寧夏銀北灌區(qū)暗管排水技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀調(diào)查分析

馬利軍，王紅雨,2，麥文慧，李 星，姚自凱

(1. 寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021；2. 寧夏大學(xué)教育部節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，銀川 750021)

灌區(qū)農(nóng)業(yè)排水是控制土壤鹽分、維持土壤透氣性，防治土地鹽漬災(zāi)害和保證灌區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的前提。在干旱、半干旱地區(qū)，為了保證灌溉農(nóng)業(yè)的發(fā)展，就必須在作物根區(qū)保持一個(gè)動(dòng)態(tài)的鹽分平衡，所以排水對(duì)于作物生長具有與灌溉同等重要的作用，故預(yù)防和治理土地鹽漬化災(zāi)害應(yīng)從控制水著手[1-4]。暗管排水技術(shù)是一項(xiàng)治理土地鹽堿漬害行之有效的手段，國內(nèi)外學(xué)者就暗管排水標(biāo)準(zhǔn)、滲流理論、暗管間距及埋深計(jì)算方法、外包料及反濾層等方面做了大量的研究工作[5-11]。

為解決寧夏銀北灌區(qū)長期遭受鹽堿漬害的影響，20世紀(jì)80年代中期，開始引進(jìn)暗管排水技術(shù)并開展工程示范與試驗(yàn)研究,經(jīng)過30 a的技術(shù)推廣，暗管排水技術(shù)已經(jīng)成為解決銀北灌區(qū)鹽堿漬害的首選方案。為摸清銀北灌區(qū)暗管排水工程的現(xiàn)狀、建設(shè)規(guī)模、存在問題，筆者選取暗管排水技術(shù)推廣應(yīng)用較集中的石嘴山市惠農(nóng)區(qū)、平羅縣及銀川市賀蘭縣進(jìn)行剖析，旨在總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，彌補(bǔ)不足，促進(jìn)暗管排水工程技術(shù)的不斷完善和提高。

1 灌區(qū)暗管排水項(xiàng)目實(shí)施概況

銀北灌區(qū)位于寧夏引黃灌區(qū)北部，地貌類型由賀蘭山丘陵地、洪積傾斜平原、黃河沖積平原3個(gè)單元組成，海拔高度為1 090～1 300 m，灌區(qū)平均氣溫為8 ℃， 年均降雨量189.9 mm，降雨以7-9月份最多，年均日照長，蒸發(fā)量為2 249.5 mm。灌區(qū)內(nèi)有銀川、石嘴山2地區(qū)，包括賀蘭、永寧北部、銀川郊區(qū)、平羅及惠農(nóng)等地，作物種植面積為29.93 萬hm2，2016年統(tǒng)計(jì)糧食總產(chǎn)量達(dá)475 603.6 t，農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值為780 809 萬元。其中，石嘴山市惠農(nóng)區(qū)、平羅縣和賀蘭縣3個(gè)區(qū)域共涉及15個(gè)暗排項(xiàng)目區(qū)，總面積約6 843.9 hm2，銀北3區(qū)縣暗管排水工程概況見表1。

表1 銀北3區(qū)縣暗管排水工程概況Tab.1 General situation of underground drainage projects in Yinbei 3 districts and counties

2 項(xiàng)目區(qū)暗管排水技術(shù)引進(jìn)及發(fā)展

鹽堿地改良一直是寧夏銀北灌區(qū)的一項(xiàng)重要任務(wù)，20世紀(jì)90年代中后期，依托農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)項(xiàng)目，申請(qǐng)獲得荷蘭政府貸款，引進(jìn)荷蘭暗管排水先進(jìn)技術(shù)，以此為契機(jī)，加速了暗管排水技術(shù)在銀北灌區(qū)的發(fā)展。近年來，在農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)中，暗管排水技術(shù)得到了更為廣泛的推廣與應(yīng)用，并取得了豐碩成果。

2.1 新型排水施工設(shè)施的引進(jìn)與應(yīng)用

隨著暗管排水技術(shù)在寧夏銀北灌區(qū)的推廣與廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)人工開挖管溝、鋪管的施工方法已無法滿足需求，銀北灌區(qū)先后引進(jìn)了2種形式的開溝鋪管機(jī)，分別是荷蘭EGS3000型刀鏈?zhǔn)介_溝鋪管機(jī)和美國T555型開溝鋪管機(jī)。相關(guān)資料顯示，采用機(jī)械施工優(yōu)點(diǎn)突出，資金投入大幅減少，人工費(fèi)用不到人工開溝鋪管的1/4，總投資為人工施工的2/3[12]。尤其是寧夏引黃灌區(qū)暗管排水工程的施工受灌溉季節(jié)限制，一般只有春灌前和秋收后的農(nóng)閑期間適宜施工。開溝鋪管機(jī)具有施工速度快、效率高的特點(diǎn)，既能確保施工進(jìn)度與效率，又能保證施工質(zhì)量，彌補(bǔ)了人工鋪管的不足。實(shí)地調(diào)研了解到，包括惠農(nóng)區(qū)、平羅縣、賀蘭縣在內(nèi)的15個(gè)暗排項(xiàng)目區(qū)全部采用開溝鋪管機(jī)進(jìn)行機(jī)械化施工，應(yīng)用程度100%。開溝鋪管機(jī)完成暗管排水項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)見表2。

2.2 排水管材的引進(jìn)與應(yīng)用

暗管排水技術(shù)發(fā)展初期，使用的主要排水材料為黏土管和混泥土管，隨著科學(xué)技術(shù)、塑料工業(yè)及制造業(yè)的發(fā)展，20世紀(jì)70年代，國外開始由傳統(tǒng)的黏土管和混泥土管向塑料波紋管過渡，并逐步替代了“傳統(tǒng)管”。塑料波紋管具有重量輕、耐腐蝕、整體性好等特點(diǎn)，因此，在我國暗管排水工程中也很快得到了應(yīng)用與推廣。自1995年開始，塑料管也逐步應(yīng)用于銀北灌區(qū)的暗排建設(shè)項(xiàng)目中。

表2 開溝鋪管機(jī)完成暗管排水項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)Tab.2 Ditching and pipe laying machine to complete the drainage project of pipe

實(shí)地調(diào)研了解到，銀北灌區(qū)暗管排水項(xiàng)目中，使用的暗管管材主要分為2種，吸水管多采用PE(聚乙烯)打孔塑料波紋管，集水管多采用UPVC管(UPVC是硬脂聚氯乙烯，是在PVC的基礎(chǔ)上提高性能的產(chǎn)品)，資料顯示，2者在灌區(qū)暗管排水項(xiàng)目中被廣泛應(yīng)用。吸水管多采用PE管，原因在于在相同規(guī)格的情況下，PE管的物理力學(xué)性能優(yōu)于PVC管。PVC、PE的物理力學(xué)性能見表3。

表3 PVC、PE的物理力學(xué)性能Tab.3 Physical and mechanical properties of PVC and PE

2.3 外包濾料的引進(jìn)與應(yīng)用

暗管外包濾料要滿足透水性、保土性、防淤堵性等反濾要求[13,14]，暗管排水技術(shù)在灌區(qū)應(yīng)用多年來，吸水管外包料已從砂濾料發(fā)展到無紡布。寧夏水科院通過多次試驗(yàn)研究，并參考工程中應(yīng)用多年的實(shí)際效果，現(xiàn)已優(yōu)選出符合銀北灌區(qū)的外包料及反濾層。課題組實(shí)地到3區(qū)縣農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)辦公室及各典型暗管項(xiàng)目區(qū)了解到，吸水管外包濾料多采用管壁套68 g杜邦土工布外加5～8 cm砂濾料或外加一定厚度有機(jī)材料的設(shè)計(jì)方案。

2.4 光伏強(qiáng)排泵站的應(yīng)用

暗管排水工程的排水方式分為自流排水和強(qiáng)排進(jìn)入承泄區(qū)2種類型。銀北灌區(qū)地勢(shì)低平，全年日照時(shí)間長，光照充足，輻射較強(qiáng)，太陽能資源豐富。長期以來，強(qiáng)排區(qū)以往多采用動(dòng)力電抽水，其電費(fèi)一直存在較大爭議[8,15]，為解決這一問題，銀北灌區(qū)暗管排水項(xiàng)目區(qū)充分利用太陽能自然條件的優(yōu)勢(shì)，光伏發(fā)電技術(shù)被應(yīng)用于暗管排水工程中，強(qiáng)排區(qū)泵站改用太陽能泵站，即利用光伏陣列發(fā)出的電力代替原來的動(dòng)力電，驅(qū)動(dòng)水泵的揚(yáng)水系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)主要由光伏陣列(太陽能電池組件)、太陽能揚(yáng)水逆變器、水泵組成[14]。2000年前后，在惠農(nóng)區(qū)農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)項(xiàng)目中率先采用太陽能光伏泵站的新能源動(dòng)力模式，2種技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，有效地解決了暗排項(xiàng)目區(qū)的費(fèi)用爭議問題。光伏強(qiáng)排泵站在銀北灌區(qū)應(yīng)用較為廣泛，正在全面推行，強(qiáng)排區(qū)利用太陽能光伏泵站抽排將是銀北灌區(qū)暗管排水工程動(dòng)力系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展方向。

以石嘴山惠農(nóng)區(qū)2013年度燕子墩鄉(xiāng)、禮和鄉(xiāng)、廟臺(tái)鄉(xiāng)土地整理重大工程項(xiàng)目為例，在原規(guī)劃中對(duì)0.553 萬hm2建設(shè)面積進(jìn)行了4處暗管排水工程設(shè)計(jì)，排水面積共計(jì)0.072 萬hm2，原采用動(dòng)力電抽水，但在項(xiàng)目實(shí)施中，經(jīng)多方面考慮，由原來的4處改為8處，其中4處為動(dòng)力電抽水，4處為太陽能供電抽水。光伏暗管排水區(qū)在工程建設(shè)投資、運(yùn)行管理和抽排水能力3方面都優(yōu)于動(dòng)力電暗管排水區(qū)。太陽能泵站和動(dòng)力電泵站效益對(duì)比見表4，水泵性能對(duì)比見表5。

表4 太陽能泵站和動(dòng)力電泵站效益對(duì)比Tab.4 Comparison of benefits between solar pumping stations and power pumping stations

表5 太陽能泵站和動(dòng)力電泵站水泵性能對(duì)比Tab.5 Comparison of pump performance between solar pumping station and power station pump station

太陽能泵站水泵系統(tǒng)在運(yùn)行過程中不會(huì)產(chǎn)生電費(fèi)和過多的運(yùn)行費(fèi)用，使用壽命長；光伏發(fā)電暗排區(qū)對(duì)水泵安全運(yùn)行可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，無人看管操作。2項(xiàng)技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，不僅響應(yīng)國家節(jié)能環(huán)保政策，且較動(dòng)力電在各方面有了很大的提升和完善，大大提高了設(shè)備運(yùn)行的安全性與可靠性。

3 銀北灌區(qū)暗管排水項(xiàng)目區(qū)運(yùn)行狀況及效益

3.1 灌區(qū)暗管排水工程運(yùn)行狀況

調(diào)研期間，銀北灌區(qū)3區(qū)縣暗管排水工程運(yùn)行、抽排水正常，項(xiàng)目區(qū)地下水位降低，耕地被改良后，作物種植結(jié)構(gòu)有所調(diào)整，旱作為主，農(nóng)作物長勢(shì)良好；部分新建暗管初期改良地，較之前有了很大改觀，耕地現(xiàn)已占苗?；蒉r(nóng)區(qū)農(nóng)發(fā)辦雇傭當(dāng)?shù)?0～60歲的農(nóng)民，指定專門人員負(fù)責(zé)暗管的日常維護(hù)、集水井清淤及定時(shí)抽排水的工作，對(duì)暗管正常運(yùn)行起到了積極作用，值得其他區(qū)縣借鑒。在銀北灌區(qū)，暗管排水技術(shù)治理鹽堿的措施很受農(nóng)戶歡迎。

3.2 暗管效益分析

據(jù)農(nóng)發(fā)辦工作人員介紹，已建成的暗管排水工程運(yùn)行多年后，暗排區(qū)的地下水位明顯得到了降低，鹽堿漬害得到了有效的控制和防治，實(shí)施前地下水埋深為0.3～1.0 m，現(xiàn)在項(xiàng)目區(qū)地下水埋深控制在1.5 m左右，并維持動(dòng)態(tài)平衡；部分項(xiàng)目區(qū)土壤含鹽量原為0.5%～2.2%，屬中鹽漬土或強(qiáng)鹽漬土，改良后現(xiàn)已降低至0.3%～0.5%，屬弱鹽漬土，有的項(xiàng)目區(qū)改良后土壤含鹽量已小于0.3%，屬非鹽漬化土。暗管排水通過改善作物生長的土壤水鹽條件[16]，同時(shí)，在灌溉和降雨的作用下，能排出土壤中的易溶鹽分，為作物生長創(chuàng)造了良好的生長環(huán)境[17]，提高了作物產(chǎn)量，部分改良為非鹽漬化土的項(xiàng)目區(qū)，作物根層土壤含鹽量灌溉期為0.095%左右，冬灌前為0.045%～0.056%，并且，種植小麥和玉米長勢(shì)良好，較未實(shí)施前小麥每公頃增產(chǎn)150～750 kg，增幅為2.7%～16.67%，玉米每公頃增產(chǎn)150～600 kg，增幅為2.63～16.67%，農(nóng)業(yè)增收約400～1 800 元/hm2。應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了灌區(qū)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)豐收，帶動(dòng)了灌區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)收入。

以平羅縣陶樂鎮(zhèn)馬太溝村暗管排水項(xiàng)目區(qū)為例。項(xiàng)目區(qū)為引黃自流灌區(qū)，原采用明溝排水，由于明溝淤積坍塌嚴(yán)重，導(dǎo)致農(nóng)田排水困難，土地鹽漬災(zāi)害加劇[18]。2015年修建了暗管排水工程，排水控制面積220 hm2。

為了定量說明暗管排水工程對(duì)銀北地區(qū)鹽堿地的改良效果，課題組選取馬太溝暗管排水項(xiàng)目區(qū)作為試驗(yàn)監(jiān)測(cè)區(qū)域，對(duì)地下水位、土壤全鹽量、土壤PH值進(jìn)行周期性監(jiān)測(cè)，自2016年8月12日開始，至2016年10月11日結(jié)束，每10 d監(jiān)測(cè)一次。地下水埋深動(dòng)態(tài)變化見表6，不同深度土壤全鹽量初末變化見表7，不同深度土壤pH初末變化見表8。

表6 地下水埋深變化 m

表7 不同深度土壤全鹽量變化 g/kg

表8 不同深度土壤pH變化Tab.8 Changes in soil pH in different depths

監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：①地下水埋深明顯降低，由于暗管建成已運(yùn)行半年之久，初次監(jiān)測(cè)時(shí)，一級(jí)自流區(qū)為1.14 m，二級(jí)強(qiáng)排為1.57 m，較實(shí)施前均有所降低，監(jiān)測(cè)期內(nèi)受強(qiáng)降雨影響，8月22日埋深有所回升，之后又呈現(xiàn)出總體下降趨勢(shì)，至冬灌前觀測(cè)結(jié)束時(shí)，一級(jí)自流區(qū)地下水埋深降為1.91 m，降低27.4%，二級(jí)強(qiáng)排區(qū)降為地下水埋深降為2.0 m，降低67.5%；②不同深度土壤全鹽量含量降低，一級(jí)自流區(qū)下降率為19.4%～35.6%，二級(jí)強(qiáng)排區(qū)下降率為4.8%～18.7%；③土壤酸堿性得到改善，不同土壤剖面的pH降低。由此，說明暗管排水能有效的防治鹽漬災(zāi)害，排水排鹽效果顯著[19,20]。

項(xiàng)目區(qū)實(shí)施暗管排水后，現(xiàn)規(guī)劃主要種植作物為玉米和小麥，對(duì)2016、2017年度的作物產(chǎn)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明，玉米增產(chǎn)600 kg/hm2，小麥增產(chǎn)900 kg/hm2，油葵增產(chǎn)300 kg/hm2，應(yīng)用暗管排水技術(shù)后，農(nóng)作物產(chǎn)量增產(chǎn)幅度5.3%～17.2%，年農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)增收總值達(dá)26萬元，平均增加1 179 元/hm2。說明暗管排水促進(jìn)作物增產(chǎn)效果顯著。馬太溝暗管排水項(xiàng)目區(qū)糧食增產(chǎn)效益見表9。

表9 馬太溝暗管排水項(xiàng)目區(qū)糧食增產(chǎn)效益Tab.9 Grain yield increase in Matai ditch drainage projectarea

注：其中玉米75%，小麥20%，其他(主要為油葵)5%。

3.3 存在問題

暗管排水技術(shù)在灌區(qū)應(yīng)用多年來，效果顯著，但在課題組調(diào)研的過程中，發(fā)現(xiàn)存在諸多問題，歸納如下。

(1)地方建設(shè)部門對(duì)暗管排水工程的規(guī)劃缺乏足夠的論證與評(píng)估，沒有把暗管排水工程置于區(qū)域土地治理及其灌溉排水配套規(guī)劃的大格局中統(tǒng)籌規(guī)劃。

(2)設(shè)計(jì)部門對(duì)暗管排水工程基礎(chǔ)資料的收集不夠重視，缺乏真實(shí)可靠的調(diào)研，設(shè)計(jì)資料、計(jì)算參數(shù)千篇一律，無針對(duì)性可言，造成一些項(xiàng)目區(qū)暗管排水工程設(shè)計(jì)方案選擇不合適。

(3)由于暗管排水工程規(guī)模小，建設(shè)工程運(yùn)作不太規(guī)范，不同施工單位的施工質(zhì)量控制存在較大差異。

(4)建設(shè)歸檔資料庫不完善，個(gè)別地方重疊、重復(fù)建設(shè)。老項(xiàng)目區(qū)重新建設(shè)后，前后2次的設(shè)計(jì)施工資料無歸檔記錄。

(5)重建設(shè)輕管護(hù)現(xiàn)象比較嚴(yán)重。管護(hù)經(jīng)費(fèi)不到位，管理責(zé)任缺失。例如：由于管道清淤工程量大，且需要專門的清淤設(shè)備，投資較大，各暗管排水工程項(xiàng)目區(qū)均沒有按要求定期實(shí)施管道清淤工作；暗管入溝的排水溝普遍存在雜草叢生，淤積嚴(yán)重，排水不暢，出口被掩埋等問題；在溝道清淤、砌護(hù)等治理工程中，設(shè)置在溝道邊坡上的暗管出水口遭受破壞比較嚴(yán)重。

4 總結(jié)與建議

暗管排水工程在治理銀北灌區(qū)鹽漬災(zāi)害、改造中低產(chǎn)田中發(fā)揮重要作用，尤其是將光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于暗管排水工程中，使暗管排水技術(shù)顯示出更大的優(yōu)勢(shì)?；诂F(xiàn)狀，應(yīng)從工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、勘察、施工、管護(hù)等多方面作出努力和思考，使其能真正規(guī)范暗管排水工程建設(shè)行為，提高寧夏農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)暗管排水工程建設(shè)的技術(shù)水平。就灌區(qū)暗管排水工程應(yīng)用現(xiàn)狀及存在問題，給出以下幾點(diǎn)建議。

(1)設(shè)計(jì)部門設(shè)計(jì)前必須收集準(zhǔn)確無誤的項(xiàng)目區(qū)水文地質(zhì)資料，必要時(shí)補(bǔ)充勘察，做好地層土質(zhì)和地下水位勘察工作，提高隱蔽工程的設(shè)計(jì)水平，提倡針對(duì)項(xiàng)目區(qū)實(shí)際情況的合理設(shè)計(jì)，而不僅僅只是套用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)資料。

(2)對(duì)暗管排水工程的保護(hù)應(yīng)引起農(nóng)田基本建設(shè)相關(guān)部門的重視，并落實(shí)到具體的工程建設(shè)設(shè)計(jì)與施工方案之中。

(3)把暗管排水工程置于區(qū)域土地治理及其灌溉排水配套規(guī)劃的大格局中統(tǒng)籌規(guī)劃，使暗管排水規(guī)劃更加科學(xué)合理。

(4)將農(nóng)田基本建設(shè)視為一個(gè)系統(tǒng)工程，合理調(diào)度，協(xié)調(diào)有序。杜絕在修建新工程的過程中，損壞既有配套工程的野蠻施工方式。

(5)既然有河長制、湖長制，那么也可以在 灌區(qū)對(duì)各級(jí)渠道和各級(jí)溝道實(shí)施行政管理的方式，即渠長和溝長，保障渠道、溝道等農(nóng)田水利工程配套設(shè)施的管護(hù)，明確目標(biāo)，責(zé)任到人，落實(shí)到位，以解決“重建設(shè)輕管護(hù)”的頑疾。