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稻田田间蓄雨自动控制排水口门技术研究与应用

时间:2020-09-27    点击: 次    来源:网络    作者:佚名 - 小 + 大


稻田田间蓄雨自动控制排水口门技术研究与应用
梁森,李慧娴,耿德刚,周倩倩
(徐州市水利科学研究所,江苏 徐州 221018)
摘 要:针对稻田排水存在的问题
,发
,阐
原理和相关构件的设计计算方案
,并
证.
自动控制,有效地解决了水稻节水减排高产的水分管理问题
,
.
关键词:田间蓄雨;自动控制;排水口门;农田灌溉
中图分类号:S511;S275 文献标志码:A 文章编号:2095 3550(2018)04 0034 03
Applicationofautomaticcontroldrainagegate
technologyforrainfallstorageinpaddyfield
LIANGSeng,LIHuixian,GENGDegang,ZHOUQianqian
(XuzhouInstituteofHydraulicResearch,Xuzhou,Jiangsu221018,China)
Abstract:Aimingattheproblemsofpaddyfielddrainage,thetechnologyofautomaticdrainage
gateforpaddyfieldrainwaterstoragewasputforward.Thetechnicalprincipleandthedesignand
calculationschemeofrelevantcomponentswereexpoundedandverifiedintheexperim
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Throughtheautomaticcontrolofricefieldrainwaterstorageanddrainageindex
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fectivelyappliedtowatermanagementofwatersaving,emissionreductionandhighyieldofrice.
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;drainagegate;farmlandirrigation
收稿日期:2018 10 06
基金项目:江苏省水利科技项目:“徐州市水稻节水防污技术模式
的研究与应用暠(2017076)
作者简介:梁森,男,江苏沛县人,高级工程师,研究方向为农
业节水技术研究.
E mail:xzsksls@163.com
水稻生长期暴雨较多,稻田排水量大,高施肥
量下的稻田易使大量氮磷随排水流失,导致河湖水
环境恶化.水稻蓄雨控灌和水稻沟田协同控制灌排
技术[1灢3],提出了在保持较低灌水下限的同时,利用
水稻的抗旱、耐淹特性,提高雨后蓄水深度和降雨
利用效率,利用农田、农沟对排水拦截和湿地效应,
减少了排水量氮磷浓度,降低了污染物负荷.但在
推广应用中发现,现有的稻田田间排水口门一般采
用 DN100~DN300混凝土预制管或者 PVC 管,有
的甚至直接开挖田埂排水进入腰沟、毛沟.降雨时,
放水员根据稻田排水经验决定打开或堵塞排水口,
导致推广区蓄水控灌灌排制度难以实现,且在雷暴
雨时,野外排水作业危险性较高.
为此,本文拟进行稻田田间蓄雨自动控制排水
口门的应用研究.通过本设施对水稻田间蓄雨排水
,有
产的
,真
正实
.
1 技术原理
如图1所示:稻田田间蓄雨自动控制排水口门
包括闸门槽和 N 个不同规格带排水孔及孔塞的溢
流闸板,闸门槽安装在稻田与排水沟之间的田埂上
或田间排水管前部,闸门底槽上部所在的平面与稻
田田面平齐,闸门顶部所在的平面与田埂平齐或略
高于田埂;溢流闸板安设在闸门槽内,溢流闸板上第4期
梁森,等:稻田田间蓄雨自动控制排水口门技术应用研究
3
5
排水孔的下边缘所在平面与闸门底槽上部所在平
面的垂直距离等于水稻生育期的蓄水上限深度,溢
流闸板顶部所在平面距闸门底槽上部所在平面的
垂直距离等于生育期的临时蓄水上限深度;闸门槽
顶部所在平面至溢流闸板顶部所在平面的垂直距
离为溢流薄壁堰高度.
1—闸门槽;2—闸门板;3—闸板拉手;4—排水孔;
5—田埂;6—排水孔塞;7—孔塞与拉手连接绳
图1 稻田田间蓄雨自动控制排水口门工作原理
Fig.1 W
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2 设计计算
水稻蓄雨控灌和沟田协同控制灌排,要求按设
计水分控制指标控制水稻田间水层[1],为解决现状
有排水口门但无法实现按照控制指标自动控制排
水,或无田间控制排水口门随意挖填田埂排水的问
题,而设计稻田田间蓄雨自动控制排水口门,以严
格按照降雨蓄水设计指标,实现田间排水的精确自
动控制.
溢流闸板净高和净宽由设计排涝标准、临时蓄
水上限和稻田面积计算确定;溢流闸板上排水孔的
数量、孔径和位置根据稻田面积和生育期的临时蓄
水上限与蓄水上限及允许滞蓄时间计算确定;溢流
闸板排水孔的下边缘所在平面与闸门底槽上部所
在平面的垂直距离等于水稻生育期的蓄水上限深
度,溢流闸板顶部所在平面距闸门底槽上部所在平
面的垂直距离等于生育期的临时蓄水上限深度;闸
门槽顶部所在平面至溢流闸板顶部所在平面的垂
直距离为溢流薄壁堰高度.
2.1 溢流闸板上的排水孔
排水孔可以为一个或 N 个,形状为圆形、矩形、
正方形、三角形或多边形.当稻田面积小于500m2,
溢流闸板上的排水孔数量可以取1个,当稻田面积
大于500m2,宜布置多个排水孔.
设计计算时,采用平均降雨强度法计算稻田蓄
水水位、蓄水量及排水量.稻田一般为格田或畦田,
面积 A(m2);溢流闸板排水孔需要在雨后24h,排
出水稻某生育期临时蓄水上限 H1 与蓄水上限 H2
之间的水深 H0,H0=H1-H2(m);共需排出临时
滞蓄水量为
W =AH0 =A(H1 -H2)(m3)
溢流闸板的排水孔可以为一个或 N 个,排水孔
下缘的高度等于水稻蓄水上限,取一个排水孔,排
水孔下缘与田面高差为 H2,高于下游排水沟水位,
为自由出流,其流量公式为
Qt =毺A1(2gHt)
1/2
(1)
式中:Qt 为 孔 口 流 量,m3/s;A 为 孔 口 面 积,A=
毿D2/4m2,D 为孔口直径,m;Ht 为某时点孔口的
水头,m,g 为重力加速度;毺为
流量系数;采用
薄壁圆形小孔口自由出流公式
[4
灢6]
,
毺=毰氄,
(2)
毰=0.63~0.64,氄=0.97~0.98,
毺=0.60~0.62;
W =暺3600QtT =暺900毺毿D2(2gHt)
1/2T;
(3)
式中:T 为排水历时,T=1~24h,其他符号同前;
H
t
某时 段 田 间 水 位 与 闸 板 排 水 孔 中 心 点 的 高
,m
;
由以上公式,可以假定闸板排水孔孔径为 D,
通过 Excel表分时段计算出某个时段的 Ht 和 Qt,
通过累计24h流量总和等于设计排水量W ,试算出
闸板排水孔孔径 D 值,确定排水孔的孔径 D;也可
以通过田块排水试验观测法确定.
2.2 闸门净宽 当暴雨产生径流深度大于临时蓄雨上限的水
位时,水将在降雨时段内,通过溢流闸板上方与闸
门槽构成的矩形薄壁堰自由出流排入毛沟或腰沟.
1)设计暴雨大于临时蓄雨上限的径流深及排
水量.径流深公式如下:
R稻 =I-S-E稻
(4)
式中:I为设计雨量,I=200mm(采用江苏省高标
准农田排涝标准日雨200mm 雨后一天排出);S
为稻田临时滞蓄水深,取S=某生育期临时蓄雨上
限—雨前水层深度 mm;以分蘖中期为例,临时蓄
雨上限150mm,假设雨前水层深度为10mm,S=
140mm;E
(
m
m/
d
);
稻田耗水
E
土壤的渗透
系数确定(mm/d),由上述参数计算稻田产水量R稻 .
设计溢流排水量:
w=
R
A
/1
00
0
(5
)
式中:w 为溢流排
,m
3
;A
稻田面积,m2
.3
6
江 苏 建 筑 职 业 技 术 学 院 学 报
第18卷
2)溢流闸板溢流排水时间 T1(h).稻田为减少排
水,提高降雨有效利用率,雨前溢流闸板排水孔为孔
塞封闭状态,计算溢流排水历时,按照平均降雨强度
和稻田耗水强度计算溢流闸板的溢流开始时间.
T1 =24S/(I-E稻 ),
(6)
则溢流排水总时间T2(h)为:
T2 =24-T1.
(7)
3)溢流排水流量.当设计暴雨产生径流深度大
于临时蓄雨上限的水位时,排水通过溢流闸板上方
与闸门槽构成的矩形薄壁堰自由出流排入毛沟、腰
沟,根据《灌溉渠道系统量水规范》(GB/T21303—
2007),流量计算适用于有侧收缩矩形薄壁堰自由
流流量公式,公式如下:
Q=m0b(2g)
1
/2H3/2
(8)
式中:H 为堰顶水头,m;b为堰顶宽,即闸门净宽,
m;m0 为流量系数,用巴赞公式确定:
m0 =[0.405+0.0027/H -0
.0
3
(
B
-
b)/B]
[1+0.55(H/(H +P)
2
(b
/
B
)
2]
(9)
式中:B 为田面宽度,m;P 为田面与闸板顶的高差,
m
.适
:
P曒
0
.5H,b>0.15m,P >0.10m.
2.3
水稻不同生育期采用的溢流闸板的净高 H1 取
值和排水孔下缘所在平面距田面高度 H2 参照表1.
表1 水稻不同生育采用闸板净高和排水孔位置
Tab.1 Nethe
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闸板标号
1# 闸板 2# 闸板 3# 闸板 4# 闸板
闸板净高 H1/mm
100 150 150 200
排水孔下缘距田面
高度 H2/mm
70
80
100 150
3 工程应用
2018年在江苏省睢宁县庆安灌区杨圩村试验示
范并开展降雨排水观测,效果良好.试验示范区面积
24667.79m2,共布设12个处理、36个试验示范小
区;布设3种规格的田间蓄雨
36
个,控制稻田排水面积690m
2
、1
380
m
2
、2
07
0m
2均
为12个.
8月中旬,水稻处于拔节孕穗前期,根据水稻沟
田协同控制灌排技术的田间水分控制指标,设计蓄
水上限150mm,临时蓄水上限200mm,采用4# 闸
板.8月13~14日暴雨,8月14日,各试验小区水
深均超过临时蓄水上限,溢流排水闸门开始溢流排
水;雨后,打开排水孔塞开始排水观测,各试验小区
均在23.1~24.7h排水至设计蓄水上限.现以试验
1~3# 处理9个排水小区观测资料为例,见表2,均
达到设计蓄雨排水效果.
表2 试验小区降雨排水观测记录
Tab.2
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田块
雨前
水深/
mm
13日
降雨
量/mm
14日
降雨
量/mm
雨后
水深/
mm
排水孔排水
时间及平均
值/h
I11(690m2
)
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I12(690m
2
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6
I13(690m
2) 33 141.8 32.8 200 23.5
23.40
I21(1380m2
)
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I22(1380m
2
)
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3
2
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2
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0
2
4
.
3
I23(1380m
2) 35 141.8 32.8 200 24.1
24.07
I31(2070m2) 36 141.8 32.8 200 24.1
I
3
2
(
2
0
7
0
m
2
)
3
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7
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m
2
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2
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2
4
.
5
24.43
4 结
稻田
田间蓄雨自动控制排水口门应用研究表
明:当发生大于或等于设计排涝标准的暴雨时,高
,
,通
闸板
;
(雨
24
h)
,
临时蓄雨上限和蓄水上限之间的水量,通过溢流闸
板上的排水孔排出;在允许滞蓄时间结束时(雨后
24h),稻田蓄水位控制在蓄水上限位置.
稻田田间蓄雨自动控制排水口门结构简单,制
作方便,成本低,无需动力,无需人工值守,适用于
水稻种植区田间应用.
参考文献:
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模式的节水减污效应[J].农业工程学报,2016,32(3):
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[2] 郭相平,袁静,郭枫,等.水稻蓄雨灢控灌技术初探 [J].
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0
09
,25
(4
):7
0
灢7
3.
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,任
,
,等
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蓄雨控灌技术的环
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J]
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6
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5灢
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出版社,2004.
(责任编辑:梁赛平)

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