改進(jìn)暗管排水及其性能研究

陶 園，許 迪，王少麗，瞿興業(yè)，楊麗慧

(1.中國水利水電科學(xué)研究院水利研究所，北京 100048；2. 國家節(jié)水灌溉北京工程技術(shù)研究中心，北京 100048；3.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210098)

改進(jìn)暗管排水技術(shù)(以下簡稱“改進(jìn)暗排”)是一種新型的地下排水結(jié)構(gòu)[1]，采用透水性強(qiáng)的砂礫石或爐渣、秸稈、木屑等材料替換暗管上方透水性較弱的土壤(以下稱“反濾體”)，借此增加暗管上部土體的滲水性，并在反濾體上方回填30～40 cm原土作為耕作層，具有不占地、排水性能較常規(guī)暗管排水技術(shù)(以下簡稱“常規(guī)暗排”)有所提高以及環(huán)境友好的特點。改進(jìn)暗排對于農(nóng)田澇水的排除具有重要作用。淺地下水埋深地區(qū)，強(qiáng)降雨過后產(chǎn)生地表積水土壤飽和的情況下，改進(jìn)暗排的排水性能已有所研究[1]。然而，我國一些糧食產(chǎn)區(qū)的地下水埋深較大，如河套灌區(qū)6月地下水埋深大于2m的面積超過灌區(qū)面積的30%[2,3]，黑龍江松嫩平原北部和三江平原東北部局部地區(qū)地下水埋深為8～20 m，淮北平原北部6月的地下水埋深為2.0～4.0 m[4]。此外，隨著北方地區(qū)井灌的不斷發(fā)展，地下水大量開采也導(dǎo)致地下水位持續(xù)下降[5]，以安徽地區(qū)為例，從2007年9月到2010年9月該地區(qū)平均地下水位累計下降達(dá)1.3 m[6]。同時這些地區(qū)會發(fā)生澇災(zāi)，根據(jù)中國水旱災(zāi)害公報統(tǒng)計[7]，從2006到2012年，安徽和黑龍江兩大糧食產(chǎn)區(qū)由于澇災(zāi)產(chǎn)生的農(nóng)作物受災(zāi)面積年平均為76和66萬hm2，位居全國第三位和第六位。對于易發(fā)生澇災(zāi)且地下水大埋深地區(qū)，強(qiáng)降雨過后地表持續(xù)積水但深層土壤未完全飽和的情況下，改進(jìn)暗管排水的性能如何還有待研究。

本研究通過室內(nèi)試驗，考慮地下水埋深、反濾體寬度以及土體介質(zhì)3個影響因素，揭示較大地下水埋深條件下、地表持續(xù)積水一定時間后改進(jìn)暗排的排水性能，為改進(jìn)暗排在較大地下水埋深地區(qū)的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

參考Lennoz-Gratin[8]和Kami[9]的暗管排水試驗，設(shè)計了模擬非完整暗管排水的室內(nèi)試驗裝置見圖1。該裝置主體為內(nèi)徑18.8 cm的有機(jī)玻璃筒，筒內(nèi)底部填裝10 cm厚的大粒徑玻璃珠作為透水層，玻璃珠與土體之間放置支撐網(wǎng)以防止土體介質(zhì)被沖走。暗管由內(nèi)徑1 cm、外徑1.2 cm的光滑銅管制作而成，開孔率為1.5%，暗管埋深(用D表示)為15 cm。暗管周邊反濾體由不同粒徑玻璃珠替代，反濾體高度為10 cm，寬度以暗管為對稱軸分別取0、2、4和6 cm。土體介質(zhì)分別選用40～70目(粗砂土介質(zhì))和80～120目(細(xì)砂土介質(zhì))的兩種石英砂。在玻璃筒壁上共安裝4個測壓管，緊貼筒壁內(nèi)側(cè)的測壓管口設(shè)置濾網(wǎng)以防止土體介質(zhì)流失及淤堵，利用平水箱控制不同地下水埋深。

1-進(jìn)水口；2-5-測壓管；6-止水夾；7-排水暗管；8-支撐網(wǎng)；9-連接管；10-平水箱；11-可移動支架；12-反濾體；13-土體介質(zhì)；14-強(qiáng)透水材料圖1 試驗裝置結(jié)構(gòu)圖(單位:cm)Fig.1 Sketch of test equipment

1.2 試驗方法及相關(guān)參數(shù)

試驗中，固定暗管埋設(shè)參數(shù)及地表積水深度，考慮地下水埋深、反濾體寬度和土體介質(zhì)3個因素對排水流量的影響，進(jìn)行全面試驗，共計32組，表1給出了組合試驗的設(shè)計方案。試驗前，將土體介質(zhì)分層填裝到有機(jī)玻璃筒內(nèi)，控制一定的容重；采用平水箱連接玻璃筒底部出水口由下往上緩慢注水的方式進(jìn)行土體飽和。每次更換反濾體后，關(guān)閉排水暗管，打開玻璃筒底部出水口，通過達(dá)西一維滲流試驗測算筒中裝填的土體介質(zhì)和反濾體的滲透系數(shù)。試驗過程中，地下水埋深控制依次為0(0D)、30(2D)、55(3.7D)和75 cm(5D)。每次改變地下水埋深時，將平水箱連接玻璃筒底部出水口并置于設(shè)定高度，土柱內(nèi)高出設(shè)定位置的水將通過平水箱溢流排出，維持該狀態(tài)足夠長時間使控制水位以上土體中的自由水充分排出，之后上端注水形成7 cm積水層，開啟暗管出水口，積水10 min后進(jìn)行試驗測量。根據(jù)達(dá)西定律測算得到粗砂土介質(zhì)的平均滲透系數(shù)為0.025 8 cm/s；細(xì)砂土介質(zhì)的平均滲透系數(shù)為0.001 4 cm/s；粗砂土介質(zhì)中反濾體的滲透系數(shù)約粗砂土介質(zhì)滲透系數(shù)的10倍；細(xì)砂土介質(zhì)中反濾體的滲透系數(shù)約為細(xì)砂土介質(zhì)的78倍。

表1 組合試驗設(shè)計Tab.1 Composite experiment design

2 結(jié)果與分析

2.1 地下水埋深對排水能力的影響

以滲透系數(shù)小的細(xì)砂土介質(zhì)為主要研究對象，粗砂土介質(zhì)作為對比，表2給出了細(xì)砂和粗砂土介質(zhì)下不同組合試驗方案的排水流量。由表2可知，積水10 min后，其他因素相同時，隨著地下水埋深的增加，常規(guī)暗排及改進(jìn)暗排的排水流量均隨之減小。非飽和土體在地表積水入滲過程中，一部分水量通過土體進(jìn)入地下水中而被排出，這部分水量與非飽和土層的厚度有關(guān)，非飽和土層越厚，則通過地下水排出的水量越多，而通過暗管排出的水量越少。地下水埋深為0 cm的飽和土體條件下，測得細(xì)砂條件下常規(guī)暗管的排水流量為0.505 cm3/s，與傳統(tǒng)暗管排水理論公式計算[10]的結(jié)果0.49 cm3/s相近(模型簡化為暗管長度為18.8 cm、間距為14.77 cm)，說明了試驗設(shè)計的合理有效性。

表2 不同組合試驗方案下的排水流量 cm3/s

細(xì)砂土介質(zhì)中、地下水埋深為30 cm(2D)時，經(jīng)過10 min積水后，常規(guī)暗排的排水流量為0.405 cm3/s，約為完全飽和條件下排水流量的4/5，具有一定的排水效果，當(dāng)?shù)叵滤裆钸_(dá)到75 cm(5D)時，常規(guī)暗排排水流量很小，約為飽和條件下排水流量的1/5，基本失去了排水作用。說明了地下水埋深大到一定程度后，常規(guī)暗排具有很大局限性。然而，反濾體寬度為2 cm的改進(jìn)暗排在地下水埋深為0D、2D、3.7D和5D時的排水流量分別是地下水埋深為0D條件下常規(guī)暗排排水流量的2.28、1.98、0.75和0.61倍；反濾體寬度為6 cm時，改進(jìn)暗排在相應(yīng)地下水埋深下的排水流量分別為0D條件下常規(guī)暗排排水流量的3.03、2.69、1.29和1.23倍。由此可見，設(shè)置反濾體的改進(jìn)暗排在地下水埋深較大的非飽和土體條件下對于排除地表持續(xù)積水的作用非常顯著。

圖2給出了地下水埋深對不同暗排排水流量的影響趨勢?？梢钥闯?，無論地下水埋深多大，相同積水時間下，改進(jìn)暗排均能大大提高暗管的排水流量。同一土體介質(zhì)中，地下水埋深相同時，隨反濾體寬度增加，暗管的排水流量有所增大，且不同結(jié)構(gòu)形式暗排自由出流排水流量隨地下水埋深變化的趨勢與是否設(shè)置反濾體有關(guān)，而與改進(jìn)暗排反濾體寬度的關(guān)系不顯著：無論在粗砂土介質(zhì)還是細(xì)砂土介質(zhì)中，相同積水時間下常規(guī)暗排的排水流量均隨地下水埋深的增加呈線性下降趨勢，二者具有顯著的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)可達(dá)到0.97；然而，對于改進(jìn)暗排來說，其排水流量隨地下水埋深變化的趨勢不再呈線性，該趨勢在粗砂和細(xì)砂土介質(zhì)中也有一定差別。

在粗砂土介質(zhì)中，改進(jìn)暗排的排水流量隨地下水埋深變化的趨勢主要分兩個階段：地下水埋深小于30 cm(2D)時，隨著地下水埋深增大，改進(jìn)暗排排水流量的減小速率大于常規(guī)暗排，即該階段改進(jìn)暗排對地下水埋深變化比常規(guī)暗排更敏感；地下水埋深大于30 cm(2D)時，地下水埋深對常規(guī)暗排排水流量的影響大于改進(jìn)暗排。而在細(xì)砂土介質(zhì)中，該趨勢分為3個階段：地下水埋深小于30 cm(2D)時，由于細(xì)砂土介質(zhì)滲透系數(shù)小，通過非飽和細(xì)砂土介質(zhì)進(jìn)入地下水中的水量有限，仍有大部分入滲水量通過暗管排出，導(dǎo)致該階段改進(jìn)暗排排水流量隨地下水埋深變化的趨勢與常規(guī)暗排大致相同；后面兩個階段與粗砂土介質(zhì)中的規(guī)律相似。

圖2 地下水埋深對不同暗排排水流量的影響Fig.2 Effect of groundwater depth on flow rate of different-type subsurface drainage

2.2 地下水埋深對排滲水量比的影響

地下水位低于暗管埋設(shè)高程時,土體呈現(xiàn)非飽和狀態(tài)，地表積水入滲的水量有一部分通過暗管排出，另一部分繞過暗管下滲補(bǔ)給到地下水中。單位時間暗排排出的水量與下滲補(bǔ)給到地下水中的水量比值可以在一定程度上反映改進(jìn)暗排的作用大小，以下簡稱“排滲水量比”。排滲水量比主要受到地下水埋深、暗排結(jié)構(gòu)反濾體寬度及土體滲透系數(shù)的影響。

圖3給出積水層深度為7 cm條件下地下水埋深對排滲水量比的影響?？梢钥闯觯瑢ο嗤馏w介質(zhì)中的特定暗排結(jié)構(gòu)來說，地下水埋深較小時，排滲水量比很大，且隨著地下水埋深增大，排滲水量比有所減小，特別是細(xì)砂土介質(zhì)的排滲水量比下降較快。當(dāng)?shù)叵滤裆顥l件相同時，積水10 min后，常規(guī)暗排在粗砂土介質(zhì)下的排滲水量比僅是細(xì)砂土介質(zhì)下的1/2左右，即透水性較強(qiáng)的土體介質(zhì)會下滲更多的水量補(bǔ)給地下水，且改進(jìn)暗排在細(xì)砂土介質(zhì)下的排水效果遠(yuǎn)大于粗砂土介質(zhì)。此外，改進(jìn)暗排的反濾體寬度對排滲水量比的影響很大，細(xì)砂土介質(zhì)、反濾體寬度分別為2、4和6 cm時，排滲水量比相應(yīng)的為常規(guī)暗排下的2.5、3和5.5倍。由此可見，反濾體的寬度越大，改進(jìn)暗排下的排滲水量比就越大，即暗排的排水作用越強(qiáng)。細(xì)砂土介質(zhì)更接近田間實際情況，我國南方多數(shù)地區(qū)的土壤與反濾體滲透性的差別大于細(xì)砂土介質(zhì)條件，可以預(yù)期改進(jìn)暗排在大地下水埋深的地區(qū)中可以發(fā)揮排水除澇的作用。

圖3 地下水埋深對排滲水量比影響Fig.3 Effect of groundwater depth on the ratio of drainage and seepage quantity per time

3 結(jié) 論

通過對地表積水條件下不同地下水埋深 條件下改進(jìn)暗排的排水流量試驗研究發(fā)現(xiàn)。

(1)細(xì)砂土介質(zhì)中，積水10 min后，地下水埋深為暗管埋深的2倍時，常規(guī)暗排仍可起到排水作用，此時改進(jìn)暗排的自由出流排水流量為飽和條件下常規(guī)暗排自由出流排水流量的2倍，排水效果顯著，而當(dāng)?shù)叵滤裆顬?倍暗管埋深時，常規(guī)暗排基本失去排水作用，但改進(jìn)暗排仍可起到排水作用。

(2)相同地下水埋深條件下，細(xì)砂土介質(zhì)中的改進(jìn)暗排排滲水量比遠(yuǎn)大于粗砂土介質(zhì)，且反濾體寬度對排滲流量比有很大影響。地下水埋深較淺時，隨地下水埋深增加，排滲水量比迅速下降；當(dāng)?shù)叵滤裆畹竭_(dá)一定數(shù)值后，排滲水量比變化很小。

無論對于地下水埋深較小或較大地區(qū)，相比于常規(guī)暗排，改進(jìn)暗排均具有更好的排水作用。本文研究可為改進(jìn)暗管排水技術(shù)在有一定地下水埋深條件下的推廣應(yīng)用提供一定的參考。不同地下水埋深條件下，田間土壤條件、排水布局等對改進(jìn)暗排排水作用的影響也有待進(jìn)一步研究。

□

[1] 陶 園，王少麗，許 迪，等. 改進(jìn)暗管排水結(jié)構(gòu)形式對排水性能的影響[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2016，47(4):113-118.

[2] 杜 軍，楊培嶺，李云開，等. 河套灌區(qū)年內(nèi)地下水埋深與礦化度的時空變化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2010，26(7):26-31.

[3] 付美英，趙宇輝. 2010年河套灌區(qū)地下水動態(tài)淺析[J]. 內(nèi)蒙古水利，2011，133(3):56-57.

[4] 安徽省水利廳, 安徽省水文局.安徽省淮北地區(qū)地下水通報[R]. 2010.

[5] 中華人民共和國水利部水資源司，中華人民共和國水利部水文局.中國北方平原區(qū)地下水通報[R]. 2010,(3).

[6] 王友貞，葉乃杰. 安徽淮北平原農(nóng)田排水問題[J]. 中國農(nóng)村水利水電，2008,(2):5-7.

[7] 國家防汛抗旱指揮部，中華人民共和國水利部. 中國水旱災(zāi)害公報[J]. 北京：中國水利水電出版社，2006-2012.

[8] Lennoz-Gratin Ch. Effect of envelopes on flow pattern near drain pipe[J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 1989,115(4):626-641.

[9] Kami K,Abdolmajid L,Seyed H H. The feasibility of rice husk application as envelope material in subsurface drainage systems[J]. Irrigation and Drainage,2012,(61):490-496.

[10] 瞿興業(yè). 農(nóng)田排灌滲流計算及其應(yīng)用[M]. 北京：中國水利水電出版社, 2011.