鹽堿地治理中排水暗管間距和外包濾料應用分析

張亦冰，高宗昌

(新疆兵團勘測設計院(集團)有限責任公司，新疆 石河子 832000)

我國北方地區特別是新疆、寧夏、甘肅等地，在干旱氣候條件下，土壤自然淋溶作用和脫鹽作用非常微弱，土壤中的可溶性鹽借助毛細管上行集聚在土壤表層，導致土壤表土積鹽，加上成土母質含鹽量高等因素，存在大量的原生鹽堿土。而大水漫灌、重灌輕排、排水不暢、長期引用礦化水灌溉等不合理的農業開發方式，則導致了土壤次生鹽漬化，使土壤理化性質變差，危及作物的生長發育，造成缺苗、減產甚至死亡，嚴重地區造成耕地棄耕、荒蕪，浪費了大量的土地資源。

我國鹽堿地治理經歷了從以農業生物措施改良為主到以排水為主側重水工措施的歷程，逐步建立了因地制宜、綜合防治、水利措施和農業措施緊密結合的治理思路。目前國內鹽堿地改良的主要措施包括水利措施、生物措施、農業措施和化學措施，水利措施中的排水措施一般包括明溝排水、暗管排水和豎井排水三種方式，通過降低地下水位、排除鹽堿水達到鹽堿地改良的目的。

1 暗管排水技術的應用

1.1 應用概況

農田排水技術的應用在國內外都有很長的歷史，已經比較成熟。暗管排水是近幾十年，隨著塑料的廣泛應用、外包濾料由砂礫石被化纖織物替代、開溝鋪管機研制取得進展后逐漸推廣開來的。美國、日本、埃及在20世紀50年代后做了大量的暗管排水工程；荷蘭近年來在開溝鋪管機的研制和將土工織物用作暗管外包濾料的研究、應用方面開展了大量工作，暗管排水技術處于先進水平。暗管排水技術在國內很多省市都有應用，但較大面積的推廣應用主要在山東和寧夏，且目前還處于邊試驗邊推廣的階段[1]。

1.2 技術特點

暗管排水改良鹽堿地的基本原理是“鹽隨水來，鹽隨水走”，將溶解了土壤中鹽分的水通過埋于地下的管道排走，從而達到降低土壤含鹽量的目的。廣義的暗管不僅包括混凝土管、水泥管、塑料管，還包括滿足一定級配的天然砂礫石盲溝。

與明溝排水相比，暗管排水最大的特點是節約土地，耕地利用率高。對克拉瑪依市農業綜合開發區水土安全治理項目的分析表明，暗管排水可少占耕地10%左右。暗管排水適用地質條件較廣，具有施工、管理方便，排水排鹽量大、速度快，土壤脫鹽快及淡化地下水等優點，缺點是使用過程中泥沙引起的滲水孔淤堵清洗困難，以及投資較高等。

2 暗管埋深與間距的分析確定

暗管的埋深和間距與土壤質地、地下水埋深、地層條件等參數有關，是暗管改良鹽堿地設計最重要的參數，決定著鹽堿地的改良效果和投資效益，一般采用試驗法、理論計算法和經驗數值法確定。

2.1 分析確定方法

2.1.1 試驗法

試驗法是確定暗管埋深與間距最直接的方法。

2015年，相關單位在克拉瑪依市農業開發區選取了68 hm2中度鹽漬化重壤土耕地進行暗管排水試驗，設計布置南北兩個試驗小區，以檢驗不同暗管深度和間距情況下各種試驗工程措施的排水、排鹽效果。設計南北側試驗小區均自北向南依次布置8條間距30 m的砂礫石外包料吸水管、8條間距40 m的砂礫石外包料吸水管、4條間距30 m的B-68無紡PP人工合成外包料吸水管(共布置吸水管20條)和4條間距30 m的砂礫石盲溝，其中北側試驗區吸水管埋深1.8 m，南側試驗區吸水管埋深2.0 m[2]。實施過程中，因施工單位的開溝鋪管機最大作業深度為1.8 m，故南側試驗區吸水管埋深也調整成了1.8 m。

2016、2017年對試驗區的排鹽降水效果進行了全面監測。經過兩年的暗管排鹽，試驗區地下水埋深由1.12 m降低到1.28～1.58 m，電導率由62 ms/cm降低到47.5 ms/cm，脫鹽率40%左右。排水暗管有效地控制了地下水位，不同土層的鹽離子含量都有不同程度的降低，土壤含鹽量明顯降低。暗管間距30 m時，灌溉季節各月地下水埋深的變幅約6 cm；暗管間距40 m時，灌溉季各月地下水埋深的變幅約9.5 cm。說明在重壤土條件下，暗管埋深1.8 m、間距30～40 m能夠起到降水排鹽改良鹽堿地的作用，間距30 m優于間距40 m，但是相應的投資也會增加[3]。

2.1.2 理論計算法

2.1.2.1 暗管埋深

暗管埋深綜合考慮土壤質地、地下水礦化度、降水、蒸發和灌溉等因素確定，取值為土壤毛管水強烈上升高度、作物根系活動土層厚度、暗管中水深和兩吸水管中心點地下水位與管內水位差值之和，一般在1.3～3.5 m之間。但是，耕作土層下伏隔水層頂板埋深淺和地下水埋深較大時，需要結合土壤質地等通過經濟比較確定。如：寧夏紅寺堡區大河鄉一些鹽堿地土層只有30～80 cm，下伏老百姓所說的紅膠泥、白漿土，暗管埋深需要置于隔水頂板以上，適合淺埋；新疆生產建設兵團自20世紀90年代以來大力推廣節水灌溉，部分灌區地下水埋深10 m以上，傳統的明溝排渠被填平耕作，灌溉水體中的鹽分隨水而來，伴隨強烈的蒸發水去鹽留，為配合洪水洗鹽和秋冬灌洗鹽，暗管的埋深也需要采用淺密布設形式，深度60～80 cm，這樣脫鹽的速度更快，效果更好。

2.1.2.2 暗管間距

暗管間距的理論計算方法有田間水量平衡原理和基于水量平衡原理的DRAINMOD模型。

用水量平衡原理計算時，北方地區考慮蒸發，暗管間距與作用水頭呈一次函數關系[4]，即

B=KH/qΦ

DRAINMOD模型是20世紀70年代末由美國北卡羅來納州立大學的Skaggs教授開發、美國農業部所推薦的田間水文模型，經過在世界許多地區不同土壤、作物和氣候條件下的測試和應用，被公認為在模擬地下水水位和排水量方面具有應用簡單、要求輸入的參數少、結果準確等優點，其核心理論仍然是田間水量(地表水和土壤水)平衡原理。

2.1.3 經驗數值法

經驗數值是在調查總結大量試驗資料和實踐經驗的基礎上歸納分析而得的。各地試驗取得的經驗值差距較大，各國主張建議也不盡相同[5]。印度、伊朗采用淺而密的方式，暗管埋深0.8～1.5 m，間距20～40 m；日本也采用淺而密的方式，暗管埋深0.8～1.2 m，間距9～20 m；荷蘭暗管埋深1.2～1.5 m，間距10～20 m[6]；而美國、俄羅斯向深而疏方向發展，俄羅斯暗管埋深2.8～3.5 m，美國暗管埋深3.0～3.6 m。我國因鹽堿地土質、成因和作物不同，暗管埋深和間距各地不同：山東東營暗管埋深1.5～2 m，間距20～50 m；新疆根據土壤、地下水埋深情況，一般暗管埋深1.5～2.2 m、間距30～100 m，黏土、重壤土區域暗管間距大多在30 m左右。

2.2 工程應用及問題討論

克拉瑪依市農業綜合開發區水土安全治理項目，針對重壤土和砂壤土分別采用水量平衡原理、經驗數值法和DRAINMOD模型進行分析，結果見表1。

表1 不同計算方法暗管間距對比

對比表1中的數據，因計算的邊界條件有假設因素，不同計算參數也與試驗時有差異，故各方法計算出的暗管間距有一定差距。在大面積的工程應用中，應根據理論分析結合現場試驗效果確定。

3 外包濾料的分析確定

3.1 工作原理及材料選擇

暗管外包濾料要求土壤中的水進入暗管排走而土壤顆粒又不能在水頭作用下流失，其工作原理必須同時滿足反濾準則，即具備保土性(防止土顆粒流失引起滲透變形)、透水性(保證排水暢通)、防堵性(保證暗管透水孔不淤堵失效)。暗管外包濾料作用水頭小，安全級別要求低，一般采用混合砂礫石料即可，但要求滲透系數比周圍土壤的滲透系數大10倍以上。

土工織物作為反濾材料應用于水利工程日趨成熟，與傳統的砂礫石反濾材料比，材料費用可以節約一半以上。其保土性原則要求O95≤Bd85(O95為土工織物的等效孔徑，d85為暗管周圍土壤中小于該粒徑的土質量占總土質量的85%，B為與周圍土壤有關的系數)，透水性要求Kg≥AKs(Kg為土工織物的垂直滲透系數，Ks為周圍土壤的滲透系數，A為大于等于10的系數)，防堵性在周圍土壤土粒級配良好時要求O95≥3d15，在周圍土壤土粒級配不好時需進行土壤和土工織物的淤堵試驗[7]。

3.2 工程應用及問題討論

克拉瑪依市農業綜合開發區暗管排水試驗區的濾料采用了兩種處理方式：①De80 mmPE打孔單壁波紋管外填10 cm砂礫石混合料；②De80 mmPE打孔單壁波紋管外裹中國水利科學院研發并推廣的B-68型無紡PP人工合成濾料。根據地質勘察，試驗區土壤d60粒徑大部分在0.05～0.10 mm之間，外包砂礫石混合濾料的粒徑按照《灌溉與排水工程設計規范》的表7.2.10分別確定顆粒曲線的包絡線。同樣經過2016、2017兩年監測，De80 mmPE打孔單壁波紋管外裹B-68型無紡PP人工合成濾料暗管排水區的脫鹽率為32.16%～41.95%，地下水埋深各月變幅為4～8 cm；De80 mmPE打孔單壁波紋管外填10 cm砂礫石混合料暗管排水區的脫鹽率為27.86%～31.85%，地下水埋深各月變幅7～12 cm。數據比對分析表明，B-68型無紡PP人工合成濾料暗管排水控制地下水位及脫鹽的效果更好。

寧夏在暗管排水應用中做了不同形式的外包濾料的試驗、監測工作和工程實踐[8]，結果表明經過人工篩選的砂礫石級配濾料適合各種土壤的反濾要求，耐久性好，運行20年效果依然良好。2003年寧夏水利科學研究所曾對19個項目區7種形式(包括有紡布外裹10～20 cm砂礫石濾料、200 g無紡布、200 g無紡布外填10～20 cm砂礫石濾料、58 g無紡布、700 g絨線、尼龍套和450 g棕絲)的外包濾料做了野外現場調查和淤堵測定，其中：有紡布外填砂礫石濾料運用了7～13年，透水性良好，防堵效果最佳；無紡布應用了3～6年，在輕壤土、中壤土地區基本沒有淤堵，透水性良好，而在重壤土地區，無紡布內都有不同程度的淤積，暗管內有泥沙沉淀。2017年，新疆兵團勘測設計院(集團)有限責任公司對寧夏紅寺堡區2010—2012年實施的暗管排水區域進行了現場調查，其中部分在吸水管外作為反濾材料的無紡布淤堵，暗管排水失效。

砂礫石外包濾料以前使用時需要在管溝開挖至設計的縱坡和斷面后將其鋪設于管溝中，然后敷設暗管，再填暗管之上的濾料，雖然反濾效果好，但是工序復雜、投資大。現在，開溝鋪管機配備了濾料運送車，通過傳送帶可以將砂濾料直接送入挖溝機濾料箱內，與暗管一起鋪設完成，施工工序大大簡化，在天然砂礫石濾料來源充足條件下建議優先選用。

無紡布等材料作為暗管外包濾料有成功的也有失敗的，其原因是多方面的。針對土壤條件，控制好土工織物有效孔徑和拉伸強度指標，實現管濾結合的工廠化生產，在砂礫石來源少的地區可以廣泛應用。

4 結 語

(1)暗管排水具有排水排鹽速度快、控制地下水位效果好、占用耕地少等優點，但以前因為施工工序復雜、質量不易保證、一次性投資大，所以大面積應用很少。隨著開溝、鋪管、外包濾料一體施工機械的誕生使用，無紡布等材料價格的降低，以及管濾結合的工廠化生產，暗管排水越來越多地用于鹽堿地治理。

(2)排水暗管的埋深和間距由土壤質地、土壤含鹽量、地下水埋深和地質條件等因素確定，理論計算出的埋深、間距與經驗數值會有一些差距，大面積應用需要在典型區試驗確定。為保證試驗區不同埋深和間距的排水暗管的脫鹽、降水效果監測數據具有可比性，還應保證對比數據是在相同土質、相同灌水條件等相同邊界條件下取得的。

(3)耕地土層薄，下伏隔水層，暗管需要置于隔水頂板以上的，適合淺埋。地下水埋深大，不以降低地下水位為主，而是以洗鹽為目的的，暗管埋深和間距宜采用淺密布設形式，深度60～80 cm，脫鹽的速度更快，效果更好。

(4)砂礫石是最好的暗管外包濾料，適用于各種土壤條件，特別是在當地材料充足時應優先選用，土壤黏粒含量高時也應優先選用。無紡布等人工合成材料在滿足反濾準則，嚴格根據土壤的顆粒級配控制有效孔徑、拉伸強度、厚度等參數指標的情況下，可以滿足暗管外包濾料的技術要求。