1.2　农田除涝减灾排水工程技术与方法

现有农田除涝减灾排水工程技术与方法的研发及应用使得大面积涝渍土壤得以改良，保障了粮食安全。随着全球气候的极端变化，短期内的强降水引起的洪涝灾害、涝渍相随、旱涝交替演变以及人类活动的加剧，都对农田除涝排水工程技术开发提出了新的需求和挑战。

1.2.1　农田除涝排水工程措施

如图1.1所示，农田除涝排水工程措施通常可分为水平排水和垂直排水，其中水平排水措施主要包括明沟排水、暗管排水、鼠道排水以及盲沟排水等，而垂直排水措施主要是指竖井排水。明沟排水是最古老也是应用最为广泛的排水措施，具有同时排除地表涝水和地下水的双重作用，缺点是占地面积大、修建在轻质土地区的易于坍塌、维护养护难、不利于机耕和增添田间桥涵建筑物等。随之出现的暗管排水则克服了明沟排水的缺陷，可在节省土地的同时达到治渍改碱、控制地下水位、改善土壤通气性、减少地表侵蚀和营养物流失等目的，已在荷兰、芬兰、美国、日本、埃及、印度等许多国家广泛应用，但在我国的发展则相对滞后。鼠道排水具有类似于暗管排水的功能，但不需使用管材和滤料，故造价低廉，施工比较方便。鼠道的深度一般为0.4～1m，间距一般为2～5m，由于其直接与地表连通，具有加快积水排除、降低地下水位明显的效果。盲沟排水主要采用砂砾石、矿渣、树枝、稻壳、秸秆等强透水材料无序填充在矩形排水沟底部，并在上面回填适量表土后构成。近年来，塑料盲沟在地基处理、公路和城市排水系统中得到了较好应用（毛荣华等，2004；李晓莉，2007），但在农田排水中鲜见研究和应用。竖井排水是在田间按一定间距打井，井群抽水时在较大范围内会形成地下水位降落漏斗，降低地下水位的作用明显。竖井排水一般是结合当地灌溉，实现灌排结合，具有灌溉抗旱、控制地下水位、旱涝碱兼治等多种功能，对干旱、涝渍、盐碱灾害并存的北方平原中低产田改造起到重要作用，但竖井排水的建设和运行费用较高，消耗能源较大，且建设中对水文地质条件有较高要求。表1.1给出了明沟、暗管和竖井三种单一结构农田排水方式的优缺点。

农田除涝排水工程系统一般由骨干排水系统和田间排水系统组成。为了适应不同地区的气候和作物特征，田间排水系统可采用明沟收集和输运排水的单一明沟布设方式[图1.2（a）]、明沟和暗管相结合的明暗组合方式[图1.2（b）]、排涝浅沟结合竖井的沟井组合方式[图1.2（c）]等。明沟布设方式的施工简单，造价低，但占地多，易塌坡，维护工作量大；暗管布设方式可减少明沟占地面积且不影响农艺活动，因其只有一个出口故易于维护，但除涝效果不及单一明沟，且工程投资较大，施工技术要求也较高。明沟暗管组合排水系统利用浅明沟进行除涝或排除地面退泄水，而利用暗管调控地下水位，并通过集水明沟向外输送，达到治渍和改土的目的（详见第7章）。明沟竖井组合排水中，竖井承担抽水灌溉，同时降低地下水位，防止土壤渍害和盐碱化发生，明沟承担排除地表水及输送竖井排出水的任务。在干旱季节，通过竖井抽取地下水用于灌溉，解决了农业用水问题，同时又腾空了地下库容，更利于汛期大量存续入渗水量，并使地下水位得到恢复，当地下水位过高时也可通过竖井抽排、明沟输送抽水的方式降低地下水位，竖井排水出水量较大、降低地下水位较快，其与明沟相结合，可以达到地面水、土壤水、地下水的统一调度和控制目的。此外，基于现有除涝排水工程系统发展起来的控制排水技术，一方面可在洪涝灾害发生时按照除涝设计标准在沟道（或暗管）上实行无干扰排水；另一方面在干旱期则通过建造在沟道或暗管上的控制设施进行控制性排水，以减少不必要的水肥流失。

1.2.2　农田除涝排水工程材料及施工工艺

农田除涝排水工程材料包括明沟护坡及建造配套建筑物所需材料、排水暗管的管材、外包料及其配套建筑物等。在防止明沟边坡坍塌的相关技术措施中，除了放缓边坡、草皮护坡、加大底宽或采用复式断面、加强管护等措施外，用于加固边坡的材料有干砌石、砂（土）袋、黏土、透水混凝土板、铅丝石笼、柳桩草把、暗管和透水防沙的土工布等。日本于1995年率先开展植被生态混凝土护坡研究，美国及欧洲发达国家自20世纪末也相继开展生态混凝土的研发（刘斯风等，2009）。我国的研究起步较晚，目前主要集中在河道边坡护岸、城市景观建设、水污染治理等领域，以蜂窝状混凝土板、植草生态混凝土等作为沟坡材料的农田生态排水沟仅开展了小规模试验示范。

随着材料及施工技术发展，暗管的管材经历了黏土瓦管、陶土管、水泥砂浆管、混凝土管、光滑塑料管，直到现在常用的PVC、PE打孔波纹塑料管。波纹塑料管具有重量轻、运输和铺设中损耗小、耐腐蚀、整体性好、施工方便、易保证施工质量等优点，特别适合于采用先进的挖沟铺管机进行施工，铺设效率高。为了改善水流进入暗管的水力条件，并防止细粒土壤进入排水管，在暗管四周铺设外包滤料是暗管排水工程施工过程中的必要环节。常用的暗管外包滤料包括砂砾石滤料、有机物滤料以及合成滤料等，其中级配良好的砂砾石滤料是外包滤料中使用时间最长、技术相对较为完善的形式；有机物滤料主要包括谷壳、秸秆、树枝、木屑、泥炭、玉米芯、椰子纤维等（Framji等，1987；乔玉成，1994），该形式下的外包滤料在比利时、德国以及荷兰均有成功应用案例；合成滤料最晚发展起来，具有材质轻、厚度薄、用料省，从而价格低廉、易于运输储存、便于机械化施工等特点，在砂石料紧缺的地区，选择合成材料如土工布等作为外包滤料不仅有利于机械化施工，且大大降低了工程造价。

与传统的过滤排水材料相比，土工织物具有产品系列多、性能稳定、质轻、运输施工方便、劳动强度低、工效高、施工质量易保证等优点。土工布作为人工合成外包料预缠绕在波纹塑料暗管上是常见的暗管施工工艺，尤其在流沙等不利条件下易于安装，突出特点是单位长度较轻，从而减少了运输费用。针对土工布外包滤料选择问题，Stuyt等（2005）提出了选择土工布的计算方法及其选择标准；El-Sadany Salem等（1995）研究发现埃及国产的4种土工布均能达到暗管排水的要求；丁昆仑等（2000）开展了宁夏银北灌区暗管排水外包滤料的一维和二维实验研究，提出适宜当地暗管排水需求的无纺土工布规格指标与选择方法；宁夏水利科学研究所（2003）对银北灌区暗管排水土工布外包滤料的应用进行了野外调研，发现土工布与波纹塑料管组成的排水工程系统具有较好的排水效果，可以满足当地的排水要求；Lal等（2012）对印度哈里亚纳邦地区以合成材料为外包滤料的暗管排水运行3～6年后的淤堵情况进行了调查分析，结果表明合成外包滤料具有较好的防淤堵能力，暗管淤堵量很小。

传统的明沟排水工程常采用挖掘机和田间小型开沟机具进行施工，造价低，技术相对较为成熟。暗管排水工程常采用半机械化施工或机械化施工，对施工作业提出了更高要求。20世纪60年代出现了自动开沟铺管机，与常规挖掘机相比，暗管安装速度快，可精确控制埋设深度和坡度，适用于各种合成外包料和土壤条件。随后出现的无沟铺管机是一种自动化程度较高的暗管铺设设备，安装速度快，可精确定位埋管深度和边坡，不破坏土壤和作物，无需回填土壤，缺点是只适用于管径较小的预装外包料的波纹管，且难以在过湿土壤条件下施工铺装，技术优势随埋管深度的增加以及土壤黏性的加重而下降。随着激光控制技术应用到铺管机上，使得暗管铺设的质量和效率得到很大提高（Fouss和Fausey，2007），实现了沟道开挖和坡度控制、定位铺管、土壤回填的一体化作业模式。

1.2.3　农田除涝排水工程设计方法

农田除涝排水工程设计是实现排水控制指标的重要环节，其中排水沟（管）的深度与间距又是影响排水效果的主要参数。选取适当的工程设计参数是确保作物正常发育生长的关键所在，这些工程设计参数与排涝（渍）流量密切相关，而排涝（渍）流量（或排水强度）又是确定各级排水沟道断面、暗管布局及沟道上建筑物，以及分析现有排水设施排水能力的主要依据（王少丽等，2014）。通常多采用降深-历时-频率曲线法（Oosterbann，1994；Jiang and Tung，2013）、SCS经验法（EI-Hames，2012）等计算排涝流量。Wadatkar等（2007）针对印度排水状况提出了基于降雨频率分析、作物耐淹程度、土壤入渗特性的排水深度计算方法；Skaggs等（2007）针对美国湿润地区，利用降水量、排水深度、土壤剖面导水系数和有效孔隙度参数组合线性拟合确定最优的设计排水深度。我国一般采用平均排除法或经验法计算单位面积上的设计排涝流量或排涝模数，并以此设计确定排水沟道的断面尺寸。随着气候变化和土地利用方式的改变，相同设计暴雨下可能产生与以往不同的排涝流量，地表产汇流过程发生变化。罗文兵等（2014）基于经验法对湖北省四湖流域螺山排区的研究表明，受下垫面条件改变影响，在10年一遇3日暴雨的排涝标准下，该区的排涝模数已由1994年的0.38m3/（s·km2）上升到2011年的0.46m3/（s·km2），约相当于前者条件下19年一遇3日暴雨的排涝标准；毛慧慧等（2013）在总结海河流域平原区沥涝水特点基础上，对下垫面变化条件下的流域各典型排涝区产流量研究结果表明，1980年后各典型排涝区在相同降雨条件下的产流量明显减小。

在地下排水工程设计中，通常以排渍模数、地下水降落速率、地下水位控制深度等为依据，采用稳定流或非稳定流排水渗流理论公式或田间排水试验数据确定暗管的埋深和间距，并据此获得排水沟的底部高程和排渍水位。Sieben（1964）提出了以作物生长期内地下水埋深小于30cm的累计值SEW30作为排渍标准；Hiler（1969）考虑到作物不同生长阶段对渍害敏感程度的差异，提出了阶段性抑制天数指标SDI；以上述概念为基础，随后出现了类似指标，如SEW50、涝渍综合超标水位累积值（SFEW30、SFEW50）、连续抑制天数指标（CSDI）等。基于连续的涝渍过程，我国学者张蔚榛（1997，1999）、朱建强（2000，2006）、汤广民（1999）、俞双恩（2014）等基于试验的方法分别建立了小麦、大豆、棉花、水稻等作物产量与上述指标的关系。沈荣开等（2001）针对我国南方涝渍相伴相随的特点，以等效淹渍历时为反映涝渍程度的综合指标，开展了多阶段涝渍共同作用下作物水分生产函数的研究。

随着计算机模拟模型的不断发展，开发和利用模型进行排水工程参数优化设计特别是地下排水工程的优化设计已成为趋势。Singh等（2006）利用田间验证的DRAINMOD模型设计暗管排水工程的埋深与间距，指出埋深不变的地下排水量随暗管间距的减少而增加，且作物相对产量在某间距处达到最高；Ebrahimian和Noory（2015）应用HYDRUS-2D模型模拟水田暗管埋深和间距、土壤质地对排水流量的影响，发现随着暗管间距增大而排水率减小，且暗管间距对排水率和地下水位的影响要比暗管埋深大。不管是采用稳定流或非稳定流计算公式进行排水工程设计，都不会影响到基于计算机模型对各种设计条件下排水和作物生长状况的模拟结果，主要影响因素在于最后设定的排水间距和埋深。虽然基于模型的排水工程设计方法已研究较多，但距实际应用仍有一定差距，这主要是由于模型自身需要较多的输入数据，且基层设计人员在使用基于排水理论的模型时还有一定难度。

通常暗管排水工程的功能和作用主要在于控制地下水位，但研究表明其还可减少地表径流，进而影响地表侵蚀及污染物排放过程，尤其是改进型的暗管排水工程（带砾石暗管、砾石鼠道）具有更佳的排水性能。Melesse和Maalim（2013）针对美国Le Sueur流域，采用WEPP模型对不同排水流量和耕作条件下暗管排水对地表侵蚀率的影响进行了模拟评价，结果表明暗管排水影响到地表水入渗，在减少地表径流的同时也影响到土壤侵蚀过程；Filipovic'等（2014）采用HYDRUS-2D/3D模型模拟了常规暗管排水、带砾石的暗管排水、带砾石的暗管与鼠道相结合下的排水性能，发现常规暗管排水量最小，带砾石的暗管与鼠道相结合的排水方式在强降雨下可减少75%的地表径流量；王少丽等（2001）从我国农田涝渍相伴、连续危害的自然特点出发，基于水量平衡原理，对明暗组合排水下的地面、地下排水模数进行了理论分析探讨，提出基于地下排水工程排除地表水的作用可以减轻地面排水工程的负担，使除涝工程更为经济合理；Sands等（2015）采用DRAINMOD模型模拟了美国明尼苏达南部典型土壤条件下不同暗管埋深和间距组合下的地表径流、暗管排水量和作物产量，以内部收益率作为不同暗管排水组合的效益评价指标，并以地表地下排水量作为环境响应指标，发现减小暗管排水量会增大地表径流量，而增大暗管排水量又会增大地下硝态氮的流失量，提出效益最大、总排水量最小的暗管间距为46m且埋深为1.35m。