濱海鹽堿地治理模式研究創(chuàng)新

李曉玉，趙文廷,3,4，白冬菊，康鎖倩，郭旭耀

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 國土資源學(xué)院，河北 保定 071000；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河北 保定 071000；3.河北保定生態(tài)文明研究院，河北 保定 071000；4.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)土壤環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071000）

土地鹽漬化是世界性問題[1]，土地鹽漬化現(xiàn)象十分廣泛，除南極洲無調(diào)查數(shù)據(jù)外，其余各大洲均有鹽漬土分布，全球鹽漬化土地面積約95 438×104hm2，且以每年100×104hm2～150×104hm2的速度繼續(xù)擴(kuò)大[2-3]。中國鹽漬化土地面積約9 913×104hm2，其中，鹽漬化耕地面積約920.94×104hm2，占全國耕地面積的6.62%[4]。依據(jù)中國土壤分類原則和鹽漬土發(fā)生特點(diǎn)，全國鹽漬化土劃分為濱海鹽土、草甸鹽土、潮鹽土、典型鹽土、沼澤鹽土、洪積鹽土、殘余鹽土和堿化鹽土等類型[4]，其中濱海鹽化土地主要分布在遼東灣、渤海灣、萊州灣及江蘇和浙江等省的沿海地區(qū)，總面積約211.4×104hm2，占全國鹽漬化土地總面積的7.03%。

鹽漬化土地資源豐富，增產(chǎn)潛力巨大，具有廣泛的開發(fā)利用價(jià)值和廣闊的增值空間。目前，提高鹽漬化土地產(chǎn)能的方法較多，主要有農(nóng)業(yè)措施、生物措施、化學(xué)措施、水利工程措施和綜合治理措施等。通過這些措施改良，有效地提高了鹽漬化土地的產(chǎn)能，棉花單產(chǎn)從10 kg/0.067 hm2多提高到100 kg/0.067 hm2[1]。盡管在一些地區(qū)形成了高效、生態(tài)、循環(huán)的農(nóng)業(yè)體系[5]，但對于分布大面積鹽漬化土地的濱海地區(qū)來說，仍然存在目標(biāo)過于單一、水資源約束困難、種糧成本高和效益低等許多問題需要解決[6]，尚須結(jié)合現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)莊園建設(shè)發(fā)展理念[7]，進(jìn)行深入研究和探索新型的漬化土地綜合治理模式。在江蘇興化垛田[8-10]、長江和珠江三角洲基塘[11-15]、黃淮海平原臺田[16-17]等農(nóng)業(yè)生態(tài)工程和濱海鹽漬化土地治理工程研究基礎(chǔ)上，結(jié)合礦山固體廢棄物資源化利用和海水淡化利用，創(chuàng)新提出了一種適合濱海鹽漬化土地開發(fā)利用的塘垛模式，更高程度挖掘鹽漬化土地的開發(fā)利用潛力，有利于濱海灘涂現(xiàn)化農(nóng)業(yè)莊園建設(shè)和發(fā)展。

1 濱海鹽漬化土地開發(fā)利用研究思路的提出

興化垛田模式、長江與珠江三角洲基塘模式和黃淮海平原臺田模式的共同目標(biāo)是構(gòu)建水陸交互作用的多層次的立體生態(tài)農(nóng)業(yè)體系[8-17]，實(shí)現(xiàn)湖蕩沼澤、濱海灘涂等低洼多水土地的高效和集約開發(fā)利用。所使用的土地整治技術(shù)手段基本相同，充分利用當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境條件，挖溝開塘，構(gòu)建水體生態(tài)環(huán)境體系；堆（墊）成垛（或基、臺），構(gòu)建陸地生態(tài)環(huán)境體系；水體生態(tài)系統(tǒng)和陸地生態(tài)系統(tǒng)相互搭配，協(xié)同一致。雖然有許多優(yōu)勢[13,16]，但也存在以下共同問題：

（1）岸坡（塘?。┨^嚴(yán)重，導(dǎo)致基（或垛、臺田）面積逐漸減小、魚塘（或塘）面積逐漸擴(kuò)大和水深因淤積而變淺，影響水陸立體生態(tài)系統(tǒng)的總體效果。

（2）基（或垛、臺田）面積太小，導(dǎo)致種植業(yè)只能采用傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)方式，不適合大面積的農(nóng)業(yè)機(jī)械化作業(yè)，因此，勞動效率較低。

（3）灌排一體不能保證種植業(yè)的用水質(zhì)量要求，水體污染較嚴(yán)重。不僅如此，當(dāng)池塘中的水以地下水為主，且地下水礦化度較高時(shí)，種植業(yè)用水量也不能保證。

此外，黃淮海鹽漬化土地區(qū)的臺田模式，次生鹽漬化問題嚴(yán)重，因此自然灌排一體化不可避免。因此，提出了下列解決問題的研究思路：利用礦山開采棄石構(gòu)筑基（或垛、臺田）岸坡，以解決岸坡坍塌問題；用礦山開采棄渣構(gòu)造隔鹽與灌溉體系，灌排分離，解決種植業(yè)用水質(zhì)量和數(shù)量不足問題；擴(kuò)大基（或垛、臺田）面積，以提高現(xiàn)代化作業(yè)程度，解決種植業(yè)生產(chǎn)效率低的問題。為此，基于垛田農(nóng)業(yè)、基塘農(nóng)業(yè)和臺田農(nóng)業(yè)等的土地整治與利用思想，提出了濱海鹽漬化土地整治與開發(fā)利用的塘垛模式，可以達(dá)到充分發(fā)揮垛田、基塘等農(nóng)業(yè)的優(yōu)勢，以及彌補(bǔ)不足的目的。

2 濱海鹽漬化土地整治與開發(fā)利用的塘垛設(shè)計(jì)

2.1 塘垛模式設(shè)計(jì)基本原理

（1）降低地下水位的設(shè)計(jì)原理。降低地下水位是鹽漬化土地治理的主要方法，目前人們多采用井工抽水、明溝或暗管排水等方法[6,20-22]，將地下水位降至低于土壤地下水位臨界深度。對于明溝或暗管排水，依據(jù)河間地塊水頭線方程原理[23]（圖2），計(jì)算鹽排水溝（或管）的水平間距L 和一側(cè)排水溝的單位長度的流量q 的過程如下：

根據(jù)河間地塊水頭線方程有：

式中，H 為地面至隔水底板的垂直距離（m）；h1、h2分別為兩側(cè)排水溝的水位（m）；q1、q2分別為地下水向兩側(cè)排水溝的單位排水量（m）；L 為相鄰排水溝的水平距離（m）；a 地下水分水嶺距左側(cè)排水溝的水平距離（m）；ha 為地下水分水嶺處潛水的位置水頭（m）；Za 為地下水分水嶺處潛水位的埋藏深度（m）。

要保證河間地塊不產(chǎn)生鹽漬化，地下水位埋深Za 不應(yīng)大于毛細(xì)水最大上升高Zcr，即：

解方程（式3）即得排水溝之間的距離L。

如果h1=h2，地下水分水嶺在河間地塊中間，即：

（2）降低毛細(xì)水上升高度原理。地下水位淺、毛細(xì)現(xiàn)象是造成土地鹽漬化的根本原因，而毛細(xì)水上升高度受土類影響，細(xì)粒土，如粉土、粉質(zhì)黏土和黏土，顆粒細(xì)，毛細(xì)水上升高度大，一般為100～600 cm；粗粒土，如礫石（或角礫）、卵石（或碎石）和漂礫（或塊石）土，顆粒粗大，毛細(xì)水上升高度小，一般為小于5 cm[23]。因此，用粗顆物質(zhì)（如礦山開采棄渣）在地下一定深度處人工構(gòu)造一定厚度的粗粒土層，可起隔斷毛細(xì)水上升的路徑，達(dá)到降低毛細(xì)水上升高度的目的。

2.2 塘垛總平面圖設(shè)計(jì)原則

濱海鹽漬化土地整治與開發(fā)利用的塘垛總平面圖設(shè)計(jì)包括交通運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)、塘垛平面布局設(shè)計(jì)、塘垛豎向設(shè)計(jì)等內(nèi)容。其中，塘垛平面布局設(shè)計(jì)為總圖設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，包括塘與垛的比例及平面布置，單個(gè)塘、垛的形態(tài)及面積，供排水、交通運(yùn)輸?shù)鹊钠矫娌贾谩?/p>

塘與垛的比例及平面布置（圖3）。依據(jù)濱海土地的地表水、地下水、降水量和蒸發(fā)量等，綜合考慮確定塘與垛的比例。當(dāng)水資源豐富時(shí)，可取7∶3～6∶4；當(dāng)水資源較缺乏時(shí)，可取6∶4～4∶6；當(dāng)水資源缺乏時(shí)，可取4∶6～4∶7。單個(gè)垛塊面積以滿足大型農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)為準(zhǔn)，一般取2～6 hm2；單個(gè)魚塘的面積一般為1 500～10 000 m2，最小不小于500 m2，長寬（東西為長，南北為寬）比2∶1～4∶1，每10～20 個(gè)魚塘組成一個(gè)單元塘組。

供排水、交通運(yùn)輸?shù)鹊钠矫娌贾靡詽M足現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)莊園建設(shè)與發(fā)展需要為原則。垛塊上的供排水包括供水井和排水盲溝平面如圖4 所示，供水井與排水排水盲溝相互搭配。

2.3 排鹽隔鹽體系設(shè)計(jì)原則

排鹽、隔鹽是鹽漬化土地治理的重要技術(shù)手段，目前主要的排鹽方法有灌溉洗鹽法、排水降鹽法、排降水位法、暗管排水法等[1,20-22]，主要隔鹽方法有表層覆蓋法、深層覆蓋法等[1,19-22]。本文提出了一種將礦山環(huán)境治理和廢棄物綜合利用，與鹽漬化土治理相結(jié)合的鹽堿地治理新型模式，該模式的核心技術(shù)在于用礦山固體廢棄物構(gòu)建排鹽隔鹽體系，其豎向設(shè)計(jì)如圖5 和圖6 所示。

圖5 和圖6 中的石渣層②是用礦山開采棄渣構(gòu)造的排鹽隔鹽層，一般埋置于地下1～2 m，取決于上覆人工填土的類型和滲透性。排鹽隔鹽層厚度可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般可取20～50 cm，或由試驗(yàn)確定，當(dāng)壓實(shí)系數(shù)不小于0.93。

2.4 灌溉體系設(shè)計(jì)原則

水是農(nóng)業(yè)的命脈。保障濱海鹽漬化土地農(nóng)業(yè)灌溉用水至關(guān)重要。濱海鹽漬化地區(qū)，如在渤海灣地區(qū)平行海岸寬度約20 km 的鹽漬化土地帶，地下水位埋藏淺，一般為1.5～2.0 m；地下水和地表水的礦化度較高，一般為5～20 g/L，為低至高礦化水，個(gè)別地段為鹵水（礦化度達(dá)705～20 g/L），一般不宜直接用于灌溉農(nóng)田[24]。因此，解決鹽漬化地區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉用水問題至關(guān)重要。為此，本文提出了一種利用礦山開采棄渣構(gòu)造地下水含水和輸水的地下水通道，圖5 和圖6 中第③層所示。該層厚度一般為2～3 m，在設(shè)置取水井的位置（圖4 和圖5），厚度增加為4～5 m。

第③層為地下水含水系統(tǒng)和通道，其平面設(shè)計(jì)方式可根據(jù)地塊大小按以下方式布置：一是沿地塊中部地下縱橫各布置一個(gè)條帶，如圖4（a）所示；二是縱橫各兩個(gè)條帶，如圖4（b）所示；三是縱橫各三個(gè)條帶，如圖4（c）所示；四滿堂布設(shè)石渣層，如圖4（d）所示。當(dāng)采用條帶布設(shè)方式時(shí)，條帶寬度和間距應(yīng)按供水量要求，通過計(jì)算確定。

除滿足供水量要求外，還有一個(gè)非常重要的問題，即咸水淡化問題。為此，可為每個(gè)取水井點(diǎn)配套咸水淡化裝置。目前，反滲透膜技術(shù)是較為成熟的，且用得較多的一種咸水淡化技術(shù)，可為每個(gè)取水井點(diǎn)設(shè)計(jì)反滲透膜[25]，以實(shí)現(xiàn)含鹽地下水的資源化利用，為鹽漬化土地高效利用和實(shí)現(xiàn)立體農(nóng)業(yè)模式，提供淡化水資源[26]。

3 可行性分析與評價(jià)

3.1 技術(shù)可行性分析與評價(jià)

在理論方面，濱海鹽漬化土地開發(fā)利用的塘垛模式以毛細(xì)現(xiàn)象原理和河間地塊水頭方程[23]為設(shè)計(jì)依據(jù)，具科學(xué)性和合理性。在實(shí)踐方面，該模式集中了南方的垛田[8-10]、基塘[11-15]，以及黃淮海平原的臺田[16-18]等立體農(nóng)業(yè)[8-17]模式的基本做法和科學(xué)思想，同時(shí)吸收了全國鹽堿地治理的樸素思想和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[6,20-22]，具有扎實(shí)的實(shí)踐基礎(chǔ)。

3.2 經(jīng)濟(jì)可行性分析與評價(jià)

3.2.1 建設(shè)費(fèi)用（成本）估算

（1）項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容。主要包括土地平整、挖土方、填土方、邊（岸）坡加固、路橋建設(shè)、供水配套設(shè)施建設(shè)、渣石（礦山開采棄渣）運(yùn)輸?shù)确猪?xiàng)。

依據(jù)TD/T1039-2013《土地整治項(xiàng)目工程量計(jì)算規(guī)則》確定每1 hm2鹽漬化土地治理工程量計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

表1 每1 hm2 鹽漬化土地的主要治理工程量一覽表Tab.1 The list of main control quantities per 1 hm2 of salinized land

（2）項(xiàng)目建設(shè)費(fèi)用（投資）估算。依據(jù)《土地開發(fā)整理項(xiàng)目預(yù)算定額標(biāo)準(zhǔn)》（2012 版）《河北省建筑、安裝、市政、裝飾裝修工程費(fèi)用標(biāo)準(zhǔn)》，以及國家《工程勘察收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)》等，研究確定每1 hm2鹽漬化土地治理與開發(fā)利用建設(shè)的費(fèi)用見表2。

表2 1 hm2 鹽漬化土地治理工程投資估算表Tab.2 The investment estimation of every 1 hm2 salinized land treatment project

3.2.2 效益來源與估算

運(yùn)用礦山環(huán)境治理與濱海鹽漬化土地高效利用相結(jié)合的思想理念，不僅解決環(huán)渤海水資源短缺和土地鹽漬化問題，開創(chuàng)濱海鹽漬化土地的立體生態(tài)農(nóng)業(yè)，促進(jìn)濱海地區(qū)鄉(xiāng)村振興、京津冀協(xié)同發(fā)展，而且能大量消化太行山區(qū)的礦山固體廢棄物，改善京津冀生態(tài)環(huán)境、預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害，大幅度提升濱海鹽漬化土地產(chǎn)能。新型塘垛模式下每0.067 hm2創(chuàng)收至少增加5×104元，將新模式推廣應(yīng)用到河北18×104hm2濱海鹽漬化土地，則全省收益每年至少增加130×108元，同時(shí)至少增加勞動崗位270×104多個(gè)。

4 結(jié)論

（1）濱海鹽漬化土地整治與開發(fā)利用的塘垛模式綜合發(fā)揮了垛田、基塘生態(tài)農(nóng)業(yè)的優(yōu)勢，有利于濱海灘涂現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)莊園建設(shè)和發(fā)展，可以達(dá)到礦山固體廢棄物資源化利用和礦山環(huán)境治理的目的。

（2）利用礦山廢渣構(gòu)造的供排水系統(tǒng)，除起排水和供水雙重作用外，還可通過咸水淡化為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活提供淡水；與目前普遍采用的暗管排水相比，具有造價(jià)低、易于施工建造、持久性和耐用性好等優(yōu)點(diǎn)，可根據(jù)旅游發(fā)展功能需要，塑造各種平面形態(tài)的垛田（人工微地貌）景觀，提升觀賞、休憩價(jià)值。