河套灌区下游排水暗管外包料筛选试验研究

胡玲玲，杨树青，梁志航，张万锋，王文旭

河套灌区下游排水暗管外包料筛选试验研究

胡玲玲1，杨树青1*，梁志航1，张万锋2，王文旭1

（1.内蒙古农业大学，呼和浩特 010018；2.内蒙古师范大学，呼和浩特 010022）

【】筛选适合河套灌区下游的排水暗管外包料。利用自制水力渗透仪，选取68 g/m2和90 g/m2土工布与5种不同粒径（0.3、0.7、1.0、1.5、3.0 mm）的砂滤料组合，开展室内渗透试验，研究单一土工布和土工布与不同粒径砂滤料组合外包料的渗透性、保土性及防淤堵性。68 g/m2土工布的系统渗透系数高于90 g/m2土工布，外包料稳定后的渗透系数平均高出系统整体渗透系数稳定值4.5倍，不同水力梯度下，各处理的系统渗透系数稳定值变化范围较小，具有良好的透水和稳定性；68 g/m2土工布加设0.8～1.0 mm粒径砂滤料的处理对外包料的渗透系数提升效果显著，各处理的土壤流失量平均仅为0.5 g，均满足保土要求；90 g/m2土工布的淤堵量与淤堵率显著高于68 g/m2土工布，68 g/m2土工布更能有效防治外包料的淤堵；淤堵率随砂滤料粒径的增大呈高-低-高的变化规律，其中68 g/m2土工布加设1.0 mm砂滤料处理的淤堵率最低，仅为26%。河套灌区下游适宜的排水暗管外包料建议选用68 g/m2土工布加设1 mm粒径砂滤料的处理，研究结果可为灌区排水暗管外包料的选用提供参考。

排水暗管；土工布；砂滤料；筛选；河套灌区

0 引言

【研究意义】河套灌区有68.65%的耕地存在不同程度的盐渍化[1]，严重制约着灌区现代农业可持续发展。合理建设排水系统能够有效降低地下水位，调控土壤盐渍化[2]。近年来，暗管排水技术在我国盐碱地区得到广泛应用，而外包料的选择是暗管排水技术中至关重要的环节[3]。因此，针对研究区粉粒土壤量较高等特点，选择适宜当地土质的排水暗管的外包料，对暗管排水技术的推广与应用具有重要的现实意义[4]。

【研究进展】暗管排水技术以其独特的优势被广泛应用[5]，而外包料是决定暗管排水效果的保障，也是其使用年限以及能否推广的重要因素之一[6]。外包料主要分为有机材料、无机材料、合成材料和砂滤料等类型，通常应同时满足透水性和稳定性的要求[7]。研究指出，在暗管周围布设砂砾石滤料能取得较理想的效果，而合成材料与粒状材料相比，具有重量轻、可进行预包装、安装简易且成本低并更容易控制质量等优点[8]。因此，土工织物作为反滤材料逐渐引起学者们的关注，在实际工程中也得到了广泛应用。Stuyt等[9]认为，选择合成土工布作为排水暗管外包料的主要考虑因素为渗透系数及厚度。Dierickx等[10]指出，选择外包料时应满足外包料的渗透系数与土壤渗透系数的比值大于10的要求。易进蓉等[11]通过梯度比试验得出土工织物的渗透系数较大，具有良好的反滤性能，未发生较严重的淤堵。【切入点】近年来，土工布等合成材料因其良好的过滤、排水和防护性能被广泛应用[12]。而我国暗管排水技术起步较晚，土工织物作为排水暗管外包料的研究和实用经验尚不多，因此，选用土工织物作为排水暗管外包料亟须进一步的试验验证[13]。

【拟解决的关键问题】针对河套灌区下游粉粒土壤量多、稳定性差等特性，通过室内土柱模拟实验与理论计算相结合的手段，研究不同外包料的渗透系数、土壤流失量、淤堵量及淤堵率的变化规律，探索排水暗管外包料的透水、保土以及防淤堵性能，以筛选适宜的排水暗管外包料，为河套灌区排水暗管外包料的选择提供理论与技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料及装置

选取内蒙古河套灌区下游乌拉特灌域西山咀农场试验区内的重度盐碱地，采用挖坑取土的方法进行土样采集，取土深度为地表以下0～80 cm，采集的土样自然晾干、碾碎后过5 mm筛备用，试验用土壤的物理性质见表1。

表1 试验地土壤物理性质

本试验所用土壤黏粒量与粉粒量比值仅为0.06，因此研究区的排水暗管发生堵塞的可能性较大[14]，亟须采取排水暗管外包保护措施。研究区土壤渗透系数如表1，根据e/s≥10的要求[10]（e为外包料的渗透系数，cm/s；s为土壤的渗透系数，cm/s），外包料的渗透系数应大于0.40×10-2cm/s，试验所采用的2种土工布的渗透系数均能满足此要求。

试验采用自制水力渗透仪，其主体结构包括上、下2部分通过法兰盘连接的有机玻璃圆筒，筒高60 cm，直径19 cm。填土高度为40 cm，土壤分层填装。装填完成后，采用自下而上缓慢注水的供水方式排出土内气体使土壤趋于饱和。土壤饱和后，改为自上向下供水，并通过溢流口12控制稳定10 cm的积水深度。待系统完全稳定后开启出流口8的阀门，观测并记录排水流量及测压管读数。装置中装有3个不同高度的6根测压管，通过测压管读数计算各部分的渗透系数，如图1所示。

注 1.注水口；2-4.测压管；5.无汽水；6.砂滤料；7.排砂孔；8.出流口；9.法兰；10.土工布；11.土体；12-14.溢流口；箭头为水流方向。

1.2 试验设计及观测方法

试验采用二因素裂区设计，主区设置2种规格的土工布（G1：68 g/m2；G2：90 g/m2），副区设置5种不同粒径的砂滤料（F1：0.3 mm；F2：0.7 mm；F3：1.0 mm；F4：1.5 mm；F5：3.0 mm），单一土工布（68 g/m2和90 g/m2）作为对照，共计12个处理。见表2。

表2 试验方案

利用式（1）计算外包料与系统整体的渗透系数[15]；图1中“2”和“4”的测压管水头差值可计算系统整体的渗透系数；“3”和“4”的测压管水头差值可计算外包料的渗透系数。当铺设土工布加设砂滤料时，“3”和“4”的测压管水头差为砂滤料过滤后土工布的渗透系数。紧贴筒壁内侧的测压管口设置滤网以防止土壤流失或淤堵。试验初期观测间隔为1 h，随着时间的推移及观测值的稳定，间隔调整为2 h，记录测压管水头差和渗流量，渗透系数计算式为：

式中：为渗透系数（cm/s）；为渗流量（cm3/s）；为流径（cm）；Δ为水头差（cm）；为土体横截面积（cm2）。

试验持续到渗透系数无明显变化为止，记录渗流时长，观测时间不低于30 h，并用滤纸过滤排水。常水头试验结束后进行变水头试验，通过调节测压管水位，观测不同水力梯度下外包料（土工布加砂滤料）及系统整体的渗透系数，其中系统整体的渗透系数指外包料（土工布加砂滤料）与土壤组成的排水系统的渗透系数。调节相应的溢流口开关，使试验水头达到相应的设计值，并在该水位下继续进行同上的渗透试验。保土性是通过滤纸过滤渗流以及收集由排砂孔排出的土壤颗粒质量的总和来体现。外包料的淤堵主要以机械淤堵为主[16]，本试验中通过测定淤堵量和淤堵率来体现外包料的防淤堵性能，淤堵量指土体中细颗粒随水流进入并滞留在土工布孔隙中的土壤质量，将试验前后的土工布进行称质量得出淤堵量（精确至0.01 g），淤堵率则指淤堵量与土工布原质量的比值[17]。

2 结果与分析

2.1 外包料的渗透性

2.1.1 外包料及系统整体的渗透系数变化

各处理的外包料与其系统整体的渗透系数变化过程见图2。外包料的渗透系数稳定值比系统整体渗透系数稳定值平均高4.5倍，表明各处理稳定后的外包料仍具足够的透水能力，未发生严重淤堵[18]。

68 g/m2土工布处理（B1—B6处理）中，B2处理的系统渗透系数稳定值为0.089×10-2cm/s，为初始值的38%，B1、B4、B6、B3处理和B5处理的稳定值分别降为初始值的40%、46%、52%、72%和78%。90 g/m2土工布处理（B7—B12处理）中，B9处理的系统渗透系数稳定值为0.040×10-2cm/s，为初始值的20%。B10、B11、B12、B8处理和B7处理的稳定值分别降为初始值的29%、29%、31%、41%和48%。68 g/m2土工布处理（B1—B6处理）的系统渗透系数稳定值较其初始值平均减少了46%，而90 g/m2土工布处理（B7—B12处理）较初始值平均减少了67%，可见B1—B6处理的系统渗透稳定性较B7—B12处理更优。

为检验不同外包料对排水系统整体透水稳定性的影响，观测计算不同水力梯度条件下各处理的系统整体达到稳定状态时的渗透系数，结果见表3。当水力梯度改变时，系统整体渗透系数波动幅度仅在0.004 5×10-2～0.001×10-2cm/s之间，变化幅度较小，可见各处理的透水稳定性均较好，为进一步排水暗管外包料的筛选奠定了良好基础。

表3 不同水力梯度下排水系统的渗透系数变化

2.1.2 外包料的渗透系数随时间的变化

外包料的渗透性主要以渗透系数表示。由图3可知，试验初期（0～6 h），各处理的渗透系数迅速下降。68 g/m2土工布处理（B1—B6处理）中，B2处理的渗透系数初始值最高，为1.658×10-2cm/s，经过6 h后为0.819×10-2cm/s，较初始值减少了51%。B6、B4、B1、B3处理和B5处理分别较初始值减少了44%、39%、34%、23%和23%。90 g/m2土工布处理（B7—B12处理）中，B9处理经过6 h后的渗透系数为0.605×10-2cm/s，较初始值减少了62%，B10、B11、B12、B8处理和B7处理分别较初始值减少53%、41%、40%、36%和31%。

图3 不同处理渗透系数随时间的变化规律

随着时间的推移（6～14 h），68 g/m2土工布处理（B1—B6处理）中，B1处理外包料的渗透系数值为0.244×10-2cm/s，较初始值又减少了31%，B4、B3、B2、B6处理和B5处理相继再次降低了25%、20%、18%、17%和13%。90 g/m2土工布处理（B7—B12处理）中，B11处理的渗透系数值为0.246×10-2cm/s，较初始值再次减少了32%，B8、B7、B10、B9处理和B12处理相继再次减少了31%、27%、21%、20%和20%。各处理渗透系数下降幅度逐渐变缓，进入缓慢下降期，呈逐步稳定趋势。试验进行16 h后，各处理的渗透系数已无明显变化，基本达到稳定状态。68 g/m2土工布处理（B1—B6处理）的渗透系数稳定值大小依次为：B3、B6、B2、B4、B5处理和B1处理。90 g/m2土工布处理（B7—B12处理）的渗透系数稳定值大小依次为：B9、B10、B12、B11、B8处理和B7处理。

2.1.3 各处理外包料渗透系数稳定值差异性分析

试验进行至16 h后，各处理外包料渗透系数基本达到稳定状态。此时，不同处理外包料渗透系数稳定值差异性分析结果见图4。68 g/m2土工布处理（B1—B6处理）中，B3处理的外包料渗透系数稳定值最高，为0.496×10-2cm/s，显著高于B2、B6、B4、B5处理和B1处理（<0.05）；B2处理和B6处理的稳定值分别为0.456×10-2cm/s和0.463×10-2cm/s，与B4、B5处理和B1处理存在显著差异；B4处理的稳定值为0.428×10-2cm/s，与B5处理和B1处理有显著差异；B5处理的稳定值（0.374×10-2cm/s）显著高于B1处理（0.218×10-2cm/s）。

图4 外包料渗透系数稳定值差异性分析

90 g/m2土工布处理（B7—B12处理）中，B9处理和B10处理的稳定值分别为0.258×10-2cm/s和0.251×10-2cm/s，显著高于B11、B12、B7处理和B8处理（<0.05）；B11处理和B12处理的稳定值分别为0.207×10-2cm/s和0.217×10-2cm/s，显著高于B7处理和B8处理；B7处理（0.142×10-2cm/s）和B8处理（0.155×10-2cm/s）无显著差异（＞0.05）。从图中还可以看出，68 g/m2土工布处理（B1—B6处理）的外包料渗透系数稳定值均显著高于90 g/m2土工布处理（B7—B12处理）（<0.05）；可见，68 g/m2土工布加设砂滤料处理的渗透性更强。

2.1.4 渗透系数与砂滤料粒径的相关性分析

为进一步分析土工布加设不同粒径砂滤料（粒径<3 mm）的渗透性[19]，对各处理的渗透系数稳定值与砂滤料粒径进行了相关分析，如图5。二者满足多项式函数特征，2分别为0.84和0.83，拟合效果较好，外包料的渗透系数稳定值随砂滤料粒径的增大呈先增大后减小的趋势。由图4（a）和4（b）可知，不同土工布条件下，0.8～1.0 mm粒径的砂滤料对提升外包料的渗透系数的效果较好，且对于68 g/m2土工布，砂滤料粒径在0.8～1.0 mm范围时外包料的渗透系数提升效果相对最佳。

图5 砂滤料粒径与渗透系数相关性

2.2 不同外包料的保土性

各处理土壤流失量差异性分析见图6。68 g/m2土工布处理（B1—B6处理）中，B3处理的土壤流失量最低，为0.58 g，显著低于B1、B2、B4、B5处理和B6处理（<0.05）。90 g/m2土工布处理（B7—B12处理）中，B9处理的土壤流失最多，为0.39 g，与B8、B10、B11处理和B12处理差异显著；B7处理的土壤流失量为0.37 g，与B11处理和B12处理差异显著；B8（0.34 g）、B10（0.33 g）、B11（0.31 g）和B12（0.32 g）处理之间均无显著差异（＞0.05）。

图6 不同处理的土壤流失量

此外，68 g/m2土工布（B1—B6处理）的土壤流失量是90 g/m2土工布（B7—B12处理）的近2倍，可见，土工布越厚，拦截土壤颗粒的能力则越强。各处理的土壤流失量均少于1.0 g，可视为流失量较少[4]，表明在试验过程中无渗透变形发生，试验所测试的12组处理的外包料均满足保土性要求[20]。

2.3 不同外包料的防淤堵性

2.3.1 淤堵量及淤堵率的差异性分析

由图7（a）可知，68 g/m2土工布处理（B1—B6处理）中，B1处理的淤堵量最高，为0.82 g，且与B2、B3、B4、B6处理和B5处理差异显著（<0.05）；B5处理（0.45 g）的淤堵量最低，与B2、B3处理差异显著（<0.05），与B4、B6处理无显著差异（＞0.05）；B1处理的淤堵量比B5处理高45%。90 g/m2土工布处理（B7—B12处理）中，B12处理的淤堵量最高，为1.40 g，且显著高于B7、B8、B11、B9处理和B10处理；B9处理（0.87 g）的淤堵量最低，与B7、B8、B11、B12处理差异显著，与B10处理差异不显著；B12处理的淤堵量比B9处理高37.9%。同时，90 g/m2土工布（B7—B12处理）的淤堵量显著（<0.05）高于68 g/m2土工布（B1—B6处理），可见较薄的土工布（68 g/m2土工布）防淤堵性能较好。

图7（b）中，68 g/m2土工布处理（B1—B6处理）中，B1处理的淤堵率最高，为47%，且与B6、B2、B3、B5处理和B4处理差异显著（<0.05）；B4处理的淤堵率最低，为26%，与B1、B6、B2处理差异显著，与B3处理和B5处理无显著差异（＞0.05）；B1处理的淤堵率比B4处理高44.5%。90 g/m2土工布处理（B7—B12处理）中，B7处理和B12处理的淤堵率分别为58%、59%，且与B8、B11、B9处理和B10处理差异显著（<0.05）；B10处理的淤堵率最低，为38%，与B7、B12、B8、B11处理差异显著，与B9处理差异不显著。各处理的外包料均满足防淤堵性要求[20]，且90 g/m2土工布（B7—B12处理）的淤堵率均显著高于68 g/m2土工布（B1—B6处理），可见，68 g/m2土工布的防淤堵性能更优。

图7 不同处理的淤堵量及淤堵率

2.3.2 砂滤料粒径与淤堵率的相关分析

为进一步探寻土工布加设不同粒径砂滤料对淤堵率的影响，分别对68 g/m2土工布和90 g/m2土工布条件下的砂滤料粒径与淤堵率进行了相关分析，如图8所示。

淤堵率与砂滤料粒径符合多项式函数特征，2分别为0.97和0.93，拟合效果较好，且外包料的淤堵率随铺设砂滤料粒径的增大呈高-低-高的变化规律。对于68 g/m2土工布，砂滤料粒径在0.9～1.2 mm范围时淤堵率较低，淤堵率在26.3%～26.5%之间。对于90 g/m2土工布，砂滤料粒径在1.0 mm左右时淤堵率较低，仅在38%左右。68 g/m2土工布加设1 mm粒径砂滤料时，降低外包料的淤堵率效果最佳。

3 讨论

外包土工布作为排水暗管滤层时，要求其渗透系数是土壤介质的10倍以上[10]，保证具有一定的透水性；对于外包料的保土性，其主要控制因素为90/90大于1.0，防止过量的土壤颗粒进入暗管[9]；同时要求外包料的孔径不被土壤介质淤塞，导致淤堵失效。可见选择排水暗管适宜的外包料时，其渗透、保土和防淤堵性相互制约，导致规格难以抉择。研究表明，利用自制水力渗透仪可综合测试土工布及土工布加单一粒径砂滤料处理的渗透、保土和防淤堵3个方面的性能，并筛选出适宜灌区土质的暗管外包料形式。

本试验选用的土工布加单一粒径砂滤料的布设形式与砂滤料分层和混合布设[15]存在差异，陶园等[15]的分层和混合的布设方式对砂滤料级配的要求较高。外包料的渗透性主要以渗透系数表示，结果表明，实验初期，渗透系数大幅减弱的主要原因是由于细土颗粒滞留在土工布内部及表面[18]，有效孔径减少导致的。随着渗透系数逐渐稳定，最终形成稳定的反滤层[11]，各处理外包料的渗透系数稳定值较系统整体渗透系数稳定值平均高4.5倍，在不同的水力梯度条件下，系统整体渗透系数波动幅度仅在0.0045×10-2～0.001×10-2cm/s之间，变化幅度较小，各处理的透水和稳定性均满足要求，该结论与刘文龙等[4]单一铺设土工布条件下的渗透系数衰减变化规律一致。

本试验中，各处理的土壤流失量均在1 g以内，未发生土颗粒大量流失，外包料与土体能够形成稳定的反滤系统，这与易进蓉等[11]的淤堵试验研究结果相吻合。其中B3处理的土壤流失量（0.58 g）较小，显著（<0.05）低于其他68 g/m2土工布的处理（B1—B6处理），90 g/m2土工布处理（B7—B12处理）中，B9处理的土壤流失最多，为0.39 g，与B8、B10、B11处理和B12处理的差异显著，B3处理的土壤流失量是B9处理的1.5倍。可见较厚外包土工布（B7—B12处理）拦截土壤的能力更强，而铺设单一粒径砂滤料的方式对于防治土壤流失的效果并不显著，该结论与陶园等[15]的分层和混合的布设形式对细土颗粒的防护效果存在差异，主要原因在于采用级配砂滤料的形式较单一粒径的砂滤料对土壤颗粒下移的限制作用更明显，使其保土性较优。

外包土工布的防淤堵性一般通过滞留在土工布孔隙中的土壤质量来体现，本试验中90 g/m2土工布（B7—B12处理）的淤堵量显著（<0.05）高于68 g/m2土工布（B1—B6处理），可见铺设较厚土工布的处理易产生局部淤堵或土工布表面堵塞的现象[15]，铺设较薄土工布（68 g/m2土工布）的防淤堵效果更佳。与使用类似土工布的相关研究结果相较，可认为本次试验所测得的外包料淤堵率均可满足田间排水需求[20]。从试验结果来看，铺设较薄土工布（68 g/m2土工布）加设1 mm粒径砂滤料处理的防淤堵效果最佳。因此，本试验采用的自制水力渗透仪和选用的土工布加设单一粒径砂滤料的组合防护措施不仅能够在较短的时间内对外包料的渗透、保土和防淤堵3个方面进行重复试验，又能在敷设时精确地控制砂滤料的粒径，这对河套灌区排水暗管外包料的测试和筛选具有积极的现实意义。

4 结论

各处理的排水系统均能形成稳定的反滤层，稳定后的系统渗透系数平均为初始值的30%～54%，均能满足透水和稳定性的要求；各处理的外包料渗透系数稳定值平均高出系统的渗透系数稳定值4.5倍，其中68 g/m2土工布加设0.8 mm和1.0 mm粒径的砂滤料时对外包料的渗透系数提升效果较显著；90 g/m2土工布（B7—B12）处理能够拦截更多的土壤颗粒，其土壤流失量仅为68 g/m2土工布（B1—B6）处理的1/2；各处理的淤堵均不影响排水系统的正常工作，68 g/m2土工布加1.0 mm砂的淤堵率最低，仅为26%。综合渗透、保土及防淤堵性能，68 g/m2土工布加设1 mm粒径砂滤料处理的综合效果最佳。

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An Experimental Study on Wrapping Materials of Subsurface Drain for Farmland in the Downstream Hetao Irrigation District

HU Lingling1, YANG Shuqing1*, LIANG Zhihang1, ZHANG Wanfeng2, WANG Wenxu1,

(1. Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China；2. Inner Mongolia Teaching University, Hohhot 010022, China)

【】The efficacy and function of subsurface drain is controlled by materials used to warp it which in turn depends on soil texture in the region where they are installed. The purpose of this paper is to study these for drainage of croplands in the downstream Hetao Irrigation district. 【】The materials we used were 68 g/m2and 90 g/m2geotextile combined with sand particles with size in ranging from 0.3 to 3.0 mm used in the filtering layer. The experiment was conducted in lab, and the ability of the wrapped drain to drain water was measured using an in-house permeameter, from which we analyzed the effects of combination of different wrapping materials and sand size on permeability, soil retention and anti-clogging. 【】The system permeability coefficient of the 68 g/m2geotextile is higher than that of the 90 g/m2geotextile; the average permeability coefficient after the system stabilized is 4.5 times that of the stable value of the permeability coefficient of the system. Adjusting the hydraulic gradient can improve the permeability coefficient of the system. The variation of the stability value is small, and each treatment has a good water permeability and stability. Wrapping the drain with 68 g/m2geotextile combined with 0.8 and 1.0 mm sand particles as the filtering layer improved the permeability coefficient significantly. The average soil loss of wrapping with 90 g/m2geotextile was 0.5 g, meeting the soil conservation requirements and effectively preventing clogging. The clogging rate showed a high-low-high variation with the increase in sand size, and it was the lowest (26%) for wrapping with 68 g/m2geotextile combined with 1.0 mm sand particles as the filtering layer.【】Combining 68 g/m2geotextile with sand particles sized 1 mm as the filtering layer was optimal for subsurface drains in the downstream farmlands of the Hetao Irrigation District.

subsurface drainage; geotextile; sand filter; screening; Hetao Irrigation District

1672 - 3317（2022）04 - 0141 - 08

S278

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021414

胡玲玲, 杨树青, 梁志航, 等. 河套灌区下游排水暗管外包料筛选试验研究[J]. 灌溉排水学报, 2022, 41(4): 141-148.

HU Lingling, YANG Shuqing, LIANG Zhihang, et al.An Experimental Study on Wrapping Materials of Subsurface Drain for Farmland in the Downstream Hetao Irrigation District[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(4): 141-148.

2021-08-29

内蒙古科技重大专项目（zdzx2018059）；国家自然科学基金项目（52069023）

胡玲玲（1995-），女。硕士研究生，主要从事农业水土资源利用与水土环境调控研究。E-mail: 1328330118@qq.com

杨树青（1966-），女。教授，博士生导师，主要从事农业水土资源利用与水土环境调控研究。E-mail: nmndysq@126.com

责任编辑：韩 洋