盐碱地治理中排水暗管间距和外包滤料应用分析

张亦冰，高宗昌

(新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司，新疆 石河子 832000)

我国北方地区特别是新疆、宁夏、甘肃等地，在干旱气候条件下，土壤自然淋溶作用和脱盐作用非常微弱，土壤中的可溶性盐借助毛细管上行集聚在土壤表层，导致土壤表土积盐，加上成土母质含盐量高等因素，存在大量的原生盐碱土。而大水漫灌、重灌轻排、排水不畅、长期引用矿化水灌溉等不合理的农业开发方式，则导致了土壤次生盐渍化，使土壤理化性质变差，危及作物的生长发育，造成缺苗、减产甚至死亡，严重地区造成耕地弃耕、荒芜，浪费了大量的土地资源。

我国盐碱地治理经历了从以农业生物措施改良为主到以排水为主侧重水工措施的历程，逐步建立了因地制宜、综合防治、水利措施和农业措施紧密结合的治理思路。目前国内盐碱地改良的主要措施包括水利措施、生物措施、农业措施和化学措施，水利措施中的排水措施一般包括明沟排水、暗管排水和竖井排水三种方式，通过降低地下水位、排除盐碱水达到盐碱地改良的目的。

1 暗管排水技术的应用

1.1 应用概况

农田排水技术的应用在国内外都有很长的历史，已经比较成熟。暗管排水是近几十年，随着塑料的广泛应用、外包滤料由砂砾石被化纤织物替代、开沟铺管机研制取得进展后逐渐推广开来的。美国、日本、埃及在20世纪50年代后做了大量的暗管排水工程；荷兰近年来在开沟铺管机的研制和将土工织物用作暗管外包滤料的研究、应用方面开展了大量工作，暗管排水技术处于先进水平。暗管排水技术在国内很多省市都有应用，但较大面积的推广应用主要在山东和宁夏，且目前还处于边试验边推广的阶段[1]。

1.2 技术特点

暗管排水改良盐碱地的基本原理是“盐随水来，盐随水走”，将溶解了土壤中盐分的水通过埋于地下的管道排走，从而达到降低土壤含盐量的目的。广义的暗管不仅包括混凝土管、水泥管、塑料管，还包括满足一定级配的天然砂砾石盲沟。

与明沟排水相比，暗管排水最大的特点是节约土地，耕地利用率高。对克拉玛依市农业综合开发区水土安全治理项目的分析表明，暗管排水可少占耕地10%左右。暗管排水适用地质条件较广，具有施工、管理方便，排水排盐量大、速度快，土壤脱盐快及淡化地下水等优点，缺点是使用过程中泥沙引起的渗水孔淤堵清洗困难，以及投资较高等。

2 暗管埋深与间距的分析确定

暗管的埋深和间距与土壤质地、地下水埋深、地层条件等参数有关，是暗管改良盐碱地设计最重要的参数，决定着盐碱地的改良效果和投资效益，一般采用试验法、理论计算法和经验数值法确定。

2.1 分析确定方法

2.1.1 试验法

试验法是确定暗管埋深与间距最直接的方法。

2015年，相关单位在克拉玛依市农业开发区选取了68 hm2中度盐渍化重壤土耕地进行暗管排水试验，设计布置南北两个试验小区，以检验不同暗管深度和间距情况下各种试验工程措施的排水、排盐效果。设计南北侧试验小区均自北向南依次布置8条间距30 m的砂砾石外包料吸水管、8条间距40 m的砂砾石外包料吸水管、4条间距30 m的B-68无纺PP人工合成外包料吸水管(共布置吸水管20条)和4条间距30 m的砂砾石盲沟，其中北侧试验区吸水管埋深1.8 m，南侧试验区吸水管埋深2.0 m[2]。实施过程中，因施工单位的开沟铺管机最大作业深度为1.8 m，故南侧试验区吸水管埋深也调整成了1.8 m。

2016、2017年对试验区的排盐降水效果进行了全面监测。经过两年的暗管排盐，试验区地下水埋深由1.12 m降低到1.28～1.58 m，电导率由62 ms/cm降低到47.5 ms/cm，脱盐率40%左右。排水暗管有效地控制了地下水位，不同土层的盐离子含量都有不同程度的降低，土壤含盐量明显降低。暗管间距30 m时，灌溉季节各月地下水埋深的变幅约6 cm；暗管间距40 m时，灌溉季各月地下水埋深的变幅约9.5 cm。说明在重壤土条件下，暗管埋深1.8 m、间距30～40 m能够起到降水排盐改良盐碱地的作用，间距30 m优于间距40 m，但是相应的投资也会增加[3]。

2.1.2 理论计算法

2.1.2.1 暗管埋深

暗管埋深综合考虑土壤质地、地下水矿化度、降水、蒸发和灌溉等因素确定，取值为土壤毛管水强烈上升高度、作物根系活动土层厚度、暗管中水深和两吸水管中心点地下水位与管内水位差值之和，一般在1.3～3.5 m之间。但是，耕作土层下伏隔水层顶板埋深浅和地下水埋深较大时，需要结合土壤质地等通过经济比较确定。如：宁夏红寺堡区大河乡一些盐碱地土层只有30～80 cm，下伏老百姓所说的红胶泥、白浆土，暗管埋深需要置于隔水顶板以上，适合浅埋；新疆生产建设兵团自20世纪90年代以来大力推广节水灌溉，部分灌区地下水埋深10 m以上，传统的明沟排渠被填平耕作，灌溉水体中的盐分随水而来，伴随强烈的蒸发水去盐留，为配合洪水洗盐和秋冬灌洗盐，暗管的埋深也需要采用浅密布设形式，深度60～80 cm，这样脱盐的速度更快，效果更好。

2.1.2.2 暗管间距

暗管间距的理论计算方法有田间水量平衡原理和基于水量平衡原理的DRAINMOD模型。

用水量平衡原理计算时，北方地区考虑蒸发，暗管间距与作用水头呈一次函数关系[4]，即

B=KH/qΦ

DRAINMOD模型是20世纪70年代末由美国北卡罗来纳州立大学的Skaggs教授开发、美国农业部所推荐的田间水文模型，经过在世界许多地区不同土壤、作物和气候条件下的测试和应用，被公认为在模拟地下水水位和排水量方面具有应用简单、要求输入的参数少、结果准确等优点，其核心理论仍然是田间水量(地表水和土壤水)平衡原理。

2.1.3 经验数值法

经验数值是在调查总结大量试验资料和实践经验的基础上归纳分析而得的。各地试验取得的经验值差距较大，各国主张建议也不尽相同[5]。印度、伊朗采用浅而密的方式，暗管埋深0.8～1.5 m，间距20～40 m；日本也采用浅而密的方式，暗管埋深0.8～1.2 m，间距9～20 m；荷兰暗管埋深1.2～1.5 m，间距10～20 m[6]；而美国、俄罗斯向深而疏方向发展，俄罗斯暗管埋深2.8～3.5 m，美国暗管埋深3.0～3.6 m。我国因盐碱地土质、成因和作物不同，暗管埋深和间距各地不同：山东东营暗管埋深1.5～2 m，间距20～50 m；新疆根据土壤、地下水埋深情况，一般暗管埋深1.5～2.2 m、间距30～100 m，黏土、重壤土区域暗管间距大多在30 m左右。

2.2 工程应用及问题讨论

克拉玛依市农业综合开发区水土安全治理项目，针对重壤土和砂壤土分别采用水量平衡原理、经验数值法和DRAINMOD模型进行分析，结果见表1。

表1 不同计算方法暗管间距对比

对比表1中的数据，因计算的边界条件有假设因素，不同计算参数也与试验时有差异，故各方法计算出的暗管间距有一定差距。在大面积的工程应用中，应根据理论分析结合现场试验效果确定。

3 外包滤料的分析确定

3.1 工作原理及材料选择

暗管外包滤料要求土壤中的水进入暗管排走而土壤颗粒又不能在水头作用下流失，其工作原理必须同时满足反滤准则，即具备保土性(防止土颗粒流失引起渗透变形)、透水性(保证排水畅通)、防堵性(保证暗管透水孔不淤堵失效)。暗管外包滤料作用水头小，安全级别要求低，一般采用混合砂砾石料即可，但要求渗透系数比周围土壤的渗透系数大10倍以上。

土工织物作为反滤材料应用于水利工程日趋成熟，与传统的砂砾石反滤材料比，材料费用可以节约一半以上。其保土性原则要求O95≤Bd85(O95为土工织物的等效孔径，d85为暗管周围土壤中小于该粒径的土质量占总土质量的85%，B为与周围土壤有关的系数)，透水性要求Kg≥AKs(Kg为土工织物的垂直渗透系数，Ks为周围土壤的渗透系数，A为大于等于10的系数)，防堵性在周围土壤土粒级配良好时要求O95≥3d15，在周围土壤土粒级配不好时需进行土壤和土工织物的淤堵试验[7]。

3.2 工程应用及问题讨论

克拉玛依市农业综合开发区暗管排水试验区的滤料采用了两种处理方式：①De80 mmPE打孔单壁波纹管外填10 cm砂砾石混合料；②De80 mmPE打孔单壁波纹管外裹中国水利科学院研发并推广的B-68型无纺PP人工合成滤料。根据地质勘察，试验区土壤d60粒径大部分在0.05～0.10 mm之间，外包砂砾石混合滤料的粒径按照《灌溉与排水工程设计规范》的表7.2.10分别确定颗粒曲线的包络线。同样经过2016、2017两年监测，De80 mmPE打孔单壁波纹管外裹B-68型无纺PP人工合成滤料暗管排水区的脱盐率为32.16%～41.95%，地下水埋深各月变幅为4～8 cm；De80 mmPE打孔单壁波纹管外填10 cm砂砾石混合料暗管排水区的脱盐率为27.86%～31.85%，地下水埋深各月变幅7～12 cm。数据比对分析表明，B-68型无纺PP人工合成滤料暗管排水控制地下水位及脱盐的效果更好。

宁夏在暗管排水应用中做了不同形式的外包滤料的试验、监测工作和工程实践[8]，结果表明经过人工筛选的砂砾石级配滤料适合各种土壤的反滤要求，耐久性好，运行20年效果依然良好。2003年宁夏水利科学研究所曾对19个项目区7种形式(包括有纺布外裹10～20 cm砂砾石滤料、200 g无纺布、200 g无纺布外填10～20 cm砂砾石滤料、58 g无纺布、700 g绒线、尼龙套和450 g棕丝)的外包滤料做了野外现场调查和淤堵测定，其中：有纺布外填砂砾石滤料运用了7～13年，透水性良好，防堵效果最佳；无纺布应用了3～6年，在轻壤土、中壤土地区基本没有淤堵，透水性良好，而在重壤土地区，无纺布内都有不同程度的淤积，暗管内有泥沙沉淀。2017年，新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司对宁夏红寺堡区2010—2012年实施的暗管排水区域进行了现场调查，其中部分在吸水管外作为反滤材料的无纺布淤堵，暗管排水失效。

砂砾石外包滤料以前使用时需要在管沟开挖至设计的纵坡和断面后将其铺设于管沟中，然后敷设暗管，再填暗管之上的滤料，虽然反滤效果好，但是工序复杂、投资大。现在，开沟铺管机配备了滤料运送车，通过传送带可以将砂滤料直接送入挖沟机滤料箱内，与暗管一起铺设完成，施工工序大大简化，在天然砂砾石滤料来源充足条件下建议优先选用。

无纺布等材料作为暗管外包滤料有成功的也有失败的，其原因是多方面的。针对土壤条件，控制好土工织物有效孔径和拉伸强度指标，实现管滤结合的工厂化生产，在砂砾石来源少的地区可以广泛应用。

4 结 语

(1)暗管排水具有排水排盐速度快、控制地下水位效果好、占用耕地少等优点，但以前因为施工工序复杂、质量不易保证、一次性投资大，所以大面积应用很少。随着开沟、铺管、外包滤料一体施工机械的诞生使用，无纺布等材料价格的降低，以及管滤结合的工厂化生产，暗管排水越来越多地用于盐碱地治理。

(2)排水暗管的埋深和间距由土壤质地、土壤含盐量、地下水埋深和地质条件等因素确定，理论计算出的埋深、间距与经验数值会有一些差距，大面积应用需要在典型区试验确定。为保证试验区不同埋深和间距的排水暗管的脱盐、降水效果监测数据具有可比性，还应保证对比数据是在相同土质、相同灌水条件等相同边界条件下取得的。

(3)耕地土层薄，下伏隔水层，暗管需要置于隔水顶板以上的，适合浅埋。地下水埋深大，不以降低地下水位为主，而是以洗盐为目的的，暗管埋深和间距宜采用浅密布设形式，深度60～80 cm，脱盐的速度更快，效果更好。

(4)砂砾石是最好的暗管外包滤料，适用于各种土壤条件，特别是在当地材料充足时应优先选用，土壤黏粒含量高时也应优先选用。无纺布等人工合成材料在满足反滤准则，严格根据土壤的颗粒级配控制有效孔径、拉伸强度、厚度等参数指标的情况下，可以满足暗管外包滤料的技术要求。