是降低径流中氮磷浓度,从而减少稻田氮磷损失,有效地防治了农业面源污染;农田控制排水有效的调控了农田水位以及地下水位,满足了农作物生长发育需求,进而保障及促进了农作物的产量;农田控制排水在水资源调控利用方面也有突出的功效,如在降水期间,控制排水系统能有效的调控与储存多余的水,起到防洪作用的同时也为农田灌溉提供了用水保障;在防止土壤盐碱化方面,农田控制排水存在不利的方面,即控制排水一定程度上减少了盐分等的排放量,引起了农田土壤含盐量增加,为解决这个目标与其他目标的矛盾,则需通过个目标的协调来实现;农田控制排水其他的目标主要体现在生态景观效应、社会经济效应等方面。
农田控制排水多目标体系如图1所示。
2 多智能体(Agent)系统
多智能体系统是由多个智能体组成的智能体社会是一种分布式自主系统。智能体是一个能够感知外界环境并具有自主行为能力的以实现其设计目标的自治系统。智能体的特性有以下4项。
(1)反应性:
智能体处于一定的环境中,它通过相应的电子器件(感应器)能够感知环境,并对环境的变化及时地做出反应以满足其目标。
(2)主动性:
智能体不但能够简单地对环境做出反应,而且能够主动发动某种动作行为,执行某个操作,以满足设计目标。
(3)自治性:
智能体具有一些其他智能体不能直接访问的内部状态。在这些状态的基础上,智能体无需靠人或其他智能体的干预,自主地决定其自身行为。
(4)可通信性:
通信指智能体之间可以进行信息交换,智能体可以和人进行一定意义下的“会话”。任务的承接、多智能体之间的协作和协商等都以通信为基础,而且智能体的通信内容不涉及假的信息。
个体智能体的研究内容有:①智能体的概念及分类;②推理能力,包括智能体对自身的信念、期望、意向的推理探讨以及对其他智能体的知识和行为的推理研究;③自适应和学习能力研究;④ 智能体机构分析。
多智能体的研究内容有:①多智能体组织分析;②多智能体之间的协调与协商分析;③ 多智能体的合作;④ 多智能体一致性行为分析;⑤多智能体之间通信研究。
3 基于多智能体(Agent)的控制排水机理探讨
农田控制排水的最终目标是实现农田的可持续性生存与发展,要实现这个目标,则需要对农田控制排水的各分目标进行协调统一,进而解决分目标之间的冲突,多智能体系统就能很好的解决各个体之间的冲突矛盾。多智能体系统协同决策理论起源于人工智能领域,其体现了自主性、自治性、适应性及协作性等关键属性,智能体系统已应用于很多领域,现就引入多智能体系统技术来探讨研究农田排水机理。首先,利用智能体系统的属性特点,建立农田控制排水分目标的智能体系统,通过个体智能体系统本身的推理、适应等能力来实现各分目标;其次就是通过多智能体系统之间的组织、合作、协调等相互作用来消除各分目标之间的冲突,智能的深化农田控制排水机理理论,实现各分目标的和谐统一,为农田控制排水提供决策支持系统,保障农田的可持续性发展。
3.1 分目标智能体(Agent)系统分析
根据农田控制排水的多个目标,建立对应的各个目标智能体系统,即农业面源污染控治智能体系统;提高农作物产量智能体系统;防治农田土壤盐碱化智能体系统;其他目标智能体系统。以下为各分智能体系统分析。
(1)农业面源污染控治智能体系统的目标是根据农田化学元素的转移规律而决策于控制排水,进而防治农业面源污染。该Agent个体系统的推理能力主要表现在,智能体系统对化学元素的动态变化的检测加以认识推断,如根据土壤中N元素的转化运移数学公式:
结合外界检测数据进行自我推断自我分析,得出针对本目标的控制排水决策,同时,强化其对外界化学元素变化的应对推理能力。农田控制排水Agent在强化自己推理决策能力的同时,自适应能力和学习能力也得到提升,主要是对化学元素的转移以及环境变化进行内部的调整学习,逐渐对外界的动态变化适应起来,慢慢积累适应环境(化学元素变化)变化的能力,完善控制排水的参数体系。Agent的机构组成主要包括化学元素动态变化实时数据检测体系、化学元素动态变化的数学模型体系、参数标准的完善体系、逻辑分析体系及决策体系。
(2)提高农作物产量智能体系统的目标是根据农作物各生育阶段要求实时调控农田水位与地下水位,保障农作物生长所需要的物理性水环境条件。系统的推理主要是根据已有的试验数据成果(即农作物生长发育各阶段的最优农田水位以及地下水位范围)与水量平衡数学模型(地表水量平衡数学模型与地下水量平衡数学模型)以及未来的农作物水位生产函数,同时,结合外部环境的检测数据及作物生长情况,进行推断计算控制排水的决策。农田水位及地下水位是一个动态变化的过程,该智能体系统推断计算排水的过程中,不断地统计分析控制排水的变化规律,不断地感知外部环境的变化趋势,重新调整推理逻辑体系以适应动态变化要求,逐渐强化自己的自适应能力和学习能力。系统包括农田水位监测体系、地下水位监测体系、农作物生长发育监测体系、分项决策推理体系等。
(3)提高水资源利用智能体系统的目标是防止洪涝、控治面源污染的同时,提高对洪涝等水资源的利用。该项系统的运行推理理念是根据外部气象变化、农田蓄水情况、地下水位情况等基本条件,同时引入了风险评估机制与原理,结合实际情况与风险评估原理来决策控制排水资源,实现提高水资源的利用率。系统的适应能力与学习能力的研究主要集中在对外部检测数据以及发展趋势与风险管理等的适应学习上,体现在学会适应洪涝变化情况、强化风险管理机制与水资源利用的结合、完善水资源的管理利用机制等上。系统机制主要包括气象监测体系、农田水情况监测体系、风险评估体系、水资源管理利用体系等。
(4)防治土壤盐碱化智能体系统与控治农业面源污染智能体系统存在一定的矛盾,其将在多智能体系统的协调合作下解决。该系统是通过对土壤中盐碱含量的监测,推断出土壤盐碱含量的变化趋势,进而根据土壤盐碱含量的技术参数,对控制排水进行对应的推理决策,系统适应学习能力是针对排水量与排盐碱量的变化关系规律,逐渐积累两者之间的变化经验,得出最优的排水量排放。系统包括土壤盐碱含量的监测体系、盐碱含量动态变化归纳体系、控制排水决策体系等。
(5)其他目标对应智能体系统。系统的目标主要包括优化农田生态景观、提高社会经济效益等。系统的推理主要是依靠相应的评价方法以及经济计算公式等进行的数学计算,推理能力的提高表现在对数据的处理之上。系统包括调研数据处理体系、数学模型优化体系、控制排水生态效益管理体系等。
3.2 多目标智能体(Agent)系统协调研究
通过对各分智能体系统的探讨分析,基本了解了分智能体系统的结构以及推理运行机制,本节就各智能体系统之间的通信、组织合作、协调运行进行研究探讨,分析基于多智能体系统的农田控制排水机理。
3.2.1 各智能体(Agent)系统目标之间的冲突分析
控治农业面源污染智能体系统目标与防止土壤盐碱化智能体系统目标相矛盾,即在减少排水量能减少农业面源污染的同时阻碍了盐碱成分的排出等矛盾;控治农业面源污染智能体系统目标与其他目标智能体系统也存在一定的矛盾,即减少农业面源污染的同时增加了化学元素在农田的累积,进而产生农田本身的面源污染,影响生态景观,也造成一定的经济损失,此时,农业面源污染智能体系统目标自然和提高农作物产量智能体系统目标产生冲突,该系统与提高水资源利用智能体系统目标的冲突不大。防止土壤盐碱化Agent系统目标与提高农作物产量智能体系统目标存在一定冲突,即防止盐碱化需要加大增多排水量排水次数,此必将影响农田水分的动态变化,进而影响作物的生长发育,防止土壤盐碱化智能体系统目标与提高水资源利用智能体系统目标之间的冲突是,水资源的存放量以及存放变动之间的矛盾,防止土壤盐碱化智能体系统目标与其他智能体系统目标的冲突不是很大。提高水资源利用智能体系统目标与提高农作物产量智能体系统目标的冲突很明显,通过减少排水量及排水次数提高水资源的利用势必扰乱农作物生长发育所需的优化水位,影响农作物的产量;提高水资源利用智能体系统目标与其他智能体系统目标的冲突不大。提高农作物产量智能体系统目标与其他智能体系统目标的冲突不大。
3.2.2 各智能体(Agent)系统之间合作组织、协调
各智能体系统首先进行的是本身排水决策分析,即通过自身的体系机构分析排水策略,然后通过智能体系统之间的协议进行通信交流,通信交流路线有C25种,通信交流进行组织合作分析,计算推断多目标的排水决策,其主要基于专家设定各目标权值或一些试验参数来协调各目标之间的冲突,如控制农业面源污染智能体系统得出的排水决策(排水量、排水频率、排水时间等),其将自身的排水决策与其他各个智能体系统排水决策进行通信交流,根据各个目标的评定权值以及相关技术参数进行重新排水决策计算分析(如加权值相加算法来确定总的排水决策,如5个目标的各排水量分别为P1、P2、P3、P4、P5,它们对应的权值分别为:f1、f2、f3、f4、f5,则排水总决策P= f1×P1+f2×P2+f3×P3+f4×P4+f5×P5,其他如排水次数、排水频率等亦可通过选定的数学方法进行计算分析)。
基于多Agent系统农田控制排水机理研究,就是以智能体本身特性为基础,建立多目标的个体智能体系统,个体智能体系统运用本身的推理、学习、自适应等能力,得出各自本身的排水决策,进一步利用多智能体系统之间的组织、合作、协调等智能方式进行分析,最终得到多目标的排水决策,实现多目标的和谐统一,多智能体系统运行如图2所示。
4 结 语
本文通过对农田控制排水的多目标性分析研究,阐述了农田控制排水下各个目标的排水要求。由于各目标的排水要求以及排水目标存在一定的矛盾或冲突,在此引入多智能体系统技术。不同的排水目标对应不同智能系统,智能体系统实际上是利用计算机编程语言实现的程序系统,各自的程序系统完全体现了控制排水目标的结构性和复杂性。程序系统中存在不同的外界参数和内部计算的推理代码,结合外部感应电子器件以及农田控制排水历史记忆等,可以实现各个控制排水目标。在各个智能系统之间,可以建立一个权重数据库以供协调和沟通各个智能系统,达到实现统一的农田控制排水目标。因此,建立农田控制排水多目标对应的个体智能体系统,运用智能体系统的技术结构特性来强化和实现农田控制排水的各分目标,同时,运用多智能体系统之间的合作、组织、协调等智能手段来实现农田控制排水多目标的和谐统一,促进农田控制排水机理的智能化、网络化发展,最终实现灌区的可持续性生存与发展。
参考文献
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农田排水沟 篇5
农田排水技术是调节农田水分状况的重要措施[1], 它是将农田多余的水分排除田面, 以维持农作物生长适宜的水分条件;平原地区多以开挖排水沟系为农田排水的主要措施。安徽省淮北地区属黄淮海平原的一部分, 地势平坦, 区域总面积3.74万km2, 其中平原面积占98%。本区属暖温带半湿润季风气候区, 多年平均降水750～980 mm, 水土光热资源较为丰富, 是安徽省主要粮棉油生产基地。淮北地区多年平均降雨量总量比较适中, 但年际、年内分布极为不均, 洪旱灾害、甚至年内洪旱急转的现象频繁发生[2]。新中国成立后, 特别是20世纪80年代开始以大沟为单元进行除涝配套建设, 目前除涝面积达150万hm2, 占易涝面积的88%, 已基本解决长期以来困扰该地区的涝渍灾害问题[3]。但是近十几年来, 淮北平原地区水资源紧缺的问题凸显出来, 由于多种原因潜层地下水位呈下降的趋势, 这其中的原因也包括在过去农田基本建设中片面追求排涝、排水大沟过深过密疏干了地下水的负面作用。这一方面使降水资源未能有效利用, 同时也造成农业生产成本的增加。
美国、日本、荷兰、法国等国的科学家从20世纪70年代开始研究在农田排水沟管的出口加设控制设施, 控制排水系统的流量并根据需要抬高排水系统的水位, 以此来通过农田排灌渠系综合利用、提高水资源利用效率;但目前国外进行控制排水的研究和应用, 主要限于田块尺度上的田间排水系统, 对于区域性的骨干排水系统进行控制排水的研究则少见有报道。国内方面, 山东、河南等省已有利用农田排水大沟进行控制蓄水的工程实践, 尚未见系统的研究和相应的成果。
针对安徽省淮北平原地区水资源变化趋势和水资源利用与保护的需求, 本研究在安徽省固镇县建立了大型农田大沟调控研究基地, 旨在通过实验对比, 寻求有效利用大沟蓄水、开发利用和保护水资源的途径。
1 试验研究内容
试验研究的内容包括农田排水控制工程对当地降水资源的调控作用、对地下水位及地下水资源的影响等。有效地利用已经建成的农田排水系统, 既发挥其在汛期除涝排水的重要作用, 又能综合利用其蓄水功能, 是本课题要解决的关键技术问题。
试验区位于淮北平原中南部、固镇县仲兴乡境内, 流域面积57.7 km2, 出口断面5年一遇设计排涝流量60.6 m3/s。试验区地形平坦, 地面高程在20.0～22.0之间, 土壤为淮北地区典型的砂姜黑土。在修建蓄水控制工程之前, 地表水严重流失、利用量少, 农业生产主要采用井灌, 农田排水是典型的以大沟为单元的排水系统。浅层地下水主要来自大气降水, 为典型的入渗-蒸发-开采型, 多年平均地下水埋深在1.0～2.0 m, 地下水力坡度1/1万～3/1万, 渗透系数1.0 m/d。试验区排水干沟深4.2～4.5 m, 上口宽20 m, 底宽5 m, 沟底比降为1∶8 000。
试验区包括八丈沟和陈刘沟两条排水大沟, 利用这两条大沟进行有无对比试验。其中, 在八丈沟总长14.5 km, 在8.8 km处设置控制工程, 控制排水面积25.3 km2;控制工程形式为混凝土护面的滚水坝, 坝顶高程19.28 m, 坝顶距地面1.5 m左右, 5年一遇设计排涝流量为26.6 m3/s。
试验观测内容主要包括:大沟控制工程上游、下游的水位, 大沟蓄水对两岸地下水位的影响, 以及有无控制工程地表蓄水和地下水资源储量的对比分析。为此, 在控制工程上、下游设观测水尺, 用于观测大沟蓄水滚水坝上下游沟水位的变化;在控制工程上游选择2个垂直控制大沟的断面布置地下水位观测井, 观测距离控制大沟不同距离的地下水位变化情况;同时在无控制的陈刘沟布设大沟水位及其两岸的地下水位观测设施。试验区共布置4处沟水位观测水尺, 2个地下水位观测断面共14眼观测井和4眼农用机井观测井。试验区布置见图1。
试验区沟水位、地下水位5天观测1次, 雨前雨后及汛期加测, 并观测记录降水。
2 试验结果与分析
2.1 控制工程蓄水位动态变化规律分析
试验区进行了1999～2003年连续5年的试验观测。从观测资料分析可见, 1999年、2000年、2001年、2002年和2003年各年分别有1次、2次、1次、1次和2次蓄水过程。试验区控制工程上、下游水位动态变化分析成果列于表1。
注:“6～9月”代表当年的汛期, “10～5月”列为当年10～12月及翌年1～5月的平均值。
八丈沟控制工程上游水位比下游水位平均高0.87 m, 1999年、2000年、2001年、2002年、2003年平均水位差分别为1.39、1.02、0.41、0.62和0.92 m, 年内最大水位差分别为1.51、1.74、0.74、1.69和1.78 m, 最大水位差的大小与年降水量的大小关系基本一致, 降雨多, 蓄水位高;降雨少, 蓄水位低。汛期大沟上下游平均水位差为0.75 m, 非汛期平均水位差为0.91 m。在降雨、蒸发及开发利用等综合因素的作用下, 蓄水位发生动态变化, 常常在年内形成多次蓄泄变化。一般来说, 汛期水位高于非汛期水位, 非汛期的上下游水位差常大于汛期, 这正是控制工程调蓄的结果, 说明控制工程有利于调节降雨径流的时程分配。
2.2 控制工程对地下水位的影响分析
在八丈沟滚水坝上游2.9 km处八丈沟与陈刘沟之间设置了断面N的共8个地下水位观测井。观测井N1和N8分别位于八丈沟和陈刘沟岸, 两孔两距2 200 m。N4观测孔位于观测断面上距八丈沟约1/4处、距陈刘沟的约3/4处;N7观测孔位于观测断面上距八丈沟约3/4处、距陈刘沟的约1/4处, 二孔大致分别位于观测断面上以有、无控制工程两大沟之中心轴为对称的中心位置。因此, 可以认为N4、N7观测孔分别代表有控制和无控制工程大沟影响范围内的平均地下水情况。以两孔的观测资料对试验区地下水变化影响进行对比综合, 成果列于表2。
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由表2可知, 试验观测的1999～2003年间, 有控制工程的八丈沟两岸地下潜水位平均值较无控制工程的陈刘沟两岸平均抬高0.23 m;其中, 汛期平均抬高0.23 m, 非汛期平均抬高0.31 m, 年最大地下水位差在0.66～1.06 m之间。
试验设置的滚水坝为固定堰, 为调节滚水坝上游水位, 在滚水坝一侧开挖了一条非常沟, 用以控泄上游来水。通过在1999～2003年各年度汛期暴雨和连续阴雨过程中, 滚水坝和非常排水沟同时运用, 各级排水工程效益能够得到较充分的发挥, 只要调控措施得当, 大沟蓄水控制工程不会对排水造成负面影响[4]。
从以上观测数据可以看出, 在大沟上修建控制工程利用大沟蓄水, 对地下潜水位的抬升作用非常明显, 对农田涝渍的影响很小。由此达到了大沟排涝与蓄水的双重作用和功效。
2.3 大沟控制工程对水资源的调控
控制工程对水资源的调蓄包括大沟直接拦蓄的降雨径流和抬高地下水增加的地下水资源量两部分。
控制工程年调蓄水量按工程上下游年平均水位差计算的年均调蓄水量与复蓄次数计算, 复蓄次数根据实测水位动态变化及降雨、灌溉等情况分析确定, 分析结果列于表3。
八丈沟试验区2001年、2002年非常排水沟启用, 未能观测到实际结果。1999年、2000年、2003年年调蓄水量分别为11.17、17.62、17.92万m3, 3年平均复蓄水量15.57万m3, 单位长度大沟年调蓄水量为1.769万m3/km。
控制工程对地下水资源的调蓄量按非汛期抬高地下水位最大值所增加的土壤蓄水量进行计算。试验区各年计算成果列于表4。
八丈沟影响范围取沟两侧各1 000 m, 沟长8.8 km, 给水度为0.04。
从表4可见, 八丈沟滚水坝多年调蓄地下水量范围在33.09～74.62万m3, 多年平均调蓄水量51.39万m3 , 单位面积调蓄的地下水量约为2.0万m3/km2。
3 排涝与蓄水的协调及其管理
控制排水技术涉及到农田排水、水资源调节配置、改善农田水环境各个方面, 处理得当意义十分重大。平原区实施控制排水技术必须处理好以下几方面的问题。
3.1 排与蓄矛盾的协调
在实际工程建设行和运用中如何协调排水大沟“排”与“蓄”的关系, 需要从规划设计和控制运用两方面着手。在控制工程型式的选择方面, 对涝渍问题突出、排水要求较高的地区, 或对排水要求高、干旱问题也突出的地区, 其工程型式应选择控制灵活的闸;在排水大沟的中上游区域、或对排水要求较低地区, 控制工程可选择固定滚水坝。无论选用何种控制工程型式, 都应保证排水大沟的控制工程能够排除设计标准的涝渍水。控制工程为固定滚水坝的, 可以在滚水坝上设置小的控制闸或开挖非常排水沟, 以改善其灵活性。
控制运用主要是针对闸而言。一般地相应于农作物灌溉季节和排水时期, 汛期应开闸放水, 非汛期下闸蓄水。但在淮北地区, 汛期的6月上旬是秋季作物 (大豆、玉米等) 播种期, 而这一时期常常出现干旱而无法及时播种。因此, 这一时期应结合天气预报适时蓄水。在汛期的其他时段, 也应根据旱情, 结合预报, 适时蓄水、及时排水。
3.2 排水大沟控制工程的管理
排水大沟分布广泛, 控制工程分散, 有些地处偏远, 这给管理工作带来很大难度。控制工程的管理不仅需要有良好的交通、通讯设施, 而且要花费相当的人力和物力。控制工程的管理问题, 也是很多年来制约排水大沟控制蓄水的主要因素之一。随着经济发展水平的显著提高和农业生产方式集约化进程的推进, 农田水利建设需要向宏观上保护和高效利用水资源、微观上与改进中的农业生产方式相结合的方向发展, 农民对蓄水的合理性、可获利性也逐步有了认识。
对这一技术的推广应用, 重点在工程的规划设计和产权制度两个环节。在规划设计环节, 要保证工程规划科学、结构设计合理、利于工程实施和保证质量可靠;在产权制度环节, 水行政主管部门要把工程受益与工程建设管理相结合, 明晰工程所有权, 以谁收益、谁管理的理念调动广大农民参与工程建设的积极性, 使大沟蓄水控制工程向良性循环方向发展。
3.3 对农田水环境的影响
控制排水技术调控了地下水资源, 拦蓄了地表径流, 相应增加了平原区的水面率, 调节了农田小气候, 对改善空气干燥程度是有益的。但是, 由于减少了沟水位的流动速度, 处理农村生活污废水的能力变差, 应该控制生活污水的排放, 禁止乡镇企业污废水的流入, 以避免“蓄水沟”变成“臭水沟”, 影响环境, 甚至污染地下水。
4 结 语
根据连续6年的试验研究和淮北平原区水资源多年调控的实践表明, 利用淮北平原区广泛分布的排水大沟修建控制工程拦蓄地表径流, 不仅可以根据农田的水分状况按需排水, 最大限度地满足作物对水分的需求, 提高降雨利用率, 缓解当地水资源紧缺的压力, 同时具有改善农作区水生态环境的作用[4]。
淮北地区大沟控制蓄水是新时期淮北平原治水思路的补充和完善。为了保证大沟蓄水的健康发展, 应做到科学规划, 精心设计, 规范建设, 有效管理;应切实避免盲目发展, 片面强调蓄水, 把事情做到另一个极端。
参考文献
[1]郭元裕.农田水利学[M].第2版.北京:中国水利电力出版社, 1986.
[2]安徽省水利厅.安徽水旱灾害[M].北京:中国水利水电出版社, 1998.
[3]安徽省水利厅.安徽水利50年[M].北京:中国水利水电出版社, 1999.
[4]安徽省水利科学研究院.安徽省淮北平原大沟蓄水与农田水资源调控技术[R].2004.
农田排水沟 篇6
1 农田水利工程给排水施工存在的问题
1.1 施工方法传统落后,安全隐患大量存在
在农业现代化发展的推动下,农业生产方式、生产设备都实现了与时俱进的革新,极大的提高了农业生产效率。但是作为最基础的农田水利给排水工程来说,其工程质量并没有得到足够的重视,仍然沿用传统的施工方法进行操作。在这种情况下,水利工程给排水施工必然会存在诸多安全隐患,例如排水系统的连接阀存在漏水问题、管道接口焊接不严密等,都会给水利工程的正常运转产生负面影响。除此之外,给排水施工本身具有一定的隐蔽性,很难通过后期质量检测的方式查找到其中存在的问题,这也就给后期水利工程的整体使用安全埋下了隐患。一旦后期水利工程出现质量问题,则需要耗费大量的人力、物力和时间进行故障修复,不仅影响了正常的农田水利灌溉,而且造成了严重的资金浪费。
1.2 管材质量不合标准,局部渗水问题严重
给排水施工所用原材料质量的好坏,在很大程度上决定了整个水利工程的使用质量。但是部分农田水利工程的施工企业,出于自身建筑成本的考虑,在给排水管材采购时,往往故意选购低价劣质的材料。这些劣质管材不仅使用寿命较短,而且在使用过程中受到外力挤压或其他因素的影响,很容易出现漏水问题,带来了较为严重的水资源浪费问题。例如,在给排水管道接口处,由于所选用的管道接口没有涂刷防腐层,在使用一段时间后就会出现不同程度的锈蚀现象,接口存在严重的漏水现象。而由于给排水管材大多深埋于地下,因此即便是存在管材破损和漏水问题,也很难及时修复。
1.3 施工人员素质偏低,施工工艺不够成熟
水利工程给排水施工是一项综合性强、质量要求严格的工程,对于施工团队的专业技术水平和质量管控能力都提出了严格要求。但是从现阶段国内农田水利工程给排水施工企业的整体情况看,专业化、高素质的全能型技术人才数量稀少,大部分施工人员只能完成基础的给排水施工工作,对于工作的质量管理和后期技术维护难以胜任,这也是制约我国农田水利工程质量进一步优化提高的主要障碍。近年来,针对我国水利工程给排水施工人才短缺的现状,施工企业与多所高校通过校企联合方式,成立水利工程给排水专业,一定程度上缓解了专业人才缺乏的现状。但是许多高校毕业生虽然具备较为丰富的理论知识,但是缺乏相应的施工经验,施工工艺不够成熟,在短时期内也难以为提高水利工程给排水施工质量起到明显帮助作用。
2 农田水利工程给排水施工技术的质量控制措施
2.1 合理安装给排水管道
进行给排水管道安装的过程中,施工人员首先应该注意就是积水镀锌管道,这种管道的施工,不能够采用焊接的方式,应该采用丝扣连接的方法,另外,丝扣连接根应该将螺纹外漏,尤其是要做好防腐工作,给水铸铁管承插接口的灰口位置应该密实并且饱满,做好相应的防湿处理,当遭遇侵蚀性的地下水时,应该在管道的接口位置涂抹一些沥青,防止其受到腐蚀。其次,到目前为止,给水支管大多采用的是一些板内暗装,尽管推广使用的给水塑料管耐腐蚀性比较好,相对的冲击性比较差,这就后期的渗漏堵埋下了隐患。最后,对于给水管材质的要求也是比较高的,选择好的材质是相当重要的,连接件的材质是否具有一致性。
排水管道的安装采取一些措施进行合理的安装:a.管道要做好防水层,杜绝出现在防水层做完后出现打洞、埋设管道以及剔槽等。还应该注意其洞口的处理,因为容易受到温度的影响,以防渗漏等。b.管道接口结构以及所需要的材料应该符合相关设计要求,并且管径应该小于或者等于0.6m,同时将接口的混凝土管口的浆皮刷净;对于管径大于0.6m的管道口应该进行凿毛。c.排水管道是靠压力差来自行的排水,从而避免出现管道堵塞以及沉积等问题。这就要求在安装管道时应注意一定的坡度,杜绝出现其陡坡、倒坡以及高低不平现象。
2.2 合理安排管道应对地下水位的方法
在农田水利工程施工过程中,如果是针对一般地下水位较高的地区,其土层中也会具有较高的含水量,这样的土层具有的一般特点就是,空隙大、压缩性强,并且具有极高的渗透性,这对于水利工程来说,是非常不利的。通常来说,技术人员一般会采用换填土层技术、排水固结技术、置换及拌入技术和土木聚合物等办法。如果是采用填土层技术的话,那么就需要在地基以下相当一定深度的位置,对软弱土层进行挖掘,然后才将一些具有较高承压性,稳定性的碎石砂土回填到同样的位置,这样就能够有效的提升体层的承受能力。
其关键作用分析如下:首先,针对浅土层部位,这种技术,能够有效提供其基础的承载力,由于地集中的剪切破坏主要就是来自于地表,伴随着应力的增大开始了纵向的发展,所以抗剪程度很强的砂石可以很好的置换基础下面的软弱土层,减少地基的破坏。第二,防止冻胀。因为粗颗粒的垫层材料的孔隙非常大,不容易产生毛细管的现象,所以可以很好的防止在寒冷地区造成的冻结和胀破现象。第三,在软土排水固结方面应该更加重视,由于软弱土层是水利工程中最为常见的施工问题,因此,施工人员必须要将这部分问题解决好,否则,将会对整个水利工程的质量产生影响。
结束语
通过加强农田水利工程给排水施工技术的质量管理,能够为我国农业现代化发展和农业增产增收提供极大的便利条件。不可否认的是,现阶段我国水利工程给排水施工技术仍然存在部分问题,相关部门应当强化责任意识,积极引进现阶段施工技术,培养现代化专业人才和管理人才,为农田水利工程的高质量建设提供动力支持。
摘要：水利工程在促进我国农业产业发展、保障农业生产安全方面有重要作用。近年来,国家在水利工程建设方面的资金投入比例不断增加,一定程度上提高了农田水利工程的修建质量和建设数量。给排水施工技术是农田水利工程质量管理的重点和难点,如果不及时解决好给排水施工中存在的问题,不仅会对水利工程自身建设质量产生影响,而且制约了地区农业的可持续发展。因此,必须加强对农田水利工程给排水施工技术质量管理的重视程度。
关键词：农田水利工程,给排水,技术要点,质量管理
参考文献
[1]王鸿飞,霍凤双,肖景贤.关于农田水利工程项目环境影响分析评价探讨[J].黑龙江水利科技,2011(16):164-165.
[2]郭健力,刘启生.土地综合整治项目中农田水利工程的设计[J].企业技术开发,2013(11):131-133..