寧夏銀北灌區暗管排水技術應用現狀調查分析

馬利軍，王紅雨,2，麥文慧，李 星，姚自凱

(1. 寧夏大學土木與水利工程學院，銀川 750021；2. 寧夏大學教育部節水灌溉與水資源調控工程技術研究中心，銀川 750021)

灌區農業排水是控制土壤鹽分、維持土壤透氣性，防治土地鹽漬災害和保證灌區農業可持續發展的前提。在干旱、半干旱地區，為了保證灌溉農業的發展，就必須在作物根區保持一個動態的鹽分平衡，所以排水對于作物生長具有與灌溉同等重要的作用，故預防和治理土地鹽漬化災害應從控制水著手[1-4]。暗管排水技術是一項治理土地鹽堿漬害行之有效的手段，國內外學者就暗管排水標準、滲流理論、暗管間距及埋深計算方法、外包料及反濾層等方面做了大量的研究工作[5-11]。

為解決寧夏銀北灌區長期遭受鹽堿漬害的影響，20世紀80年代中期，開始引進暗管排水技術并開展工程示范與試驗研究,經過30 a的技術推廣，暗管排水技術已經成為解決銀北灌區鹽堿漬害的首選方案。為摸清銀北灌區暗管排水工程的現狀、建設規模、存在問題，筆者選取暗管排水技術推廣應用較集中的石嘴山市惠農區、平羅縣及銀川市賀蘭縣進行剖析，旨在總結經驗，彌補不足，促進暗管排水工程技術的不斷完善和提高。

1 灌區暗管排水項目實施概況

銀北灌區位于寧夏引黃灌區北部，地貌類型由賀蘭山丘陵地、洪積傾斜平原、黃河沖積平原3個單元組成，海拔高度為1 090～1 300 m，灌區平均氣溫為8 ℃， 年均降雨量189.9 mm，降雨以7-9月份最多，年均日照長，蒸發量為2 249.5 mm。灌區內有銀川、石嘴山2地區，包括賀蘭、永寧北部、銀川郊區、平羅及惠農等地，作物種植面積為29.93 萬hm2，2016年統計糧食總產量達475 603.6 t，農業總產值為780 809 萬元。其中，石嘴山市惠農區、平羅縣和賀蘭縣3個區域共涉及15個暗排項目區，總面積約6 843.9 hm2，銀北3區縣暗管排水工程概況見表1。

表1 銀北3區縣暗管排水工程概況Tab.1 General situation of underground drainage projects in Yinbei 3 districts and counties

2 項目區暗管排水技術引進及發展

鹽堿地改良一直是寧夏銀北灌區的一項重要任務，20世紀90年代中后期，依托農業綜合開發項目，申請獲得荷蘭政府貸款，引進荷蘭暗管排水先進技術，以此為契機，加速了暗管排水技術在銀北灌區的發展。近年來，在農業綜合開發高標準農田建設中，暗管排水技術得到了更為廣泛的推廣與應用，并取得了豐碩成果。

2.1 新型排水施工設施的引進與應用

隨著暗管排水技術在寧夏銀北灌區的推廣與廣泛應用，傳統人工開挖管溝、鋪管的施工方法已無法滿足需求，銀北灌區先后引進了2種形式的開溝鋪管機，分別是荷蘭EGS3000型刀鏈式開溝鋪管機和美國T555型開溝鋪管機。相關資料顯示，采用機械施工優點突出，資金投入大幅減少，人工費用不到人工開溝鋪管的1/4，總投資為人工施工的2/3[12]。尤其是寧夏引黃灌區暗管排水工程的施工受灌溉季節限制，一般只有春灌前和秋收后的農閑期間適宜施工。開溝鋪管機具有施工速度快、效率高的特點，既能確保施工進度與效率，又能保證施工質量，彌補了人工鋪管的不足。實地調研了解到，包括惠農區、平羅縣、賀蘭縣在內的15個暗排項目區全部采用開溝鋪管機進行機械化施工，應用程度100%。開溝鋪管機完成暗管排水項目統計見表2。

2.2 排水管材的引進與應用

暗管排水技術發展初期，使用的主要排水材料為黏土管和混泥土管，隨著科學技術、塑料工業及制造業的發展，20世紀70年代，國外開始由傳統的黏土管和混泥土管向塑料波紋管過渡，并逐步替代了“傳統管”。塑料波紋管具有重量輕、耐腐蝕、整體性好等特點，因此，在我國暗管排水工程中也很快得到了應用與推廣。自1995年開始，塑料管也逐步應用于銀北灌區的暗排建設項目中。

表2 開溝鋪管機完成暗管排水項目統計Tab.2 Ditching and pipe laying machine to complete the drainage project of pipe

實地調研了解到，銀北灌區暗管排水項目中，使用的暗管管材主要分為2種，吸水管多采用PE(聚乙烯)打孔塑料波紋管，集水管多采用UPVC管(UPVC是硬脂聚氯乙烯，是在PVC的基礎上提高性能的產品)，資料顯示，2者在灌區暗管排水項目中被廣泛應用。吸水管多采用PE管，原因在于在相同規格的情況下，PE管的物理力學性能優于PVC管。PVC、PE的物理力學性能見表3。

表3 PVC、PE的物理力學性能Tab.3 Physical and mechanical properties of PVC and PE

2.3 外包濾料的引進與應用

暗管外包濾料要滿足透水性、保土性、防淤堵性等反濾要求[13,14]，暗管排水技術在灌區應用多年來，吸水管外包料已從砂濾料發展到無紡布。寧夏水科院通過多次試驗研究，并參考工程中應用多年的實際效果，現已優選出符合銀北灌區的外包料及反濾層。課題組實地到3區縣農業綜合開發辦公室及各典型暗管項目區了解到，吸水管外包濾料多采用管壁套68 g杜邦土工布外加5～8 cm砂濾料或外加一定厚度有機材料的設計方案。

2.4 光伏強排泵站的應用

暗管排水工程的排水方式分為自流排水和強排進入承泄區2種類型。銀北灌區地勢低平，全年日照時間長，光照充足，輻射較強，太陽能資源豐富。長期以來，強排區以往多采用動力電抽水，其電費一直存在較大爭議[8,15]，為解決這一問題，銀北灌區暗管排水項目區充分利用太陽能自然條件的優勢，光伏發電技術被應用于暗管排水工程中，強排區泵站改用太陽能泵站，即利用光伏陣列發出的電力代替原來的動力電，驅動水泵的揚水系統。整個系統主要由光伏陣列(太陽能電池組件)、太陽能揚水逆變器、水泵組成[14]。2000年前后，在惠農區農業綜合開發項目中率先采用太陽能光伏泵站的新能源動力模式，2種技術的結合應用，有效地解決了暗排項目區的費用爭議問題。光伏強排泵站在銀北灌區應用較為廣泛，正在全面推行，強排區利用太陽能光伏泵站抽排將是銀北灌區暗管排水工程動力系統的一個發展方向。

以石嘴山惠農區2013年度燕子墩鄉、禮和鄉、廟臺鄉土地整理重大工程項目為例，在原規劃中對0.553 萬hm2建設面積進行了4處暗管排水工程設計，排水面積共計0.072 萬hm2，原采用動力電抽水，但在項目實施中，經多方面考慮，由原來的4處改為8處，其中4處為動力電抽水，4處為太陽能供電抽水。光伏暗管排水區在工程建設投資、運行管理和抽排水能力3方面都優于動力電暗管排水區。太陽能泵站和動力電泵站效益對比見表4，水泵性能對比見表5。

表4 太陽能泵站和動力電泵站效益對比Tab.4 Comparison of benefits between solar pumping stations and power pumping stations

表5 太陽能泵站和動力電泵站水泵性能對比Tab.5 Comparison of pump performance between solar pumping station and power station pump station

太陽能泵站水泵系統在運行過程中不會產生電費和過多的運行費用，使用壽命長；光伏發電暗排區對水泵安全運行可實現自動控制，無人看管操作。2項技術的結合應用，不僅響應國家節能環保政策，且較動力電在各方面有了很大的提升和完善，大大提高了設備運行的安全性與可靠性。

3 銀北灌區暗管排水項目區運行狀況及效益

3.1 灌區暗管排水工程運行狀況

調研期間，銀北灌區3區縣暗管排水工程運行、抽排水正常，項目區地下水位降低，耕地被改良后，作物種植結構有所調整，旱作為主，農作物長勢良好；部分新建暗管初期改良地，較之前有了很大改觀，耕地現已占苗。惠農區農發辦雇傭當地50～60歲的農民，指定專門人員負責暗管的日常維護、集水井清淤及定時抽排水的工作，對暗管正常運行起到了積極作用，值得其他區縣借鑒。在銀北灌區，暗管排水技術治理鹽堿的措施很受農戶歡迎。

3.2 暗管效益分析

據農發辦工作人員介紹，已建成的暗管排水工程運行多年后，暗排區的地下水位明顯得到了降低，鹽堿漬害得到了有效的控制和防治，實施前地下水埋深為0.3～1.0 m，現在項目區地下水埋深控制在1.5 m左右，并維持動態平衡；部分項目區土壤含鹽量原為0.5%～2.2%，屬中鹽漬土或強鹽漬土，改良后現已降低至0.3%～0.5%，屬弱鹽漬土，有的項目區改良后土壤含鹽量已小于0.3%，屬非鹽漬化土。暗管排水通過改善作物生長的土壤水鹽條件[16]，同時，在灌溉和降雨的作用下，能排出土壤中的易溶鹽分，為作物生長創造了良好的生長環境[17]，提高了作物產量，部分改良為非鹽漬化土的項目區，作物根層土壤含鹽量灌溉期為0.095%左右，冬灌前為0.045%～0.056%，并且，種植小麥和玉米長勢良好，較未實施前小麥每公頃增產150～750 kg，增幅為2.7%～16.67%，玉米每公頃增產150～600 kg，增幅為2.63～16.67%，農業增收約400～1 800 元/hm2。應用此項技術，實現了灌區農業增產豐收，帶動了灌區農業經濟收入。

以平羅縣陶樂鎮馬太溝村暗管排水項目區為例。項目區為引黃自流灌區，原采用明溝排水，由于明溝淤積坍塌嚴重，導致農田排水困難，土地鹽漬災害加劇[18]。2015年修建了暗管排水工程，排水控制面積220 hm2。

為了定量說明暗管排水工程對銀北地區鹽堿地的改良效果，課題組選取馬太溝暗管排水項目區作為試驗監測區域，對地下水位、土壤全鹽量、土壤PH值進行周期性監測，自2016年8月12日開始，至2016年10月11日結束，每10 d監測一次。地下水埋深動態變化見表6，不同深度土壤全鹽量初末變化見表7，不同深度土壤pH初末變化見表8。

表6 地下水埋深變化 m

表7 不同深度土壤全鹽量變化 g/kg

表8 不同深度土壤pH變化Tab.8 Changes in soil pH in different depths

監測結果表明：①地下水埋深明顯降低，由于暗管建成已運行半年之久，初次監測時，一級自流區為1.14 m，二級強排為1.57 m，較實施前均有所降低，監測期內受強降雨影響，8月22日埋深有所回升，之后又呈現出總體下降趨勢，至冬灌前觀測結束時，一級自流區地下水埋深降為1.91 m，降低27.4%，二級強排區降為地下水埋深降為2.0 m，降低67.5%；②不同深度土壤全鹽量含量降低，一級自流區下降率為19.4%～35.6%，二級強排區下降率為4.8%～18.7%；③土壤酸堿性得到改善，不同土壤剖面的pH降低。由此，說明暗管排水能有效的防治鹽漬災害，排水排鹽效果顯著[19,20]。

項目區實施暗管排水后，現規劃主要種植作物為玉米和小麥，對2016、2017年度的作物產量進行統計，結果表明，玉米增產600 kg/hm2，小麥增產900 kg/hm2，油葵增產300 kg/hm2，應用暗管排水技術后，農作物產量增產幅度5.3%～17.2%，年農業經濟增收總值達26萬元，平均增加1 179 元/hm2。說明暗管排水促進作物增產效果顯著。馬太溝暗管排水項目區糧食增產效益見表9。

表9 馬太溝暗管排水項目區糧食增產效益Tab.9 Grain yield increase in Matai ditch drainage projectarea

注：其中玉米75%，小麥20%，其他(主要為油葵)5%。

3.3 存在問題

暗管排水技術在灌區應用多年來，效果顯著，但在課題組調研的過程中，發現存在諸多問題，歸納如下。

(1)地方建設部門對暗管排水工程的規劃缺乏足夠的論證與評估，沒有把暗管排水工程置于區域土地治理及其灌溉排水配套規劃的大格局中統籌規劃。

(2)設計部門對暗管排水工程基礎資料的收集不夠重視，缺乏真實可靠的調研，設計資料、計算參數千篇一律，無針對性可言，造成一些項目區暗管排水工程設計方案選擇不合適。

(3)由于暗管排水工程規模小，建設工程運作不太規范，不同施工單位的施工質量控制存在較大差異。

(4)建設歸檔資料庫不完善，個別地方重疊、重復建設。老項目區重新建設后，前后2次的設計施工資料無歸檔記錄。

(5)重建設輕管護現象比較嚴重。管護經費不到位，管理責任缺失。例如：由于管道清淤工程量大，且需要專門的清淤設備，投資較大，各暗管排水工程項目區均沒有按要求定期實施管道清淤工作；暗管入溝的排水溝普遍存在雜草叢生，淤積嚴重，排水不暢，出口被掩埋等問題；在溝道清淤、砌護等治理工程中，設置在溝道邊坡上的暗管出水口遭受破壞比較嚴重。

4 總結與建議

暗管排水工程在治理銀北灌區鹽漬災害、改造中低產田中發揮重要作用，尤其是將光伏發電技術應用于暗管排水工程中，使暗管排水技術顯示出更大的優勢。基于現狀，應從工程規劃、設計、勘察、施工、管護等多方面作出努力和思考，使其能真正規范暗管排水工程建設行為，提高寧夏農業綜合開發暗管排水工程建設的技術水平。就灌區暗管排水工程應用現狀及存在問題，給出以下幾點建議。

(1)設計部門設計前必須收集準確無誤的項目區水文地質資料，必要時補充勘察，做好地層土質和地下水位勘察工作，提高隱蔽工程的設計水平，提倡針對項目區實際情況的合理設計，而不僅僅只是套用標準設計資料。

(2)對暗管排水工程的保護應引起農田基本建設相關部門的重視，并落實到具體的工程建設設計與施工方案之中。

(3)把暗管排水工程置于區域土地治理及其灌溉排水配套規劃的大格局中統籌規劃，使暗管排水規劃更加科學合理。

(4)將農田基本建設視為一個系統工程，合理調度，協調有序。杜絕在修建新工程的過程中，損壞既有配套工程的野蠻施工方式。

(5)既然有河長制、湖長制，那么也可以在 灌區對各級渠道和各級溝道實施行政管理的方式，即渠長和溝長，保障渠道、溝道等農田水利工程配套設施的管護，明確目標，責任到人，落實到位，以解決“重建設輕管護”的頑疾。