張亦冰，高宗昌

(新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院(集團(tuán))有限責(zé)任公司，新疆 石河子 832000)

我國北方地區(qū)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(xì)管上行集聚在土壤表層，導(dǎo)致土壤表土積鹽，加上成土母質(zhì)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(nóng)業(yè)開發(fā)方式，則導(dǎo)致了土壤次生鹽漬化，使土壤理化性質(zhì)變差，危及作物的生長發(fā)育，造成缺苗、減產(chǎn)甚至死亡，嚴(yán)重地區(qū)造成耕地棄耕、荒蕪，浪費(fèi)了大量的土地資源。

我國鹽堿地治理經(jīng)歷了從以農(nóng)業(yè)生物措施改良為主到以排水為主側(cè)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(nóng)業(yè)措施緊密結(jié)合的治理思路。目前國內(nèi)鹽堿地改良的主要措施包括水利措施、生物措施、農(nóng)業(yè)措施和化學(xué)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(dá)到鹽堿地改良的目的。

1 暗管排水技術(shù)的應(yīng)用

1.1 應(yīng)用概況

農(nóng)田排水技術(shù)的應(yīng)用在國內(nèi)外都有很長的歷史，已經(jīng)比較成熟。暗管排水是近幾十年，隨著塑料的廣泛應(yīng)用、外包濾料由砂礫石被化纖織物替代、開溝鋪管機(jī)研制取得進(jìn)展后逐漸推廣開來的。美國、日本、埃及在20世紀(jì)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(jī)的研制和將土工織物用作暗管外包濾料的研究、應(yīng)用方面開展了大量工作，暗管排水技術(shù)處于先進(jìn)水平。暗管排水技術(shù)在國內(nèi)很多省市都有應(yīng)用，但較大面積的推廣應(yīng)用主要在山東和寧夏，且目前還處于邊試驗(yàn)邊推廣的階段[1]。

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

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(dá)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(jí)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(diǎn)是節(jié)約土地，耕地利用率高。對(duì)克拉瑪依市農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)區(qū)水土安全治理項(xiàng)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(zhì)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(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)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(zhì)地、地下水埋深、地層條件等參數(shù)有關(guān)，是暗管改良鹽堿地設(shè)計(jì)最重要的參數(shù)，決定著鹽堿地的改良效果和投資效益，一般采用試驗(yàn)法、理論計(jì)算法和經(jīng)驗(yàn)數(shù)值法確定。

2.1 分析確定方法

2.1.1 試驗(yàn)法

試驗(yàn)法是確定暗管埋深與間距最直接的方法。

2015年，相關(guān)單位在克拉瑪依市農(nóng)業(yè)開發(fā)區(qū)選取了68 hm2中度鹽漬化重壤土耕地進(jìn)行暗管排水試驗(yàn)，設(shè)計(jì)布置南北兩個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，以檢驗(yàn)不同暗管深度和間距情況下各種試驗(yàn)工程措施的排水、排鹽效果。設(shè)計(jì)南北側(cè)試驗(yàn)小區(qū)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(cè)試驗(yàn)區(qū)吸水管埋深1.8 m，南側(cè)試驗(yàn)區(qū)吸水管埋深2.0 m[2]。實(shí)施過程中，因施工單位的開溝鋪管機(jī)最大作業(yè)深度為1.8 m，故南側(cè)試驗(yàn)區(qū)吸水管埋深也調(diào)整成了1.8 m。

2016、2017年對(duì)試驗(yàn)區(qū)的排鹽降水效果進(jìn)行了全面監(jiān)測(cè)。經(jīng)過兩年的暗管排鹽，試驗(yàn)區(qū)地下水埋深由1.12 m降低到1.28～1.58 m，電導(dǎo)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(shí)，灌溉季節(jié)各月地下水埋深的變幅約6 cm；暗管間距40 m時(shí)，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(yōu)于間距40 m，但是相應(yīng)的投資也會(huì)增加[3]。

2.1.2 理論計(jì)算法

2.1.2.1 暗管埋深

暗管埋深綜合考慮土壤質(zhì)地、地下水礦化度、降水、蒸發(fā)和灌溉等因素確定，取值為土壤毛管水強(qiáng)烈上升高度、作物根系活動(dòng)土層厚度、暗管中水深和兩吸水管中心點(diǎn)地下水位與管內(nèi)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(shí)，需要結(jié)合土壤質(zhì)地等通過經(jīng)濟(jì)比較確定。如：寧夏紅寺堡區(qū)大河鄉(xiāng)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(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)自20世紀(jì)90年代以來大力推廣節(jié)水灌溉，部分灌區(qū)地下水埋深10 m以上，傳統(tǒng)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(qiáng)烈的蒸發(fā)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(shè)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(jì)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(jì)算時(shí)，北方地區(qū)考慮蒸發(fā)，暗管間距與作用水頭呈一次函數(shù)關(guān)系[4]，即

B=KH/qΦ

DRAINMOD模型是20世紀(jì)70年代末由美國北卡羅來納州立大學(xué)的Skaggs教授開發(fā)、美國農(nóng)業(yè)部所推薦的田間水文模型，經(jīng)過在世界許多地區(qū)不同土壤、作物和氣候條件下的測(cè)試和應(yīng)用，被公認(rèn)為在模擬地下水水位和排水量方面具有應(yīng)用簡單、要求輸入的參數(shù)少、結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，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(jīng)驗(yàn)數(shù)值法

經(jīng)驗(yàn)數(shù)值是在調(diào)查總結(jié)大量試驗(yàn)資料和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上歸納分析而得的。各地試驗(yàn)取得的經(jīng)驗(yàn)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(fā)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(zhì)、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(jù)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(qū)域暗管間距大多在30 m左右。

2.2 工程應(yīng)用及問題討論

克拉瑪依市農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)區(qū)水土安全治理項(xiàng)目，針對(duì)重壤土和砂壤土分別采用水量平衡原理、經(jīng)驗(yàn)數(shù)值法和DRAINMOD模型進(jìn)行分析，結(jié)果見表1。

表1 不同計(jì)算方法暗管間距對(duì)比

對(duì)比表1中的數(shù)據(jù)，因計(jì)算的邊界條件有假設(shè)因素，不同計(jì)算參數(shù)也與試驗(yàn)時(shí)有差異，故各方法計(jì)算出的暗管間距有一定差距。在大面積的工程應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)理論分析結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)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(jìn)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(shí)滿足反濾準(zhǔn)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(jí)別要求低，一般采用混合砂礫石料即可，但要求滲透系數(shù)比周圍土壤的滲透系數(shù)大10倍以上。

土工織物作為反濾材料應(yīng)用于水利工程日趨成熟，與傳統(tǒng)的砂礫石反濾材料比，材料費(fèi)用可以節(jié)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(zhì)量占總土質(zhì)量的85%，B為與周圍土壤有關(guān)的系數(shù))，透水性要求Kg≥AKs(Kg為土工織物的垂直滲透系數(shù)，Ks為周圍土壤的滲透系數(shù)，A為大于等于10的系數(shù))，防堵性在周圍土壤土粒級(jí)配良好時(shí)要求O95≥3d15，在周圍土壤土粒級(jí)配不好時(shí)需進(jìn)行土壤和土工織物的淤堵試驗(yàn)[7]。

3.2 工程應(yīng)用及問題討論

克拉瑪依市農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)區(qū)暗管排水試驗(yàn)區(qū)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(xué)院研發(fā)并推廣的B-68型無紡PP人工合成濾料。根據(jù)地質(zhì)勘察，試驗(yàn)區(qū)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(shè)計(jì)規(guī)范》的表7.2.10分別確定顆粒曲線的包絡(luò)線。同樣經(jīng)過2016、2017兩年監(jiān)測(cè)，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(qū)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(qū)的脫鹽率為27.86%～31.85%，地下水埋深各月變幅7～12 cm。數(shù)據(jù)比對(duì)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(yīng)用中做了不同形式的外包濾料的試驗(yàn)、監(jiān)測(cè)工作和工程實(shí)踐[8]，結(jié)果表明經(jīng)過人工篩選的砂礫石級(jí)配濾料適合各種土壤的反濾要求，耐久性好，運(yùn)行20年效果依然良好。2003年寧夏水利科學(xué)研究所曾對(duì)19個(gè)項(xiàng)目區(qū)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?zhí)缀?50 g棕絲)的外包濾料做了野外現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和淤堵測(cè)定，其中：有紡布外填砂礫石濾料運(yùn)用了7～13年，透水性良好，防堵效果最佳；無紡布應(yīng)用了3～6年，在輕壤土、中壤土地區(qū)基本沒有淤堵，透水性良好，而在重壤土地區(qū)，無紡布內(nèi)都有不同程度的淤積，暗管內(nèi)有泥沙沉淀。2017年，新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院(集團(tuán))有限責(zé)任公司對(duì)寧夏紅寺堡區(qū)2010—2012年實(shí)施的暗管排水區(qū)域進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)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(shí)需要在管溝開挖至設(shè)計(jì)的縱坡和斷面后將其鋪設(shè)于管溝中，然后敷設(shè)暗管，再填暗管之上的濾料，雖然反濾效果好，但是工序復(fù)雜、投資大?，F(xiàn)在，開溝鋪管機(jī)配備了濾料運(yùn)送車，通過傳送帶可以將砂濾料直接送入挖溝機(jī)濾料箱內(nèi)，與暗管一起鋪設(shè)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(yōu)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(duì)土壤條件，控制好土工織物有效孔徑和拉伸強(qiáng)度指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)管濾結(jié)合的工廠化生產(chǎn)，在砂礫石來源少的地區(qū)可以廣泛應(yīng)用。

4 結(jié) 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(yōu)點(diǎn)，但以前因?yàn)槭┕すば驈?fù)雜、質(zhì)量不易保證、一次性投資大，所以大面積應(yīng)用很少。隨著開溝、鋪管、外包濾料一體施工機(jī)械的誕生使用，無紡布等材料價(jià)格的降低，以及管濾結(jié)合的工廠化生產(chǎn)，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(zhì)地、土壤含鹽量、地下水埋深和地質(zhì)條件等因素確定，理論計(jì)算出的埋深、間距與經(jīng)驗(yàn)數(shù)值會(huì)有一些差距，大面積應(yīng)用需要在典型區(qū)試驗(yàn)確定。為保證試驗(yàn)區(qū)不同埋深和間距的排水暗管的脫鹽、降水效果監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有可比性，還應(yīng)保證對(duì)比數(shù)據(jù)是在相同土質(zhì)、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(shè)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(dāng)?shù)夭牧铣渥銜r(shí)應(yīng)優(yōu)先選用，土壤黏粒含量高時(shí)也應(yīng)優(yōu)先選用。無紡布等人工合成材料在滿足反濾準(zhǔn)則，嚴(yán)格根據(jù)土壤的顆粒級(jí)配控制有效孔徑、拉伸強(qiáng)度、厚度等參數(shù)指標(biāo)的情況下，可以滿足暗管外包濾料的技術(shù)要求。