李 杰，王紅雨 ，馬俊毅，郭麗平，金銘銳

（寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021）

0 引言

寧夏銀北灌區(qū)地勢(shì)低洼，排水不暢，導(dǎo)致土壤鹽堿化加重，嚴(yán)重制約了灌區(qū)的農(nóng)業(yè)、生態(tài)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展[1-3]。農(nóng)田暗管排水技術(shù)作為治理灌區(qū)土壤鹽堿化的有效途徑之一，已在該地區(qū)成功推廣應(yīng)用了40 余年[4]。然而，針對(duì)西北干旱、半干旱地區(qū)灌溉水資源短缺的現(xiàn)狀，探索農(nóng)田暗管排水循環(huán)利用是節(jié)水灌溉面臨的新課題。研究表明，暗管外包濾料的選型對(duì)排水脫鹽、出管水質(zhì)、地下水位的調(diào)控至關(guān)重要[5-6]，而以吸附性材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)砂濾料的復(fù)合型外包濾料具有凈水功能，有利于暗管排水的循環(huán)利用[7]。因此，研究包裹吸附性材料的暗管外包濾料對(duì)改善土壤水鹽運(yùn)移性狀，對(duì)于寧夏引（揚(yáng)）黃灌區(qū)灌溉回歸水再利用的設(shè)計(jì)與實(shí)施具有重要意義。

通過淡水淋洗結(jié)合暗管排水排鹽技術(shù)治理土壤鹽堿化是一種快捷有效且應(yīng)用較廣的方法。ABEDI-KOUPAI等[8]研究了不同土層深度和含水率對(duì)土壤水鹽運(yùn)移的影響，并采用HYDRUS-2D 模型進(jìn)行了驗(yàn)證。張金龍等[9]在暗管排水條件下通過漫灌淋洗改良濱海地區(qū)鹽漬土的研究中，利用Vedernikov 入滲方程和Vander Molen 淋洗脫鹽方程，對(duì)淋洗水鹽時(shí)空變化特征進(jìn)行了模擬分析。遲碧璇等[10]研究了控制排水對(duì)地下水中鹽分含量、排水量和排水中鹽分含量的影響，認(rèn)為控制排水能夠提高土壤剖面的保墑效果、脫鹽效率和鹽分分布均勻性。ZHANG 等[11-12]通過在暗管上方鋪設(shè)低滲透率表面覆蓋物的方式來增加排水排鹽效率和土壤脫鹽率。李顯溦等[13]通過在暗管底部鋪設(shè)防滲層來提高暗管排水排鹽效率。實(shí)際上，通過調(diào)整暗管外包濾料的結(jié)構(gòu)型式也能改善暗管排水排鹽效果。秦文豹等[14]在滴灌條件下通過改變暗管濾層結(jié)構(gòu)的方式來提高暗管排水效率。TAO等[15]在土柱試驗(yàn)中將砂礫石濾料鋪設(shè)于暗管周圍，以確保暗管不被淤堵，提高排水性能，延長暗管使用壽命。陳名媛等[16]探究了暗管僅外包土工布時(shí)土壤處于非飽和和田持兩種狀態(tài)下水鹽運(yùn)移規(guī)律。然而，寧夏引黃灌區(qū)末段灌溉用水矛盾突出[17]，農(nóng)田排水再利用成為開源節(jié)流的潛在水源。為此，李杰等[7]采用吸附材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)砂礫料作為暗管外包濾料，并通過土柱試驗(yàn)研究提出了一種具有濾土排水和凈化水質(zhì)雙重功能的混合外包濾料設(shè)計(jì)方案。但是，尚未見到針對(duì)這種復(fù)合型外包濾料改善土壤排水脫鹽和凈化暗管水質(zhì)的物理模型試驗(yàn)的研究報(bào)道。

1 儀器、材料與試驗(yàn)方案

1.1 土壤采集與試樣制作

試驗(yàn)用土取自寧夏銀北賀蘭山農(nóng)牧場(chǎng)的新建暗管排水項(xiàng)目區(qū)，為盡量保持田間原狀土壤分布特征，按埋深0～30、＞30～60、＞60～90、＞90～110 cm 共4 層，分層取土，分袋放置，并使用環(huán)刀法計(jì)算不同土層的土壤容重。對(duì)所取土樣風(fēng)干后充分研磨，過2 mm 篩，稱取20 g加入三角瓶中，按土水質(zhì)量比1:5 加入100 g 蒸餾水，充分振蕩并靜置后過濾，使用電導(dǎo)率儀測(cè)定土壤浸提液的電導(dǎo)率（EC），其中土壤浸提液電導(dǎo)率與土壤含鹽量之間的關(guān)系[18]為

式中T為土壤含鹽量，g/kg，E1:5為土壤浸提液的電導(dǎo)率，mS/cm。土壤粒徑分布采用激光粒度分析儀測(cè)定；土壤飽和滲透系數(shù)采用變水頭滲透裝置測(cè)定；土壤飽和含水率采用烘干法測(cè)定。利用式（1）計(jì)算獲得每層土壤的含鹽量分別為2.27、2.02、1.43、1.62 g/kg，土壤含鹽量較小，屬于輕度鹽化土壤[19]。

經(jīng)過多年鹽漬土綜合整治，灌區(qū)農(nóng)田土壤已多為輕度鹽漬土。為重現(xiàn)當(dāng)?shù)刂囟塞}漬化土壤，以利于試驗(yàn)中鹽漬土水鹽動(dòng)態(tài)的觀測(cè)，并且能充分反映暗管排水脫鹽的機(jī)理與變化規(guī)律，通過查閱寧夏銀北鹽漬化土壤數(shù)據(jù)，采用人工加鹽的方法，將KNO3、KH2PO3和NaCl 等3種鹽分等質(zhì)量比混合，攪拌均勻，加入滲流槽土樣。在填入每層土壤時(shí)，稱取500 g 的混合鹽溶于1.38 kg 的水中（鹽的溶解度：25 ℃下每100 g 水可溶解36.2 g），再將鹽溶液進(jìn)行稀釋，并拌入風(fēng)干的土樣中。拌鹽后，將土樣按每層計(jì)算的土壤原容重填入滲流槽中，鋪設(shè)濾料方案和僅敷裹土工布方案兩類試驗(yàn)開始前，測(cè)得經(jīng)重新配置后土壤剖面整體的含鹽量分別為17.3 和16.5 g/kg。每層土壤具體物理性質(zhì)見表1。

1.2 試驗(yàn)儀器與方案設(shè)計(jì)

暗管淋洗排水試驗(yàn)在課題組與上海大有儀器設(shè)備有限公司聯(lián)合研制的滲流槽中進(jìn)行，滲流槽尺寸參考國內(nèi)外室內(nèi)試驗(yàn)研究裝置[16,20-21]。滲流槽尺寸為2.6 m×0.6 m×1.4 m（長×寬×高），右端設(shè)置一供水箱，用于模擬渠道向田間灌溉情況，供水箱尺寸為0.4 m×0.6 m×1.4 m（長×寬×高）。槽底部鋪設(shè)10 cm 厚砂礫石，以便更好模擬實(shí)際工程中滲透水流在暗管以下土壤中的運(yùn)移和存儲(chǔ)狀況。同時(shí)，在距底部5 cm 處水平位置等間距布置3 個(gè)飽和帶水的抽水孔，并在滲流槽左側(cè)外壁設(shè)置直徑為Ф1.5 cm 的測(cè)壓管聯(lián)通器，測(cè)壓管高度與槽體高度持平，主要用于觀測(cè)飽和帶測(cè)點(diǎn)的水質(zhì)和浸潤水位的動(dòng)態(tài)變化情況（見圖1）。暗管設(shè)置在距槽左邊壁20 cm、槽底30 cm 處，采用直徑為Ф50 mm 的波紋管，管壁上開Ф2 mm 的圓孔，開孔率約為5%，長度為60 cm，同時(shí)出水口處安裝控制閥。

圖1 暗管排水試驗(yàn)裝置圖Fig.1 Subsurface pipe drainage test device diagram

試驗(yàn)時(shí)填土總體積為2.6 m×0.6 m×1.1 m（長×寬×高），暗管埋設(shè)深度距離土壤表面0.9 m，管壁僅敷裹土工布和外裹土工布+四周鋪設(shè)10 cm 混合濾料（水洗處理后的秸稈和爐渣等體積混合），所用土工布類型為熱熔紡黏絲無紡?fù)凉げ?，質(zhì)量為90 g/m2，厚度為0.38 mm，等效孔徑為180 μm，滲透系數(shù)為3.6×10-4m/s。吸附性濾料的粒徑范圍為0.5～30 mm，測(cè)定EC 為0.264 mS/cm，計(jì)算出含鹽量為1.42 g/kg，同時(shí)測(cè)定滲透系數(shù)為2.8×10-3m/s。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用TEROS12 傳感器采集，槽壁上均勻布置16 個(gè)傳感器，用以測(cè)定土壤剖面的體積含水率和土壤電導(dǎo)率，傳感器探頭的垂向間距為30 cm，埋深為15、45、75、105 cm；橫向間距為50 cm，與暗管的水平距離分別為20、70、120、170 cm，數(shù)據(jù)采集儀采用ZL6 Pro，每個(gè)數(shù)據(jù)采集儀連接6 個(gè)傳感器，設(shè)置每30 min 計(jì)數(shù)1 次。淋洗試驗(yàn)時(shí)，均采用淹灌的淋洗方式，試驗(yàn)用水的EC 值為0.41 mS/cm，兩輪淋洗試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表2。

丁小強(qiáng)對(duì)布雅蘭的生活沒有好奇心。正因?yàn)檫@樣，所以他才沒有掛礙地讀取了這條短信。沒有發(fā)件人的姓名，只有一串?dāng)?shù)字，短信非常簡(jiǎn)單明了，只有七個(gè)字：夢(mèng)到了，一起打牌。

表2 淋洗試驗(yàn)灌排參數(shù)表Table 2 Table of irrigation parameters for leaching test

1.3 數(shù)據(jù)分析與處理

試驗(yàn)中除土壤的含水率和電導(dǎo)率變化采用傳感器監(jiān)測(cè)外，暗管排水流量、排水水樣電導(dǎo)率、飽和帶浸潤水位、飽和帶水樣的電導(dǎo)率每隔4 h 監(jiān)測(cè)1 次，待暗管停止排水并持續(xù)一定時(shí)間后結(jié)束試驗(yàn)。暗管排出水的水樣電導(dǎo)率（ED）、飽和帶測(cè)點(diǎn)的水樣電導(dǎo)率（EG）與礦化度（Q）的轉(zhuǎn)化關(guān)系采用西北干旱地區(qū)常用的經(jīng)驗(yàn)式[22]

式中Q為暗管排出水和飽和帶測(cè)點(diǎn)水樣的礦化度，g/L；一般情況下礦化度約等于0.5～0.7 倍的電導(dǎo)率值，式中取值0.69。

土壤淋洗脫鹽率[22]是指土壤電導(dǎo)率的減小值占初始值的百分比，是評(píng)價(jià)暗管排鹽效果的一個(gè)重要指標(biāo)，計(jì)算式為

式中N為土壤淋洗脫鹽率，%；S1、S2分別為淋洗前、后土壤電導(dǎo)率，mS/cm。

2 結(jié)果與分析

2.1 滲流槽試驗(yàn)中土樣浸潤飽和特點(diǎn)

滲流槽物理模型仿真試驗(yàn)有別于實(shí)際灌區(qū)田間暗管排水工程，實(shí)際上其滲流場(chǎng)基本處于準(zhǔn)封閉系統(tǒng)。模擬冬灌的定水頭滲透試驗(yàn)過程中，初期水流自上而下浸潤土壤，濕潤鋒也隨之向下運(yùn)移，滲流處于非穩(wěn)定狀態(tài)；試驗(yàn)中期，隨著注水時(shí)間的推移，土壤飽和帶自下而上逐漸漫過暗管軸線位置，此時(shí)暗管開始排水，當(dāng)注水與暗管排水達(dá)到相對(duì)平衡后，飽和帶浸潤水位便處于穩(wěn)定狀態(tài)；排水后期，隨著試驗(yàn)系統(tǒng)停止供水，土壤處于重力疏干排水階段，此時(shí)的滲透水流亦屬于非穩(wěn)定滲流狀態(tài)。

兩種暗管外包濾料型式對(duì)飽和帶浸潤水位以及飽和帶測(cè)點(diǎn)的平均礦化度的影響如圖2 所示。

圖2 兩種外包濾料型式條件下飽和帶浸潤水位以及水平均礦化度隨排水時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Dynamic changes of infiltration water level and horizontal average salinity of saturated zone with drainage time under the condition of two types of subsurface pipe outsourcing filter material

以滲流槽底面作為槽內(nèi)飽和帶浸潤水位觀測(cè)基準(zhǔn)面，暗管軸線中心點(diǎn)距槽底32.5 cm。圖2a 顯示，僅敷裹土工布的暗管，兩輪淋洗試驗(yàn)中，飽和帶水位介于暗管軸線位置與暗管頂部位置之間便開始排水，停止供水后，飽和帶水位達(dá)到最大，隨后快速下降。鋪設(shè)10 cm 混合濾料的暗管兩輪淋洗過程中飽和帶水位均已漫過暗管頂部時(shí)才開始排水，此時(shí)，試驗(yàn)2-1 和試驗(yàn)2-2 的飽和帶水位分別為36.2 和35.6 cm。飽和帶水位的變化趨勢(shì)與僅敷裹土工布兩輪淋洗試驗(yàn)基本相似。相比僅鋪設(shè)土工布，鋪設(shè)濾料后重力疏干排水滯后效應(yīng)明顯減緩，排水歷時(shí)相對(duì)較短。而停止排水時(shí)，兩類試驗(yàn)飽和帶水位都降低至接近暗管底部位置。從圖2b 可以看出，第1 輪淋洗過程中試驗(yàn)2-1 飽和帶測(cè)點(diǎn)的礦化度相比試驗(yàn)1-1 下降幅度大，且下降速率也較快；第2 輪淋洗時(shí)，試驗(yàn)2-2 飽和帶測(cè)點(diǎn)的礦化度下降趨勢(shì)逐漸減緩，而試驗(yàn)1-2 在停止灌水前降幅比較大，礦化度還較高。

2.2 兩種外包濾料對(duì)土壤含水率的影響

在兩種型式的暗管外包濾料排水條件下，先后實(shí)施兩輪灌水淋洗的過程中，暗管排水控制的土壤剖面含水率變化情況如圖3 所示，從第1 輪淋洗時(shí)的土壤含水率狀況可知，開始排水時(shí)，試驗(yàn)1-1 的土壤整個(gè)剖面平均含水率都達(dá)到了20%以上；而試驗(yàn)2-1 右側(cè)土壤中的水分向暗管集中，產(chǎn)生了明顯的匯流現(xiàn)象，說明鋪設(shè)10 cm混合濾料后，增強(qiáng)了暗管的匯水能力。灌水結(jié)束時(shí)，試驗(yàn)1-1 表層土壤局部含水率較大，還未達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)；而試驗(yàn)2-1 灌水結(jié)束至排水結(jié)束時(shí)含水率變化不大，已在這兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)形成了比較穩(wěn)定的排水狀態(tài)。從第2 輪淋洗試驗(yàn)土壤剖面含水率的分布變化情況可知，試驗(yàn)1-2 和試驗(yàn)2-2 淋洗前土壤均已達(dá)到田間持水狀態(tài)，同時(shí)在灌水結(jié)束時(shí)含水率都達(dá)到最大，但試驗(yàn)1-2 表層有明顯積水現(xiàn)象，而試驗(yàn)2-2 排水更為穩(wěn)定。

圖3 兩種濾料型式的暗管控制的土壤剖面含水率隨排水時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化Fig.3 Dynamic change of soil profile moisture content with drainage time under the condition of two types of subsurface pipe outsourcing filter material

2.3 兩種外包濾料對(duì)土壤鹽分的影響

土壤在淋洗過程中鹽分隨水流發(fā)生遷移，圖4 為兩種外包濾料的暗管在淋洗前、開始排水、灌水結(jié)束、排水結(jié)束等試驗(yàn)階段土壤剖面鹽分隨暗管位置變化的試驗(yàn)監(jiān)測(cè)值。

圖4 兩種暗管外包濾料型式條件下土壤剖面鹽分分布Fig.4 Salt distribution of soil profile under the condition of two types of subsurface pipe outsourcing filter material

第1 輪淋洗試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)1-1 在開始排水時(shí)表層土壤（0～30 cm）電導(dǎo)率值就已降低至較低水平，直至排水結(jié)束再無明顯變化；此時(shí)埋深在30～110 cm 的土壤，水平距離暗管越近，積鹽現(xiàn)象越明顯，距離暗管20 cm處的土壤積鹽最為嚴(yán)重，原因可能是開始排水前土壤中的鹽分隨水流均向暗管處匯集。當(dāng)灌水結(jié)束時(shí)，埋深為90～110 cm 的土層含鹽量仍然較大，其余各土層均已明顯減小。停止排水時(shí)，整個(gè)土壤剖面均已達(dá)到最佳脫鹽效果。對(duì)于試驗(yàn)2-1 而言，開始排水時(shí)，表層土壤（0～30 cm）脫鹽規(guī)律與試驗(yàn)1-1 表現(xiàn)基本相似；而埋深為30～110 cm 土壤積鹽現(xiàn)象較為嚴(yán)重的是距離暗管70 cm 處，與試驗(yàn)1-1 不同，原因可能是暗管周圍鋪設(shè)10 cm 的混合濾料后，增大了排水流量，使累積在飽和帶土壤中的鹽分更易排出，同時(shí)距離暗管較近的土壤也不易發(fā)生積鹽現(xiàn)象。而灌水結(jié)束和排水結(jié)束時(shí)土壤中鹽分含量幾乎相同，說明在灌水結(jié)束時(shí)已達(dá)到最佳脫鹽效果。

第2 輪淋洗時(shí)，分析試驗(yàn)1-2，水平距離暗管20、70、120、170 cm 處的土壤均表現(xiàn)出相同規(guī)律，淋洗前和開始排水后的土壤鹽分含量無差異，而灌水結(jié)束和排水結(jié)束時(shí)土壤鹽分也相同，說明在灌水結(jié)束時(shí)土壤已達(dá)到最佳脫鹽效果。試驗(yàn)2-2，開始排水前土壤中的鹽分沒有發(fā)生明顯變化，但脫鹽效果最佳為排水結(jié)束時(shí)，說明暗管周圍鋪設(shè)10 cm 混合濾料能夠進(jìn)一步增強(qiáng)土壤的脫鹽效果。

2.4 兩種外包濾料對(duì)暗管排水的影響

2.4.1 對(duì)暗管排水流量的影響

暗管排水流量能夠直觀反映暗管排水性能的優(yōu)劣，圖5a 為兩種外包濾料型式暗管排水流量的動(dòng)態(tài)變化情況。

圖5 兩種外包濾料型式暗管排水流量的動(dòng)態(tài)變化情況Fig.5 Dynamic changes of drainage flow under the condition of two types of subsurface pipe outsourcing filter material

可以看出，第1 輪淋洗時(shí)，試驗(yàn)2-1 排水流量最大為6.27 mL/s，而試驗(yàn)1-1 最大排水流量僅有3.36 mL/s；第2 輪淋洗時(shí)，試驗(yàn)2-2 最大流量為2.46 mL/s，試驗(yàn)1-2最大流量為1.73 mL/s，同時(shí)相同的時(shí)間段內(nèi)鋪設(shè)外包濾料的流量始終大于僅敷裹土工布方案，說明鋪設(shè)10 cm濾料后提高了暗管排水流量。圖5b 為兩類試驗(yàn)結(jié)束后暗管外壁土工布的淤堵情況，僅敷裹土工布淋洗結(jié)束后，土工布上已淤堵了一層土壤，而鋪設(shè)10 cm 濾料的土工布幾乎沒有土顆粒淤堵，與試驗(yàn)開始時(shí)敷裹的全新土工布基本無差異。當(dāng)僅敷裹土工布時(shí)，暗管與土壤直接接觸，淋洗試驗(yàn)開始后土顆粒在水流作用下向暗管遷移，土工布攔截土顆粒，發(fā)生淤堵，導(dǎo)致暗管排水流量減小，當(dāng)鋪設(shè)濾料后，濾料起到反濾層的作用，濾土排水，使暗管的流量增大。

2.4.2 對(duì)排入暗管水礦化度的影響

分析暗管兩種外包濾料型式對(duì)排水礦化度的影響，可以判斷暗管在鋪設(shè)10 cm 混合濾料后，在排水過程中是否能夠吸收鹽分并起到凈化水質(zhì)的作用，圖6 為暗管不同外包濾料型式條件下對(duì)排水礦化度的影響動(dòng)態(tài)變化圖。經(jīng)傳感器監(jiān)測(cè)，試驗(yàn)1-1 和2-1 土壤剖面初始平均電導(dǎo)率分別為6.59、6.92 mS/cm。兩類試驗(yàn)暗管排水礦化度存在不同，第1 輪淋洗時(shí)，試驗(yàn)1-1 和2-1 排水的平均礦化度分別為7.74 和5.85 g/L。第2 輪淋洗時(shí)，試驗(yàn)1-2 和2-2 排水的平均礦化度分別為2.76、1.55 g/L。兩輪淋洗試驗(yàn)鋪設(shè)吸附性濾料方案相比僅敷裹土工布方案排水礦化度分別降低了1.89 和1.21 g/L。同時(shí)可計(jì)算出試驗(yàn)1-1 和1-2 總排鹽量約為3.02 kg，試驗(yàn)2-1 和2-2總排鹽量約為2.85 kg，并結(jié)合土壤脫鹽效果分析，第1輪淋洗時(shí)，試驗(yàn)2-1 的脫鹽率大于試驗(yàn)1-1，排水礦化度也應(yīng)保持相同的趨勢(shì)，但從圖中可以看出，試驗(yàn)1-1 的排水礦化度大于試驗(yàn)2-1，同樣在第2 輪淋洗時(shí)，試驗(yàn)1-2 的排水礦化度也始終大于試驗(yàn)2-2，判斷可能在排水過程中飽和帶水位先上升至暗管周圍，濾料開始吸附10 cm范圍內(nèi)水中的一部分鹽分，而后排出暗管，導(dǎo)致礦化度降低。

圖6 兩種暗管外包濾料型式對(duì)排水礦化度的影響變化Fig.6 Influence under the condition of two types of subsurface pipe outsourcing filter material on drainage mineralization degree

2.5 兩種外包濾料對(duì)土壤脫鹽效果的影響

土壤脫鹽率是衡量淋洗試驗(yàn)脫鹽效果的一項(xiàng)重要指標(biāo)，能夠評(píng)價(jià)暗管在不同外包濾料型式下土壤脫鹽和排鹽的差異性。表3 為在兩種型式暗管外包濾料條件下各層土壤淋洗前后的脫鹽率?？梢钥闯?，第1 輪淋洗時(shí)，試驗(yàn)1-1 土壤整體的平均脫鹽率為58.89%，沿埋深方向脫鹽率都呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，表層土壤（0～30 cm）的脫鹽率較高，平均達(dá)87.99%，而埋深為＞90～110 cm 的土層平均脫鹽率較小，僅為35.33%；沿水平方向，距離暗管20、70、120、170 cm 處的土壤平均脫鹽率分別為58.00%、67.89%、57.26%、52.38%。試驗(yàn)2-1，沿土壤埋深方向呈現(xiàn)的規(guī)律也是表層土壤脫鹽率最大，平均為83.63%，其次為距離暗管較近的＞60～90 cm 土層，平均為74.89%，其整體的平均脫鹽率為70.34%，相比試驗(yàn)1-1 增大了11.45 個(gè)百分點(diǎn)；沿水平方向，距離暗管20、70、120、170 cm 的土壤平均脫鹽率分別比試驗(yàn)1-1 增大了12.53個(gè)百分點(diǎn)、8.95 個(gè)百分點(diǎn)、13.12 個(gè)百分點(diǎn)、11.23 個(gè)百分點(diǎn)。兩類試驗(yàn)第1 輪淋洗的相同點(diǎn)是距離暗管70 cm處的土壤脫鹽率最大，其次為20 cm 處，其原因可能是停止排水時(shí)，土壤中的鹽分主要積聚在暗管周圍，可從圖4a 中看出，導(dǎo)致距離暗管20 cm 處90～110 cm 的土層脫鹽率減小。

表3 兩種暗管外包濾料型式條件下淋洗前后各層土壤脫鹽率Table 3 Soil desalination rate of each layer before and after leaching under the condition of two types of subsurface pipe outer filter material

第2 輪淋洗時(shí)，試驗(yàn)1-2 土壤整體的平均脫鹽率為46.10%，沿埋深方向，土壤脫鹽率依次減小，0～30 cm土層最小，為23.44%，＞90～110 cm 土層最大，為61.49%，原因可能是第1 輪淋洗時(shí)埋深越小脫鹽效果越佳，因此第2 輪淋洗時(shí)沿埋深方向脫鹽率逐步減??；沿水平方向，距離暗管各處土壤的平均脫鹽率相差不大。試驗(yàn)2-2，與試驗(yàn)1-1 表現(xiàn)相反，沿土壤埋深方向，各土層的脫鹽率相差不大；沿水平方向，距離暗管越遠(yuǎn)，脫鹽率越大，原因可能是鋪設(shè)濾料后在第1 輪淋洗時(shí)能夠使接近暗管的土壤更易排出鹽分，第2 輪淋洗時(shí)導(dǎo)致距離暗管的越近土壤脫鹽率越小。試驗(yàn)2-2 整體的土壤平均脫鹽率為36.62%，比試驗(yàn)1-2 小。說明鋪設(shè)濾料后在第1 輪淋洗時(shí)使土壤中的鹽分已大部分排出，提高了土壤的脫鹽效率。

3 討論

3.1 暗管排水條件下土壤水鹽運(yùn)移特征

在暗管排水作用下，通過淋洗排鹽來改善土壤鹽漬化是一種非常有效的方法。排水排鹽效率、土壤水鹽動(dòng)態(tài)變化、暗管出流水質(zhì)和流量大小、飽和帶測(cè)點(diǎn)水質(zhì)和水位均受到暗管外包濾料型式的影響。試驗(yàn)研究中，無論是僅敷裹土工布，還是外裹土工布+10 cm 混合濾料，在淋洗試驗(yàn)開始后，土壤中的鹽分在水流作用下都是先向下遷移，并在＞60～90 cm 土壤中積聚，直至暗管開始排水后有所改變，且表層土壤的鹽分是最先發(fā)生遷移的，這與劉玉國等[23]所描述的灌水時(shí)土壤中的鹽分開始從表聚型向積聚型轉(zhuǎn)化的規(guī)律一致，同時(shí)KHOSLA 等[24]也認(rèn)為土壤中的鹽分在水流作用下先在是在垂直方向運(yùn)移的，但在第2 輪淋洗即試驗(yàn)1-2 和2-2 的淋洗過程中，從開始灌水至暗管開始排水階段土壤中的鹽分已沒有明顯積鹽現(xiàn)象，這可能與土壤的含水率有關(guān)，因?yàn)榈? 輪淋洗時(shí)土壤含水率已達(dá)到田間持水狀態(tài)。從土壤的脫鹽率來看，試驗(yàn)1-1 隨著土層深度的增加，土壤脫鹽率逐步降低，在試驗(yàn)2-1 中，0～30 cm 的土層脫鹽率最大，為83.63%，其次為＞60～90 cm 的土層，為74.89%，暗管停止排水，土壤中的鹽分多呈現(xiàn)以暗管為中心的凹曲線分布。反映出土壤含鹽量越大，越易脫鹽。第1 輪淋洗時(shí)，下層土壤相對(duì)表層土壤的脫鹽率要小，主要是表層土壤鹽分通過淋洗被帶入下層；而第2 輪淋洗時(shí)，表層含鹽量小于下層土壤，脫鹽率也正好相反，表明含鹽量的大小對(duì)各層土壤脫鹽率影響較大。沿水平方向，距離暗管越近，水的入滲強(qiáng)度越大，土壤淋洗脫鹽效果越好。第1 輪淋洗時(shí)，水平距離暗管20 和70 cm 處的土壤脫鹽率最大，說明接近暗管的土壤能夠率先達(dá)到非鹽化水平或輕度鹽化水平[25]；第2 輪淋洗的情況也大致相同。對(duì)于土壤剖面整體的脫鹽效果而言，鋪設(shè)濾料后的效果更好，試驗(yàn)2-1 土壤整體的平均脫鹽率為70.34%，使土壤在灌水結(jié)束時(shí)就已達(dá)到最佳脫鹽效果，試驗(yàn)1-1 為58.89%，因此在暗管周圍鋪設(shè)10 cm 濾料能夠提高土壤脫鹽率和淋洗效率。

3.2 兩種外包濾料暗管排水排鹽和凈化水質(zhì)效果分析

暗管外包濾料是影響排水流量的一個(gè)重要因素，TAO 等[26]通過在暗管周圍鋪設(shè)細(xì)沙介質(zhì)來改進(jìn)暗管排水流量，結(jié)果表明改進(jìn)的暗管具有更大的流量，為傳統(tǒng)暗管的2～3 倍，并且能夠快速排除地表積水。本文研究中，暗管周圍鋪設(shè)10 cm 濾料后，排水流量增大，試驗(yàn)2-1 最大排水流量為6.27 mL/s，試驗(yàn)2-2 最大排水流量為2.46 mL/s，同時(shí)土壤中的水分匯流現(xiàn)象明顯增強(qiáng)。鋪設(shè)10 cm 濾料后通過提高暗管周圍的滲透性能，增大了暗管排水流量，加快了土壤中的水分疏干速率；同時(shí)，由于濾料的作用，減緩了土工布被淤堵的風(fēng)險(xiǎn)，濾土排水效果顯著。這與KABOOSI 等[27]研究認(rèn)為，稻殼與砂礫石混合可以有效防止暗管淤堵，能夠起到砂礫石濾料的作用，提高暗管排水性能，降低暗管施工成本的結(jié)論相符。對(duì)于排水礦化度，RITZEMA 等[28]認(rèn)為排水的電導(dǎo)率EC 與暗管的外包材料存在關(guān)系，不同的暗管外包濾料其排水礦化度也不同。僅鋪設(shè)土工布方案排水礦化度始終大于鋪設(shè)濾料方案，試驗(yàn)1-1 和1-2 的排水平均礦化度分別為7.74、2.76 g/L，試驗(yàn)2-1 和2-2 的排水平均礦化度分別為5.85、1.55 g/L。兩輪淋洗試驗(yàn)鋪設(shè)外包濾料方案比僅敷裹土工布方案排水礦化度分別減小了1.89、1.21 g/L。表明暗管周圍鋪設(shè)10 cm 混合濾料后能夠吸附排水中的一部分鹽分，降低礦化度，起到凈化水質(zhì)的作用。另外，可以看出在試驗(yàn)過程中土壤中的鹽分先是進(jìn)入飽和帶，再通過暗管排出。而岳衛(wèi)峰等[29]研究表明田間土壤中積存的鹽分隨灌溉水的入滲，被帶入到地下水，再由地下水向其他區(qū)域遷移。因此，滲流槽飽和帶中水的含鹽量對(duì)暗管排出水的礦化度也具有一定影響。

3.3 飽和帶浸潤水位對(duì)暗管排水的影響

飽和帶浸潤水位變化，影響暗管何時(shí)排水以及排水流量的大小。本文研究結(jié)果表明，暗管開始排水時(shí)，飽和帶水位都超過暗管軸線位置處。僅敷裹土工布時(shí)，飽和帶水位大于暗管軸線位置小于暗管頂部位置開始排水；鋪設(shè)10 cm 濾料后，飽和帶水位均已完全淹沒過暗管頂部后，暗管排水才開始排水，這與李顯溦等[13]的研究地下水位未達(dá)到暗管以上開始排水的結(jié)果相反，卻與秦文豹等[14]的結(jié)論一致，可能是暗管周圍包裹多孔介質(zhì)后，土壤中的水分圍繞暗管形成了繞流現(xiàn)象，匯集到了暗管底部，而李顯溦研究之所以能排水，可能與暗管底部鋪設(shè)防滲材料有關(guān)，以此增加了暗管匯流面積，但相比暗管周圍鋪設(shè)濾料這種做法施工難度和成本更大。

4 結(jié)論

1）淋洗試驗(yàn)初期，土壤中的鹽分隨水流垂直向下發(fā)生遷移，暗管排水前主要積聚在60～90 cm 土層中。暗管開始排水后，沿土壤埋深方向，脫鹽率逐漸降低。但僅敷裹土工布時(shí)土壤整體的平均脫鹽率比外裹土工布+10 cm 混合濾料時(shí)小11.45 個(gè)百分點(diǎn)，說明鋪設(shè)吸附性濾料后，能夠提高土壤脫鹽效果。

2）鋪設(shè)10 cm 混合濾料后重力疏干排水滯后效應(yīng)明顯減緩，排水歷時(shí)相較僅敷裹土工布方案變短，同時(shí)由于濾料滲透性能大于土壤滲透性能，增大了暗管排水流量，提高了排水性能。但鋪設(shè)濾料后飽和帶浸潤水位需完全淹過暗管頂部時(shí)才開始排水，而僅敷裹土工布時(shí)僅需大于暗管軸線位置。

3）兩輪淋洗試驗(yàn)鋪設(shè)吸附性濾料方案相比僅敷裹土工布方案排出水平均礦化度分別降低了1.89 和1.21 g/L。說明暗管周圍鋪設(shè)10 cm 混合濾料后，能夠吸收排水中的鹽分，降低其礦化度，起到凈化水質(zhì)的作用。

蒸發(fā)是土壤鹽分累積的主要因素之一，本文的試驗(yàn)過程忽略了蒸發(fā)。同時(shí)滲流槽的試驗(yàn)環(huán)境與實(shí)際農(nóng)田暗管排水工程具有差異，存在局限性，因此吸附性濾料對(duì)農(nóng)田土壤的改善作用還需進(jìn)一步研究。蒸發(fā)強(qiáng)度對(duì)土壤中鹽分的遷移敏感性強(qiáng)，農(nóng)田表層土壤鹽分的累積多因蒸發(fā)造成，但本次試驗(yàn)為模擬田間淋洗鹽分場(chǎng)景，在水流作用下鹽分主要向下運(yùn)移，因此在試驗(yàn)過程中忽略了蒸發(fā)問題。同時(shí)，滲流槽為尺寸較小的半封閉空間，與實(shí)際農(nóng)田的開放空間相比，在灌溉—排水條件下對(duì)水流具有限制作用。從長遠(yuǎn)角度來看，本文試驗(yàn)著重研究吸附性濾料代替?zhèn)鹘y(tǒng)砂濾料對(duì)土壤鹽分運(yùn)移和排水水質(zhì)的影響，而吸附性濾料的在實(shí)際農(nóng)田暗管排水過程中的持續(xù)性問題還需進(jìn)一步研究。