滨海滩涂“浅沟+暗管”排水模式的设计与应用效果

陈炼等

摘要：分析了江苏省新垦滨海滩涂明沟排水存在的淤积和土地占用问题，并对产生原因进行探讨，发现滩涂土壤结构差、农沟深度大和边坡较长等问题，而农田越级排水是上述问题的主要诱因。在此基础上，提出了与生产路建设相结合的浅沟+暗管排水（盐）模式，按照交通和排水要求，给出了相应的设计方法和技术参数。最后结合实例，分析了该模式的减淤、节地和脱盐效果，并进行了经济和社会效益评价。该模式具有经济和技术可行性，可为江苏省滨海高盐沙土区农田水利规划和土壤脱盐改良提供技术参考。

关键词：滨海滩涂；高盐沙土；排水模式；浅沟+暗管；沟道淤积

中图分类号： S276文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）09-0464-03

1滩涂明沟排水主要问题与分析

江苏省规划在2050年前围垦46.6万hm2滨海滩涂，其中60%面积用于农业。由于长期受到海水浸泡，新垦滩涂的土壤含盐量、地下矿化度较高，需脱盐改良。明沟排水是江苏省目前最常用的脱盐改良技术，其基本思路是利用农沟汇集涝水、渍水和淋洗排水，并通过沟道系统排出治理区。该模式操作简便，建设成本低，但在江苏滨海地区使用存在以下问题：（1）农沟口宽大，占地多，不适应目前江苏省耕地紧张的现状。根据笔者在如东县掘港镇、东台市弶港镇等滨海滩涂的调查，围垦5年后的滩涂，沟深为1.5 m左右时，在采用草帘护坡情况下，农沟口宽需6.0 m以上才能保持稳定。为防止农田越级排水造成沟坡冲刷，农沟两侧需修沟堤，并在堤外布置截水沟，农沟实际占地宽度10～12 m。而根据江苏省滨海滩涂区的地下水埋深和矿化度，适宜农沟间距在75～90 m[1]，仅农沟占地就在10%以上。（2）坍塌严重，排水（盐）效果差，维护成本高。根据东台市弶港镇围垦5年的滩涂现场调查，在无防护措施下，农沟每年淤积深度一般在0.5～0.8 m，农沟排渍（盐）功能基本丧失，与王资生在海安滩涂围垦区新挖斗（农）沟淤积调查结果[2]类似。（3）耕地破碎，影响土地规模化经营。农渠间距受制于农沟间距，而农沟间距受制于沟深。较大的沟深容易坍塌淤积，且一般农机具无法跨沟作业。目前江苏省滨海地区在沟渠相间布置模式下，条田宽度只有30～50 m（相邻布置模式下条田规格较大，但灌排效果较差），土地被沟渠分割，机械耕作效率较低[3]，不适应目前围垦区集约化经营的要求。

综上所述，农沟坍塌和淤积是导致上述问题的主要因素。通过资料收集和现场调查，对沟道坍塌、淤积的主要原因分析如下：

1.1土壤沙性强，含盐量高，抗侵蚀性差

根据如东县掘港兆盈农场、东台市弶港新垦滩涂土壤取样测试结果，新垦海涂为沙土或粉沙土，颗粒细小，黏粒和有机质含量低，基本属于无结构土壤[4-5]，抗冲性极差。由于土壤含盐量高，在钠离子作用下，土壤遇水后很容易被离散[6]，抗蚀性很差。被雨滴溅散的粉沙土粒易堵塞土壤孔隙，使表层土壤更加密实，降低土壤入渗能力，增加地表径流量，侵蚀模数很高。根据张以森等[7]、佘冬立等[8]的试验结果，在雨强1.0～2.05 mm/min时，沙土沟道边坡的输沙率可高达4～12 t/（hm2·min）。雨水冲刷侵蚀后会在沟坡形成细沟甚至浅沟，为重力侵蚀提供了发育条件。

根据弶港镇新垦滩涂的调查，围垦后5年内，在无水利措施条件下，表层30 cm土壤含盐量一般在1.0%～1.5%，除少量盐蒿外，农田和沟道坡面基本处于裸露状态，地表糙率小，地表径流流速较大，击溅侵蚀和径流冲刷较为严重，导致泥沙大量入沟，加剧了沟道淤积。

1.2农沟坡长和深度较大，为水力和重力侵蚀提供了有利条件

江苏省滨海滩涂年降雨量在1 000 mm左右，雨季暴雨较多，侵蚀动能高。目前排水模式下，农沟需同时承担防盐、降渍和排涝任务。为满足防盐要求，滨海滩涂区沟道深度一般在1.5～2.0 m，非衬砌沟道边坡系数一般需在1.5～3.0之间或更缓[9-10]。较大的坡长和沟深，促进了水力侵蚀和重力侵蚀发展，沟道坍塌较为严重。

1.3缺少沟堤防护，越级排水导致农田大量泥沙进入沟道

调查发现，围垦初期，土地平整程度相对较差，在田间排水工程（如墒沟、腰沟、隔水沟[11]）不全的情况下，降雨后部分农田积水会越过田间沟道直接流入农沟。由于沟深较大，流速快，往往产生较严重的溯源侵蚀，导致大量泥沙进入农沟。根据笔者2013年对如东县掘港镇兆盈农场的调查结果，在长度600 m的2条农沟中，发现4处由于越级排水形成的侵蚀沟，其末端深度与农沟沟底齐平，长度可达3～5 m。为减少越级侵蚀，该农场被迫在沟道两侧修筑沟堤，堤外开挖排水浅沟，使得农沟宽度由原来的7 m增加到12 m左右，占地率远高于高标准农田的建设标准[12]。

2浅沟（生产路）+暗管排水模式设计

从影响坍塌、淤积的3个因素分析可以看出，改变土壤结构和质地需要较长时间，目前除设置农沟沟堤控制越级排水外，只能通过沟坡防护技术防止坍塌。衬砌防护技术，如混凝土面板、混凝土网格等技术，效果虽好，但造价较高，由于农沟数量巨大，难以大规模使用。因此，如何防止或者规避沟道坍塌，是滨海新垦区大规模排水脱盐亟待解决的问题。另外，生产路作为田间工程的一部分，在方便生产的同时，也占用了一定的耕地。基于张友义等明暗结合排水的理念[13]，本研究结合江苏省滨海盐碱土特点和土地规模经营需求，提出了与生产路建设相结合的“浅沟+暗管”的排水模式：利用暗管系统将地下水直接排至斗沟，而浅沟仅承担除涝任务，以降低沟深，减少沟道坍塌和淤积，从而节约土地和沟道维护费用。同时，利用浅沟深度较小的特点，沟底兼做生产路使用，使田间工程占地进一步减少。而对于汇集渍、涝水的斗沟，由于其控制面积大（一般是农沟控制面积的5～10倍），可采用目前常用的防护技术，保持排水畅通。

2.1暗管排水系统规划设计endprint

“浅沟+暗管”模式下，田间排水暗管分为2级，分别为吸水管和集水管。集水管与浅沟平行，用于汇集吸水管排水并排向斗沟。间距可根据排水要求、耕作要求布置，一般可取100～150 m[14]。集水管可以是不透水管，也可以是透水管，后者具有控制地下水位的作用[9]。江苏省滨海滩涂土壤透水性较弱，建议使用透水管，埋深1.5～2.0 m。

吸水管间距需根据土壤和地下水位控制要求，通过试验或参照相关资料确定。根据江苏各地的试验资料[15-16]，吸水暗管的间距在10～15 m，深度在0.9～1.5 m之间。

2.2排水浅沟规划设计

与生产路相结合的浅沟，其横断面设计参数需要同时满足地表排水和交通要求。

2.2.1交通要求生产路主要为人工田间作业和收获农产品服务，一般不通过大型机械。江苏省土地整理建设标准中规定路面宽度在1.0～2.0 m，素土压实处理。因此，浅沟底宽在1.0～2.0 m即可。为方便生产者进出及小型农具从浅沟进入农田，浅沟深度不宜过大。对于规模经营的农场，浅沟经过适当处理，应能允许大型机械（如收割机）横向通过。为方便行走，浅沟底部不应积水，因此，浅沟底部应高于地下水位。综上所述，浅沟深度宜控制在0.4～0.5 m。由于沟深较浅，边坡系数可选为1 ∶（1～1.5）。

浅沟宜结合集水管布置，即将集水管埋设在浅沟下方，以便雨后及时降低浅沟上方地下水位，并减少开挖费用。对于生产路使用频率较高的经济作物种植区，浅沟底部可铺设5～10 cm厚的碎石或碎砖，起加固路基和防止冲刷的作用；使用频率较低的地区，浅沟可按生态用地进行设计。旱作物种植区可采用天然植被保护，增加生物多样性，并拦截排水中的氮磷和泥沙。亦可种植耐淹作物，增加耕地面积；水田区可按照湿地建设要求，种植湿生植物。

2.2.2排水要求排水设计要求应考虑2个方面：一是排涝要求，即浅沟纵横断面能在规定时间内排除设计暴雨产生的径流；二是浅沟深度与田间排水毛沟的深度相适应，避免在交汇处产生冲刷。

新垦滩涂地势平坦，沟、河具有一定的蓄水调节能力，可按平均排除法计算排涝流量。根据江苏省高标准农田的建设要求，农田排涝标准按日降雨200 mm、2 d排出即可。

采用底宽2.0～3.0 m，深度0.4～0.5 m的浅沟，占地16%～3.0%（表1）。在浅道间距100～150 m的情况下，条田长度（即斗沟间距）可达1 000 m以上，能满足江苏省绝大多数滩涂地区的排涝要求。因此，对于一般水旱轮作的大田作物，浅沟底宽取2.0～3.0 m，间距建议取为150 m，采用沟渠相间布置。由于浅沟和斗沟沟深差异较大，毛沟与浅沟的结合处需设置排水涵管或做防冲处理。表1不同规格浅沟的排涝能力与控制面积

0001.752500.2～0.33.01.00.3～0.51/5 0004.00.16 0.19 1 003 500～1 0001.60注：（1）沟道按照24 h净雨130 mm、48 h排除计算；（2）农沟上游沟深取小值，下游取大值；（3）沟水面低于田面10～20 cm；（4）糙率取003；（3）最大过流能力按明渠均匀流计算，偏于安全。

由于浅沟深度较小，排涝时沟内水位较高，而斗沟深度较大（一般在2.0～2.5 m），较大的落差导致浅沟末端流速大于表1中按照明渠均匀流计算值，浅沟末端的实际水深小于计算值，表1所给的沟深偏于安全。考虑到浅沟末端流速较高，浅沟出口需设陡坡或跌水防冲。

3应用与验证

为验证上述排水模式的有效性，2012年5月至2013年4月在江苏省如东县围垦滩涂的兆盈农场进行了对比试验。

项目区内土壤为粉沙土，0～100 cm土壤含盐在1.055%～1.177%。已建成的农沟深度为1.5 m，间距150 m（明显偏大，但渠已建成，故未做加密处理）。试验选择了相邻3条农沟，以保持土壤和地下水位的一致性。虽未设重复处理，但各农沟和浅沟的长度达到600 m，且在自然条件下进行，研究具有较好的代表性。

处理1、处理2采用明沟排水。其中处理2沟坡采用草帘防护，稻草用量为1.5 kg/m2。农沟设计参数见表2。处理3为浅沟+暗管模式。挖深至1.8 m后，于沟底铺设200 mm透水波纹管，然后回填至设计深度（表2）。吸水暗管采用外径65 mm透水波纹管，管间距15 m，埋深0.9 m，通过三通排水至集水管。各处理毛沟垂直农沟布置，深度0.5 m，间距100 m，共6条。由于农沟侵蚀严重，故农沟两侧设置了沟堤，堤外开挖排水沟与毛沟相连，用于汇集田间排水并防止农田越级排水。为减少毛沟排水冲刷破坏，各处理的毛沟排水口设置排水涵。农沟和浅沟技术参数见表2。

3.1防坍减淤效果

经过1年运行后，处理1农沟坍塌和淤积较为严重，其次是处理2（草帘防护），处理3浅沟淤积量最小（表2）。与处理1相比，处理3淤积量减少了90%，处理2减少63%。淤积导致农沟底部抬高25～86 cm，对地下水位控制产生不利影响。而处理3的地下排水则由集水管汇集后直接排至斗沟，规避了农沟淤积造成的不利影响。

由于毛沟和浅沟深度相同，处理3毛沟排水涵出口流速较小，经1年运行后无一破坏。沟底除中间部分有冲刷外，形状总体保持较好，可作为生产路正常使用。处理1和处理2排水涵破坏较严重（表2）。表2不同处理沟道参数与淤积量处理号防护方法底宽

（m）沟深

（m）边坡系数淤积量

（m3/m）倒塌排水涵

（座）最大沟深

（m）最小沟深

（m）处理1（农沟）无防护1.01.502.001.5320.950.64处理2（农沟）草帘防护1.01.502.000.5731.251.03处理3（浅沟）无防护2.00.501.000.1500.560.41注：（1）每条农沟、浅沟每隔150 m测定淤积后横断面，每沟测5个断面；（2）以原设计横断面线为基准线，位于该线以上部分为淤积量。坍塌部分不重复计算；（3）测试日期2013年4月28—29日。endprint

3.2节约用地效果

与处理1和处理2 相比，处理3浅沟占地大幅度减少（表3）。本试验中，由于浅沟可作为生产路使用，传统的“沟-渠-路”模式变为“浅沟（生产路）+渠道”模式，每块条田（150 m×600 m）可增加耕地5 700 m2，耕地率可增加 6.34%。若农沟（渠）间距为100 m时，节地率达到9.5%。这对于耕地紧张的江苏省而言，具有特别意义。表3不同处理沟道参数与占地量

处理号上口宽

（m）沟堤及堤外沟宽

（m）沟占地率

（%）农渠+生产路宽

（m）沟渠路宽

（m）沟渠路占地率

（%）处理17.05.58.333.8016.3010.87 处理27.05.58.333.8016.3010.87 处理33.01.02.662.80（无生产路）6.804.53注：（1）沟道占地包括农沟、沟堤和沟堤外排水沟。（2）生产路宽度1.5 m，结合农渠渠堤建设。（3）沟渠路占地包括渠堤、渠（道）外坡占地。

3.4土壤脱盐效果

根据2012汛期（5月11日开始，9月16日结束）降雨排水脱盐试验资料，该段时期内共降雨498.9 mm，灌水 100 mm。 频繁的降雨加上初期的灌溉淋洗脱盐，土壤处于淋洗状态，土壤脱盐较快。汛期结束后，处理1、处理2和处理3表土100 cm土壤脱盐率分别为26.2%、33.4%和665%，表明“浅沟+暗管”模式具有更好的排水脱盐效果。而在非汛期，由于降雨量少，加上冬春季节风力较大，土壤由淋洗转为蒸发状态，至第二年结束时（2013年4月29日），100 cm土壤的脱盐率分别为15.0%、16.2%和36.4%，仍以“浅沟+暗管”排水模式最佳。

3.3效益费用分析

3.3.1费用投入根据土地整理预算定额，处理1沟道开挖和堤顶修筑、毛沟排水涵等共计3.46万元；处理2为处理1基础上增加草帘防护费用0.48万元（以后每3年重新铺设1次），共计3.94万元。处理3建设费用17.64万元。括浅沟开挖和表土压实0.54万元，集水管、吸水管埋设与安装16.2万元，毛沟排水涵6座0.6万元，跌水0.30万元。

3.3.2效益分析（1）维修成本降低产生的效益。随着土壤熟化和含盐量降低，植被将逐渐恢复，淤积减少。为简化计算，淤积量按每年递减10%进行估算，沟道清淤土方按照当地价格6.0元/m3计算。（2）新增耕地的经济效益。处理3较处理1和处理2增加耕地0.57 hm2。新增耕地效益，初期5年按照0.60万元/hm2计算，以后每年按照1.2万元/hm2计算。处理2的效益估算方法与处理1相同。（3）增产效益。由于土壤脱盐加快，土壤含盐量降低，作物增产。增产效益按每年0.15万元/hm2 计算。则每块条田每年增收：（150-16.87）×600/10 000×0.15=1.2万元。

3.3.3经济效益评价社会折现率按照7%计算。和处理1相比，需9年收回投资；与处理2相比，约需10.5年（期间重新铺设草帘2次），而暗管使用寿命一般在30年以上。因此“浅沟+暗管”模式具有经济可行性。根据江苏、山东等地滨海盐碱地的沟渠布置模式，农沟间距一般在50～90 m[3，12]，若考虑渠道节地和建设效益，经济效益更高。

4结论与讨论

滨海高钠盐粉土的沟道坍塌、淤积是影响土壤脱盐的关键和难点。对于数量巨大的排水农沟，至今仍缺少有效的低成本防护方法[4]。本研究提出的“浅沟+暗管”排水模式，将地面排水和地下排水任务分别由浅沟和暗管承担，通过降低浅沟深度，在一定程度上规避了传统深农沟引起的边坡坍塌与淤积，加速了土壤脱盐，并降低沟道维护费用。

浅沟横断面的缩小及其与生产路的结合，能大幅度减少沟、路占地，提高土地利用率。由于浅沟仅承担地表排水任

务，在田间排水工程完善的情况下，其间距可增至100～150 m，大于目前滨海地区的农沟间距[6]，可减少田间沟、渠、路的密度，进一步增加耕地率。浅沟两侧经适当处理，可允许大型机械横向通过，在沟渠相间布置的模式下，有利于扩大条田规格，更适于滨海滩涂土地规模经营。因此，与生产路相结合的“浅沟+暗管”排水模式在江苏省滨海滩涂地区以及类似地区具有较好的应用前景。

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