孫雪梅，黃 彥，孫艷玲

(黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

黑龍江省作為我國農(nóng)業(yè)和粳稻第一大省，2018年，全省農(nóng)業(yè)灌溉水量占用水總量的87%，水田灌溉用水量約占農(nóng)田灌溉用水總量的98%左右，農(nóng)業(yè)用水占比過高、水田灌水效率低、水資源承載力不足已成為限制我省水稻種植和農(nóng)業(yè)發(fā)展的瓶頸問題[1]。在高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田和現(xiàn)代化灌區(qū)建設(shè)背景下，我省水田灌區(qū)格田已由碎片化、不規(guī)則、低平整度逐漸向規(guī)?；?、標(biāo)準(zhǔn)化、高平整度發(fā)展，在規(guī)?；锝ㄔO(shè)中，田間灌排工程的合理布局直接影響農(nóng)田的生產(chǎn)能力和灌排保證率[2]。國內(nèi)學(xué)者在灌溉渠系布局方面做了大量研究，程毅強(qiáng)[3]分析了水源、土壤條件、地塊形狀、地形條件、條田方向、機(jī)械作業(yè)、運(yùn)行管理等約束條件對(duì)灌溉渠系布置的影響；吳昌春[4]以舒廬干渠灌區(qū)末級(jí)渠系為例，探討了末級(jí)渠系節(jié)水改造規(guī)劃設(shè)計(jì)方法，保證了節(jié)水改造項(xiàng)目投資效益；汪海濤[5]以高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)中灌溉渠道改造工程為例，從流量計(jì)算、斷面比選及結(jié)構(gòu)布置等方面進(jìn)行灌溉渠道設(shè)計(jì)。本文在水田灌區(qū)規(guī)?；裉飾l件下，對(duì)田間灌排渠系布局的影響因素進(jìn)行分析，以期得到適合規(guī)?；锏墓嗯殴こ套顑?yōu)布局，為規(guī)?；锕嗯殴こ探ㄔO(shè)提供依據(jù)，提高水田灌區(qū)排灌能力和抵御自然災(zāi)害的能力，改善糧食生產(chǎn)的基礎(chǔ)條件。

1 規(guī)模化水田田間灌排渠系布局及形式

1.1 灌排渠系布置形式

灌排工程是農(nóng)田水利建設(shè)發(fā)展不可或缺的內(nèi)容，其灌溉功能是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全的重要保障[6]。渠系規(guī)劃要與其他相關(guān)規(guī)劃緊密配合，布置方案要結(jié)合田塊、林帶、道路等設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合考慮，統(tǒng)一安排[7]。灌排渠系布置分為灌排分開和灌排結(jié)合兩種形式。

(1)灌排分開布置形式。灌排分開布置形式的優(yōu)點(diǎn)是利于控制地下水位，防止土壤堿化；灌溉與排水分別控制，靈活調(diào)控，不存在矛盾，有利于及時(shí)灌排；田間工程在規(guī)劃或改造時(shí)，可以保留大部分合理的排水溝道，也可將現(xiàn)有排水溝道平整后筑成渠道，充分利用資源，節(jié)省大量人力物力，是平原地區(qū)田間渠系的主要形式。

灌排分開布置形式又分為灌排相鄰布置和灌排相間布置。灌排相鄰布置渠道向一側(cè)供水，排水溝承泄一側(cè)排水，這種布置形式適用于地形有單一坡向，灌排方向一致的地區(qū)；灌排相間布置渠道向兩側(cè)灌水，排水溝承泄兩側(cè)的排水，這種布置形式適用于平坦地形。

(2)灌排結(jié)合布置形式。灌溉與排水系統(tǒng)采用同一渠道，其優(yōu)點(diǎn)是在規(guī)劃建設(shè)時(shí)只需要復(fù)核現(xiàn)有排水溝道是否滿足灌溉的要求，并對(duì)其進(jìn)行必要的改建即可完成；控制左右兩側(cè)格田，起到又灌又排作用，可以減少占地面積并節(jié)省渠道工程量。灌排結(jié)合布置形式要確保灌排不交叉運(yùn)行，合理控制，灌區(qū)不需要控制地下水位，灌排矛盾小，格田之間有一定高差，渠沿著最大地面坡度方向布置。灌排結(jié)合布置形式不適合在農(nóng)渠及田間毛渠規(guī)劃設(shè)計(jì)，通常只在支、斗兩級(jí)渠道結(jié)合布置，只在地勢較高、地面有相當(dāng)坡度的地區(qū)或地下水位較低的平原地區(qū)適用。

1.2 渠系布置密度

渠系布置密度與地形、田塊大小、灌排方式、布置形式等關(guān)系密切。灌排方式分單灌單排和竄灌竄排兩種，單灌單排灌溉效率高，每個(gè)田塊均與灌排渠道相鄰，適合田塊大的區(qū)域；竄灌竄排灌溉效率相對(duì)較低，但可減少灌排渠道布置密度，可應(yīng)用于田塊小的區(qū)域。布置形式分灌排分開、灌排相鄰和灌排一體，灌水方式有單項(xiàng)灌水和雙向灌水。目前，田塊大小一般為0.3 hm2、0.5 hm2、1.0 hm2，農(nóng)渠布置間距可為100～400 m，按照灌排方式和地形坡度增加或減小農(nóng)渠布置密度；斗渠一般為雙向灌水，布置密度是農(nóng)渠長度的2倍。

1.3 渠道斷面形式

目前，末級(jí)渠系常用的渠道斷面形式為梯形、矩形和U型。梯形斷面渠道分預(yù)制和現(xiàn)澆兩種，預(yù)制梯形混凝土預(yù)制板厚度應(yīng)不小于8 cm，質(zhì)量以不大于25 kg/塊為宜；現(xiàn)澆混凝土預(yù)制板厚度應(yīng)不小于10 cm，平面宜采用矩形，尺寸應(yīng)不大于2.0 m×1.5 m；強(qiáng)度等級(jí)為C25F200。矩形和U型渠道由于成型工藝較復(fù)雜，一般采用裝配式，成型渠道現(xiàn)場直接鋪裝，施工工藝簡單，占地少，對(duì)于大型灌區(qū)斗渠以下和中型灌區(qū)支渠以下推薦采用裝配式渠道，可提高施工工效，強(qiáng)度等級(jí)為C30F300?？紤]渠道使用壽命及寒地特點(diǎn)，應(yīng)優(yōu)先采用強(qiáng)度等級(jí)高、防滲防凍脹性能好的新型材料。

1.4 防凍脹措施

針對(duì)東北寒冷地區(qū)，灌溉渠系應(yīng)采用基礎(chǔ)換填、EPS顆粒輕質(zhì)土、EPS保溫板等防凍脹措施。基礎(chǔ)換填防凍脹技術(shù)是在凍結(jié)深度內(nèi)將渠道底板下的凍脹性土換成非凍脹性土的一種防凍脹方法，置換材料通常采用砂礫石或中粗砂以及多種保溫材料；EPS顆粒輕質(zhì)土是一種新型防凍脹材料，在細(xì)粒土或淤泥或砂土中添加水、固化劑混合攪拌，再加入泡沫塑料顆?；蚯蛄；蛩槠旌现瞥?，密度和抗壓強(qiáng)度可以通過配方的改變進(jìn)行調(diào)節(jié)，28 d抗壓強(qiáng)度一般在0.1～10 MPa之間。EPS保溫板防凍脹技術(shù)在寒冷地區(qū)的應(yīng)用已經(jīng)有30多年的經(jīng)驗(yàn)，取得較好的效果，并已經(jīng)列入國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中。

2 灌排渠系工程布局影響因素分析與研究

2.1 因素指標(biāo)分析

灌排渠系工程布局需綜合考慮地形、格田、灌排水方式、渠道布置間距、渠道長度、渠系水利用效率和工程造價(jià)等因素。

(1)地形與灌水方式。對(duì)于坡度小于5°的坡地，農(nóng)渠灌水方式選擇單向灌水；對(duì)于平坦的平原，農(nóng)渠灌水方式選擇雙向灌水。斗渠灌水方式均為雙向灌水。

(2)格田規(guī)格與農(nóng)渠間距。農(nóng)渠垂直于格田長邊布置，單向灌水農(nóng)渠間距為格田長邊長度，溝渠相鄰布置；雙向灌水農(nóng)渠間距為格田長邊長度的2倍，溝渠相間布置；對(duì)于格田規(guī)格小的區(qū)域，為防止斗渠間距過小，增加施工成本，可選擇竄灌竄排方式。農(nóng)渠布置間距可為100～400 m。

(3)斗渠、農(nóng)渠長度。渠道長度過長會(huì)降低渠系輸水效率，綜合考慮渠系水利用效率和控制面積因素，農(nóng)渠長度可為400～600 m，斗渠長度可為600～1000 m。

(4)斗渠控制面積。斗渠控制面積由渠道間距與長度決定。斗渠控制面積過小，會(huì)導(dǎo)致灌區(qū)渠道密度增加，工程量增加；斗渠控制面積過大，則會(huì)由于渠道過長降低輸水效率。應(yīng)結(jié)合工程投資與輸水效率綜合考慮控制面積。

(5)渠系輸水效率。渠系輸水效率與渠道長度、施工質(zhì)量相關(guān)，是衡量一個(gè)渠道系統(tǒng)的灌溉效率的指標(biāo)，渠系布置應(yīng)使渠系輸水效率最大化。

(6)工程造價(jià)。工程造價(jià)由渠道密度與長度決定，在保證灌溉面積和渠系水利用效率的同時(shí)，盡量降低工程造價(jià)，達(dá)到灌溉系統(tǒng)的優(yōu)化布置。

2.2 灌排工程布局主要影響因素研究

(1)分析方法。利用主成分分析法對(duì)灌溉系統(tǒng)性能的影響因素進(jìn)行分析。主成分分析(PCA) 為回歸分析的一種，是將多個(gè)影響因素轉(zhuǎn)換為少數(shù)相互無關(guān)的綜合指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)方法，該方法可以很好地處理變量間的多重相關(guān)性。主成分分析的數(shù)學(xué)模型如式(1)所示：

(1)

(i=1， 2， ...，p；j=1， 2， ...，k)

式中：Fj為各影響因素的成分；xi為灌溉系統(tǒng)性能的影響因素；aij為因子載荷系數(shù)。

通過計(jì)算各主成分的方差貢獻(xiàn)率，選出累計(jì)方差貢獻(xiàn)率大于85%的m(m

(2)

式中：ωj為第m個(gè)主成分的方差貢獻(xiàn)率；Wi為各影響因素的權(quán)重，將其歸一后得到的權(quán)重向量即為各影響因素的權(quán)重向量W，通過權(quán)重判斷各因素的硬性程度，得到主要影響因素。

(2)確定評(píng)價(jià)因素。選擇一個(gè)斗渠控制單元，選取農(nóng)渠間距、農(nóng)渠長度、斗渠長度、斗渠控制面積、渠系輸水效率及工程造價(jià)6個(gè)因素的合理區(qū)間進(jìn)行不同組合，其中農(nóng)渠間距選擇100 m、200 m、400 m三種寬度，農(nóng)渠長度選擇400 m、600 m 二種長度，斗渠長度選擇600 m、800 m、1000 m三種長度，斗渠控制面積選擇66.67 hm2、200.00 hm2、333.33 hm2三種規(guī)模，工程造價(jià)和輸水效率根據(jù)渠道長度與控制面積計(jì)算。具體組合見表1。

表1 不同影響因素組合

2.3 分析結(jié)果

通過SPSS 軟件，得出各主成分的特征值及方差貢獻(xiàn)率見表2，可以看出第1、2、3、4主成分的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率已達(dá)到85% 以上，表明前4個(gè)主成分已包含了各影響因素中的大部分信息，因此，選用主成分1、2、3、4即可對(duì)各因素進(jìn)行描述。前4個(gè)主成分各影響因素的權(quán)重見表3，可以看出，控制面積、工程造價(jià)對(duì)灌排渠系工程布局影響最大，其次是農(nóng)渠間距、斗渠長度和輸水效率，農(nóng)渠長度對(duì)灌排渠系工程布局影響較小。

表2 各主成分的特征值及方差貢獻(xiàn)率

表3 主成分的因子載荷系數(shù)

3 結(jié) 論

本文介紹了東北地區(qū)規(guī)模化水田田間灌排渠系布局，包括渠系布置形式、布置密度、渠道斷面形式及防凍脹措施；選擇農(nóng)渠間距、農(nóng)渠長度、斗渠長度、斗渠控制面積、渠系輸水效率及工程造價(jià)6個(gè)因素，對(duì)其合理區(qū)間進(jìn)行不同組合，利用主成分分析法對(duì)灌排渠系工程布局影響因素進(jìn)行了評(píng)價(jià)，得出對(duì)灌排渠系工程布局影響最大的因素是控制面積、工程造價(jià)，其次是農(nóng)渠間距、斗渠長度和輸水效率，農(nóng)渠長度對(duì)灌排渠系工程布局影響較??；研究結(jié)果可為東北地區(qū)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田及現(xiàn)代灌區(qū)建設(shè)提供技術(shù)方案。