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    黃河三角洲暗管排水排鹽工程參數(shù)設(shè)計與應(yīng)用

    2020-04-17 19:05:54陳為峰王文中劉志全張立賓尹承斌倪俊玲
    人民黃河 2020年1期
    關(guān)鍵詞:黃河三角洲

    陳為峰 王文中 劉志全 張立賓 尹承斌 倪俊玲

    摘要:為進(jìn)一步簡化黃河三角洲鹽堿區(qū)暗管排水排鹽工程規(guī)劃設(shè)計方案,結(jié)合土地開發(fā)工程典型實(shí)例,通過對項目區(qū)實(shí)際情況的分析,探討了暗管排水工程規(guī)劃設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)確定的理論模型及其簡化求解方法。黃河三角洲地區(qū)多采用單級暗管形式,暗管材料選用外徑為110 mm的PE雙壁波紋塑料打孔管;暗管埋深建議為1.2- 1.7m;根據(jù)不同的排鹽標(biāo)準(zhǔn),計算出相應(yīng)的排水模數(shù),結(jié)合排水區(qū)域土壤的滲透系數(shù),提供了暗管間距選擇參考表,得出項目區(qū)暗管布設(shè)間距范圍可取17-27 m,平均為22 m。

    關(guān)鍵詞:暗管排水:排水模數(shù):暗管埋深:暗管間距:黃河三角洲

    中圖分類號:S276.3

    文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

    doi:10.3969/j .issn.1000-1379.2020.01.030

    1 引言

    黃河三角洲地區(qū)土地開發(fā)對象主要是濱海新生鹽堿地。該區(qū)濱海新生鹽堿地土壤質(zhì)地以粉砂壤土為主,結(jié)構(gòu)松散,穩(wěn)定性差,排水明溝邊坡極易坍塌[1],其排水排鹽效果持續(xù)性差,維護(hù)成本極高,且占地多;豎井排水技術(shù)對降低該地區(qū)表層潛水位的作用也不夠明顯[2],且成本較高,一直沒有得到大面積推廣應(yīng)用;臺田淺塘改良利用技術(shù)曾是黃河三角洲鹽堿土的重要改良方法,但在土地資源日益寶貴的今天,因其土地利用率較低,也逐漸被淘汰;鹽堿地稻改利用改良方法,受制于黃河下游淡水資源不足,只能小面積推廣。黃河三角洲地區(qū)從20世紀(jì)七八十年代就已經(jīng)開展了暗管排水排鹽研究[3],目前該技術(shù)成為該地區(qū)鹽堿地高效開發(fā)與利用的主導(dǎo)模式。

    暗管排水排鹽技術(shù)可有效避免明溝排水占用大量耕地和邊坡塌陷的問題[4],是一種水利措施改良鹽堿、脫鹽效率較高的方法[5-6],增產(chǎn)效果明顯[7]。暗管埋設(shè)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)為暗管的埋深與間距[8-9].選擇適宜的排水暗管布設(shè)規(guī)格,能夠提高改鹽效率,控制地下水位,進(jìn)而提高作物產(chǎn)量[10]。暗管排水布設(shè)關(guān)鍵參數(shù)可以通過試驗(yàn)或模型計算的方法加以確定。薛靜等[11]通過研究認(rèn)為,在保證作物產(chǎn)量有所提升的前提下,內(nèi)蒙古河套灌區(qū)田間排水暗管規(guī)格為間距100 m或75 m、埋深2.5 m;田玉福等[12]提出,在松嫩平原蘇打草甸堿土改土基礎(chǔ)上,暗管間距小于20 m對表層土壤滲透性、土壤全鹽含量、ESP(堿化度)改善作用顯著,暗管埋深為0.8 m、暗管間距為Sm對表層土壤的改良效果最好;劉慧濤等[13]通過田間試驗(yàn),提出河北濱海鹽堿區(qū)暗管排水排鹽最優(yōu)鋪設(shè)方案為埋深1.2 m、間距30 m。綜上所述,不同學(xué)者確定暗管布設(shè)關(guān)鍵參數(shù)時采用的方法和模型不一,結(jié)果差異較大,這可能與不同研究區(qū)域的土壤、地下水、氣候、種植作物等因素有關(guān)。本文結(jié)合前人研究成果,以東營市河口區(qū)新戶二期土地開發(fā)重點(diǎn)項目為實(shí)例,采用簡化模型方法,立足當(dāng)?shù)貙?shí)際,結(jié)合工程實(shí)踐,進(jìn)行暗管排水系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計總結(jié)與探索,旨在探討黃河三角洲典型鹽堿區(qū)暗管排水系統(tǒng)中規(guī)劃設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)的確定方法、思路和途徑,并為類似地區(qū)暗管排水改鹽技術(shù)的實(shí)踐與應(yīng)用提供參考。

    2 研究區(qū)概況

    研究區(qū)屬北溫帶半濕潤大陸性氣候區(qū),年平均氣溫13.1℃,年平均降水量565.6 mm,土壤類型主要為潮土、潮鹽土。選擇典型區(qū)域?yàn)闁|營市河口區(qū)新戶二期土地開發(fā)重點(diǎn)項目區(qū),位于東營市河口區(qū)新戶鎮(zhèn)西南部,處于北緯37°58'53”-37°50'37”,東經(jīng)118°13'03”-118°18 '32”。項目建設(shè)規(guī)模5 699.40 hm2,其中鹽堿地為2 099.31 hm2。項目區(qū)屬黃河近代沖積平原,地勢平緩,地形南高北低,東高西低,南北向自然坡降為1/10 000左右,東西向自然坡降為1/5 000左右,地面高程大多在2.0-5.5 m之間,屬于黃河三角洲鹽堿地開發(fā)的典型區(qū)域。項目區(qū)前期進(jìn)行的土壤調(diào)查表明,土壤pH值為7.33 - 9.32,土壤含鹽量為1.05 -35.98 g/kg,其中輕度鹽化土占24.17%,中度鹽化土占23.33%.重度鹽化土占22.50%.鹽土占28.33%;土壤有機(jī)質(zhì)含量為0.56 - 29.25 g/kg,土壤滲透系數(shù)為0.3-1.5 m/d。2013年3月調(diào)查數(shù)據(jù)表明,區(qū)內(nèi)地下水靜止水位埋深為0.90 - 2.70 m,地下水位隨季節(jié)的變化而變化,歷年地下水最高靜止水位埋深為0.50 m.水位變化幅度為3.00 m;地下水含鹽量平均值為10 g/L。

    項目區(qū)位于黃河下游王莊灌區(qū)西部,黃河水是項目區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)唯一可靠的淡水資源。項目區(qū)來水時間短,水資源寶貴,引水量受限,提高排水洗鹽效率非常有必要:同時,區(qū)域汛期降雨集中,在雨季通過排水系統(tǒng)有效控制漬害也是該地區(qū)需要解決的問題。因此,通過暗管排水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有效控鹽防漬是工程設(shè)計應(yīng)首要解決的問題。

    3 暗管排水工程規(guī)劃設(shè)計

    3.1 設(shè)計地下排水模數(shù)

    設(shè)計地下排水模數(shù)是確定暗管布設(shè)的關(guān)鍵參數(shù)之一。出于降水位控鹽的要求,可采取地下水位下降速度標(biāo)準(zhǔn)和排蒸比控鹽標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行約束。

    根據(jù)《農(nóng)田排水工程技術(shù)規(guī)范》(SL/4-2013)(以下簡稱《規(guī)范》),旱作區(qū)在漬害敏感期間可采用3-4d將地下水埋深降至0.4- 0.6 m;防治鹽堿化通常以地下水位臨界深度為工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),排水時間一般可采用8-15 d將地下水位降到臨界深度。因此,可按上述水位下降速度標(biāo)準(zhǔn)要求計算排水模數(shù)。降雨或洗鹽灌溉后,在土壤水蒸發(fā)和土壤內(nèi)排水的共同作用下地下水位不斷下降,因此在計算設(shè)計地下排水模數(shù)時,應(yīng)首先計算排水過程中的地下水平均蒸發(fā)強(qiáng)度。

    3.1.1 地下水平均蒸發(fā)強(qiáng)度

    排水過程中的地下水平均蒸發(fā)強(qiáng)度可按下式計算:

    該區(qū)水面蒸發(fā)強(qiáng)度約為5 mm/d.排漬設(shè)計地下水埋深一般取0.5 m.臨界地下水埋深為2.0 m左右,出于理論和工程實(shí)踐的結(jié)合考慮,本設(shè)計控鹽地下水埋深采用1.7 m。據(jù)此可計算出該區(qū)排水期間地下水平均蒸發(fā)量,見表1。

    3.1.2 防漬排水模數(shù)

    《規(guī)范》提供的防漬排水模數(shù)公式中沒有考慮地下水蒸發(fā)的影響,計算結(jié)果會偏大,在此對公式進(jìn)行修正如下:式中:q漬 為防漬平均排水模數(shù),mm/d; ho為起始地下水埋深,m;ht為滿足防漬要求的設(shè)計地下水埋深,m;t為排水時間,d;u為地下水位降深范圍內(nèi)的平均給水度。

    設(shè)計時,該區(qū)治漬標(biāo)準(zhǔn)中最大水位降深按0.5 m計算,時間是3d,排水層土壤給水度平均值為0.05,據(jù)此可計算出治漬排水模數(shù)(見表1)。

    3.1.3 控鹽排水模數(shù)

    控鹽排水模數(shù)計算公式為式中:q鹽 為控鹽平均排水模數(shù),mm/d;h0為起始地下水埋深,m;ht為滿足防鹽要求的設(shè)計地下埋深,m,取1.7 m;;Ω為排水地段內(nèi)的地下水面形狀修正系數(shù),暗管排水宜取0.8 - 0.9。

    按控鹽標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計時,該區(qū)最大水位降深按1.7 m計算,平均給水度為0.05,地下水面形狀修正系數(shù)取0.85.據(jù)此可計算出不同排水時間下的控鹽排水模數(shù)(見表1)。

    3.1.4 排蒸比

    為進(jìn)一步驗(yàn)證所用排水模數(shù)是否滿足排鹽需要,可用排蒸比指標(biāo)來進(jìn)行校核。排蒸比是指在地下水位降落過程中,排水地段內(nèi)土壤中的重力水被排水溝(管)排出的水量與被蒸發(fā)消耗掉的水量之比值,用η表示。用排蒸比作為一種指標(biāo)來表示排水標(biāo)準(zhǔn),具有明確的物理概念和實(shí)用意義。按照土壤剖面內(nèi)的鹽量平衡關(guān)系,排蒸比可用下式計算[14]:

    該改良區(qū)為引黃灌區(qū),黃河水礦化度一般為0.6g/L左右,而地下水礦化度平均為10 g/L左右,則可計算出按鹽量平衡關(guān)系下,G取1時,排蒸比η=0. 63;G取2時,η=1. 19。

    綜上所述,滿足控鹽要求的排水模數(shù)也同時滿足排漬要求。不同排水時間的排水模數(shù)和排蒸比是不一樣的,排水模數(shù)為2.44 mm/d,相應(yīng)排水時間設(shè)計為12d,排蒸比為0.68,可以滿足改鹽區(qū)一般控鹽要求;排水模數(shù)為4.44 mm/d.相應(yīng)當(dāng)排水時間設(shè)計為9d,排蒸比為1.24,可以滿足改鹽區(qū)較高的控鹽要求。

    3.2 暗管布置規(guī)劃

    暗管田間布置有單級管、多級管等形式。單級管是指只布置一級吸水管,具有吸聚和排泄地下水流的能力;多級管包括一級吸水管和二級或三級集水管,集水管主要起到及時匯集和輸排吸水管來水的作用。該地區(qū)高程低,多級管需要設(shè)置強(qiáng)排系統(tǒng),而一級吸水管布局簡單,投資小,易管理,運(yùn)行費(fèi)用低,是目前暗管排水工程采取的主導(dǎo)模式。

    根據(jù)項目區(qū)實(shí)際情況,并結(jié)合該地區(qū)前期項目,項目區(qū)采用了復(fù)合式單級暗管自流排水工程形式(見圖1),即每個條田內(nèi)部仍保留一條農(nóng)溝,溝深1.5 m,底寬1.0 m,邊坡為1:2,主要用于排出地面澇水,同時與暗管一起起到控制地下水位、排出淺層潛水的作用,以加速脫鹽改良進(jìn)程。暗管沒有與農(nóng)溝相連,而是與農(nóng)溝平行、與斗溝垂直相連的形式。采用這種布置形式一是考慮到排水走向,二是考慮給暗管留有足夠的出口高度,避免排水溝坍塌造成的暗管堵塞、出水不暢。

    3.3 暗管管材選擇與管徑設(shè)計

    暗管應(yīng)選擇抗鹽堿、耐腐蝕的管材,同時應(yīng)滿足一定的強(qiáng)度要求。結(jié)合該區(qū)多年的工程實(shí)踐以及現(xiàn)狀機(jī)械化施工要求,采用外徑110 mm雙壁波紋PE塑料打孔管(內(nèi)徑為100 mm左右);吸水孔打在暗管波紋底部,在管道四周均勻分布,每周4行,每100 mm有2排;吸水孔為長方形,寬度為1 mm,長度為50 mm,有效吸水孔面積大于8 000 mm2/m。

    3.4 暗管埋深設(shè)計

    暗管埋深的確定,是暗管排水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計的主要任務(wù)之一。塑料暗管埋深的確定要滿足防漬或防鹽的要求,并應(yīng)考慮項目區(qū)氣候條件、土壤質(zhì)地、作物種類、出水條件等因素。

    3.4.1 暗管最小埋深設(shè)計

    確定暗管最小埋深,應(yīng)在滿足控鹽要求的基礎(chǔ)上,充分滿足種植作物排漬要求、農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)要求等。對暗管埋設(shè)深淺的研究表明[15],埋深越小,經(jīng)灌溉淋洗后,其排水效率越高,耕作層土壤脫鹽效果越好,鹽分分布越均勻,改土效率越高。另外,采用適當(dāng)?shù)陌倒軠\埋方式,可以大大增加利用降雨進(jìn)行洗鹽的機(jī)會,并加快上層土壤的脫鹽速度。這對淡水資源非常缺乏的黃河三角洲地區(qū)更有實(shí)踐意義。根據(jù)《規(guī)范》要求,暗管最小埋深工程控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)滿足農(nóng)作物全生育期的排漬要求,可視作物根深不同而選用0.8 - 1.3 m;另外,還需要考慮農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)對排水要求的地下水埋深,如滿足履帶式拖拉機(jī)下地要求的最小地下水埋深是0.4 m,滿足輪式拖拉機(jī)要求的是0.5 m,目前該地區(qū)采用的深松機(jī)械,最大深度達(dá)到0.7 m,即要求地下水埋深應(yīng)不小于0.7 m。

    考慮到兩排水暗管間地塊中部地下水位與排水暗管中水位之差(一般取0.2 m),以及暗管中水深(一般取暗管管徑的一半,即0.05 m),可確定暗管最小埋深為0.95 m。該深度小于劉文龍等[16]提出的“淺密型”暗管布置推薦深度1.2 m。

    3.4.2 暗管最大埋深設(shè)計

    施工實(shí)踐表明,埋管越深,施工越難,投資越大,因此埋設(shè)的最大深度一般由控制土壤返鹽的地下水埋深確定。另外,黃河三角洲地區(qū)目前亟待開發(fā)的大片鹽堿地主要位于濱海區(qū),大片區(qū)域高程在3m左右,在考慮自流排水的前提下,埋管最大深度也受到自然高程的制約。因此,在實(shí)際施工中,一是要考慮當(dāng)?shù)芈窆軝C(jī)械的施工深度;二是要考慮在施工機(jī)械鋪管深度一定、地形允許的情況下,盡量滿足自流排水要求,以減少運(yùn)行費(fèi)用;三是要考慮運(yùn)行過程中排水溝的坍塌淤積,避免出現(xiàn)管道堵塞現(xiàn)象。

    暗管最大埋深位于暗管出水口處(即伸出排水溝位置,見圖2),可按以下公式計算:

    由式(5)可計算出最大設(shè)計埋深為1.90 m.因此其最大設(shè)計埋深原則上可定為1.90 m。

    黃河三角洲地區(qū)多年土地開發(fā)整理施工和管理經(jīng)驗(yàn)表明,新開挖排水溝坡坍塌比較嚴(yán)重,同時造成溝底淤積(經(jīng)調(diào)查,一般當(dāng)年淤積厚度在0.3 - 0.5 m之間),因此必須適當(dāng)加大暗管與斗溝溝底的高差,以免暗管出口被淤土堵塞。當(dāng)?shù)匦峦跍锨话忝磕昵逵僖淮?,考慮溝內(nèi)淤積厚度,確定暗管出口與溝底高差保持在50 cm以上,即最大埋深采用1.70 m可滿足各項要求,基本保證出水通暢。長遠(yuǎn)來看,要對土壤進(jìn)行徹底改良,還應(yīng)該控制地下水位在臨界水位以下,但就其運(yùn)行成本以及整個地區(qū)水文地質(zhì)大環(huán)境來看(如外圍咸水的長期側(cè)滲補(bǔ)給),除非在較大范圍內(nèi)實(shí)施暗排,否則很難實(shí)現(xiàn)。

    該項目區(qū)暗管設(shè)計埋深閾值(即暗管首端和末端埋深)確定為1.20 m和1.70 m,布設(shè)時根據(jù)項目區(qū)內(nèi)各單元規(guī)劃種植作物、土壤含鹽量、地下水質(zhì)、黏土層分布特征、地下水位高低、田塊長短等因素進(jìn)行因地制宜的布置。

    3.5 暗管的間距設(shè)計

    暗管間距是暗管排水系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)之一。暗管間距大小與土壤性質(zhì)、設(shè)計排水模數(shù)、暗管埋深等因素有關(guān)。間距設(shè)置合理與否,直接關(guān)系到排水效果和工程投資大小。

    采用Hooghoudt簡化公式確定暗管適宜間距[16]:

    式中:L為暗管間距.m;k為暗管埋設(shè)土層土壤滲透系數(shù),經(jīng)現(xiàn)場實(shí)測,該項目區(qū)土壤滲透系數(shù)變異較大,大部分介于0.3 - 1.5 m/d之間;H為非穩(wěn)定流情況下的平均作用水頭.m;D為不透水層頂部低于排水管的深度,m;q為排水模數(shù),m/d。

    在非穩(wěn)定流條件下,暗管排水模數(shù)不是一個定值,在設(shè)計排漬時間內(nèi),排水過程中隨著地下水位(作用水頭)的變化而變化。為簡化計算,在此假定暗管排水模數(shù)不變,即取上文計算的暗管平均設(shè)計地下排水模數(shù)。平均作用水頭H可按下式計算[17]:

    式中:Ho為初始作用水頭,m;Ht為t時刻作用水頭,m。

    由此可計算出不同設(shè)計埋深m(可以暗管縱向中部埋深為準(zhǔn))、不同滲透系數(shù)、不同改鹽要求(G=I、G=2)的理論暗管間距(見表2)。

    該項目區(qū)滲透系數(shù)一般為0.6- 1.2 m/d.設(shè)計平均埋深(應(yīng)考慮暗管出口排水溝的深度)按1.3 - 1.5 m(暗管中段埋深)考慮,排鹽按照一般標(biāo)準(zhǔn)要求,即G=1,最終選擇暗管間距為17 - 27 m,平均為22 m。在工程施工過程時,可根據(jù)不同項目區(qū)實(shí)際情況適當(dāng)修正。

    4 結(jié)論

    結(jié)合黃河三角洲地區(qū)暗管排水改鹽工程實(shí)際情況和現(xiàn)有數(shù)據(jù)資料,分析了有關(guān)設(shè)計參數(shù)的理論模型及其求解方法,結(jié)合不同模型的對比計算,提出了基于當(dāng)?shù)夭煌寥罎B透系數(shù)、不同改鹽要求的暗管排水改鹽工程關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)參考值,為黃河三角洲地區(qū)應(yīng)用暗管排鹽工程實(shí)踐提供設(shè)計指導(dǎo),研究結(jié)果有較強(qiáng)的實(shí)踐意義和一定的理論價值。

    (1)在目前的管理體制和投資體制下,暗管排水系統(tǒng)建議采用單級埋設(shè)方式,材料選用外徑為110 mm的PE雙壁波紋塑料打孔管。

    (2)根據(jù)暗管出口排水溝的典型深度,暗管埋深建議在1.2 - 1.7 m之間,可根據(jù)暗管埋設(shè)長度、埋設(shè)比降和出水管口與排溝溝底的高差等多種因素,綜合考慮確定首端、末端適宜深度。

    (3)根據(jù)該區(qū)暗管推薦采用的埋深,基于排水區(qū)域土壤的滲透系數(shù)和不同的排鹽標(biāo)準(zhǔn)(不同的排蒸比),采用Hooghoudt簡化公式計算出了暗管適宜的布設(shè)間距參考值。具體而言,該區(qū)暗管布設(shè)間距范圍可采取17 -27 m,平均為22 m。

    (4)排水范圍土體給水度、地下水面形狀校正系數(shù)、土壤滲透系數(shù)、排水模數(shù)等參數(shù)在非穩(wěn)定流的排水條件下,采用了定值化或平均化處理,這樣處理比較粗略,可能帶來一些計算上的誤差,如何更合適地確定以上參數(shù),需要進(jìn)一步分析探討。

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    【責(zé)任編輯 許立新】

    收稿日期:2018-03-06

    基金項目:山東省重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)項目(2016CYJS05A02);國家自然科學(xué)基金資助項目( 31570522):山東省土地綜合整治服務(wù)中心項目(LTZY-2017-002)

    作者簡介:陳為峰(1970-),男,山東日照人,教授,主要從事土地生態(tài)整治、水土資源利用等方面的研究工作

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