王少麗，任曉磊，2，陶 園

（1. 中國水利水電科學研究院 水利研究所，北京 100048；2. 中國農業(yè)大學 水利與土木工程學院，北京 100083）

1 研究背景

我國澇漬災害嚴重，澇漬災害呈現先澇后漬、澇漬相隨的特點，一些地區(qū)還存在旱澇交替、先澇后旱，加重了作物減產損失。生產實踐表明，排除了澇災威脅的農田雖然可以保收，但產量卻不高，特別是地勢低洼地區(qū)的易澇易漬耕地，作物產量長期低而不穩(wěn)，主要是由于排水不暢、土壤過濕引起的漬害所致。澇漬脅迫條件下，作物根系生長受到抑制，供給作物的養(yǎng)分和水分不足，光合產物減少，活力下降，導致產量和品質下降［1-3］，澇漬災害對我國正常的農業(yè)生產和國家糧食安全產生了嚴重的威脅，也制約著我國社會經濟的可持續(xù)發(fā)展［4］。

農田排水工程作為重要的水利基礎設施，在農業(yè)生產的發(fā)展中發(fā)揮著重要作用，其建設和完善也是土地整治工作的主要內容之一。但在許多地區(qū)重灌輕排思想依然存在，排水工程存在諸多隱患，溝坡坍塌、淤積、破損、溝上筑壩等情況隨處可見；有些地區(qū)農民受經濟利益的驅使將排水溝填平后用于耕種［5］；重灌輕排導致灌排體系失衡，若遭遇連續(xù)暴雨或長時期連陰雨侵襲，農田澇漬災害在所難免，所造成的損失不容忽視［6］。

城市化進程的加快，耕地資源短缺問題也越來越突出。截止2017年，我國耕地面積134.8×106hm2，2009—2017年間耕地面積平均每年凈減少約6.53 萬hm2［7］；自然災害、過量化肥的使用造成耕地質量下降甚至退化［8］，有限的耕地資源對農田排水方式提出了新的要求。近年來，以治漬和改堿為目的暗管排水技術迅速發(fā)展，暗管排水具有不占耕地的顯著優(yōu)勢，并利于治漬改堿、調控地下水位、改善根區(qū)土壤環(huán)境、提高作物產量等［9-10］，已成為國內外專家學者的研究熱點。

傳統(tǒng)觀念認為暗管排水的作用主要是調控地下水位。近年來，有研究表明，暗管排水可以減少地表徑流，并影響地表侵蝕及污染物的排放過程，改進型暗排（帶礫石暗管、礫石鼠道）的排水性能更好。Holden 等［11］針對芬蘭南部短期強降雨增加、土壤透水性弱的特點，研究了淺埋深常規(guī)鼠道及礫石鼠道（鼠道內充填0.2 m 高的礫石）的排水性能，發(fā)現淺埋鼠道可以加速雨水入滲、減緩地下水位上升，其中礫石鼠道對降雨的反應能力最快，排水開始時間早，排水總量大。Melesse 等［12］采用WEPP 模型對美國Le Sueur 流域不同暗管排水流量和耕作措施條件下暗管排水對地表侵蝕率影響進行了模擬評價，結果表明，暗管排水在加大地表水入滲、減少地表徑流的同時也影響土壤侵蝕過程。Okwany 等［13］在孟加拉國庫爾納縣研究了暗管埋深為30 cm、間距為8 m 的淺層暗管排水性能，結果表明淺層暗管排水有利于減輕季風性降雨危害，增加作物產量，冬季向日葵種植時間可提前1.5 個月。Tao 等［14］通過田間試驗，研究了分層砂石反濾體、混合砂石反濾體、卵石反濾體和秸稈反濾體4 種介質的改進暗排排水效果，發(fā)現改進暗排排水流量明顯大于常規(guī)暗排，改進暗排可以大大提高暗管排水能力。

與中埋和深埋相比，淺埋暗管可以縮短地表積水入滲情況下的排水滲徑，加快地表積水入滲速度的作用明顯，且淺埋暗管施工成本較低廉，但由于受埋藏深度淺的制約，即使在出口處呈自由出流的情況下，其排水流量也有限，不能滿足除澇前期快速排降地表積水的要求。關于如何在保持淺埋暗管優(yōu)勢條件下，增強其輔助明溝排除地表積水的能力方面此前尚未見有所報道，本文分析了暗管排水工作原理及其影響因素，提出在不增加淺埋暗管成本基礎上提高排水流量的方法，并通過室內砂槽試驗進行了驗證，該研究成果可為澇漬災害易發(fā)地區(qū)建設高效除澇降漬減災工程提供新途徑。

2 暗管排水理論及影響因素分析

暗管所依據的工作原理，是滲流理論中關于流量和水頭（水位）的關系要服從達西定律和伯努里定律。根據達西定律，恒定運動情況下地表積水入滲條件的常規(guī)暗管排水單長排水滲流量的理論公式為［15］：

式中：K 為排水地段含水層的平均滲透系數，m/d；q 為非均勻積水入滲補給的平均強度，m/d；L 為相鄰兩平行暗管之間的距離，m；H-Hd為作用水頭，即田面積水層表面高程H 與出流部位水流表面水位高程Hd之差，m。在自由出流情況下，H-Hd=hd+ΔH，hd為暗管埋深，m，ΔH 為田面積水層深度，m；Φ為排水地段的滲流阻抗系數，由排水地段的各項幾何參數確定，反映暗管周邊水流受空間的約束，流束急劇收縮，而產生局部水頭損失，其通用式為Φ=F（hd，d，L，T），其中d 為暗管直徑，m，T 為含水層平均厚度，m，即不透水層表面至地面的距離。

不同研究者推出的具體表達式結構形式各不相同，位吉尼可夫（以下簡稱位氏）和努美羅夫（以下簡稱努氏）給出如下Φ的計算式。

當含水層較厚時，即L≤2T，滲流阻抗系數Φ可表示為：位氏：

努氏：

當含水層較薄時，即L≥2T，滲流阻抗系數Φ 可表示為：位氏：

努氏：

式中，r0=d/2，r0為吸水管半徑，m。

從式（1）可以看出，暗管排水能力大小，與排水地段含水層的平均滲透系數K 和作用水頭呈正相關關系，與排水地段的滲流阻抗系數呈負相關關系，增大K 和H-Hd，或減小Φ，都可提高暗管排水能力。對于不同類型的澇漬地區(qū)，田間土壤滲透性能是客觀存在的，無法改變，通過耕作對表土進行深松改變土壤K 也有一定限度。通過加大暗管埋深hd提高作用水頭，可以使暗管的排水流量增大，但會提高施工成本并增加施工難度。

滲流阻抗系數Φ受多因素綜合影響，采用實例分析計算排水地段各項幾何參數對Φ的影響，暗管（含外包料）直徑分別取目前市場上廣泛應用的d=2r0=0.08 m 和0.1 m，暗管中心埋深取hd=0.5 m 和1.0 m，當含水層較厚（L≤2T）時，用式（2）或（3）計算不同暗管間距條件下的Φ；當含水層較?。↙≥2T）時，用式（4）或（5）計算不同含水層厚度條件下的Φ值。由于位氏和努氏公式兩種方法計算的Φ值很接近，相差不到1%，表1 僅給出位氏計算結果。

表1 排水地段幾何參數對阻抗系數Φ的影響

從表1 可以看出，隨暗管直徑d 增加，Φ值減小，隨暗管埋深hd增加，Φ值增大；當間距和含水層都增大到一定程度時，L 和T 對Φ的影響都很小。例如，當暗管間距從5 m 增加到10 m 時，兩種埋深和管徑條件下Φ值減小1.47%～4.7%，從5 m 增加到20 m 時，Φ值減小1.85%～5.94%；當含水層厚度從5 m 增加到10 m 時，兩種埋深和管徑條件下Φ值減小0.2%～0.7%，從5 m 增加到20 m 時，Φ值減小0.2%～0.9%，含水層厚度對Φ值的影響很微弱；暗管埋深越小，間距的變化對Φ的影響越小，總體來說，暗管間距變化對Φ值的影響也較小，可以忽略。當暗管管徑從0.08 m 增加到0.1 m，即增加25%時，兩種埋深條件下Φ值減小5.4%～7.0%，暗管埋深越小，管徑增加對Φ值減小的影響越大，但暗管管徑對Φ值的影響也不大。當埋深從1.0 m 減小到0.5 m 時，Φ值減小17.9%～22.4%?？傮w來說，對Φ值影響大小的順序為：暗管埋深>暗管管徑>暗管間距>含水層厚度。

3 暗管排水能力提升方法及試驗驗證

3.1 暗管排水能力提升方法暗管埋深對排水能力的影響反應在對作用水頭和Φ值的影響，是所有影響排水能力因素中作用最顯著的一個因素。增大暗管埋深，則加大了作用水頭，使排水能力增大，同時也增大了滲流阻抗系數，使排水能力減小，最為關鍵的是增大了鋪管的開挖工作量和成本；反之，作用水頭減小，則滲流阻抗系數也減小，因此，作用水頭和滲流阻抗是互為制約的兩個因素。利用淺埋暗管施工成本低、滲流阻抗小的特點，在不增加鋪設成本的基礎上，加大其作用水頭，從而提高排水能力是本研究的關鍵突破口。利用虹吸作用，在暗管出口處安裝虹吸管，使其下端出流口降低到一定深度，就能夠顯著提高作用水頭，增大暗管排水流量，其工作原理如圖1 所示。

圖1 有和無虹吸管的淺埋暗管工作原理

3.2 模擬試驗概述采用室內砂槽模擬排水試驗，參照野外田間工程，按1∶20 的比例制作模型，砂槽凈尺寸為50 cm×20 cm×30 cm（長×寬×高），沿槽長方向在底部鋪設直徑為1 cm 的開孔紫銅管用以充水排氣，底部填4 cm 厚的強透水材料利于快速進水，暗管采用外徑為6.35 mm、壁厚0.7 mm 的開孔紫銅管外包紗布制成，設淺、中、深三種埋深分別為2.5、4.0 和5.5 cm，相當于田間埋深50、80 和110 cm，砂槽的正視示意圖如圖2 所示。試驗目的是為了探討淺埋暗管利用虹吸作用的增流效果，由于土體滲透性能僅影響排水流量的絕對值，因此，對按有和無虹吸排水流量對比計算得出的增流效果相對值沒有影響。為方便填土和排氣，縮短試驗時間，上部砂槽整體填22.5 cm 厚80 ~ 120 目透水性較好的石英砂作為土體介質。土體裝填、排氣飽和、測流等操作程序參見文獻［14］。

圖2 砂槽排水試驗示意

3.3 試驗結果和理論公式計算對比按照式（1），相關的計算參數為：淺暗管埋深hd=2.5 cm，積水層深度ΔH=2 cm，則H-Hd= hd+ΔH=4.5 cm，淺暗管出口降到中埋和深埋時，H-Hd分別為6 和7.5 cm；d=0.495 cm；石英砂介質按相同容重裝填在圓土柱中，并按達西定律測得的土體滲透系數K=0.002 279 cm/s，L=50 cm，T=30 cm。采用含水層較厚時的式（2）計算Φ，采用式（1）計算Q，并轉換為20 cm 管長的總排水流量，計算結果如表2 所示。

從表2 可知，不同排水措施的排水流量理論計算和試驗觀測值彼此相當接近，相對誤差大多數在5%以內，擬合結果較好，表明排水試驗條件合理可行，理論公式能夠反映實際情況，可以用于指導實踐。以理論計算值為依據，淺暗管降低到中埋和深埋時，流量分別增加33.3%和66.7%，并且淺暗管（中）與相同深度排水出口的中暗管相比，排水流量增加16%，淺暗管（深）與相同深度排水出口的深暗管相比排水流量增加27%，試驗條件下的淺、中、深暗管滲流阻抗系數分別為0.479、0.555 和0.608，淺暗管滲流阻抗系數比中暗管和深暗管分別減小16%和27%，可以看出，淺暗管通過虹吸作用降低到中埋和深埋出口時，分別比相同排水出流條件的中埋管和深埋管排水流量還要大，流量增大的原因主要是淺埋管的滲流阻抗系數比中埋管和深埋管要小。由此表明，在不加重淺埋暗管成本負擔的基礎上，利用虹吸原理能顯著提高暗管排水能力。

表2 理論計算與試驗結果對比

3.4 積水層深度變化對虹吸排水增流效果的影響以安徽蚌埠試驗站實際土壤質地條件為例［4］，采用理論公式計算積水層深度變化對虹吸排水增流效果。土壤滲透系數為0.8 m/d，不透水層深度為10 m，淺暗管埋深為0.6 m，相當于汛期玉米作物幼苗耐漬水深，通過虹吸作用的淺暗管出流降深達到1.1 m，用“淺暗管（深）”表示，暗管直徑為0.08 m，暗管間距為20 m，圖3 為隨積水層深度變化的淺暗管和淺暗管（深）單長排水流量及排水流量增加百分比。

圖3 有無虹吸的排水流量及虹吸增流效果隨積水層深度的變化

從圖3 可以看出，隨積水層深度的增加，淺暗管和淺暗管（深）排水流量絕對值均呈線性增長，兩者直線斜率相等，即相同積水深變化條件下流量增加值相同，且相同積水層深度下淺暗管（深）始終比淺暗管排水流量大0.74 m3/d，該值不隨積水層深淺而改變；而淺暗管（深）與淺暗管相比，流量增加百分比則隨積水層深度增加而減小，可見，當積水層深度減小時，淺暗管（深）的排流量減小，但增流效果百分比在增大。

3.5 討論非汛期或降雨強度不大的排水時期，采用控制排水技術已經被廣泛認可和應用［16］，而在雨季或強降雨排水時期，則需加大調控深度，人為降低地下水位，加快地表水的排除，及時將高地下水位降到作物耐漬深度。淺埋和深埋暗管相間布設形式具有其優(yōu)越的排水性能，淺埋暗管可以利用其更接近地表積水和滲徑短的特點，增大積水入滲速度［11］，從而輔助明溝加快地表積水消退過程，待地表積水消退后，控制前期的地下水位下降，深埋暗管則主要控制后期的地下水位下降。為增強淺埋暗管排水能力，借鑒控制排水雙向調控的思路，利用虹吸原理將淺埋暗管出水口高程降低達到一定深度，理論和試驗表明，采用此種方法可以顯著提升淺埋暗管排水能力。實際應用時，淺埋暗管埋深可以選取當地汛期作物耐漬深度的最小值，而深埋暗管進一步控制排水后期的地下水位下降。淺埋暗管和虹吸管的出口可以入末級排水農溝，根據當地實際情況，暗管和虹吸管出口也可直接排入斗溝并接近斗溝的溝底高程，從而最大限度的增大作用水頭和提高排水能力。

汛期降雨集中，是除澇關鍵時期，明溝承擔排水任務較重，既排泄地表徑流也接納地下排水量，溝中往往呈現高水位狀態(tài)，除澇期間溝中經常處于高水位情況下，可設置集水豎井，將虹吸管出口通入井中，利用動力抽排井水入溝；也可在排水溝末端安裝臨時泵集中抽排降低溝中水位，增大暗管排水能力；經濟條件允許條件下，可建立固定抽水泵站。非汛期或非排水時期，可以封閉虹吸管或抬高虹吸出口實施控制排水，減少農業(yè)排水的氮磷污染。地表積水消退后地下水位降落過程中的虹吸增流作用如何還有待進一步研究。

4 結語

本文在分析暗管排水影響因素基礎上，提出利用虹吸作用不加重淺埋暗管成本負擔即可提高排水能力的增流方法，并通過理論計算分析與室內砂槽試驗進行了驗證，主要結論如下：（1）暗管排水能力大小，與排水地段含水層的平均滲透系數K 和作用水頭呈正相關關系，與排水地段的滲流阻抗系數Φ呈負相關關系，暗管埋深對Φ值影響最大，其次為暗管管徑，當間距L 和含水層厚度T 與暗管埋深相比大到一定程度時，L 和T 對Φ的影響都很小。（2）利用虹吸作用，在暗管出口處安裝虹吸管，使其下端出流口降低到一定深度，理論和試驗表明，采用此種方法可以顯著提升淺埋暗管的排水能力。淺暗管通過虹吸作用降低到中埋和深埋出口時，即作用水頭增加1.33 倍和1.67 倍時，排水流量增大33.3%和66.7%，且比相同排水出流條件的中埋管和深埋管排水流量還要大，主要原因是淺暗管滲流阻抗系數較小，其結果帶來流量增大所致。（3）當積水層深度增大時，有虹吸和無虹吸的淺暗管排水流量絕對值都呈線性增長，不論積水層深或淺，相同積水層深度下前者排水流量始終比后者大0.74 m3/d；當積水層深度減小時，有虹吸的淺暗管排水流量絕對值在減小，但增流效果百分比在增大。（4）淺埋和深埋暗管相間布設有其優(yōu)越的排水性能，淺埋暗管可以加速地表積水入滲，并且控制前期的地下水位下降，深埋暗管則主要控制后期的地下水位下降。根據當地實際情況，淺埋暗管和虹吸管的出流口可以通入末級排水農溝或排水斗溝，也可通入集水豎井，在溝中高水位持續(xù)時間較長的情況下，可利用動力抽排降低溝中或井中水位，增大暗管排水能力。