李 杰，王紅雨，2，3，王 亞，馬明澤，馬俊毅

（1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021；2.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，銀川 750021；3.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，銀川 750021）

0 引 言

受西北干旱、半干旱缺水環(huán)境影響以及國(guó)家制定的黃河流域水資源調(diào)控政策約束，地處寧夏銀北引黃灌區(qū)渠道末梢的灌溉水彌足珍貴，開源節(jié)流是緩解水資源短缺的重要手段。銀北灌區(qū)開展農(nóng)田暗管排水試驗(yàn)研究和推廣應(yīng)用已有近40 a歷史，實(shí)踐證明農(nóng)田暗管排水技術(shù)是治理寧夏銀北灌區(qū)鹽堿化危害的有效途徑[1,2]。利用排入暗管的農(nóng)田回歸水作為灌溉水源的潛力巨大，而田間排水暗管外包濾料是否具備濾土與凈化水質(zhì)的雙重功效便成為問題的關(guān)鍵。

國(guó)內(nèi)外利用暗管排水技術(shù)解決農(nóng)田澇漬災(zāi)害的歷史悠久[3,4]，傳統(tǒng)的排水暗管外包濾料主要是改善進(jìn)入暗管水流的水力條件，防止暗管淤堵[5]。排水暗管最早采用的外包濾料為級(jí)配良好的砂礫石[6]，BENTLEY 和LENNOZ-GRATIN 等[7,8]通過(guò)試驗(yàn)研究了設(shè)置外包濾料與不設(shè)置外包濾料的暗管進(jìn)口水流阻力變化問題，并回答了外包濾料合理的設(shè)置厚度。隨著合成材料的推廣和自動(dòng)挖溝鋪管技術(shù)的發(fā)展，土工布被廣泛應(yīng)用于暗管的外包濾料。但受土壤類型的限制，土工布厚度和孔徑的選擇應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求[9]，否則將造成土工布淤堵從而影響暗管排水的持續(xù)運(yùn)行效果[10]。為降低土工布淤堵風(fēng)險(xiǎn)，提高暗管排水效率，陶?qǐng)@等[11,12]將砂礫石濾料與土工布相結(jié)合，提出了一種占用耕地少、排水流量大且環(huán)境友好的改進(jìn)暗排，通過(guò)室內(nèi)土柱試驗(yàn)，并采用太沙基反濾準(zhǔn)則評(píng)估了改進(jìn)暗排反濾體的有效性。然而，寧夏銀北灌區(qū)的現(xiàn)狀是，其地勢(shì)低洼土壤鹽漬化嚴(yán)重，為解決農(nóng)業(yè)排水問題，農(nóng)田暗管排水工程已基本全覆蓋；另一方面，其位于引黃灌區(qū)末梢，作物灌水困難，灌溉期用水矛盾十分突出。雖然將排入暗管的回歸水用作灌溉水源的必要條件成立，但是基于灌溉回歸水再利用的農(nóng)田排水暗管外包料的設(shè)置應(yīng)有別于傳統(tǒng)的外包料，必須具備濾土、排水和凈化水質(zhì)的綜合功效。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用不同材料作了大量關(guān)于水處理的研究。關(guān)正軍等[13]基于玉米秸稈濾料進(jìn)行了養(yǎng)禽廢水過(guò)濾試驗(yàn)并取得了較好的效果。王亞麗等[14]研究了高爐渣對(duì)廢水中Cu2+的吸附率和吸附行為，結(jié)果表明爐渣對(duì)Cu2+的去除率可達(dá)99.93%。吳小卉等[15]將沸石與爐渣組合，對(duì)農(nóng)村生活垃圾滲濾料進(jìn)行吸附效能研究，發(fā)現(xiàn)能夠高效去除其中的重金屬離子。JAHAN 等[16]研究了土工織物與絮凝物相結(jié)合對(duì)水質(zhì)的改善情況，結(jié)果表明聚合物對(duì)陽(yáng)離子具有吸附作用，可以有效降低水中的金屬離子。農(nóng)業(yè)回歸水的水質(zhì)問題也應(yīng)是考慮的重點(diǎn)[17]，但上述學(xué)者的研究多集中于污水、中水、達(dá)標(biāo)排放水的凈化，而農(nóng)田灌溉水質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)有別于上述水處理技術(shù)。王少麗等[18]認(rèn)為農(nóng)業(yè)排水用于灌溉時(shí)水質(zhì)較差，需進(jìn)行必要的凈化處理或與淡水混用。發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)排水水質(zhì)研究較早，美國(guó)在加利福尼亞利用膜的反滲透技術(shù)去除農(nóng)業(yè)排水中的有害物質(zhì)[19]，BORIN 等[20]進(jìn)行了農(nóng)田排水濕地處理試驗(yàn)，結(jié)果表明濕地植物可吸收農(nóng)田排水中50%以上的總氮，土壤可儲(chǔ)存20%以上的氮。然而，農(nóng)田排水暗管外包濾料對(duì)排入管中回歸水水質(zhì)凈化的研究還鮮有報(bào)道。農(nóng)田暗管排水既不同于生活污水的處理，也有別于明溝排水的水質(zhì)凈化問題，地表水或灌溉水入滲田間土壤，再經(jīng)外包濾料層過(guò)濾匯入吸水管，探究不同暗管外包濾料及其結(jié)構(gòu)型式凈化水質(zhì)的時(shí)效性，直接影響回歸水循環(huán)利用的可行性。

本文以寧夏銀北灌區(qū)暗管排水工程埋管位置土壤為基土，選取1 種通用的無(wú)紡?fù)凉げ己? 種吸附性材料，按照濾料的組合方式，設(shè)計(jì)了僅敷裹土工布和鋪設(shè)土工布+單一吸附性材料2類敷設(shè)型式的初步試驗(yàn)方案，進(jìn)行室內(nèi)土柱滲透試驗(yàn)。在獲得初步試驗(yàn)結(jié)果及吸附性材料基本性狀的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步制定了土工布+混合吸附性材料的過(guò)濾方案。通過(guò)測(cè)試不同材料的濾料組合結(jié)構(gòu)的流量衰減過(guò)程、滲透系數(shù)變化、鹽分去除率及吸附量達(dá)到飽和所用時(shí)間等指標(biāo)，篩選出能夠同時(shí)滿足濾土、排水和凈化水質(zhì)要求的暗管外包濾料型式，以期為灌區(qū)回歸水再利用的排水暗管外包濾料選型提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 供試土壤顆粒級(jí)配

DIELEMAN 和TRAFFORD[21]所作的排水試驗(yàn)結(jié)果表明，黏粒含量與粉粒含量比值大于0.5 時(shí)排水暗管被淤堵的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)大大降低，其次土壤的不均勻系數(shù)也是衡量土壤是否會(huì)流失的一個(gè)重要參數(shù)，具體判別指標(biāo)如表1所示[21]。

表1 土壤不均勻系數(shù)CuTab.1 Soil inhomogeneity coefficient Cu

本文試驗(yàn)土壤取自寧夏銀北灌區(qū)暗管排水工程現(xiàn)場(chǎng)，取土范圍介于地表埋深0.8～1.2 m。將土壤風(fēng)干碾磨，過(guò)篩剔除>0.6 mm 的土顆粒，然后采用激光粒度分析儀測(cè)試土壤顆粒級(jí)配，得到該土壤黏粒含量為6.01%，粉粒含量為45.57%，砂粒含量為48.42%。根據(jù)土壤質(zhì)地分類[21]，供試土壤為砂質(zhì)壤土，土壤黏粒含量與粉粒含量比值為0.13<0.5，且d10和d60分別為6.279、80.335 μm，計(jì)算得出，土壤不均勻系數(shù)Cu值為12.79，說(shuō)明該土壤易發(fā)生流失，造成排水暗管外包濾料發(fā)生淤堵的風(fēng)險(xiǎn)較大。

1.2 土工布參數(shù)

依據(jù)寧夏銀北灌區(qū)暗管排水工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合對(duì)灌區(qū)暗管外包料已有的研究成果[22]，本次試驗(yàn)選取一種通用的熱熔紡黏絲無(wú)紡?fù)凉げ?，其性能參?shù)如表2所示。

表2 土工布參數(shù)Tab.2 Geotextile parameters

1.3 供試的吸附性濾料

傳統(tǒng)的濾料以砂礫石居多，考慮到暗管外包濾料的凈化水質(zhì)目標(biāo)，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)研究成果，試驗(yàn)中供試濾料選擇了玉米秸稈、水洗爐渣和沸石（見圖1）等3 種具有吸附性能的材料。其中玉米秸稈取自暗管排水灌區(qū)；爐渣和沸石分別為采購(gòu)的去硫成品水洗爐渣和未經(jīng)處理的天然沸石。選取的3種吸附性材料，其中秸稈是一種廉價(jià)易得的有機(jī)吸附質(zhì)，沸石和爐渣是廢水處理中2 種常用的吸附性材料[13-15]。分別將3 種吸附性濾料碾碎，并與蒸餾水充分混合攪拌，待顆粒沉淀后，取上層清液測(cè)其電導(dǎo)率EC值，結(jié)果見表3。

圖1 所用濾料示意圖Fig.1 Schematic diagram of the filter materials used

表3 濾料參數(shù)Tab.3 Filter material parameter

1.4 試驗(yàn)裝置及設(shè)計(jì)

參考國(guó)內(nèi)外研究常規(guī)暗排外包濾料所采用的試驗(yàn)裝置[9,11,21]，課題組與上海大有儀器設(shè)備有限公司聯(lián)合研制的試驗(yàn)裝置如圖2所示。該裝置增大了土柱填土內(nèi)徑，上部蓄水高度也有所增加，可實(shí)現(xiàn)持續(xù)供水，能夠更加真實(shí)的模擬田間灌水滲透情況。

試驗(yàn)裝置分為上、下2部分結(jié)構(gòu)并通過(guò)法蘭連接，總高為71 cm，內(nèi)徑為20 cm。上部高為60 cm，用于填裝土料和反濾料，并設(shè)置3 個(gè)測(cè)壓管。法蘭盤高1 cm。下部高為10 cm，用于排砂和排水，并在距離法蘭1.5 cm 處設(shè)置1個(gè)測(cè)壓管。可利用測(cè)壓管計(jì)算不同位置的滲透系數(shù)，3 號(hào)和6 號(hào)可計(jì)算系統(tǒng)整體的滲透系數(shù)，5號(hào)和6號(hào)可計(jì)算土工布的滲透系數(shù)，4號(hào)和6號(hào)可計(jì)算濾層的滲透系數(shù)。滲透系數(shù)k根據(jù)圖2的測(cè)壓管讀數(shù)和排水流量，由達(dá)西公式[23]進(jìn)行計(jì)算：

圖2 滲透試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖（單位：cm）Fig.2 Schematic diagram of the structure of the penetration test device

式中：k為滲透系數(shù)；Q為滲透流量，cm3/s；L為滲徑，cm；H上為靠上入流處的測(cè)壓管讀數(shù)，cm；H下靠下出流處測(cè)壓管讀數(shù)，cm；A為土柱內(nèi)土樣的橫截面積，cm2。

進(jìn)行土柱滲透試驗(yàn)時(shí)，按環(huán)刀法計(jì)算得到取樣點(diǎn)土壤容重1.51 g/cm3，分層裝填土樣，每次填土高度為5 cm，填裝完一層后擊實(shí)刮毛，繼續(xù)填裝下一層，僅鋪設(shè)土工布時(shí)填土高度為30 cm，當(dāng)在土工布上方鋪設(shè)10 cm 濾層時(shí)，填土高度為20 cm。裝填完畢后，將（KNO3、KH2PO3、NaCl）3 種鹽等質(zhì)量比混合，攪拌均勻，稱取500 g的混合鹽將其溶于1.38 kg的水中（鹽的溶解度：25 ℃下每100 g水可溶解36.2 g），再將鹽溶液稀釋，得到電導(dǎo)率為5.94 mS/cm 的高礦化度水。隨后將配置的鹽溶液自上向下供水，并通過(guò)溢流孔控制積水深度，打開出水口閥門收集過(guò)濾出水及觀測(cè)流量。

一般采用電導(dǎo)率EC表示水中的含鹽量用以評(píng)價(jià)鹽漬化。試驗(yàn)中過(guò)濾水樣電導(dǎo)率的測(cè)量采用DDS-307A電導(dǎo)率儀。

各組試驗(yàn)均按照統(tǒng)一容重裝土，但計(jì)算所得滲透系數(shù)仍有一定差異，因此為更好分析數(shù)據(jù)，本文定義滲透系數(shù)衰減度來(lái)描述滲透系數(shù)的變化情況。滲透系數(shù)衰減度（r），即某一時(shí)刻滲透系數(shù)相較初始時(shí)刻的衰減值與初始時(shí)刻滲透系數(shù)的比值：

式中：k始為初始時(shí)刻滲透系數(shù)；ki為排水后某一時(shí)刻滲透系數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 初設(shè)方案及試驗(yàn)結(jié)果

初設(shè)試驗(yàn)方案中有4種鋪設(shè)方案，分別為僅鋪設(shè)土工布方案和3 種鋪設(shè)土工布+單一吸附性濾料方案，如表4所示。初設(shè)方案以僅鋪設(shè)土工布方案為對(duì)照，通過(guò)室內(nèi)土柱滲透試驗(yàn)，分別測(cè)試流量衰減過(guò)程和滲透系數(shù)變化情況，分析土工布+吸附性濾料是否具有較好的濾土、排水作用，但僅鋪設(shè)土工布這種傳統(tǒng)外包濾料不具備凈化水質(zhì)的功能[18]，因此在進(jìn)一步的篩選過(guò)程中，重點(diǎn)對(duì)比了“土工布+單一吸附性濾料”3 種方案的鹽分去除情況，找出綜合性能較優(yōu)的材料。

表4 初設(shè)試驗(yàn)方案Tab.4 The preliminary test plan

2.1.1 流量變化情況

在初設(shè)試驗(yàn)開始后，每隔5 h 收集一次過(guò)濾水樣，待收集2 次過(guò)濾水樣后土壤已達(dá)到完全飽和并每隔2 h 觀測(cè)一次排水流量及測(cè)壓管讀數(shù)，排水流量及滲透系數(shù)變化情況共觀測(cè)90 h，水質(zhì)變化情況共測(cè)試100 h。排水流量的變化能夠直接反映暗管的排水性能，初設(shè)試驗(yàn)各方案流量變化過(guò)程如圖3所示。開始排水時(shí)，鋪設(shè)4 種不同外包濾料其初始排水流量各不相同，方案AF2 最大，為7.782 mL/min，而方案A1 最小，為6.612 mL/min，造成這種現(xiàn)象的原因是鋪設(shè)10 cm 濾層后，提高了系統(tǒng)的排水性能，增大了排水流量，但秸稈粒徑范圍小，級(jí)配差，形成的濾層中有效孔隙也相對(duì)較大，因此高于AF3和AF4 方案的初始排水流量。排水試驗(yàn)初期，方案A1 的排水流量衰減速率較快，是因?yàn)殚_始排水后土顆粒在水力作用下逐漸移動(dòng)并填充孔隙，當(dāng)土顆粒移動(dòng)至接近土工布時(shí)，大于土工布有效孔徑的土顆粒將會(huì)被攔截，導(dǎo)致土工布開始發(fā)生淤堵。隨著排水試驗(yàn)的持續(xù)，方案A1 的流量最先達(dá)到穩(wěn)定，而方案AF2、AF3、AF4 的排水流量仍保持下降趨勢(shì)，未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。90 h后方案A1、AF2、AF3及AF4流量分別衰減了40%、32%、30.1%和27.7%。沸石作為濾層時(shí)流量衰減度最小，衰減趨勢(shì)也較為緩慢，因而防淤堵效果最佳。另外，可以看出鋪設(shè)土工布+濾料方案的排水流量始終大于僅鋪設(shè)土工布方案。

圖3 初設(shè)試驗(yàn)方案流量衰減過(guò)程Fig.3 The preliminary test protocol flow decay process

2.1.2 滲透系數(shù)變化情況

為進(jìn)一步探究鋪設(shè)不同濾料的排水性能，分別對(duì)系統(tǒng)整體、濾層2個(gè)不同部位的滲透系數(shù)衰減度進(jìn)行分析，其變化情況如圖4所示。從圖4中各部位的滲透系數(shù)衰減度來(lái)看，試驗(yàn)開始時(shí)，無(wú)論是整個(gè)系統(tǒng)，還是濾層的滲透系數(shù)均迅速衰減，試驗(yàn)后期，4種方案各部位的滲透系數(shù)都在逐漸趨向穩(wěn)定，但方案A1 衰減速度較快。由圖4(a)可知，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，A1、AF2、AF3 及AF4 等4 種方案系統(tǒng)整體的滲透系數(shù)分別衰減了47%、35%、37%和32%。對(duì)比圖4(a)和圖4(b)可知，方案A1系統(tǒng)整體和濾層的滲透系數(shù)最終衰減度相差不大，但鋪設(shè)土工布+濾料方案系統(tǒng)整體與濾層衰減度差異較大，AF2、AF3及AF4 這3 種方案濾層的滲透系數(shù)分別衰減了46%、43%和35%，方案AF4的衰減程度最小，證明級(jí)配較好的濾層可以有效降低淤堵風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 初設(shè)試驗(yàn)方案系統(tǒng)整體與濾層的滲透系數(shù)衰減度變化情況Fig.4 The change of permeability coefficient attenuation degree of the whole system and the filter layer in the preliminary test scheme

2.1.3 過(guò)濾出水電導(dǎo)率值變化特征

土工布是暗管常用的外包材料，但土工布較薄，對(duì)鹽離子幾乎沒有吸附能力。因此，文中重點(diǎn)測(cè)試并分析了秸稈、爐渣及沸石等3種吸附性材料去除水中鹽分的情況。鋪設(shè)不同濾料時(shí)過(guò)濾出水電導(dǎo)率值變化特征及對(duì)應(yīng)的鹽分去除率如圖5所示。由圖5可知，在整個(gè)過(guò)濾周期內(nèi)，沸石對(duì)過(guò)濾水中的鹽分吸附能力最弱，鹽分去除率最大僅為7.1%。在試驗(yàn)開始時(shí)，秸稈對(duì)水中的鹽分不僅沒有起到吸收作用，而且排出水中的電導(dǎo)率值高于未過(guò)濾水的電導(dǎo)率值，這是因?yàn)橛衩捉斩捴写嬖陔x子含量較高，經(jīng)過(guò)水流的浸提作用，增大了出水的電導(dǎo)率值，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，排水的電導(dǎo)率值逐漸降低，吸附作用逐漸增強(qiáng)，第30 h 開始，過(guò)濾水中的鹽分開始被吸附，當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到65 h 時(shí)，秸稈對(duì)鹽分的吸附能力表現(xiàn)最強(qiáng)，去除率達(dá)到了29.8%，但隨后吸附能力開始逐漸減弱。爐渣屬于多孔介質(zhì)，表面具有密集的孔隙結(jié)構(gòu)，且比表面積大，對(duì)離子的吸附能力較強(qiáng)，試驗(yàn)開始2 h時(shí)鹽分去除率達(dá)到最大44.3%，此后隨著試驗(yàn)的延續(xù)，吸附效果逐漸變?nèi)酢?/p>

圖5 初設(shè)試驗(yàn)方案濾層對(duì)過(guò)濾出水電導(dǎo)率值的影響變化及對(duì)應(yīng)鹽分去除率情況Fig.5 The influence of the filter layer on the conductivity value of the filtered effluent and the corresponding salt removal rate in the preliminary test scheme

2.2 改進(jìn)試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

在初設(shè)試驗(yàn)方案中，沸石濾料排水性能較為穩(wěn)定，但去除水中鹽分的效果較差，不能滿足凈化水質(zhì)要求。秸稈濾料自身含有鉀離子[30]，試驗(yàn)開始時(shí)經(jīng)過(guò)水流沖刷離子進(jìn)入過(guò)濾出水中，使其電導(dǎo)率值增大，無(wú)法判斷秸稈的吸附性能，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，過(guò)濾出水的電導(dǎo)率值越來(lái)越低，秸稈的吸附能力逐漸變強(qiáng)，若對(duì)秸稈進(jìn)行必要的水洗處理，可增強(qiáng)其吸附能力[29]。爐渣具有較好的吸附作用，對(duì)水中鹽分的去除率較高，排水性能相對(duì)穩(wěn)定。若只選擇秸稈作為濾料，秸稈濾土、排水效果不佳，作為有機(jī)質(zhì)也易腐爛；若只選擇爐渣作為濾料，鹽分去除率相比秸稈和沸石較高，但仍達(dá)不到混合方案的去除效果，另一方面，在實(shí)際工程中，大量鋪設(shè)爐渣，不宜取材，成本較高，利用秸稈作為濾料，不僅減少了暗管濾料的鋪設(shè)成本，而且使廢棄資源得到了充分利用。因此，在改進(jìn)試驗(yàn)的設(shè)計(jì)中將沸石舍棄，選擇了秸稈和爐渣2 種濾料。為提高鹽分去除率，改進(jìn)完善初設(shè)試驗(yàn)方案的材料，將秸稈充分浸泡在蒸餾水中進(jìn)行水洗處理，浸泡12 h 后，再將秸稈晾干與爐渣按壓實(shí)后的體積比（1∶1）進(jìn)行混合，設(shè)計(jì)出3種鋪設(shè)型式的改進(jìn)試驗(yàn)方案，分析其排水性能和改善水質(zhì)的效果，改進(jìn)試驗(yàn)方案如表5所示。初設(shè)試驗(yàn)顯示，無(wú)論是爐渣還是秸稈在試驗(yàn)后期吸附性能都在逐漸減弱，說(shuō)明濾料的吸附量在逐漸達(dá)到飽和，若進(jìn)一步增加試驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)，便可得到不同鋪設(shè)型式下濾料吸附量達(dá)到飽和所用時(shí)間。因此，在改進(jìn)試驗(yàn)開始后，每隔12 h收集一次過(guò)濾水樣，待收集1次過(guò)濾水樣后土壤已完全飽和，隨后每隔6 h 觀測(cè)一次排水流量及測(cè)壓管讀數(shù)，當(dāng)待測(cè)數(shù)據(jù)基本達(dá)到穩(wěn)定時(shí)停止試驗(yàn)，這樣每組試驗(yàn)持續(xù)11 d后基本滿足要求。

表5 改進(jìn)試驗(yàn)方案Tab.5 Improved test plan

2.2.1 流量變化情況

對(duì)比3 種混合鋪設(shè)方案的排水流量，流量衰減過(guò)程如圖6所示。方案CF2初始流量較大且流量衰減速率比其他2種鋪設(shè)方案快，方案CF1 和CF3 在6 d 后基本達(dá)到了流量穩(wěn)定狀態(tài)，但方案CF2 還在繼續(xù)衰減。第10.5 d 時(shí)方案CF1 流量衰減到了3.81 mL/min，為初始流量的52.4%，方案CF2 流量衰減到了4.04 mL/min，為初始流量的50.6%，方案CF3 流量衰減到了3.86 mL/min，為初始流量的51.8%。單從排水流量來(lái)篩選，雖然方案CF2始終大于其他2種鋪設(shè)方案，但試驗(yàn)結(jié)束時(shí)流量已衰減了48.2%，衰減程度最大且還未達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，隨著排水試驗(yàn)的延續(xù)，相比其他2 種方案在水流作用下濾層更易淤塞。

圖6 改進(jìn)試驗(yàn)方案的流量衰減過(guò)程Fig.6 Flow attenuation process for improved test schemes

2.2.2 滲透系數(shù)變化情況

3種混合鋪設(shè)方案的滲透系數(shù)衰減變化情況也存在較大差別，其變化情況如圖7所示。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，其中方案CF2系統(tǒng)整體的滲透系數(shù)衰減了54%、濾層的滲透系數(shù)衰減了60%。方案CF2上層鋪設(shè)秸稈，而秸稈粒徑較大，骨架之間形成的孔隙較大，填土?xí)r擾動(dòng)土填充在濾層表面空隙中，試驗(yàn)開始，在水力作用下，土顆粒發(fā)生遷移進(jìn)入濾層內(nèi)部被攔截，從而造成整個(gè)濾層內(nèi)部淤堵，使得滲透系數(shù)變化較大。方案CF1是以爐渣顆粒為主要填充材料，秸稈體積可變性較大，使濾層的密實(shí)度增加，對(duì)土顆粒的攔截能力較強(qiáng)，其濾層的滲透系數(shù)衰減度為55%，系統(tǒng)整體的滲透系數(shù)衰減度為51%。而方案CF3 的爐渣鋪設(shè)在上層，爐渣級(jí)配較好，與土壤直接接觸，能夠?qū)⑼令w粒攔截在爐渣層，濾層最終的滲透系數(shù)衰減度為58%，系統(tǒng)整體的滲透系數(shù)衰減度為53%。

圖7 改進(jìn)試驗(yàn)方案系統(tǒng)整體與濾層的滲透系數(shù)衰減度變化情況Fig.7 Changes in the overall and filter layer of the improved test scheme system

2.2.3 過(guò)濾出水電導(dǎo)率值變化特征

改進(jìn)試驗(yàn)方案中3 種混合鋪設(shè)試驗(yàn)方案對(duì)過(guò)濾出水EC值的影響變化情況及對(duì)應(yīng)的鹽分去除率如圖8所示。試驗(yàn)開始時(shí)3 種混合鋪設(shè)方案鹽分去除率都較高，最大值分別為43.7%、46.0%、44.8%，鹽分平均去除率較單一濾料鋪設(shè)方案中爐渣和秸稈濾料有所提升，因此將秸稈進(jìn)行水洗處理與爐渣進(jìn)行混合能夠增強(qiáng)濾料吸附能力。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，去除率也逐漸降低，在第10 d 后各方案的吸附都達(dá)到飽和。對(duì)比3 種方案去除水中鹽分效果的優(yōu)劣，秸稈—爐渣鋪設(shè)方案去除率明顯小于其他2 種方案，且在第8.5 d 時(shí)吸附能力減弱，已達(dá)到飽和，不能繼續(xù)吸附水中鹽分。混摻鋪設(shè)方案前期的鹽分去除率較大且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，在第10 d 時(shí)達(dá)到吸附飽和，爐渣—秸稈鋪設(shè)方案第10.5 d 時(shí)達(dá)到吸附飽和，2 者相差不大。

圖8 改進(jìn)試驗(yàn)方案濾層對(duì)過(guò)濾出水電導(dǎo)率值的影響變化及對(duì)應(yīng)鹽分去除率情況Fig.8 The change of the influence of the filter layer on the conductivity of the filtrated effluent and the corresponding salt removal rate were studied

3 分析與討論

傳統(tǒng)的排水暗管外包濾料通常為級(jí)配良好的砂礫石或管壁外裹土工布，而基于灌溉回歸水再利用的暗管外包濾料必須既能濾土、排水，還需具備凈化水質(zhì)的功能。因此，試驗(yàn)中選用的吸附性材料，其濾土、排水方面的性能是否與傳統(tǒng)砂礫濾料效果一致？同時(shí)，還必須保持相對(duì)穩(wěn)定的凈化水質(zhì)的效果。

3.1 不同結(jié)構(gòu)型式外包吸附性濾料的濾土、排水性能

在排水暗管周圍鋪設(shè)合理級(jí)配的砂礫石濾料，可有效增大暗管的匯水面積，提高排水效率，李占柱[24]研究認(rèn)為在暗管周圍鋪裹一層5 cm 厚的砂礫石濾料，暗管的排水流量相比僅敷裹土工布方案可增大至1～4 倍。在初設(shè)試驗(yàn)中，僅鋪設(shè)土工布方案流量由初始6.612 mL/min 衰減到了3.99 mL/min，衰減度達(dá)到40%，土工布+吸附性濾料方案流量衰減度最大僅為32%，同時(shí)土工布+吸附性濾料方案的排水流量始終大于僅鋪設(shè)土工布方案。因此，鋪設(shè)吸附性濾料也同樣能夠增大暗管排水流量，與砂礫石濾料具有同樣的效果。而吸附性濾料作為濾層其防淤堵性能也與砂礫料一致，主要取決于濾層的滲透系數(shù)，NIEUWENHUIS[25]和DIERICKX[26]對(duì)于暗管外包濾料的設(shè)計(jì)則建議k濾/k土≥10，k濾及k土分別為濾層和土體的滲透系數(shù)?，F(xiàn)將土工布+濾料組合的6 種方案的試驗(yàn)初、末濾層與土體滲透系數(shù)比值的差進(jìn)行分析，其變化情況如表6所示。

表6 不同鋪設(shè)方案試驗(yàn)初與試驗(yàn)?zāi)﹌濾/k土變化Tab.6 Change of k filter/k soil at the beginning and end of the test of different laying schemes

對(duì)比AF2、AF3 及AF4 可知，沸石作為外包濾料時(shí)，k濾/k土的終值比初值僅減小了0.6，單一秸稈作為外包濾料時(shí)，k濾/k土減小了7.27，原因是秸稈粒徑難以控制，濾料中大粒徑較多造成。而對(duì)比3 種改進(jìn)鋪設(shè)方案，反濾性能的優(yōu)劣依次為：CF1>CF3>CF2，相較單一秸稈外包濾料效果較好。因此，建議在滿足反濾準(zhǔn)則的前提下，使用秸稈作為濾料時(shí)，粉碎秸稈大粒徑含量應(yīng)少。SISSON[27]研究表明當(dāng)外包濾料粒徑過(guò)粗時(shí)，就不能攔截泥沙或攔截泥沙能力較弱，采用吸附性材料設(shè)計(jì)暗管排水濾層時(shí)粗顆粒含量不宜過(guò)多。

3.2 不同結(jié)構(gòu)型式外包吸附性濾料凈化水質(zhì)性能

在初設(shè)試驗(yàn)方案中，對(duì)比各方案的凈水能力，沸石吸附水中鹽分的能力較弱[28]，而爐渣吸附作用較好，能夠有效去除水中鹽分，秸稈在水洗處理后也是一種吸附性能較好的材料[29,30]，但秸稈粒徑大，易淤堵，長(zhǎng)期埋于地下會(huì)發(fā)生腐爛。基于此，將水洗處理后的秸稈與爐渣進(jìn)行混合，分3種結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行鋪設(shè)，并通過(guò)觀測(cè)3種方案吸附量達(dá)到飽和所用時(shí)間評(píng)價(jià)各方案凈水的效果，爐渣—秸稈、混摻、秸稈—爐渣3種鋪設(shè)方案吸附達(dá)到飽和時(shí)間分別為10.5、10.0和8.5 d，若僅考慮對(duì)水質(zhì)的凈化持續(xù)時(shí)間效果，爐渣—秸稈方案與混摻鋪設(shè)方案實(shí)現(xiàn)暗管排水水質(zhì)凈化的效果都較好，但考慮其濾土、排水及防淤堵效果，則混摻+土工布鋪設(shè)方案性能更優(yōu)。

為提高試驗(yàn)效率，增強(qiáng)試驗(yàn)效果，配制了電導(dǎo)率值為5.94 mS/cm 的高礦化度水進(jìn)行過(guò)濾，試驗(yàn)中濾料達(dá)到吸附飽和所需時(shí)間短的原因是一直維持使用高礦化度水過(guò)濾，在實(shí)際工程中多數(shù)排水是經(jīng)淋洗后產(chǎn)生，每次淋洗時(shí)脫鹽率僅為50%左右，土壤中的鹽分也會(huì)通過(guò)淋洗而減少，排水的礦化度也會(huì)越來(lái)越低。因此，實(shí)際工程中選擇爐渣與秸稈的混合濾料能夠?qū)崿F(xiàn)凈化水質(zhì)的要求，但會(huì)存在一個(gè)時(shí)間效率問題，開始埋設(shè)于地下時(shí)，凈化水質(zhì)效果明顯，能夠有效降低排水的礦化度，隨著暗管的長(zhǎng)期運(yùn)行，吸附量逐漸達(dá)到飽和，凈化效果會(huì)隨時(shí)間衰減，實(shí)際達(dá)到飽和所用時(shí)間取決于當(dāng)?shù)赝寥赖暮}量。寧夏銀北鹽漬化地區(qū)土壤平均含鹽量為3.0～10.0 g/kg，對(duì)應(yīng)的土壤浸提液電導(dǎo)率為0.98～2.96 mS/cm[31]，故實(shí)際工程中土工布+混摻吸附性材料的暗管外包濾料的時(shí)效性將優(yōu)于本次試驗(yàn)結(jié)果。

農(nóng)田暗管排水工程屬于隱蔽工程，吸附性外包濾料達(dá)到飽和后只能維持濾土、排水的作用，重新開挖更換濾料成本過(guò)高。因此，如何恢復(fù)吸附性材料凈化水質(zhì)的功能，提升濾料的時(shí)效性，還需進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié) 論

（1）暗管的排水性能受外包濾料的影響，若僅敷裹土工布，流量衰減速度快，排水性能較差；若在土工布上方鋪設(shè)10 cm 厚的吸附性濾料，不僅可以有效防止淤堵，還可增大暗管排水流量，提高排水性能，延長(zhǎng)暗管使用壽命。

（2）以吸附量達(dá)到飽和的持續(xù)時(shí)間和鹽分去除率為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比改進(jìn)試驗(yàn)各方案的凈水性能，爐渣—秸稈鋪設(shè)方案>混摻鋪設(shè)方案>秸稈—爐渣鋪設(shè)方案。若需滿足濾土、排水和凈化水質(zhì)要求，選擇爐渣和秸稈混摻鋪設(shè)方案（CF1）較為合理，因?yàn)槠鋕濾/k土終值比初值僅減小了2.09，反濾性能較優(yōu)，同時(shí)對(duì)水中鹽分去除率也相對(duì)較高，吸附量達(dá)到飽和的歷時(shí)長(zhǎng)。

（3）在實(shí)際工程中，吸附性濾料能夠?qū)崿F(xiàn)暗管排水凈化水質(zhì)的要求，但長(zhǎng)期運(yùn)行濾料的吸附量會(huì)逐漸達(dá)到飽和，凈水功能將衰減，需要進(jìn)一步研究恢復(fù)吸附性材料凈化水質(zhì)的方法，提高濾料的時(shí)效性。