陳為峰 王文中 劉志全 張立賓 尹承斌 倪俊玲

摘要：為進(jìn)一步簡(jiǎn)化黃河三角洲鹽堿區(qū)暗管排水排鹽工程規(guī)劃設(shè)計(jì)方案，結(jié)合土地開(kāi)發(fā)工程典型實(shí)例，通過(guò)對(duì)項(xiàng)目區(qū)實(shí)際情況的分析，探討了暗管排水工程規(guī)劃設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)確定的理論模型及其簡(jiǎn)化求解方法。黃河三角洲地區(qū)多采用單級(jí)暗管形式，暗管材料選用外徑為110 mm的PE雙壁波紋塑料打孔管;暗管埋深建議為1.2- 1.7m;根據(jù)不同的排鹽標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算出相應(yīng)的排水模數(shù)，結(jié)合排水區(qū)域土壤的滲透系數(shù)，提供了暗管間距選擇參考表，得出項(xiàng)目區(qū)暗管布設(shè)間距范圍可取17-27 m，平均為22 m。

關(guān)鍵詞：暗管排水：排水模數(shù)：暗管埋深：暗管間距：黃河三角洲

中圖分類號(hào)：S276.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j .issn.1000-1379.2020.01.030

1 引言

黃河三角洲地區(qū)土地開(kāi)發(fā)對(duì)象主要是濱海新生鹽堿地。該區(qū)濱海新生鹽堿地土壤質(zhì)地以粉砂壤土為主，結(jié)構(gòu)松散，穩(wěn)定性差，排水明溝邊坡極易坍塌[1]，其排水排鹽效果持續(xù)性差，維護(hù)成本極高，且占地多;豎井排水技術(shù)對(duì)降低該地區(qū)表層潛水位的作用也不夠明顯[2]，且成本較高，一直沒(méi)有得到大面積推廣應(yīng)用;臺(tái)田淺塘改良利用技術(shù)曾是黃河三角洲鹽堿土的重要改良方法，但在土地資源日益寶貴的今天，因其土地利用率較低，也逐漸被淘汰;鹽堿地稻改利用改良方法，受制于黃河下游淡水資源不足，只能小面積推廣。黃河三角洲地區(qū)從20世紀(jì)七八十年代就已經(jīng)開(kāi)展了暗管排水排鹽研究[3]，目前該技術(shù)成為該地區(qū)鹽堿地高效開(kāi)發(fā)與利用的主導(dǎo)模式。

暗管排水排鹽技術(shù)可有效避免明溝排水占用大量耕地和邊坡塌陷的問(wèn)題[4]，是一種水利措施改良鹽堿、脫鹽效率較高的方法[5-6]，增產(chǎn)效果明顯[7]。暗管埋設(shè)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)為暗管的埋深與間距[8-9].選擇適宜的排水暗管布設(shè)規(guī)格，能夠提高改鹽效率，控制地下水位，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量[10]。暗管排水布設(shè)關(guān)鍵參數(shù)可以通過(guò)試驗(yàn)或模型計(jì)算的方法加以確定。薛靜等[11]通過(guò)研究認(rèn)為，在保證作物產(chǎn)量有所提升的前提下，內(nèi)蒙古河套灌區(qū)田間排水暗管規(guī)格為間距100 m或75 m、埋深2.5 m;田玉福等[12]提出，在松嫩平原蘇打草甸堿土改土基礎(chǔ)上，暗管間距小于20 m對(duì)表層土壤滲透性、土壤全鹽含量、ESP（堿化度）改善作用顯著，暗管埋深為0.8 m、暗管間距為Sm對(duì)表層土壤的改良效果最好;劉慧濤等[13]通過(guò)田間試驗(yàn)，提出河北濱海鹽堿區(qū)暗管排水排鹽最優(yōu)鋪設(shè)方案為埋深1.2 m、間距30 m。綜上所述，不同學(xué)者確定暗管布設(shè)關(guān)鍵參數(shù)時(shí)采用的方法和模型不一，結(jié)果差異較大，這可能與不同研究區(qū)域的土壤、地下水、氣候、種植作物等因素有關(guān)。本文結(jié)合前人研究成果，以東營(yíng)市河口區(qū)新戶二期土地開(kāi)發(fā)重點(diǎn)項(xiàng)目為實(shí)例，采用簡(jiǎn)化模型方法，立足當(dāng)?shù)貙?shí)際，結(jié)合工程實(shí)踐，進(jìn)行暗管排水系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)總結(jié)與探索，旨在探討黃河三角洲典型鹽堿區(qū)暗管排水系統(tǒng)中規(guī)劃設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)的確定方法、思路和途徑，并為類似地區(qū)暗管排水改鹽技術(shù)的實(shí)踐與應(yīng)用提供參考。

2 研究區(qū)概況

研究區(qū)屬北溫帶半濕潤(rùn)大陸性氣候區(qū)，年平均氣溫13.1℃，年平均降水量565.6 mm，土壤類型主要為潮土、潮鹽土。選擇典型區(qū)域?yàn)闁|營(yíng)市河口區(qū)新戶二期土地開(kāi)發(fā)重點(diǎn)項(xiàng)目區(qū)，位于東營(yíng)市河口區(qū)新戶鎮(zhèn)西南部，處于北緯37°58'53”-37°50'37”，東經(jīng)118°13'03”-118°18 '32”。項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模5 699.40 hm2，其中鹽堿地為2 099.31 hm2。項(xiàng)目區(qū)屬黃河近代沖積平原，地勢(shì)平緩，地形南高北低，東高西低，南北向自然坡降為1/10 000左右，東西向自然坡降為1/5 000左右，地面高程大多在2.0-5.5 m之間，屬于黃河三角洲鹽堿地開(kāi)發(fā)的典型區(qū)域。項(xiàng)目區(qū)前期進(jìn)行的土壤調(diào)查表明，土壤pH值為7.33 - 9.32，土壤含鹽量為1.05 -35.98 g/kg，其中輕度鹽化土占24.17%，中度鹽化土占23.33%.重度鹽化土占22.50%.鹽土占28.33%;土壤有機(jī)質(zhì)含量為0.56 - 29.25 g/kg，土壤滲透系數(shù)為0.3-1.5 m/d。2013年3月調(diào)查數(shù)據(jù)表明，區(qū)內(nèi)地下水靜止水位埋深為0.90 - 2.70 m，地下水位隨季節(jié)的變化而變化，歷年地下水最高靜止水位埋深為0.50 m.水位變化幅度為3.00 m;地下水含鹽量平均值為10 g/L。

項(xiàng)目區(qū)位于黃河下游王莊灌區(qū)西部，黃河水是項(xiàng)目區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)唯一可靠的淡水資源。項(xiàng)目區(qū)來(lái)水時(shí)間短，水資源寶貴，引水量受限，提高排水洗鹽效率非常有必要：同時(shí)，區(qū)域汛期降雨集中，在雨季通過(guò)排水系統(tǒng)有效控制漬害也是該地區(qū)需要解決的問(wèn)題。因此，通過(guò)暗管排水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有效控鹽防漬是工程設(shè)計(jì)應(yīng)首要解決的問(wèn)題。

3 暗管排水工程規(guī)劃設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)地下排水模數(shù)

設(shè)計(jì)地下排水模數(shù)是確定暗管布設(shè)的關(guān)鍵參數(shù)之一。出于降水位控鹽的要求，可采取地下水位下降速度標(biāo)準(zhǔn)和排蒸比控鹽標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行約束。

根據(jù)《農(nóng)田排水工程技術(shù)規(guī)范》（SL/4-2013）（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》），旱作區(qū)在漬害敏感期間可采用3-4d將地下水埋深降至0.4- 0.6 m;防治鹽堿化通常以地下水位臨界深度為工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，排水時(shí)間一般可采用8-15 d將地下水位降到臨界深度。因此，可按上述水位下降速度標(biāo)準(zhǔn)要求計(jì)算排水模數(shù)。降雨或洗鹽灌溉后，在土壤水蒸發(fā)和土壤內(nèi)排水的共同作用下地下水位不斷下降，因此在計(jì)算設(shè)計(jì)地下排水模數(shù)時(shí)，應(yīng)首先計(jì)算排水過(guò)程中的地下水平均蒸發(fā)強(qiáng)度。

3.1.1 地下水平均蒸發(fā)強(qiáng)度

排水過(guò)程中的地下水平均蒸發(fā)強(qiáng)度可按下式計(jì)算：

該區(qū)水面蒸發(fā)強(qiáng)度約為5 mm/d.排漬設(shè)計(jì)地下水埋深一般取0.5 m.臨界地下水埋深為2.0 m左右，出于理論和工程實(shí)踐的結(jié)合考慮，本設(shè)計(jì)控鹽地下水埋深采用1.7 m。據(jù)此可計(jì)算出該區(qū)排水期間地下水平均蒸發(fā)量，見(jiàn)表1。

3.1.2 防漬排水模數(shù)

《規(guī)范》提供的防漬排水模數(shù)公式中沒(méi)有考慮地下水蒸發(fā)的影響，計(jì)算結(jié)果會(huì)偏大，在此對(duì)公式進(jìn)行修正如下：式中：q漬 為防漬平均排水模數(shù)，mm/d; ho為起始地下水埋深，m;ht為滿足防漬要求的設(shè)計(jì)地下水埋深，m;t為排水時(shí)間，d;u為地下水位降深范圍內(nèi)的平均給水度。

設(shè)計(jì)時(shí)，該區(qū)治漬標(biāo)準(zhǔn)中最大水位降深按0.5 m計(jì)算，時(shí)間是3d，排水層土壤給水度平均值為0.05，據(jù)此可計(jì)算出治漬排水模數(shù)（見(jiàn)表1）。

3.1.3 控鹽排水模數(shù)

控鹽排水模數(shù)計(jì)算公式為式中：q鹽 為控鹽平均排水模數(shù)，mm/d;h0為起始地下水埋深，m;ht為滿足防鹽要求的設(shè)計(jì)地下埋深，m，取1.7 m;;Ω為排水地段內(nèi)的地下水面形狀修正系數(shù)，暗管排水宜取0.8 - 0.9。

按控鹽標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)時(shí)，該區(qū)最大水位降深按1.7 m計(jì)算，平均給水度為0.05，地下水面形狀修正系數(shù)取0.85.據(jù)此可計(jì)算出不同排水時(shí)間下的控鹽排水模數(shù)（見(jiàn)表1）。

3.1.4 排蒸比

為進(jìn)一步驗(yàn)證所用排水模數(shù)是否滿足排鹽需要，可用排蒸比指標(biāo)來(lái)進(jìn)行校核。排蒸比是指在地下水位降落過(guò)程中，排水地段內(nèi)土壤中的重力水被排水溝（管）排出的水量與被蒸發(fā)消耗掉的水量之比值，用η表示。用排蒸比作為一種指標(biāo)來(lái)表示排水標(biāo)準(zhǔn)，具有明確的物理概念和實(shí)用意義。按照土壤剖面內(nèi)的鹽量平衡關(guān)系，排蒸比可用下式計(jì)算[14]：

該改良區(qū)為引黃灌區(qū)，黃河水礦化度一般為0.6g/L左右，而地下水礦化度平均為10 g/L左右，則可計(jì)算出按鹽量平衡關(guān)系下，G取1時(shí)，排蒸比η=0. 63;G取2時(shí)，η=1. 19。

綜上所述，滿足控鹽要求的排水模數(shù)也同時(shí)滿足排漬要求。不同排水時(shí)間的排水模數(shù)和排蒸比是不一樣的，排水模數(shù)為2.44 mm/d，相應(yīng)排水時(shí)間設(shè)計(jì)為12d，排蒸比為0.68，可以滿足改鹽區(qū)一般控鹽要求;排水模數(shù)為4.44 mm/d.相應(yīng)當(dāng)排水時(shí)間設(shè)計(jì)為9d，排蒸比為1.24，可以滿足改鹽區(qū)較高的控鹽要求。

3.2 暗管布置規(guī)劃

暗管田間布置有單級(jí)管、多級(jí)管等形式。單級(jí)管是指只布置一級(jí)吸水管，具有吸聚和排泄地下水流的能力;多級(jí)管包括一級(jí)吸水管和二級(jí)或三級(jí)集水管，集水管主要起到及時(shí)匯集和輸排吸水管來(lái)水的作用。該地區(qū)高程低，多級(jí)管需要設(shè)置強(qiáng)排系統(tǒng)，而一級(jí)吸水管布局簡(jiǎn)單，投資小，易管理，運(yùn)行費(fèi)用低，是目前暗管排水工程采取的主導(dǎo)模式。

根據(jù)項(xiàng)目區(qū)實(shí)際情況，并結(jié)合該地區(qū)前期項(xiàng)目，項(xiàng)目區(qū)采用了復(fù)合式單級(jí)暗管自流排水工程形式（見(jiàn)圖1），即每個(gè)條田內(nèi)部仍保留一條農(nóng)溝，溝深1.5 m，底寬1.0 m，邊坡為1：2，主要用于排出地面澇水，同時(shí)與暗管一起起到控制地下水位、排出淺層潛水的作用，以加速脫鹽改良進(jìn)程。暗管沒(méi)有與農(nóng)溝相連，而是與農(nóng)溝平行、與斗溝垂直相連的形式。采用這種布置形式一是考慮到排水走向，二是考慮給暗管留有足夠的出口高度，避免排水溝坍塌造成的暗管堵塞、出水不暢。

3.3 暗管管材選擇與管徑設(shè)計(jì)

暗管應(yīng)選擇抗鹽堿、耐腐蝕的管材，同時(shí)應(yīng)滿足一定的強(qiáng)度要求。結(jié)合該區(qū)多年的工程實(shí)踐以及現(xiàn)狀機(jī)械化施工要求，采用外徑110 mm雙壁波紋PE塑料打孔管（內(nèi)徑為100 mm左右）;吸水孔打在暗管波紋底部，在管道四周均勻分布，每周4行，每100 mm有2排;吸水孔為長(zhǎng)方形，寬度為1 mm，長(zhǎng)度為50 mm，有效吸水孔面積大于8 000 mm2/m。

3.4 暗管埋深設(shè)計(jì)

暗管埋深的確定，是暗管排水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的主要任務(wù)之一。塑料暗管埋深的確定要滿足防漬或防鹽的要求，并應(yīng)考慮項(xiàng)目區(qū)氣候條件、土壤質(zhì)地、作物種類、出水條件等因素。

3.4.1 暗管最小埋深設(shè)計(jì)

確定暗管最小埋深，應(yīng)在滿足控鹽要求的基礎(chǔ)上，充分滿足種植作物排漬要求、農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)要求等。對(duì)暗管埋設(shè)深淺的研究表明[15]，埋深越小，經(jīng)灌溉淋洗后，其排水效率越高，耕作層土壤脫鹽效果越好，鹽分分布越均勻，改土效率越高。另外，采用適當(dāng)?shù)陌倒軠\埋方式，可以大大增加利用降雨進(jìn)行洗鹽的機(jī)會(huì)，并加快上層土壤的脫鹽速度。這對(duì)淡水資源非常缺乏的黃河三角洲地區(qū)更有實(shí)踐意義。根據(jù)《規(guī)范》要求，暗管最小埋深工程控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)滿足農(nóng)作物全生育期的排漬要求，可視作物根深不同而選用0.8 - 1.3 m;另外，還需要考慮農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)對(duì)排水要求的地下水埋深，如滿足履帶式拖拉機(jī)下地要求的最小地下水埋深是0.4 m，滿足輪式拖拉機(jī)要求的是0.5 m，目前該地區(qū)采用的深松機(jī)械，最大深度達(dá)到0.7 m，即要求地下水埋深應(yīng)不小于0.7 m。

考慮到兩排水暗管間地塊中部地下水位與排水暗管中水位之差（一般取0.2 m），以及暗管中水深（一般取暗管管徑的一半，即0.05 m），可確定暗管最小埋深為0.95 m。該深度小于劉文龍等[16]提出的“淺密型”暗管布置推薦深度1.2 m。

3.4.2 暗管最大埋深設(shè)計(jì)

施工實(shí)踐表明，埋管越深，施工越難，投資越大，因此埋設(shè)的最大深度一般由控制土壤返鹽的地下水埋深確定。另外，黃河三角洲地區(qū)目前亟待開(kāi)發(fā)的大片鹽堿地主要位于濱海區(qū)，大片區(qū)域高程在3m左右，在考慮自流排水的前提下，埋管最大深度也受到自然高程的制約。因此，在實(shí)際施工中，一是要考慮當(dāng)?shù)芈窆軝C(jī)械的施工深度;二是要考慮在施工機(jī)械鋪管深度一定、地形允許的情況下，盡量滿足自流排水要求，以減少運(yùn)行費(fèi)用;三是要考慮運(yùn)行過(guò)程中排水溝的坍塌淤積，避免出現(xiàn)管道堵塞現(xiàn)象。

暗管最大埋深位于暗管出水口處（即伸出排水溝位置，見(jiàn)圖2），可按以下公式計(jì)算：

由式（5）可計(jì)算出最大設(shè)計(jì)埋深為1.90 m.因此其最大設(shè)計(jì)埋深原則上可定為1.90 m。

黃河三角洲地區(qū)多年土地開(kāi)發(fā)整理施工和管理經(jīng)驗(yàn)表明，新開(kāi)挖排水溝坡坍塌比較嚴(yán)重，同時(shí)造成溝底淤積（經(jīng)調(diào)查，一般當(dāng)年淤積厚度在0.3 - 0.5 m之間），因此必須適當(dāng)加大暗管與斗溝溝底的高差，以免暗管出口被淤土堵塞。當(dāng)?shù)匦峦跍锨话忝磕昵逵僖淮?，考慮溝內(nèi)淤積厚度，確定暗管出口與溝底高差保持在50 cm以上，即最大埋深采用1.70 m可滿足各項(xiàng)要求，基本保證出水通暢。長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，要對(duì)土壤進(jìn)行徹底改良，還應(yīng)該控制地下水位在臨界水位以下，但就其運(yùn)行成本以及整個(gè)地區(qū)水文地質(zhì)大環(huán)境來(lái)看（如外圍咸水的長(zhǎng)期側(cè)滲補(bǔ)給），除非在較大范圍內(nèi)實(shí)施暗排，否則很難實(shí)現(xiàn)。

該項(xiàng)目區(qū)暗管設(shè)計(jì)埋深閾值（即暗管首端和末端埋深）確定為1.20 m和1.70 m，布設(shè)時(shí)根據(jù)項(xiàng)目區(qū)內(nèi)各單元規(guī)劃種植作物、土壤含鹽量、地下水質(zhì)、黏土層分布特征、地下水位高低、田塊長(zhǎng)短等因素進(jìn)行因地制宜的布置。

3.5 暗管的間距設(shè)計(jì)

暗管間距是暗管排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)之一。暗管間距大小與土壤性質(zhì)、設(shè)計(jì)排水模數(shù)、暗管埋深等因素有關(guān)。間距設(shè)置合理與否，直接關(guān)系到排水效果和工程投資大小。

采用Hooghoudt簡(jiǎn)化公式確定暗管適宜間距[16]：

式中：L為暗管間距.m;k為暗管埋設(shè)土層土壤滲透系數(shù)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，該項(xiàng)目區(qū)土壤滲透系數(shù)變異較大，大部分介于0.3 - 1.5 m/d之間;H為非穩(wěn)定流情況下的平均作用水頭.m;D為不透水層頂部低于排水管的深度，m;q為排水模數(shù)，m/d。

在非穩(wěn)定流條件下，暗管排水模數(shù)不是一個(gè)定值，在設(shè)計(jì)排漬時(shí)間內(nèi)，排水過(guò)程中隨著地下水位（作用水頭）的變化而變化。為簡(jiǎn)化計(jì)算，在此假定暗管排水模數(shù)不變，即取上文計(jì)算的暗管平均設(shè)計(jì)地下排水模數(shù)。平均作用水頭H可按下式計(jì)算[17]：

式中：Ho為初始作用水頭，m;Ht為t時(shí)刻作用水頭，m。

由此可計(jì)算出不同設(shè)計(jì)埋深m（可以暗管縱向中部埋深為準(zhǔn)）、不同滲透系數(shù)、不同改鹽要求（G=I、G=2）的理論暗管間距（見(jiàn)表2）。

該項(xiàng)目區(qū)滲透系數(shù)一般為0.6- 1.2 m/d.設(shè)計(jì)平均埋深（應(yīng)考慮暗管出口排水溝的深度）按1.3 - 1.5 m（暗管中段埋深）考慮，排鹽按照一般標(biāo)準(zhǔn)要求，即G=1，最終選擇暗管間距為17 - 27 m，平均為22 m。在工程施工過(guò)程時(shí)，可根據(jù)不同項(xiàng)目區(qū)實(shí)際情況適當(dāng)修正。

4 結(jié)論

結(jié)合黃河三角洲地區(qū)暗管排水改鹽工程實(shí)際情況和現(xiàn)有數(shù)據(jù)資料，分析了有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)的理論模型及其求解方法，結(jié)合不同模型的對(duì)比計(jì)算，提出了基于當(dāng)?shù)夭煌寥罎B透系數(shù)、不同改鹽要求的暗管排水改鹽工程關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)參考值，為黃河三角洲地區(qū)應(yīng)用暗管排鹽工程實(shí)踐提供設(shè)計(jì)指導(dǎo)，研究結(jié)果有較強(qiáng)的實(shí)踐意義和一定的理論價(jià)值。

（1）在目前的管理體制和投資體制下，暗管排水系統(tǒng)建議采用單級(jí)埋設(shè)方式，材料選用外徑為110 mm的PE雙壁波紋塑料打孔管。

（2）根據(jù)暗管出口排水溝的典型深度，暗管埋深建議在1.2 - 1.7 m之間，可根據(jù)暗管埋設(shè)長(zhǎng)度、埋設(shè)比降和出水管口與排溝溝底的高差等多種因素，綜合考慮確定首端、末端適宜深度。

（3）根據(jù)該區(qū)暗管推薦采用的埋深，基于排水區(qū)域土壤的滲透系數(shù)和不同的排鹽標(biāo)準(zhǔn)（不同的排蒸比），采用Hooghoudt簡(jiǎn)化公式計(jì)算出了暗管適宜的布設(shè)間距參考值。具體而言，該區(qū)暗管布設(shè)間距范圍可采取17 -27 m，平均為22 m。

（4）排水范圍土體給水度、地下水面形狀校正系數(shù)、土壤滲透系數(shù)、排水模數(shù)等參數(shù)在非穩(wěn)定流的排水條件下，采用了定值化或平均化處理，這樣處理比較粗略，可能帶來(lái)一些計(jì)算上的誤差，如何更合適地確定以上參數(shù)，需要進(jìn)一步分析探討。

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【責(zé)任編輯 許立新】

收稿日期：2018-03-06

基金項(xiàng)目：山東省重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)項(xiàng)目（2016CYJS05A02）;國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（ 31570522）：山東省土地綜合整治服務(wù)中心項(xiàng)目（LTZY-2017-002）

作者簡(jiǎn)介：陳為峰（1970-），男，山東日照人，教授，主要從事土地生態(tài)整治、水土資源利用等方面的研究工作