日本暗管排水規(guī)劃設(shè)計(jì)

潘傳柏，楊夢(mèng)云

(1.荊州市水利水電勘測設(shè)計(jì)院，湖北 荊州 434000；2.荊州市長江河道管理局公安分局勘測設(shè)計(jì)院，湖北 公安 434300)

日本耕地面積僅占世界耕地面積的0.4%，土地零星分散，為提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率，實(shí)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)化、社會(huì)化、規(guī)?；谕恋鼗A(chǔ)建設(shè)中配合大區(qū)劃化統(tǒng)籌考慮排水系統(tǒng)，日本近代采用暗管排水開始于明治年代，大面積推廣應(yīng)用是在1945年第二次世界大戰(zhàn)以后。1955年日本頒發(fā)了《土地改良事業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，包括“暗管排水規(guī)劃設(shè)計(jì)”章節(jié)，暗管排水工程得到了大發(fā)展。日本農(nóng)業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)與我國相似，通過中日技術(shù)合作兩個(gè)示范區(qū)暗管示范工程建設(shè)和學(xué)習(xí)借鑒日本農(nóng)田建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)以及課題組所做的有關(guān)調(diào)查，可以認(rèn)為暗管排水工程是低濕平原湖區(qū)農(nóng)田基本建設(shè)的延續(xù)與深化，日本的暗管排水規(guī)劃設(shè)計(jì)對(duì)我國農(nóng)田水利基本建設(shè)尤其是江漢平原、南方低濕地區(qū)和以澇漬危害為主要限制因素的農(nóng)業(yè)地區(qū)的農(nóng)田水利工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)有著一定的借鑒與參考價(jià)值，國內(nèi)偶見關(guān)于國外暗管排水發(fā)展?fàn)顩r的文獻(xiàn)，但鮮見關(guān)于暗管排水規(guī)劃設(shè)計(jì)方面的文獻(xiàn)，本文擬根據(jù)筆者所掌握的資料在此加以介紹。

1 制定規(guī)劃的基本思路和步驟

1.1 制定規(guī)劃的基本思路

日本制定暗管排水規(guī)劃時(shí)，要求充分考慮該地區(qū)的現(xiàn)在及將來的土地利用，農(nóng)業(yè)經(jīng)營狀況等內(nèi)容。暗管排水規(guī)劃來源于土地使用者的要求，所以必須充分了解要求的內(nèi)容。不僅要考慮土地使用者對(duì)現(xiàn)在的土地利用及農(nóng)業(yè)經(jīng)營狀況的要求，還要對(duì)將來的土地利用及農(nóng)業(yè)經(jīng)營狀況作出預(yù)測。

1.2 制定規(guī)劃的步驟

日本制定暗管排水規(guī)劃的步驟各地有所不同，但基本遵循以下步驟。首先是根據(jù)調(diào)查結(jié)果，分析研究該地區(qū)的排水條件，查明排水不良的原因，在此基礎(chǔ)上再考慮將來的土地利用形態(tài)，找出解決問題的辦法，判斷出用哪種措施妥當(dāng)。作為解決問題的辦法有時(shí)候只需要一個(gè)，有時(shí)候則必須采用兩種以上的措施。

例如，在沒有實(shí)施田間配套，并且地區(qū)的地表排水系統(tǒng)也沒有配套的地方，就要先確定地表排水系統(tǒng)的配套問題，如果這樣還解決不了土壤透水性差、地表積水的問題，土壤排水仍然存在問題時(shí)，就需要考慮暗管排水；當(dāng)與主排水溝、支排水溝連接的排水溝排水不良或局部地區(qū)排水溝水位比較高時(shí)，就必須將明溝或排水泵等配套設(shè)施與暗管排水同時(shí)實(shí)施。

經(jīng)過以上分析并參考類似地區(qū)的狀況，判斷整個(gè)地區(qū)或者局部是否需要暗管排水，或者是否需要采用其他設(shè)施進(jìn)行綜合處理，再具體確定需要暗管排水的區(qū)域。然后是參考類似地區(qū)的暗管排水規(guī)劃、設(shè)計(jì)的各個(gè)指標(biāo)及排水效果等因素，確定出本地區(qū)的規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)因土地利用形態(tài)及作物等因素而有所不同，這些可以通過地區(qū)將來的土地利用預(yù)測進(jìn)行確定。接下來進(jìn)入暗管排水系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，因地形條件、土壤條件不同，做相應(yīng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)。最后計(jì)算工程費(fèi)用，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益比較，判斷工程的經(jīng)濟(jì)合理性。另外，在規(guī)劃的各個(gè)階段可以就幾個(gè)方案進(jìn)行分析比較，以確定最佳規(guī)劃方案。

2 暗管排水與地區(qū)排水、用水的關(guān)系

2.1 與地區(qū)排水的關(guān)系

日本在制定暗管排水規(guī)劃時(shí)，要分析與地區(qū)地表排水規(guī)劃的關(guān)系，以確定暗管排水功能是否能夠充分發(fā)揮，如果排水功能不能充分發(fā)揮，就要考慮配備地表排水設(shè)施。為了充分發(fā)揮暗管排水的功能，不僅要求暗管排水本身的吸水、集水功能完備，還要求包括田間在內(nèi)的地區(qū)地表排水設(shè)施具備足夠的排水功能，能夠?qū)⑹占乃耆杆俚嘏懦?/p>

與暗管排水有關(guān)聯(lián)的地區(qū)，在正常排水時(shí)要考慮排水溝的過水能力、排水水位控制功能、排水管理系統(tǒng)的完整性。正常排水的過水能力一般是用與排漬水位對(duì)應(yīng)的均勻流校核。當(dāng)排水溝的水流為非均勻流時(shí)，就要從主、支排水溝的水力學(xué)控制斷面進(jìn)行回水計(jì)算，推算排水溝的水面線，并確保暗管排水口的水位低于排水下口端的高程，此時(shí)控制斷面的水位采用正常排水的設(shè)計(jì)排水漬位(控制目標(biāo)水位)，當(dāng)溝道沿程有暗管排水或有地區(qū)外來水時(shí)，溝道沿程的計(jì)算流量應(yīng)考慮匯入的流量，這項(xiàng)工作主要是校核排水溝的水位控制，對(duì)于排洪水除澇的全斷面的過水能力在此不予考慮。

排水溝的水位通過排水泵站、閘門等進(jìn)行控制，所以在校核這些設(shè)施的功能時(shí)，主要是校核對(duì)排水水位的控制功能。排水溝道水位控制的準(zhǔn)確程度與控制設(shè)施的功能相比，更多的還是依靠設(shè)施管理系統(tǒng)的可靠性。因此關(guān)鍵在于排水水位的管理是在怎樣的系統(tǒng)之下，由誰負(fù)責(zé)實(shí)施的問題。

關(guān)于排水標(biāo)準(zhǔn)，日本暗管排水設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)暗管設(shè)計(jì)排水量的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)為:設(shè)計(jì)基準(zhǔn)雨量為10年一遇4h雨量，以4h通過地面和地下排水設(shè)施排除為目標(biāo)，將設(shè)計(jì)基準(zhǔn)雨量乘以排水折算率(設(shè)計(jì)基準(zhǔn)雨量中從農(nóng)田表面滲到地下依靠暗管排出的部分占設(shè)計(jì)基準(zhǔn)雨量的比率)作為暗管設(shè)計(jì)排水量。我國暗管排水采用的是地下水位降落速度、稻田的滲漏強(qiáng)度等作為標(biāo)準(zhǔn)，而沒有采用雨量作為暗管的排水標(biāo)準(zhǔn)，由此日本的農(nóng)田排水標(biāo)準(zhǔn)比我國要高。

2.2 與用水的關(guān)系

在制定暗管排水規(guī)劃時(shí)，其與用水的關(guān)系必須進(jìn)行認(rèn)真地分析。采用暗管排水后一般會(huì)帶來用水量的增大，因此，如果實(shí)施暗管排水就要考慮改變以前的田間用水管理方法，在制定暗管排水規(guī)劃時(shí)，需要認(rèn)真分析經(jīng)過暗管排水以后用水、排水的平衡是否被打破，并考慮解決的方法，在水田中應(yīng)盡可能地進(jìn)行田面平整。為了防止過量排水，要保證控制閘門能完全控制排水水位，如果用水不足，就要在排水控制的同時(shí)考慮新建水源或排水再利用等措施。

國內(nèi)目前的暗管排水規(guī)劃中，一般很少分析經(jīng)過暗管排水以后用水、排水的平衡問題，日本的經(jīng)驗(yàn)值得借鑒。

3 田間條件與輔助手段利用

3.1 田間條件

日本的土地改良設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，在制定暗管排水規(guī)劃時(shí)，必須充分考慮田間的土地利用形態(tài)(水田、旱田和草地)及環(huán)境條件(土地、地形、外來水、氣象等)，合理劃分田塊大小和配置農(nóng)田排灌系統(tǒng)及農(nóng)道。

水田中的暗管配置原則上受耕地規(guī)劃面積的控制，而旱田、草地則是受地形的控制。在水田泡田時(shí)，為了控制暗管過量排水要設(shè)置調(diào)節(jié)閘門，而在旱田中除了將暗管與旱田灌溉兼用之外，一般不設(shè)調(diào)節(jié)閘門，特別是水田的排水還要受符合栽培條件的水管理方法、田面的平整情況、耕地規(guī)劃面積的大小等田間條件的限制。

關(guān)于田間環(huán)境則主要考慮土壤性質(zhì)、地形、外來水、氣象等。規(guī)劃設(shè)計(jì)中對(duì)土壤重點(diǎn)分析砂質(zhì)土壤、重粘土壤、泥炭土壤，尤其是泥炭土壤，其構(gòu)成中的植物殘?bào)w等有機(jī)成分較高，如分解不好，會(huì)因?yàn)榈叵屡潘a(chǎn)生嚴(yán)重的不均勻沉降問題，其地基承載力也較低，這一點(diǎn)在日本的暗管排水規(guī)劃設(shè)計(jì)中尤為注意。

普通的暗管排水規(guī)劃是以排除雨水及水田的多余水量為重點(diǎn)，但是像谷地水田和圍墾地塊周圍外來水可以通過特殊路徑侵入時(shí)，就必須根據(jù)情況考慮暗管、截滲溝隔斷等措施。水田中落水后的田面干燥速度不僅與土壤條件有關(guān)，還受雨量、蒸發(fā)量等因素的影響。所以在暗管排水規(guī)劃設(shè)計(jì)中還要考慮氣象條件。

3.2 輔助手段利用

為了提高暗管排水的效果，根據(jù)需要還應(yīng)該考慮采用輔助手段解決暗管排水的問題。暗管排水效果常常可以通過采用一些輔助手段加以提高，如重粘土地帶的心土破碎，用砂客土等土壤改良、埋設(shè)濾料的暗管等以及在泥炭地帶，作為主暗管埋設(shè)前而進(jìn)行的截水暗管及鼠道式暗管的施工等，都是有效的輔助手段。另外，在低濕重粘土的水田方面，采用夏季曬田期休耕或通過種植旱作物使土壤干燥，促進(jìn)土壤內(nèi)發(fā)生裂縫等。

4 排水基本系統(tǒng)選擇及排水效果確認(rèn)

4.1 暗管排水基本系統(tǒng)選擇

在進(jìn)行暗管的配置規(guī)劃時(shí)，作為連接吸水管與排水干溝或吸水管與排水支溝的連接溝道是采用明溝方式(排水斗溝)，還是采用暗管方式(集水管)，或是采用兩者結(jié)合后的方式，要經(jīng)過分析比較。

排水斗溝、集水管在通過吸水管將土壤中排出的水輸送到排水干溝或排水支溝方面起著很重要的作用，輸水線路上任何一個(gè)環(huán)節(jié)的功能不完善都會(huì)影響到整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用，因此，確保每一個(gè)環(huán)節(jié)的功能正常發(fā)揮，不僅是保證整個(gè)排水功能的重要手段，而且還適用于配置調(diào)節(jié)閘門等排水水位的控制裝置，這是制定地下水位控制設(shè)計(jì)方案時(shí)的關(guān)鍵點(diǎn)，因此，這部分的構(gòu)造必須考慮排水功能、水位控制功能、耐久性、維修保養(yǎng)的難易性、經(jīng)濟(jì)性等內(nèi)容后比較決定。

排水斗溝的優(yōu)點(diǎn)是容易進(jìn)行水位控制、施工方便、容易發(fā)現(xiàn)吸水管的故障，但最大的缺點(diǎn)是容易長草、容易被泥沙淤積。

集水管布置就相對(duì)地自由一些，即使埋設(shè)深一些也沒有淤積的危險(xiǎn)，不會(huì)占地。

4.2 暗管排水效果論證

在制定規(guī)劃時(shí)，必須論證暗管排水的效果。暗管排水適用條件廣泛，但是有時(shí)候暗管排水也不一定是最理想的排水措施。因此應(yīng)對(duì)暗管排水改良的程度、獲得的經(jīng)濟(jì)效益等進(jìn)行充分的分析論證。

當(dāng)本地區(qū)的排水不良是由于地表水的臨時(shí)積水造成的，并且土壤的透水性又足夠大時(shí)，配置一定深度的明溝，也能使地下水位很快降低，在火山灰土壤地帶這樣子的例子比較多。

在特殊的重粘土地帶，土壤的透水性非常低，暗管排水的效果也不是太好，可以將主暗管與鼠道式暗管、心土破碎等進(jìn)行組合，形成特殊的排水系統(tǒng)。此外，土地利用形態(tài)、土層改良等因素的綜合利用也會(huì)提高排水效果。

在規(guī)劃的初期，對(duì)暗管排水的效果沒有足夠的把握時(shí)，根據(jù)主暗管與輔助暗管的關(guān)系，可以采用首先實(shí)施將效果提高到某個(gè)階段，再根據(jù)實(shí)際結(jié)果使用其他手段補(bǔ)充一些功能分段實(shí)施。

日本的暗管排水面積20世紀(jì)80年代中期就己達(dá)水田排水而積的1/3，我國農(nóng)田暗管排水的大面積生產(chǎn)實(shí)踐并不多，部分地方缺乏統(tǒng)一的農(nóng)田排水調(diào)度和科學(xué)的排水管理，也影響了暗管排水效果的正常發(fā)揮，尤其是在規(guī)劃的初期對(duì)主暗管與輔助暗管的關(guān)系研究不夠。

5 結(jié)語

日本由于特殊氣候及土壤環(huán)境，加之國土面積有限，十分重視土地的高效利用，所制定的暗管排水規(guī)劃規(guī)范而嚴(yán)謹(jǐn)，規(guī)劃中注重分析暗管排水后的農(nóng)田水量平衡分析及排水重復(fù)利用，重視規(guī)劃初期對(duì)未來的排水效果進(jìn)行預(yù)測，研究主暗管與輔助暗管的關(guān)系以及夏季曬田期休耕使土壤干燥的方式，對(duì)我國的農(nóng)田暗管排水規(guī)劃設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值，其規(guī)劃設(shè)計(jì)中的節(jié)水環(huán)保思路尤其值得借鑒。