黑龍江省兩大平原建設(shè)灌溉工程的研究

韓 梅，梁貞堂

(1.黑龍江大學(xué)水電學(xué)院，哈爾濱 150080；2.黑龍江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，哈爾濱 150080)

0 引 言

自2017年，以中國(guó)共產(chǎn)黨第十九次代表大會(huì)的召開(kāi)為標(biāo)志，中國(guó)進(jìn)入了新時(shí)代；“貫徹新發(fā)展理念，建設(shè)現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)體系”“加快生態(tài)文明體制改革，建設(shè)美麗中國(guó)”“全面推進(jìn)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革”等新思想正在成為所有工作的指南?！肮?jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”“以水定城、以水定地、以水定人、以水定產(chǎn)”“確有所需、生態(tài)安全、可以持續(xù)”“加強(qiáng)需求管理，把水資源、水生態(tài)、水環(huán)境承載力作為剛性約束”等新指示正在成為水利工作的遵循。

灌溉工程作為改造和利用自然資源的工程；一方面促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)穩(wěn)定、民生和諧，提供了用水供給、澇水排除等多種功能；一方面必然會(huì)占用土地資源、改變河流形態(tài)、造成地下水位變化，對(duì)自然狀態(tài)產(chǎn)生負(fù)面影響。如何達(dá)到工程占地量最少、引水量最小、影響環(huán)境最微、工程最美，達(dá)到工程與自然的協(xié)調(diào)與統(tǒng)一；既要保障糧食的安全與增長(zhǎng)，又要克服資源的限制與減少；成為了一個(gè)重大課題。因此，很有必要重新研究三江平原和松嫩平原的灌溉工程，以促進(jìn)工程的建設(shè)，使中國(guó)糧食的“壓艙石”更可靠更穩(wěn)固。

1 基本概況

1.1 黑龍江省耕地概況

黑龍江省國(guó)土面積45.25×104km2；耕地面積1584.4×104hm2，80%以上的耕地面積分布在松嫩平原和三江平原，20以下耕地占73.1%；國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)的永久基本農(nóng)田面積1106.7×104hm2[1]。2018年農(nóng)作物種植面積1421.5×104hm2，產(chǎn)量7506.8×104t，其中：水稻378.3×104hm2，玉米631.8×104hm2，大豆356.8×104hm2；有效灌溉面積612.0×104hm2，灌溉率為43.0%[2]。

1.2 松花江

發(fā)源于大興安嶺的南甕河濕地，長(zhǎng)度2276km，流域面積55.5×104km2[3]。哈爾濱上下為松嫩平原區(qū)，河道主槽400-600m，水深4-7m。佳木斯上下為三江平原區(qū)，河道主槽1500-2000m，水深2-3m。佳木斯以下江段最小通航流量850m3/s[4]。

佳木斯水文站的年徑流設(shè)計(jì)成果見(jiàn)表1；1956-2010年的來(lái)水過(guò)程與通航最小流量的對(duì)比分析見(jiàn)表2[5]。

表1 佳木斯水文站年徑流設(shè)計(jì)成果表

表2 灌溉引水期佳木斯站流量55年概率分布表

從表1可見(jiàn)，松花江佳木斯水文站水量是豐富的，上游流域平均貢獻(xiàn)130mm的水量。從表2可見(jiàn)，從1956年—2010年55年間，5月上旬無(wú)水可取的年份占30.9%，不受控制的取水年份為34.5%；6月上旬無(wú)水可取的年份占20.0%，不受控制的占43.6%；7月上旬無(wú)水可取的年份占3.6%，不受控制的占87.3%。為了保障松花江通航，灌溉取水時(shí)，應(yīng)當(dāng)避開(kāi)枯水期。

1.3 三江平原

三江平原區(qū)域面積10.57×104km2,占全省面積的23.0%；平原區(qū)面積5.85×104km2，占區(qū)域面積的55.3%；耕地面積495.9×104hm2，占區(qū)域面積的46.9%。多年平均年降雨量500-650mm；6-9月占全年降雨的70%。多年平均蒸發(fā)量550-850mm(E601)。干旱指數(shù)在0.99-1.32之間，屬于濕潤(rùn)半濕潤(rùn)地區(qū)[6]。平原區(qū)沉積著很厚的砂礫石層，西部厚度約100m，東部達(dá)300m。撓力河以北有部分弱承壓水帶，埋深3-10m；其它分區(qū)均為潛水，埋深<4m[7]。

黑龍江、松花江堤防工程均已達(dá)到50a以上防洪標(biāo)準(zhǔn)，中小河流均已達(dá)到10a一遇以上防洪標(biāo)準(zhǔn)。七星河、蜿蜒河、安邦河等河道的排澇工程已建成；三環(huán)泡、黑漁泡等滯洪區(qū)工程，幸福、新河宮、樺川等抽引松花江水的大中型灌區(qū)，三江平原14處大型泵站灌區(qū)，星羅棋布的井灌區(qū)均已建成。2018年水田面積198.6×104hm2，占總耕地面積的40.0%；其中井灌面積達(dá)148.0×104hm2，占水田面積的74.5%。

1.4 松嫩平原

松嫩平原區(qū)域面積為16.56×104km2，占全省總面積的36.6%；耕地面積904.7×104hm2；占區(qū)域面積的54.6%。多年平均年降雨量350-550mm，多年平均蒸發(fā)量600-950mm(E601)；干旱指數(shù)在1.09-2.71之間，屬于半濕潤(rùn)半干旱地區(qū)；素有“十年九春旱”之稱；干旱災(zāi)害重現(xiàn)期為1.7a[8]。中部低平原，存在粉細(xì)砂層孔隙潛水、孔隙承壓水，埋深<10m。東、北部高平原，水位埋深>10m，富水性較弱。西部山前扇形平原，賦存豐富的砂礫孔隙潛水，水位埋深<5m[9]。

嫩江、松花江防洪工程已達(dá)到50a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)；肇蘭、安肇新河使大慶、安達(dá)地區(qū)防洪除澇標(biāo)準(zhǔn)達(dá)50a一遇；北、中、南三條引嫩工程解決了大慶市城市與工業(yè)供水。建設(shè)水庫(kù)工程480座，總庫(kù)容130.9×108m3；各類泵站210座，抽水流量672m3/s。2018年本區(qū)水田面積145.4×104hm2，占總耕地面積的16.1%；高效節(jié)水灌溉面積186.4×104hm2,占耕地面積的20.6%。

本區(qū)存在的主要問(wèn)題：山區(qū)及高平原存在嚴(yán)重的水土流失，水土流失面積285.0×104hm2，占耕地面積的31.5%。低平原區(qū)存在鹽堿地和砂土地，鹽堿地面積36.37×104hm2,占耕地面積的4.0%；砂土地面積86.87×104hm2，占耕地面積的9.6%[10]。

2 兩大平原新建灌區(qū)的研究

2.1 新建灌區(qū)的設(shè)計(jì)原則

充分利用當(dāng)?shù)厮⒑侠砝玫叵滤?、?jié)約利用過(guò)境水；充分利用中小河道、充分利用已建工程、充分利用機(jī)電井群；最小量占用耕地、最小量破壞環(huán)境、最小量減少移民；灌溉渠排水溝一體、農(nóng)田道防風(fēng)林相鄰、抽水站節(jié)制閘呼應(yīng)；輸水渠挖方、配水渠填方、深淘灘低作堰。

2.2 灌溉水源

新建灌區(qū)均采用雙水源，即：配水水源—井—抽取地下水直接灌溉田間農(nóng)作物的水源；輸水水源—泵站或渠首—取用江河水通過(guò)輸水渠道進(jìn)入田間溝道的水源。

1)井。降雨是當(dāng)?shù)刂饕矗罴褍?chǔ)存場(chǎng)所就是地下含水層，井是取水工程。兩大平原主要作物需水量與多年平均降雨量對(duì)比見(jiàn)表3；可見(jiàn)，三江平原上玉米不用灌溉，松嫩平原上玉米前期應(yīng)當(dāng)灌溉；水稻必須進(jìn)行灌溉。

表3 兩大平原主要作物生長(zhǎng)期需水量與多年平均降雨量對(duì)比表 mm

2)井的建設(shè)。單井抽水量按40m3/hr設(shè)計(jì)，控制面積按10hm2設(shè)計(jì)。潛水區(qū)地下水最低動(dòng)水位控制在地面下8.0m，弱承壓水區(qū)最低動(dòng)水位控制在12.0m；最高動(dòng)水位均控制在地面下3.0m[11]。一般情況下，水稻的泡田期、插秧期、返青期和分蘗前期用井水灌溉，即6月27日前用井水灌溉；此時(shí)，根據(jù)本區(qū)8個(gè)水稻試驗(yàn)站試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出水稻田間耗水量的平均值為344mm，占總耗水量的53%[12]。

3)泵站或渠首。它是節(jié)約利用過(guò)境水的工程，供水量理論上應(yīng)按控制面積需水量的47%設(shè)計(jì)。一般情況下，輸水水源工程在6月27日以后啟用，此時(shí)江河水多屬于洪水，不受控制指標(biāo)的限制。

兩大平原區(qū)地下水資源非常豐富，埋深較淺，可以作為灌溉水源；但由于水稻泡田期和分孽期需水量達(dá)284.6mm，超出了地下水的補(bǔ)給量；因此需要用輸水水源作為補(bǔ)充，7月份灌溉稻田，也可在水稻收獲后灌滿排水溝補(bǔ)充地下水。

2.3 渠道

輸水渠道采用灌排兩用渠道，配水渠道采用水力最佳斷面渠道，兩類渠道間用低揚(yáng)程泵站連接。

1)輸水渠道。新建的灌溉渠道，以少占耕地為前提，以節(jié)水節(jié)省為目標(biāo)。充分利用項(xiàng)目區(qū)內(nèi)的原有河道、排水溝道，并將其改建成輸水渠道。

2)河流型輸水渠道。在三江平原區(qū)，小河流的防洪工程、排水體系基本完成。此時(shí)，用泵站將松花江水等河水抽入小河道；按逆坡明渠設(shè)計(jì)，整治兩岸堤防，可形成渠道。再在適當(dāng)位置建設(shè)二級(jí)泵站，繼續(xù)抬高水位，形成臺(tái)階狀灌溉輸水渠道。河道水位抬高后，河水逆坡進(jìn)入原排水系統(tǒng)，整治原排水工程后灌溉輸水體系得以形成。

3)排澇型輸水渠道。兩大平原區(qū)在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間是以建設(shè)排澇工程為重點(diǎn)的，隨著水稻灌溉面積的增大，地下水位下降、水量不足就成了問(wèn)題。抽取松花江等過(guò)境水資源灌溉稻田、補(bǔ)充地下水成為了灌區(qū)所需。在三江低平原的3個(gè)分區(qū)中，蘿北區(qū)治理澇區(qū)18處，建設(shè)骨干排水溝1321km、211條；安邦河區(qū)治理4處，建設(shè)排水溝203km、49條；撓力河區(qū)治理23處，建設(shè)排水溝2554km、346條。這些排水溝道稍加改造就能成為灌排兩用渠道。在灌排兩用渠道的適當(dāng)位置建設(shè)分水閘、節(jié)制閘和排洪閘，將渠道分段控制，讓降雨徑流和引水全部進(jìn)入田間，達(dá)到“零排放”。根據(jù)黑龍江省的氣候特點(diǎn)，5月1日-6月15日，是灌溉用水為主階段；6月15日—8月20日，是灌溉與排水的重疊期，8月21日-9月30日，是排水為主的階段。當(dāng)天氣預(yù)報(bào)通知未來(lái)3d有降雨時(shí)，要研究灌溉系統(tǒng)的水位、水量，研究節(jié)制閘是否開(kāi)啟排水、泵站是否停止供水。

4)配水渠道。固定式配水渠道原則上按單獨(dú)灌溉的地上明渠布置，按水力最佳斷面設(shè)計(jì)斷面尺寸，以達(dá)到最大輸水量的目的；工程實(shí)踐中以U型斷面渠道最佳，可用混凝土等污工材料做成，也可用高分子復(fù)合材料做成。

2.4 調(diào)節(jié)蓄水工程

在三江平原的防洪除澇工程建設(shè)中建設(shè)了多處滯洪區(qū)工程。黑魚(yú)泡滯洪區(qū)位于外七星河上游，控制流域面積1086km2，庫(kù)區(qū)面積81km2。二道崗滯洪區(qū)位于富錦河中游，控制流域面積998km2，庫(kù)區(qū)面積90km2。三環(huán)泡滯洪區(qū)位于內(nèi)七星河中游，控制流域面積3586km2，庫(kù)區(qū)面積250km2。在新建灌區(qū)時(shí)應(yīng)當(dāng)將3處滯洪區(qū)進(jìn)行提高標(biāo)準(zhǔn)，并按水庫(kù)工況運(yùn)行，增加蓄水深度2m，即可增加8.2×108m3的蓄水。

松嫩平原上常年積水10km2的湖泊有36個(gè)，稍加改造，就能成為良好的灌溉蓄水工程。

部分滯洪區(qū)和湖泊已被批準(zhǔn)為濕地自然保護(hù)區(qū)，成為了“生態(tài)紅線”。根據(jù)定義：“濕地與湖泊以低水位時(shí)水深2m處為界?！币虼?，改造后的滯洪區(qū)和湖泊仍屬濕地性質(zhì)；且增加了2m水深，對(duì)保護(hù)濕地與生態(tài)多樣性具有重大意義。此時(shí)，引水時(shí)機(jī)和放水時(shí)機(jī)成為了研究重點(diǎn)；根據(jù)本區(qū)的氣候特點(diǎn)，可在10月初開(kāi)始引水，此時(shí)已進(jìn)入初冬，濕地失去了生機(jī)，11月中旬引水完畢，冰蓋也已形成；4月下旬開(kāi)始放水，30天放水完畢，濕地恢復(fù)生機(jī)。

2.5 地下水恢復(fù)

三江平原區(qū)地下水水位變幅較大區(qū)域還有年均>75mm的地表徑流；松嫩平原區(qū)有年均>30mm的地表徑流。因此，可將地表徑流留在本地，以恢復(fù)地下水位。

2.5.1 深挖排水溝

排水溝的深度d應(yīng)<黏性土層厚度；當(dāng)黏性土層厚度>5.0m時(shí)，排水干溝的深度d=4.0m；排水支、斗、毛溝的深度按水位銜接減小。排水干溝的底寬b>挖掘機(jī)的寬度，定為b>2.0m；排水支、斗、毛溝的寬度適當(dāng)減小。排水溝棄土。均采用兩側(cè)棄土建設(shè)，用棄土形成田間路、防風(fēng)林帶，必要時(shí)形成半填半挖渠道。排水溝閘化控制。為了讓地表徑流滲入地下，排水干、支溝采用閘化控制，一般在上級(jí)溝道匯入處建設(shè)節(jié)制閘。

2.5.2 工程化河流和濕地

按平原型河流排澇與防洪標(biāo)準(zhǔn)對(duì)河流進(jìn)行治理，使其有防御10a一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)的防洪堤防，有排除5a一遇澇水標(biāo)準(zhǔn)的行水主槽，有相應(yīng)寬度的行洪灘地，有留存徑流的節(jié)制閘門實(shí)現(xiàn)河流工程化。

按即不改變濕地的性質(zhì)與規(guī)模，又可增加濕地蓄水量的原則，對(duì)濕地進(jìn)行工程化，即：在濕地的下游建設(shè)高度不超過(guò)4m的擋水堤防；建設(shè)擋水高度不超過(guò)2m的溢流堰。

3 典型灌溉工程

3.1 三江平原灌區(qū)工程

建設(shè)水田灌溉工程。2018年該區(qū)水田面積為198.6×104hm2，占總耕地面積的40.0%；文獻(xiàn)建議水田面積應(yīng)達(dá)耕地的60%以上；因此，本區(qū)水田灌溉面積還有100×104hm2以上發(fā)展空間。

3.2 松嫩平原灌溉工程

1)建設(shè)鹽堿地和風(fēng)沙地灌溉工程。以降低地下水位為主，輔以引河水壓堿，建設(shè)鹽堿地灌區(qū)；以噴灌滴噴等機(jī)械灌溉為主、保持地表濕潤(rùn)，輔以溝畦灌溉，建設(shè)風(fēng)沙地灌區(qū)。種植水稻是治理鹽堿地的最好措施，抽取地下水灌溉旱田與草原是改良鹽堿地與風(fēng)沙地的有效措施；用設(shè)噴滴灌是改良風(fēng)沙地的有效措施。按“山水林田路草”統(tǒng)一規(guī)劃，按“貿(mào)工農(nóng)林牧漁”一體化，建設(shè)綠色產(chǎn)業(yè)和有機(jī)食品基地；使最后一片荒蕪的土地，變成“糧豐、草茂、林密、田平、路直、水美、工強(qiáng)”的農(nóng)業(yè)新區(qū)。

2)建設(shè)水土流失區(qū)灌溉工程。水土流失區(qū)內(nèi)，坡耕地占耕地面積近90%；也是黑土地重點(diǎn)保護(hù)區(qū)。建設(shè)蓄水工程、留蓄溝道水；建設(shè)攔截工程、減少進(jìn)田坡水；建設(shè)排出工程、降低田水流出速率；建設(shè)灌溉工程、保障作物需水。改造建設(shè)田、管、埂、路、物、跌、溝；以改變水的流向和集中度、降低水的流速。田：改造成梯田，延長(zhǎng)滲水時(shí)間；管：利用鼠道犁(在土層60cm處)形成鼠洞，降低地表水；?。豪矛F(xiàn)有林帶，形成地埂，阻擋上水進(jìn)下田；路：利用現(xiàn)有農(nóng)田路，形成截流溝，加大排水；物：溝內(nèi)栽植柳條(植物)，降低溝內(nèi)流速；跌：建設(shè)跌水工程，減少溝道比降；溝：建設(shè)截流溝，阻擋外水進(jìn)入；壟：改壟。改順坡壟為橫坡壟，延長(zhǎng)產(chǎn)流、匯流時(shí)間。

4 結(jié) 語(yǔ)

黑龍江省兩大平原是國(guó)家糧食安全的“壓艙石”，也是農(nóng)田基礎(chǔ)薄弱的土地之一。文章提出的新建灌區(qū)建設(shè)措施在理論上符合“耕地保護(hù)政策、生態(tài)紅線政策、節(jié)水節(jié)約政策”；在實(shí)踐中如何克服政策的制約、技術(shù)的制約還有較長(zhǎng)的路。希望專家與學(xué)者各抒己見(jiàn)，將最新的灌溉工程建設(shè)理論用于兩大平原，共同努力將“壓艙石”建設(shè)的更加美好。