黃河三角洲現(xiàn)代化鹽堿土整治技術(shù)體系研究與應(yīng)用

張 亮，趙 陽，石為位，王慶偉

（1.華北水利水電大學(xué)，鄭州450046；2.河南河長學(xué)院，鄭州450046；3.山東安瀾工程建設(shè)有限公司，山東聊城252000）

0 引 言

黃河三角洲位于東營市黃河入?？冢S河攜帶著大量的泥沙奔騰而來，在即將與渤海交匯的地方形成一片沖積平原，這里還有著十分重要的保護(hù)區(qū)——黃河三角洲自然保護(hù)區(qū)，自然資源十分豐富。然而，黃河三角洲臨近渤海灣，地下水埋深較淺，受氣候影響年蒸發(fā)量大于降水量，另一方面海水也在不斷侵蝕著這片土地，因此，土地鹽堿化問題在不斷加劇，嚴(yán)重影響著糧食產(chǎn)量，限制了農(nóng)業(yè)的發(fā)展。不僅如此，由于鹽堿化土地的增多，生態(tài)平衡也受到威脅，曾經(jīng)鳥類的天堂面臨嚴(yán)重的危機(jī)。黃河三角洲地區(qū)土壤鹽堿化問題十分突出，急需科學(xué)高效的治理土地鹽堿化的技術(shù)手段予以解決。

國內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為排灌工程技術(shù)體系建設(shè)在鹽堿化土地防治和治理中發(fā)揮著重要的作用［1-3］。當(dāng)今，暗管、豎井、明溝等措施在排堿方面的運(yùn)用效果較好，逐漸被世界各國所認(rèn)可［4］，其中暗管排堿工程技術(shù)推廣較為成功的是荷蘭。近年來，暗管排堿技術(shù)引進(jìn)我國，通過國內(nèi)多家科研機(jī)構(gòu)共同改進(jìn)施工工藝和機(jī)械，已得到很好的推廣，主要應(yīng)用于排水不暢的低洼地區(qū)，能有效地控制多余的水分，避免了鹽分的蒸發(fā)，運(yùn)行成本基本為零，最關(guān)鍵的是土地改良效果相對較好。

本研究提出以暗管排堿技術(shù)為核心的黃河三角洲現(xiàn)代化鹽堿土整治工程技術(shù)體系，在黃河河口地區(qū)土地開發(fā)項(xiàng)目中進(jìn)行了應(yīng)用，取得了良好的效果。項(xiàng)目區(qū)位于東營市河口區(qū)新戶鎮(zhèn)域內(nèi)駐地西南，共涉及新戶鎮(zhèn)的北臺子、太平、友誼、四頃二、南王、新華、麻郭、東華、西華、馬家、龍王、雙勝、太一、太二、太三等43個(gè)行政村，主體工程于2017年12月完工。

1 黃河三角洲現(xiàn)代化鹽堿土整治工程技術(shù)體系組成

以黃河來水為依托，通過修建水庫水塘等存水網(wǎng)絡(luò)在汛期儲存?zhèn)溆盟?；通過連通各灌溉水渠，合理利用和分配水資源，提高灌溉效率；通過在田間鋪設(shè)暗管排堿和棄水排泄網(wǎng)絡(luò)，調(diào)控地下水位，及時(shí)將鹽分排出，改良鹽堿土，使農(nóng)作物免受漬澇災(zāi)害；結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)智能決策支持系統(tǒng)，根據(jù)采集的土壤墑情和鹽分等數(shù)據(jù)，進(jìn)行水量優(yōu)化分配和水、肥、藥科學(xué)決策，利用自動(dòng)控制系統(tǒng)，進(jìn)行自動(dòng)輸水灌溉；布設(shè)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，觀察改良效果，組成現(xiàn)代化的黃河三角洲鹽堿土整治工程技術(shù)體系。

存水網(wǎng)絡(luò)：水庫作為主要的蓄水方式，也要采取一些輔助性的措施，比如修建水塘魚塘。在黃河汛期，多存儲一些黃河水作為備用水源。但是單純的蓄水設(shè)施是不夠的，還需要把水源、蓄水設(shè)備、灌溉區(qū)連接起來，形成系統(tǒng)的存水網(wǎng)絡(luò)。

灌溉水渠網(wǎng)絡(luò)：依據(jù)高程比降，合理利用上游的水源，在干渠和支渠之間、支渠和斗渠之間、斗渠和農(nóng)渠之間修建自動(dòng)控制閘門，在農(nóng)渠和田地之間修建毛門，各水渠之間通過閘門控制，在汛期實(shí)現(xiàn)提閘后自行儲備，在需要用水時(shí)實(shí)現(xiàn)提閘后自行灌溉，這就大大節(jié)約了成本，灌溉效率也進(jìn)一步提高。

暗管排堿網(wǎng)絡(luò)：該地區(qū)有很大一部分土地為沙性土壤，透水性較好，因此根據(jù)實(shí)際需要，在田間鋪設(shè)暗管，在降水量較大和進(jìn)行田間灌溉時(shí)，多余水分可以下滲到暗管得以及時(shí)排出，也可以適當(dāng)降低地下水水位。

棄水排泄網(wǎng)絡(luò)：暗管的鋪設(shè)雖然有助于排出多余水分，但地下水的流動(dòng)很有可能引起棄水的反滲，無法徹底排出，因此還需適當(dāng)?shù)呐判咕W(wǎng)絡(luò)加以輔助。

物聯(lián)網(wǎng)智能決策支持系統(tǒng)：將水源、輸配水系統(tǒng)、暗管及棄水排泄系統(tǒng)中的水泵、閘門、流量計(jì)、傳感器和自動(dòng)控制器等設(shè)備通過物聯(lián)網(wǎng)連接起來，并與智能決策支持系統(tǒng)相連，以實(shí)現(xiàn)水資源優(yōu)化分配、適時(shí)適量進(jìn)行灌排的智能決策和自動(dòng)控制。

布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)：為更直觀地監(jiān)測地下水位及水質(zhì)變化，需要布設(shè)一些監(jiān)測點(diǎn)及相關(guān)監(jiān)測設(shè)備，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)，觀察改良效果，為下一步工作提供好依據(jù)。

由于黃河兩岸與黃河三角洲地區(qū)的一些地質(zhì)條件、氣候條件等有很多相似之處，因此這些技術(shù)工程措施對今后其他地區(qū)鹽堿地的改良也可以適用。

2 暗管埋深和間距的確定

暗管排堿技術(shù)是一種改良鹽堿化土壤的有效方式，也是黃河三角洲鹽堿土整治工程技術(shù)體系中的核心技術(shù)。其投入成本、排水效率受塑料暗管間距的影響，同時(shí)還與暗管埋深、土壤類型密切相關(guān)，過深的深度和過大的間距不僅會(huì)導(dǎo)致工程量的增大，有時(shí)還會(huì)要求必須采取動(dòng)力強(qiáng)排措施，對管理和運(yùn)行費(fèi)用要求較高，因此，暗管的埋深和間距的確定至關(guān)重要。

2.1 暗管埋深計(jì)算

暗管排堿網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)施工中，不同環(huán)境條件下埋藏深度是有差別的，這不只受地質(zhì)條件的影響，還要綜合分析該地土壤鹽堿化程度、氣候因素及土壤透水性等因素。受當(dāng)?shù)貧夂虻挠绊?，黃河三角洲地區(qū)的降水主要集中在7-9月，地下水位升高，而由于該地區(qū)土壤中含有黏砂夾層土壤的透水性較差，土壤中水分過多會(huì)使得農(nóng)作物和植被根部缺氧，土壤漬化，進(jìn)而導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量降低，因此控制好地下水水位至關(guān)重要［5］。根據(jù)現(xiàn)有條件，暗管埋藏深度的確定很大程度上取決于防止土壤鹽漬化的要求。

根據(jù)農(nóng)田排水工程技術(shù)規(guī)范（SL 4-2013），暗管埋深計(jì)算公式如下：

式中：hq為暗管埋深，m；he為滿足植被和農(nóng)作物需要的地下水埋深，m；He為滯留水頭，即兩暗管埋設(shè)點(diǎn)間田地的中間位置處地下水位高出暗管中水深h0的差值，m；h0為暗管中水深，取值為暗管管徑的1/2，m。

由此可見，影響暗管埋設(shè)深度的主要因素有兩點(diǎn)：①地下水埋深介于何值時(shí)可以保證農(nóng)作物的正常生長；②滯留水頭的取值He，我國滯留水頭一般取在20～30 cm之間［6］。

該地區(qū)鹽堿地經(jīng)過一系列改良，將大面積種植棉花，棉花是較耐鹽堿的作物，一般鹽堿地復(fù)墾都會(huì)優(yōu)先選擇種植棉花。7月到9月為棉花蕾鈴期，是養(yǎng)分需求量最高的時(shí)候，而該地區(qū)的降水又集中在這3 個(gè)月份，需要全力防止?jié)n害的發(fā)生。因此適合棉花生長的地下水埋深成為決定暗管埋設(shè)深度的最為關(guān)鍵的因素。根據(jù)土地開發(fā)整理項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范（TD/T1012-2000），棉花作物設(shè)計(jì)排漬深度為1.0～1.3 m。該區(qū)域所用的管道直徑為10 cm，根據(jù)計(jì)算公式可得出，暗管最小設(shè)計(jì)埋深為1.25 m。

2.2 暗管的間距計(jì)算

控鹽和滿足防漬要求是項(xiàng)目區(qū)布設(shè)暗管主要考慮的因素。20 世紀(jì)80年代初，丁福堂的研究指出暗管密度的大小和排出水量的多少成正比例關(guān)系，暗管間距的大小則與地下水位下降的速度成反比［7］；本世紀(jì)初，王水獻(xiàn)等通過試驗(yàn)證明了在地下水位回降的過程中會(huì)導(dǎo)致土壤因蒸發(fā)而積鹽，并且地下水位回降的速度會(huì)隨著土壤含鹽量的降低而加快［8］。

牛麗霞等對黃河河口地區(qū)排堿暗管間距布設(shè)參數(shù)進(jìn)行了研究［9］，參考其研究成果得出滿足排漬要求的暗管埋設(shè)間距如圖1，得出滿足防鹽要求的暗管埋設(shè)間距如圖2，具體計(jì)算公式和主要參數(shù)取值如下。

圖1 滿足排漬要求的暗管間距Fig.1 Distance between concealed pipes meeting the requirements of drainage

圖2 按排蒸比計(jì)算的暗管間距Fig.2 Distance between concealed pipes calculated by exhaust steam ratio

滿足排漬標(biāo)準(zhǔn)的暗管間距，根據(jù)胡戈浩特公式計(jì)算：

式中：L為暗管埋設(shè)間距，m；Ka為暗管以下土壤滲透系數(shù)，m/d；Kb為暗管以上土壤滲透系數(shù)，m/d，取Ka≈Kb；h為作用水頭，m；d為暗管管徑，m，取值0.1；q為地下排水模數(shù)，m/d，取值0.003 6。

滿足防鹽要求的暗管間距，采用按排蒸比標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算間距的半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，公式如下：

式中：B為暗管埋設(shè)間距，m；K為土壤滲透系數(shù)，m/d；h為暗管埋深，m；ε0為地下水位接近地表時(shí)的蒸發(fā)強(qiáng)度，mm/d，取值10；μ為水面形狀修正系數(shù)，取中間值0.85；α為排蒸速度修正系數(shù)，計(jì)算公式見式（4）；η為排蒸比，取1.2；φ為滲流阻抗系數(shù)，采用阿維里揚(yáng)諾夫—瞿興業(yè)公式計(jì)算。

式中：n為地下水蒸發(fā)強(qiáng)度與埋深關(guān)系指數(shù)，取值1；hε為蒸發(fā)后的地下水位埋深，m，取值3。

暗管間距要同時(shí)滿足農(nóng)作物免受漬害需求和防止土壤鹽堿化的需求，因此，暗管間距應(yīng)選擇較小值。布設(shè)方案還要具體考慮土壤滲透系數(shù)的分布情況。綜合以上各種因素該研究區(qū)的暗管間距可采用20 m（滲透系數(shù)＜0.2 m）、25 m（滲透系數(shù)為0.2～0.4 m）、30 m（滲透系數(shù)＞0.4 m）。

3 監(jiān)測指標(biāo)分析

監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)可以及時(shí)準(zhǔn)確地掌握地下水水位、水質(zhì)及土壤鹽分含量的變化情況，更加有效的評定土壤改良的成果，同時(shí)也可以為今后的土壤改良提供數(shù)據(jù)支持。在田間設(shè)置地下水監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，布設(shè)管徑4 cm 深6 m 的PVC 管觀測井，每平方千米布設(shè)一個(gè)觀測點(diǎn)，觀測數(shù)據(jù)一般是7 d 為一周期，除了灌溉時(shí)期的檢測頻率需要每天觀測之外，鹽堿地整治的效果依照每周的變化情況來進(jìn)行評價(jià)。從施工前、到施工中、再到施工后，取得了一些觀測數(shù)據(jù)?，F(xiàn)挑選較有代表性的4 個(gè)觀測點(diǎn)，4 個(gè)觀測點(diǎn)直線距離均間隔5 km，選取原則是這4 個(gè)觀測點(diǎn)都位于最早施工的區(qū)域，能夠觀測整治前后的地下水位、水質(zhì)變化情況，觀測點(diǎn)所在區(qū)域8月初開始施工，至8月中旬大部分暗管投入運(yùn)行，至10月初整治工程體系施工完畢，通過以上指標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)前后對比分析，闡述該工程技術(shù)體系的應(yīng)用效果。

3.1 地下水位的變化

選取4 個(gè)觀測點(diǎn)的整個(gè)觀測期的數(shù)據(jù)變化來分析，見圖3。

圖3 改良前后1～4號觀測點(diǎn)的水位變化情況Fig.3 Water level change of observation points 1～4 before and after improvement

可以從圖3 看出，經(jīng)過整治工程的土地治理，1～4 號觀測點(diǎn)的地下水水位明顯降低，從數(shù)值看，4 個(gè)觀測點(diǎn)分別從3.32、3.19、3.2、3.16 m 降到2.01、2.05、2.12、2.25 m，降幅達(dá)39.5%、35.7%、33.8%、28.8%，平均下降1.11 m，水位降幅如此明顯，得益于暗管排堿工程的施工和棄水排泄網(wǎng)絡(luò)的投入運(yùn)用，由圖3看出各觀測點(diǎn)地下水位變化整體趨勢一致，但由于各觀測點(diǎn)位置整治工程施工前后及各自水文地質(zhì)條件的細(xì)微差異導(dǎo)致其變化曲線存在一些微小差別。

3.2 礦化度變化

繼續(xù)利用4 個(gè)觀測點(diǎn)在整個(gè)觀測期的數(shù)據(jù)變化來分析，其中現(xiàn)場實(shí)測為電導(dǎo)率，礦化度=電導(dǎo)率×0.64，按照這個(gè)公式換算即可得出4個(gè)觀測點(diǎn)的對應(yīng)礦化度。見圖4。

圖4 改良前后1～4號觀測點(diǎn)的礦化度變化情況Fig.4 Mineralization change of observation points 1～4 before and after improvement

從圖4可以看出，各觀測點(diǎn)整治之前水中礦化度較高，達(dá)到了咸水的標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過工程整治，4 個(gè)觀測點(diǎn)分別從整治前13.22、14.14、12.97、13.62 g/L，降至整治后7.83、8.83、8.84、8.56 g/L，降幅達(dá)40.8%、37.6%、31.8%、37.2%，平均下降4.97 g/L，礦化度回落的較為明顯，表明以暗管排堿為主的整治工程能夠降低地下水的礦化度。

本次地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)分析雖然只是采用了4個(gè)觀測點(diǎn)的數(shù)據(jù)，但是能夠直觀看到整治前后地下水位、水質(zhì)的變化過程?？梢钥闯觯}堿土整治工程技術(shù)體系應(yīng)用后土壤的改良效果是極為明顯的。

4 結(jié) 語

從研究結(jié)果和監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，可以得出以下結(jié)論：①研究建立的以暗管排堿技術(shù)為核心的鹽堿土整治工程技術(shù)體系適用于黃河三角洲地區(qū)，對解決土壤鹽堿化問題效果較好。②得出的暗管間距和埋深等參數(shù)是合理的。

黃河三角洲的土壤鹽堿化問題嚴(yán)重，亟需有效的土地鹽堿化改良的體系。暗管排堿工程需要資金相對較少，土壤改良效果較好，通過現(xiàn)代化灌溉水系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，并將暗管排堿和污水排放技術(shù)相結(jié)合，形成基于物聯(lián)網(wǎng)，由蓄水灌溉網(wǎng)、暗管排堿網(wǎng)、污水排放網(wǎng)、效果監(jiān)測網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)組成的黃河三角洲現(xiàn)代化鹽堿地治理系統(tǒng)，可快速降低土壤含鹽量、改善土地質(zhì)量，提高土地承載能力，使鹽堿荒地快速轉(zhuǎn)變?yōu)橹懈弋a(chǎn)良田，在濱海重鹽堿地的開發(fā)改良中，技術(shù)先進(jìn)，成效顯著，而且有利于保護(hù)生態(tài)環(huán)境，是鹽堿地開發(fā)的高效生態(tài)開發(fā)模式，對推進(jìn)高效生態(tài)經(jīng)濟(jì)良性循環(huán)和可持續(xù)發(fā)展具有積極作用。