黄河河口地区排碱施工暗管间距参数率定研究

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(山东乾元工程集团有限公司， 山东 东营 257091)

黄河河口地区排碱施工暗管间距参数率定研究

牛丽霞，宫晓东

(山东乾元工程集团有限公司， 山东 东营 257091)

黄河河口地区由于自身地质、气象等特点，造成了该地区盐渍化问题极为严重，严重制约了当地农业发展。传统的盐渍改良手段效果不明显，为此，通过合理对比，可以在黄河河口地区引入暗管排碱技术进行土壤改良。由于黄河河口地区地层的特殊情况，暗管排碱施工中的暗管间距布设的好坏直接影响着暗管排碱施工的效果。应根据实际情况，率定暗管排碱施工暗管间距布设的参数，才能将暗管排碱技术科学有效地运用到黄河河口地区盐渍土地治理中来。

黄河河口地区； 暗管排碱； 间距参数率定

1 暗管排碱技术介绍

暗管排碱技术适用于地势低洼，排水不良的区域。该技术主要推广国家为荷兰，近年来被引入国内，并与国内几大科研机构共同改进施工工艺及机械，得到了很好的推广。该技术通过暗管排碱技术，能够很好地将土壤中多余水分排走，避免地下水位受蒸发影响被抬高造成盐渍化加重，所需成本虽前期较高，但是暗管排碱施工只需一次，无需重复布设，前期投入大，后期基本无投入，且土壤盐渍改良效果好，根据国内外暗管排碱施工的效果分析，三年左右土壤可脱碱。见下页图。

暗管排碱施工图

2 暗管的间距计算

目前确定吸水管间距主要有田间试验法、理论计算法和经验数据法三种方法，各有其应用空间，但也存在相对的缺陷。田间试验法最符合当地实际情况，但受试验经费和试验周期所限，不可能对各类渍害田和盐碱化土地都开展试验；理论计算法是将错纵复杂的实际条件进行概化后，利用渗流理论计算确定吸水管间距，该法虽使用方便，能紧密结合排水设计标准，但因有关参数不易测准，如果盲目选用，计算成果准确性可能较差；经验数据法是一种经验性的方法，《灌溉与排水设计规范》(GB 50288—99)中对我国排水工程实践经验的概括，可供无田间试验资料时选用，但给出的经验数值取值范围较大，缺少实践经验者难以正确选用。

塑料暗管间距的确定关系到排水效率和投入成本，并与土壤类型、暗管埋深有关。间距过大，则相应要求深度过深，不仅工程量大，而且可能要求采取动力强排并配以完善的管道输水系统或通畅的排水沟系统，增加日后运行费用和管理难度，这在目前的经费投入和管理体制下难以保证；间距过密，则改良效果明显，速度快，但工程建设投资将会随之大幅增加。因此，在暗管排水工程中合理地确定暗管间距极为重要。

暗管间距的确定一是首先要满足地下排渍标准即设计地下排水模数的要求，二是暗管的间距应满足防盐要求，即理论上应小于按排蒸比标准计算的间距。二者之间有着重要联系，排渍工程中亦同时排出了相应的盐分。

2.1 设计地下排水模数

根据棉花耐渍要求，土壤水达到饱和后需3天之内由地表降至0.6m以下，方能使作物免除渍涝灾害。据此防渍指标，可求得设计地下排水模数，计算公式为：

式中q地下——设计地下排模，m3/(s·km2)；

T——排水时间，取3d；

F——排渍水面积，km2；

μ——给水度，项目区土壤实测值为0.04；

H——纯排水降深值，m。

据张兰亭(1986)在各方面条件相近的打渔张灌区实测资料，降雨或灌溉后三天内平均每天腾发量约在11mm左右，可计算出蒸发总降深值为0.33m，则纯排水降深值应为0. 27m左右，可参考该资料进行计算。

由此可计算出q地下=0.0417m3/(s·km2)，即为3.6mm/d，此为设计排渍时间内的平均排水模数。

2.2 暗管间距计算

邵孝侯等(2000)、陈香香等(2006)在对暗管的间距进行优化设计时，采用的数学模型中没有考虑排渍过程中土壤水的蒸发作用，由此计算的间距可能偏小。实际上在降雨或洗盐灌溉后，田块地下水位往往短时间上升至地表，随后在蒸发和暗管(或排水沟)内排水的共同作用下，土壤中水位不断下降，因此在考虑暗管间距时必须考虑蒸发的影响。

在非稳定流条件下，暗管排水模数不是一个定数，在设计排渍时间内在排水过程中随着地下水位的高低(作用水头)而不断的变化，只是变化缓慢而已。在此假定暗管排水模数不变，即暗管平均设计地下排水模数q=3.6mm/d(已考虑腾发影响，忽略农沟排渍影响)。

由此可根据胡浩特公式确定暗管适宜间距：

L=(8Kbdh+4Kah2)/q

式中L——暗管间距，m；

Ka、Kb——分别为暗管以下和以上土壤渗透系数，m/d。

经土壤调查实测，研究区土壤渗透系数在0～1.23m/d之间，平均值为0.23m/d，总体较小。渗透系数较大区集中在土壤质地较好、沙性较强的区域，而渗透系数较小的区域主要处于土壤粉砂性较强、黏土层分布较厚和多层黏土分布的区域。Ka、Kb近似相等处理；

h——作用水头，m；

d——暗管管径，m，取0.1m；

q——地下排水模数，m/d，取0.0036m/d。

实际上旱田排水是一种非稳定流条件，即作用水头h在排水过程中是变值，可按如下公式计算：

式中H0——地下水位降落起始时刻排水地段中部地下水位高于管内水面的作用水头，m；

Ht——地下水位降落到t时刻排水地段中部地下水位高于管内水面的作用水头，m。

由上述可知，土壤水达到饱和后需3d之内由地表降至0.6m以下，管道埋深设计H，管内水面为管径的一半，即0.05m，则：

H0=H-0.05(m)；Ht=H-0.6-0.05(m)

由此可计算出不同设计埋深(H)、不同渗透系数(Ka、Kb)下的理论暗管间距，详见表1。

表1 排渍计算暗管间距

上述计算间距可认为是达到排渍标准的参考暗管间距。

盐渍土区暗管的另一重要功能是排盐，即暗管间距还应满足排盐要求，且理论上应不超过按排蒸比计算的间距，并以此对上文计算出的排渍合理间距进行校核，以保证暗管区土壤处于不断脱盐过程中。可参照文献(王艳芳)，按排蒸比标准计算暗管间距，

其公式如下：

式中K——土壤渗透系数，m/d;

h——暗管埋深，m；

ε0——地下水位埋深为零时的蒸发强度，mm/d，按10mm/d计；

μ——水面形状修正系数，一般暗管取μ=0.8～0.9，可取0.85;

α——排蒸速度修正系数。

当h≤hε

式中n——地下水蒸发强度与埋深关系指数，通常n=1，计算时取1；

hε——地下水停止蒸发时的水位埋深，m，项目区取3m；

η——排蒸比，排水地段中部的地下水位从地面开始降落至hd全过程中的重力水被排水管排出与被蒸发消耗的水量。土壤剖面内的盐量平衡关系可用下式计算：

其中R——入渗水和原始地下水的矿化比，调查实测表明入渗水(引黄水0.7g/L)在本区土壤形成的平均地下水矿化度为10g/L左右；

G——要求的土壤剖面有效脱盐量与蒸发积盐量的比值。根据盐渍土的改良速度要求确定，对于预防土壤盐碱化地区可取G=0，对于一般改良盐碱土地区可取G=1，较高要求的改良区宜取G=2左右。该项目区取G=2；

φ——渗流阻抗系数，由排水地段和暗管的几何参数决定。

φ的计算可采用阿维里扬诺夫—瞿兴业公式：

当含水层较浅时，即管距L≥2D时，

当含水层较深时,即L≤2D时，

式中D——暗管中心点至不透水层距离m，根据该项目区开展的地质勘探资料，埋深在9.80～15.00m之间是为粉质黏土，厚度为2.60～10.70m，可近似视为不透水层，因此D取9.8m;

d——塑料暗管的有效内径m，一般取0.1m；

h——作用水头，m，数值同上。

由于该区含水层厚度可定为9.8m，出于投资考虑，选择管距L一般不小于2D，因此选用第一个公式计算φ。

综上所述，暗管间距计算公式可转化为：

B和h的关系为隐函数关系，不便求解，为此作如下简化：

同上，可计算出基于防盐的不同设计埋深(H)、不同渗透系数下(Ka、Kb)的理论暗管间距见表2。

表2 排蒸比暗管间距计算

研究区布设暗管的作用既要满足防渍，又要实现控盐。暗管密度大，排出水量多；暗管间距小，地下水位下降速度快，相反暗管间距大，地下水位下降速度慢。试验表明，土壤因蒸发而积盐的过程发生在地下水位从高到低的回降过程中，水位回降越慢，土壤积盐越多。综合以上考虑，选择暗管间距时，以二者计算理论值中小值为约束，因此最终设计时主要以表1、表2为参考，具体可根据土壤渗透系数分布情况确定适当布设方案。

根据以上实践理论和土壤实测渗透系数(应该考虑到剖面渗透系数的实际值应该比平均值大些)，在考虑上述各种因素的前提下，结合各区域排水斗沟沟深，并考虑投资效益以及规模化施工方便，研究区暗管设计采用埋深不低于1.2m。渗透系数在0.2m以下的间距采用20m，渗透系数在0.2～0.4m处采用25m，渗透系数在大于0.4m处采用30m。

3 结 语

暗管间距计算是决定暗管施工成败的关键技术之一，影响到土壤盐渍化脱碱效率，结合黄河河口地区现状，根据理论公式及经验公式，得出的黄河河口地区暗管排碱施工间距参数的结果，能够科学有效地提高暗管排碱施工预期效果，极大地提高施工后运行效益。

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StudyonUndergroundPipeSpacingParameterCalibrationinAlkaliDischargeConstructionofYellowRiverEstuaryRegion

NIU Li-xia， GONG Xiao-dong

(Shandong Qianyuan Engineering Group Co., Ltd., Dongying 257091, China)

Salinity problems are extremely serious in Yellow River estuary region due to its geological and meteorological characteristics, thereby seriously hampering local agriculture development. Traditional salinity improvement means have insignificant effect. Underground pipe alkali discharge technique can be adopted in Yellow River Estuary Region for improving soil through reasonable comparison. Underground pipe spacing layout quality in underground pipe alkali discharge construction directly affects the effect of underground pipe alkali discharge construction due to special circumstances of the Yellow River estuary region. Parameter of underground pipe spacing layout in underground pipe alkali discharge construction should be calibrated according to actual situation, thereby underground pipe alkali discharge technique can be scientifically and effectively applied in treating salinity land in Yellow River estuary region.

Yellow River estuary region; underground pipe alkali discharge; spacing parameter calibration

TV511

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1005-4774(2014)11-0081-04