农田暗管排水能力分析与提升方法探讨

王少丽，任晓磊，2，陶 园

（1. 中国水利水电科学研究院 水利研究所，北京 100048；2. 中国农业大学 水利与土木工程学院，北京 100083）

1 研究背景

我国涝渍灾害严重，涝渍灾害呈现先涝后渍、涝渍相随的特点，一些地区还存在旱涝交替、先涝后旱，加重了作物减产损失。生产实践表明，排除了涝灾威胁的农田虽然可以保收，但产量却不高，特别是地势低洼地区的易涝易渍耕地，作物产量长期低而不稳，主要是由于排水不畅、土壤过湿引起的渍害所致。涝渍胁迫条件下，作物根系生长受到抑制，供给作物的养分和水分不足，光合产物减少，活力下降，导致产量和品质下降［1-3］，涝渍灾害对我国正常的农业生产和国家粮食安全产生了严重的威胁，也制约着我国社会经济的可持续发展［4］。

农田排水工程作为重要的水利基础设施，在农业生产的发展中发挥着重要作用，其建设和完善也是土地整治工作的主要内容之一。但在许多地区重灌轻排思想依然存在，排水工程存在诸多隐患，沟坡坍塌、淤积、破损、沟上筑坝等情况随处可见；有些地区农民受经济利益的驱使将排水沟填平后用于耕种［5］；重灌轻排导致灌排体系失衡，若遭遇连续暴雨或长时期连阴雨侵袭，农田涝渍灾害在所难免，所造成的损失不容忽视［6］。

城市化进程的加快，耕地资源短缺问题也越来越突出。截止2017年，我国耕地面积134.8×106hm2，2009—2017年间耕地面积平均每年净减少约6.53 万hm2［7］；自然灾害、过量化肥的使用造成耕地质量下降甚至退化［8］，有限的耕地资源对农田排水方式提出了新的要求。近年来，以治渍和改碱为目的暗管排水技术迅速发展，暗管排水具有不占耕地的显著优势，并利于治渍改碱、调控地下水位、改善根区土壤环境、提高作物产量等［9-10］，已成为国内外专家学者的研究热点。

传统观念认为暗管排水的作用主要是调控地下水位。近年来，有研究表明，暗管排水可以减少地表径流，并影响地表侵蚀及污染物的排放过程，改进型暗排（带砾石暗管、砾石鼠道）的排水性能更好。Holden 等［11］针对芬兰南部短期强降雨增加、土壤透水性弱的特点，研究了浅埋深常规鼠道及砾石鼠道（鼠道内充填0.2 m 高的砾石）的排水性能，发现浅埋鼠道可以加速雨水入渗、减缓地下水位上升，其中砾石鼠道对降雨的反应能力最快，排水开始时间早，排水总量大。Melesse 等［12］采用WEPP 模型对美国Le Sueur 流域不同暗管排水流量和耕作措施条件下暗管排水对地表侵蚀率影响进行了模拟评价，结果表明，暗管排水在加大地表水入渗、减少地表径流的同时也影响土壤侵蚀过程。Okwany 等［13］在孟加拉国库尔纳县研究了暗管埋深为30 cm、间距为8 m 的浅层暗管排水性能，结果表明浅层暗管排水有利于减轻季风性降雨危害，增加作物产量，冬季向日葵种植时间可提前1.5 个月。Tao 等［14］通过田间试验，研究了分层砂石反滤体、混合砂石反滤体、卵石反滤体和秸秆反滤体4 种介质的改进暗排排水效果，发现改进暗排排水流量明显大于常规暗排，改进暗排可以大大提高暗管排水能力。

与中埋和深埋相比，浅埋暗管可以缩短地表积水入渗情况下的排水渗径，加快地表积水入渗速度的作用明显，且浅埋暗管施工成本较低廉，但由于受埋藏深度浅的制约，即使在出口处呈自由出流的情况下，其排水流量也有限，不能满足除涝前期快速排降地表积水的要求。关于如何在保持浅埋暗管优势条件下，增强其辅助明沟排除地表积水的能力方面此前尚未见有所报道，本文分析了暗管排水工作原理及其影响因素，提出在不增加浅埋暗管成本基础上提高排水流量的方法，并通过室内砂槽试验进行了验证，该研究成果可为涝渍灾害易发地区建设高效除涝降渍减灾工程提供新途径。

2 暗管排水理论及影响因素分析

暗管所依据的工作原理，是渗流理论中关于流量和水头（水位）的关系要服从达西定律和伯努里定律。根据达西定律，恒定运动情况下地表积水入渗条件的常规暗管排水单长排水渗流量的理论公式为［15］：

式中：K 为排水地段含水层的平均渗透系数，m/d；q 为非均匀积水入渗补给的平均强度，m/d；L 为相邻两平行暗管之间的距离，m；H-Hd为作用水头，即田面积水层表面高程H 与出流部位水流表面水位高程Hd之差，m。在自由出流情况下，H-Hd=hd+ΔH，hd为暗管埋深，m，ΔH 为田面积水层深度，m；Φ为排水地段的渗流阻抗系数，由排水地段的各项几何参数确定，反映暗管周边水流受空间的约束，流束急剧收缩，而产生局部水头损失，其通用式为Φ=F（hd，d，L，T），其中d 为暗管直径，m，T 为含水层平均厚度，m，即不透水层表面至地面的距离。

不同研究者推出的具体表达式结构形式各不相同，位吉尼可夫（以下简称位氏）和努美罗夫（以下简称努氏）给出如下Φ的计算式。

当含水层较厚时，即L≤2T，渗流阻抗系数Φ可表示为：位氏：

努氏：

当含水层较薄时，即L≥2T，渗流阻抗系数Φ 可表示为：位氏：

努氏：

式中，r0=d/2，r0为吸水管半径，m。

从式（1）可以看出，暗管排水能力大小，与排水地段含水层的平均渗透系数K 和作用水头呈正相关关系，与排水地段的渗流阻抗系数呈负相关关系，增大K 和H-Hd，或减小Φ，都可提高暗管排水能力。对于不同类型的涝渍地区，田间土壤渗透性能是客观存在的，无法改变，通过耕作对表土进行深松改变土壤K 也有一定限度。通过加大暗管埋深hd提高作用水头，可以使暗管的排水流量增大，但会提高施工成本并增加施工难度。

渗流阻抗系数Φ受多因素综合影响，采用实例分析计算排水地段各项几何参数对Φ的影响，暗管（含外包料）直径分别取目前市场上广泛应用的d=2r0=0.08 m 和0.1 m，暗管中心埋深取hd=0.5 m 和1.0 m，当含水层较厚（L≤2T）时，用式（2）或（3）计算不同暗管间距条件下的Φ；当含水层较薄（L≥2T）时，用式（4）或（5）计算不同含水层厚度条件下的Φ值。由于位氏和努氏公式两种方法计算的Φ值很接近，相差不到1%，表1 仅给出位氏计算结果。

表1 排水地段几何参数对阻抗系数Φ的影响

从表1 可以看出，随暗管直径d 增加，Φ值减小，随暗管埋深hd增加，Φ值增大；当间距和含水层都增大到一定程度时，L 和T 对Φ的影响都很小。例如，当暗管间距从5 m 增加到10 m 时，两种埋深和管径条件下Φ值减小1.47%～4.7%，从5 m 增加到20 m 时，Φ值减小1.85%～5.94%；当含水层厚度从5 m 增加到10 m 时，两种埋深和管径条件下Φ值减小0.2%～0.7%，从5 m 增加到20 m 时，Φ值减小0.2%～0.9%，含水层厚度对Φ值的影响很微弱；暗管埋深越小，间距的变化对Φ的影响越小，总体来说，暗管间距变化对Φ值的影响也较小，可以忽略。当暗管管径从0.08 m 增加到0.1 m，即增加25%时，两种埋深条件下Φ值减小5.4%～7.0%，暗管埋深越小，管径增加对Φ值减小的影响越大，但暗管管径对Φ值的影响也不大。当埋深从1.0 m 减小到0.5 m 时，Φ值减小17.9%～22.4%。总体来说，对Φ值影响大小的顺序为：暗管埋深>暗管管径>暗管间距>含水层厚度。

3 暗管排水能力提升方法及试验验证

3.1 暗管排水能力提升方法暗管埋深对排水能力的影响反应在对作用水头和Φ值的影响，是所有影响排水能力因素中作用最显著的一个因素。增大暗管埋深，则加大了作用水头，使排水能力增大，同时也增大了渗流阻抗系数，使排水能力减小，最为关键的是增大了铺管的开挖工作量和成本；反之，作用水头减小，则渗流阻抗系数也减小，因此，作用水头和渗流阻抗是互为制约的两个因素。利用浅埋暗管施工成本低、渗流阻抗小的特点，在不增加铺设成本的基础上，加大其作用水头，从而提高排水能力是本研究的关键突破口。利用虹吸作用，在暗管出口处安装虹吸管，使其下端出流口降低到一定深度，就能够显著提高作用水头，增大暗管排水流量，其工作原理如图1 所示。

图1 有和无虹吸管的浅埋暗管工作原理

3.2 模拟试验概述采用室内砂槽模拟排水试验，参照野外田间工程，按1∶20 的比例制作模型，砂槽净尺寸为50 cm×20 cm×30 cm（长×宽×高），沿槽长方向在底部铺设直径为1 cm 的开孔紫铜管用以充水排气，底部填4 cm 厚的强透水材料利于快速进水，暗管采用外径为6.35 mm、壁厚0.7 mm 的开孔紫铜管外包纱布制成，设浅、中、深三种埋深分别为2.5、4.0 和5.5 cm，相当于田间埋深50、80 和110 cm，砂槽的正视示意图如图2 所示。试验目的是为了探讨浅埋暗管利用虹吸作用的增流效果，由于土体渗透性能仅影响排水流量的绝对值，因此，对按有和无虹吸排水流量对比计算得出的增流效果相对值没有影响。为方便填土和排气，缩短试验时间，上部砂槽整体填22.5 cm 厚80 ~ 120 目透水性较好的石英砂作为土体介质。土体装填、排气饱和、测流等操作程序参见文献［14］。

图2 砂槽排水试验示意

3.3 试验结果和理论公式计算对比按照式（1），相关的计算参数为：浅暗管埋深hd=2.5 cm，积水层深度ΔH=2 cm，则H-Hd= hd+ΔH=4.5 cm，浅暗管出口降到中埋和深埋时，H-Hd分别为6 和7.5 cm；d=0.495 cm；石英砂介质按相同容重装填在圆土柱中，并按达西定律测得的土体渗透系数K=0.002 279 cm/s，L=50 cm，T=30 cm。采用含水层较厚时的式（2）计算Φ，采用式（1）计算Q，并转换为20 cm 管长的总排水流量，计算结果如表2 所示。

从表2 可知，不同排水措施的排水流量理论计算和试验观测值彼此相当接近，相对误差大多数在5%以内，拟合结果较好，表明排水试验条件合理可行，理论公式能够反映实际情况，可以用于指导实践。以理论计算值为依据，浅暗管降低到中埋和深埋时，流量分别增加33.3%和66.7%，并且浅暗管（中）与相同深度排水出口的中暗管相比，排水流量增加16%，浅暗管（深）与相同深度排水出口的深暗管相比排水流量增加27%，试验条件下的浅、中、深暗管渗流阻抗系数分别为0.479、0.555 和0.608，浅暗管渗流阻抗系数比中暗管和深暗管分别减小16%和27%，可以看出，浅暗管通过虹吸作用降低到中埋和深埋出口时，分别比相同排水出流条件的中埋管和深埋管排水流量还要大，流量增大的原因主要是浅埋管的渗流阻抗系数比中埋管和深埋管要小。由此表明，在不加重浅埋暗管成本负担的基础上，利用虹吸原理能显著提高暗管排水能力。

表2 理论计算与试验结果对比

3.4 积水层深度变化对虹吸排水增流效果的影响以安徽蚌埠试验站实际土壤质地条件为例［4］，采用理论公式计算积水层深度变化对虹吸排水增流效果。土壤渗透系数为0.8 m/d，不透水层深度为10 m，浅暗管埋深为0.6 m，相当于汛期玉米作物幼苗耐渍水深，通过虹吸作用的浅暗管出流降深达到1.1 m，用“浅暗管（深）”表示，暗管直径为0.08 m，暗管间距为20 m，图3 为随积水层深度变化的浅暗管和浅暗管（深）单长排水流量及排水流量增加百分比。

图3 有无虹吸的排水流量及虹吸增流效果随积水层深度的变化

从图3 可以看出，随积水层深度的增加，浅暗管和浅暗管（深）排水流量绝对值均呈线性增长，两者直线斜率相等，即相同积水深变化条件下流量增加值相同，且相同积水层深度下浅暗管（深）始终比浅暗管排水流量大0.74 m3/d，该值不随积水层深浅而改变；而浅暗管（深）与浅暗管相比，流量增加百分比则随积水层深度增加而减小，可见，当积水层深度减小时，浅暗管（深）的排流量减小，但增流效果百分比在增大。

3.5 讨论非汛期或降雨强度不大的排水时期，采用控制排水技术已经被广泛认可和应用［16］，而在雨季或强降雨排水时期，则需加大调控深度，人为降低地下水位，加快地表水的排除，及时将高地下水位降到作物耐渍深度。浅埋和深埋暗管相间布设形式具有其优越的排水性能，浅埋暗管可以利用其更接近地表积水和渗径短的特点，增大积水入渗速度［11］，从而辅助明沟加快地表积水消退过程，待地表积水消退后，控制前期的地下水位下降，深埋暗管则主要控制后期的地下水位下降。为增强浅埋暗管排水能力，借鉴控制排水双向调控的思路，利用虹吸原理将浅埋暗管出水口高程降低达到一定深度，理论和试验表明，采用此种方法可以显著提升浅埋暗管排水能力。实际应用时，浅埋暗管埋深可以选取当地汛期作物耐渍深度的最小值，而深埋暗管进一步控制排水后期的地下水位下降。浅埋暗管和虹吸管的出口可以入末级排水农沟，根据当地实际情况，暗管和虹吸管出口也可直接排入斗沟并接近斗沟的沟底高程，从而最大限度的增大作用水头和提高排水能力。

汛期降雨集中，是除涝关键时期，明沟承担排水任务较重，既排泄地表径流也接纳地下排水量，沟中往往呈现高水位状态，除涝期间沟中经常处于高水位情况下，可设置集水竖井，将虹吸管出口通入井中，利用动力抽排井水入沟；也可在排水沟末端安装临时泵集中抽排降低沟中水位，增大暗管排水能力；经济条件允许条件下，可建立固定抽水泵站。非汛期或非排水时期，可以封闭虹吸管或抬高虹吸出口实施控制排水，减少农业排水的氮磷污染。地表积水消退后地下水位降落过程中的虹吸增流作用如何还有待进一步研究。

4 结语

本文在分析暗管排水影响因素基础上，提出利用虹吸作用不加重浅埋暗管成本负担即可提高排水能力的增流方法，并通过理论计算分析与室内砂槽试验进行了验证，主要结论如下：（1）暗管排水能力大小，与排水地段含水层的平均渗透系数K 和作用水头呈正相关关系，与排水地段的渗流阻抗系数Φ呈负相关关系，暗管埋深对Φ值影响最大，其次为暗管管径，当间距L 和含水层厚度T 与暗管埋深相比大到一定程度时，L 和T 对Φ的影响都很小。（2）利用虹吸作用，在暗管出口处安装虹吸管，使其下端出流口降低到一定深度，理论和试验表明，采用此种方法可以显著提升浅埋暗管的排水能力。浅暗管通过虹吸作用降低到中埋和深埋出口时，即作用水头增加1.33 倍和1.67 倍时，排水流量增大33.3%和66.7%，且比相同排水出流条件的中埋管和深埋管排水流量还要大，主要原因是浅暗管渗流阻抗系数较小，其结果带来流量增大所致。（3）当积水层深度增大时，有虹吸和无虹吸的浅暗管排水流量绝对值都呈线性增长，不论积水层深或浅，相同积水层深度下前者排水流量始终比后者大0.74 m3/d；当积水层深度减小时，有虹吸的浅暗管排水流量绝对值在减小，但增流效果百分比在增大。（4）浅埋和深埋暗管相间布设有其优越的排水性能，浅埋暗管可以加速地表积水入渗，并且控制前期的地下水位下降，深埋暗管则主要控制后期的地下水位下降。根据当地实际情况，浅埋暗管和虹吸管的出流口可以通入末级排水农沟或排水斗沟，也可通入集水竖井，在沟中高水位持续时间较长的情况下，可利用动力抽排降低沟中或井中水位，增大暗管排水能力。