暗管斷面結(jié)構(gòu)對(duì)非飽和土壤中暗管排水排鹽效果的影響

韓寒，李明思*，張錦華，柳幸爽，徐強(qiáng)，陳文娟

暗管斷面結(jié)構(gòu)對(duì)非飽和土壤中暗管排水排鹽效果的影響

韓寒1，李明思1*，張錦華1，柳幸爽1，徐強(qiáng)1，陳文娟2

（1.石河子大學(xué) 水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832003；2.石河子大學(xué) 理學(xué)院，新疆 石河子 832003）

研究不同斷面結(jié)構(gòu)的暗管在非飽和土壤中的排水排鹽效果。選用了4種斷面結(jié)構(gòu)的暗管在室內(nèi)進(jìn)行土柱滴灌排水試驗(yàn)；其中，T1為底部不透水的圓形暗管，T2為底部不透水的等邊三角形暗管，T3為底部帶不透水翼的圓形暗管，T4為底部帶不透水翼的等邊三角形暗管；各暗管均由金屬絲網(wǎng)構(gòu)成，外裹無聚酯長(zhǎng)絲針刺無紡?fù)凉げ甲鳛V層。供試土壤為砂土，每個(gè)土柱灌水7 L，每個(gè)處理設(shè)置5個(gè)重復(fù)。利用MATLAB平臺(tái)對(duì)4種暗管周圍的非飽和土壤水分運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了模擬。T2處理的攔截面寬度大于T1處理，其對(duì)水分的吸持能力是T1處理的2倍；且對(duì)土壤水分繞流現(xiàn)象的抑制作用比T1處理的性能略好。T2處理的暗管出水時(shí)間比T1處理的提早7.45 h；對(duì)暗管增加底翼后，可增強(qiáng)其抑制土壤水繞流的能力，提高其排水排鹽效果；其中，T3、T4處理的暗管底部50 cm處的土壤含水率分別為17.02%±0.37%和16.62%±0.77%，均小于T1、T2處理同位置處的土壤含水率；T3、T4處理的排水量分別比T1、T2處理的值增加119.8 mL和119.7 mL，排鹽量增加16.76 g和18.83 g；T3、T4處理的暗管出水時(shí)間分別比T1、T2處理的出水時(shí)間提前9.79 h和3.47 h。通過數(shù)值模擬進(jìn)一步驗(yàn)證了T2處理可以抑制繞流；暗管增加底翼后，可進(jìn)一步提高其抑制繞流的能力。在非飽和土壤中，三角形斷面暗管抑制土壤含水率繞流的作用好于圓形斷面暗管的同類能力；暗管增加底翼后，可以進(jìn)一步提高其對(duì)繞流現(xiàn)象的抑制作用，提高其排水排鹽能力。

排水暗管；非飽和土壤；排水排鹽；鹽堿地治理

0 引言

【研究意義】傳統(tǒng)的暗管排水技術(shù)是建立在飽和流理論基礎(chǔ)上的[1]。在地下水位低于田間排水暗管的埋設(shè)位置時(shí)，如果進(jìn)行灌水壓鹽并通過暗管排鹽，則需先抬高地下水位才能實(shí)現(xiàn)排水、排鹽[2]，這種做法對(duì)于節(jié)約用水和保護(hù)地下水質(zhì)來說都是很不合理的。在新疆干旱地區(qū)，節(jié)水和治理鹽堿地是當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展中需要解決的2個(gè)根本問題。大面積的滴灌技術(shù)推廣，為新疆農(nóng)業(yè)產(chǎn)量的提升和生態(tài)保護(hù)打下了很好的基礎(chǔ)[3]。然而，滴灌技術(shù)的特點(diǎn)是“淺灌、勤灌”，土壤始終處在非飽和狀態(tài)，不適用于將土壤鹽分淋洗到地下水中[4]，往往導(dǎo)致鹽分在耕作層以下聚積[5-6]；如果要將鹽分淋洗出農(nóng)田，則需在作物非生育期專門進(jìn)行大定額灌水壓鹽、利用排水暗管將鹽分排出[7-8]。如何利用滴灌“勤灌”的特點(diǎn)，在作物生育期內(nèi)實(shí)現(xiàn)暗管在非飽和土壤中的排水排鹽效果，是當(dāng)前需重點(diǎn)解決的問題。在非飽和土壤中，水分往往會(huì)沿著暗管周圍繞流而不進(jìn)入暗管，為此需要對(duì)暗管本身及其周圍的條件進(jìn)行改造，以抑制繞流現(xiàn)象。前人的研究發(fā)現(xiàn)，通過改進(jìn)暗管結(jié)構(gòu)、外包濾層結(jié)構(gòu)、濾層的材料性質(zhì)、暗管開孔率、增加大孔隙流導(dǎo)管等等措施，可以減緩?fù)寥浪值睦@流現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)暗管在非飽和土壤中排水的效果[9-11]。

【研究進(jìn)展】李顯溦等[12]將暗管底部做防滲處理，利用HYDRUS-2D軟件對(duì)這種暗管在滴灌條件下的排水效果進(jìn)行了模擬分析，發(fā)現(xiàn)此種處理可增大暗管的匯流面積，進(jìn)而提高暗管的排水排鹽效果。陳名媛等[13]通過室內(nèi)土槽試驗(yàn)，研究了滴灌條件下暗管的排水排鹽規(guī)律，發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)?shù)叵滤谎蜎]暗管以后，暗管才會(huì)實(shí)現(xiàn)排水。秦文豹等[9]通過改變暗管濾層的結(jié)構(gòu)，減緩了暗管周圍水分的繞流過程，實(shí)現(xiàn)了非飽和土壤中的暗管排水。聶錦杰等[10]通過使用連接大孔隙流導(dǎo)管的暗管，在土槽中實(shí)現(xiàn)了滴灌條件下非飽和土壤中的暗管排水。謝中意[14]測(cè)定了不同土工布對(duì)水分的吸持能力，發(fā)現(xiàn)其在作為暗管外包裹濾層材料時(shí)，會(huì)將土壤中的水分吸附到暗管管壁上，進(jìn)而促進(jìn)暗管排水；同時(shí)，該研究還通過對(duì)暗管設(shè)定不同開孔率，比較其排水的阻力差異，得出暗管開孔率越大，水分進(jìn)入暗管的阻力越小。學(xué)者們也常用仿真工具來研究暗管排水過程，例如：HYDRUS、DRAINMOD、SWAP、RZWQM等軟件，取得了很多有價(jià)值的結(jié)果；但是，這些仿真工具在解決暗管排水問題時(shí)主要是針對(duì)飽和土壤[15-18]，沒有考慮非飽和土壤的特殊情況?！厩腥朦c(diǎn)】前人在非飽和土壤暗管排水方面的研究取得了大量成果，但這些成果仍然是探索性的。例如，復(fù)雜的砂礫石濾層結(jié)構(gòu)可以使暗管在非飽和土壤中排水排鹽，但施工復(fù)雜；利用大孔隙流理論來促進(jìn)暗管排水，不僅存在暗管制作工藝上的問題，還存在大孔隙流導(dǎo)管對(duì)田間耕作造成不便的問題。盡管如此，前人的研究成果證明了可以通過一定的技術(shù)改造使暗管在非飽和土壤中實(shí)現(xiàn)排水效果。由于這一問題有其特殊的研究背景，目前的研究成果還較少，因此有必要圍繞這一問題探索新的方法，使該技術(shù)或理論進(jìn)一步完善。為了進(jìn)一步探究非飽和土壤中的暗管排水過程，故采用可以模擬非飽和土壤中暗管排水的MATLAB軟件進(jìn)行非飽和土壤中的暗管排水的模擬?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究以土工布濾層和大開孔率暗管為基礎(chǔ)，在前人研究成果的基礎(chǔ)上，提出不同斷面結(jié)構(gòu)的暗管，比較其在非飽和土壤中的排水排鹽效果，分析適用于非飽和土壤排水的暗管結(jié)構(gòu)形式，為開發(fā)用于滴灌鹽堿地的節(jié)水治鹽技術(shù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2020年11月―2021年10月在石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院水利與土木工程實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行。試驗(yàn)用土為砂土（其中砂粒量96.80%±0.77%，粉砂粒量0.86%±0.08%，黏粒量2.95%±0.06%），土壤干體積質(zhì)量為1.72 g/cm3；土壤飽和含水率、田間持水率、初始含水率分別為22.44%、16.32%、1.25%（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）；土壤鹽分類型以硫酸鹽為主，初始含鹽量為1.8%，為中度鹽漬土。試驗(yàn)用土柱規(guī)格為：內(nèi)徑20 cm，高度80 cm。試驗(yàn)用暗管為金屬絲網(wǎng)架結(jié)構(gòu)無壁管，開孔率為72.3%，其斷面結(jié)構(gòu)形式分別為：圓形、三角形和底翼型；管外包裹濾層材料規(guī)格為300 g/m2的無聚酯長(zhǎng)絲針刺無紡?fù)凉げ糩14]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.2.1 暗管斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

將金屬絲網(wǎng)加工成管狀，外包土工布，做成排水暗管。其中，暗管斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成4種形式，T1：底部不透水的圓形暗管；T2：底部不透水的等邊三角形暗管；T3：底部帶不透水翼的圓形暗管；T4：底部帶不透水翼的等邊三角形暗管。圓形暗管直徑為5 cm，等邊三角形暗管的邊長(zhǎng)為5.24 cm，二者的周長(zhǎng)均為15.71 cm；不透水翼的總長(zhǎng)為12 cm。每種形式的暗管長(zhǎng)度均為18 cm。橫截面結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 暗管橫截面斷面

1.2.2 暗管排水裝置布置

試驗(yàn)前在土柱底部裝填5 cm厚的砂礫石墊層。將鹽堿土風(fēng)干后粉碎過篩，再分層裝填到土柱中，每層為5 cm。砂礫石墊層和鹽堿土之間設(shè)置隔水板，隔水板的開孔率為25%。將制作好的暗管布置在土層深度40～45 cm之間，暗管布置坡度為1%（圖2（a））。試驗(yàn)中采用容量為1 L的樹木輸液袋供水，每個(gè)土柱設(shè)置一個(gè)輸液袋，輸液袋的滴頭位于土柱中間。試驗(yàn)用水為自來水，礦化度0.15 g/L。試驗(yàn)中4種處理的暗管均開始出水后停止灌水，以保持每個(gè)處理灌水量相同，試驗(yàn)中每個(gè)土柱灌水7 L，每種處理設(shè)置5個(gè)重復(fù)，取平均結(jié)果進(jìn)行分析。

圖2 試驗(yàn)裝置和取樣點(diǎn)示意

1.2.3 測(cè)試指標(biāo)

試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，試驗(yàn)過程中環(huán)境比較穩(wěn)定，室內(nèi)溫度在17～20 ℃之間，無風(fēng)。另外，從灌水停止到取土樣之間的時(shí)間不長(zhǎng)，所以認(rèn)為蒸發(fā)量不大；為減少水分蒸發(fā)，試驗(yàn)中在土壤表面覆蓋了1層濾紙。試驗(yàn)中每隔1 h在土槽外部觀察水分入滲情況，并標(biāo)注濕潤(rùn)鋒位置。暗管排水結(jié)束48 h后開始取樣，測(cè)土壤含水率和含鹽量。

在暗管正上方和暗管兩側(cè)用直徑2 cm的土鉆取土，取樣點(diǎn)分布見圖2（b）。取樣時(shí)，沿土層深度方向每隔5 cm取1個(gè)樣。用烘干法測(cè)定土壤質(zhì)量含水率。提取1∶5土—水質(zhì)量比的浸提液，測(cè)定其電導(dǎo)率；然后用干燥殘?jiān)ù_定土壤含鹽量與電導(dǎo)率之間的標(biāo)定關(guān)系式，即：

=0.361 2c-0.064 2 (20.986 7)， （1）

式中：為土壤含鹽量（%）；c為電導(dǎo)率（μs/cm）。

待暗管出水后，每隔2 h利用50 mL量筒量測(cè)暗管的排水量，試驗(yàn)中利用電導(dǎo)率法測(cè)暗管排出水的電導(dǎo)率，再利用式（1）換算含鹽量。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Excel 2013對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并繪制水分分布圖和鹽分分布圖；采用SPSS 19.0對(duì)暗管排水、排鹽效果進(jìn)行顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同斷面暗管對(duì)土壤水的攔截能力分析

前人研究表明，在非飽和土壤中要提升暗管排水效果就要解決土壤水沿暗管周圍繞流的問題[9]；而在暗管周圍對(duì)土壤水進(jìn)行攔截、吸持、降低其進(jìn)入暗管的阻力等措施，可以起到抑制或減緩繞流現(xiàn)象的效果。由謝中意[11]針對(duì)不同規(guī)格土工布所做的吸水能力試驗(yàn)結(jié)果可知，無聚酯長(zhǎng)絲針刺無紡?fù)凉げ疾粌H具有比短絲土工布更好的吸水能力，而且當(dāng)土工布放置的水平夾角（土工布的切線方向與水平方向的夾角）越小時(shí)，其對(duì)水分的吸持能力越強(qiáng)。

圖3 暗管的投影面寬度示意

圓形斷面暗管的外包土工布在暗管上半部位與水平方向的夾角是從0°（在暗管頂部）逐步增大到90°（在暗管側(cè)面）（圖3（a））；而在暗管的下半部位，土工布與水平方向的夾角大于90°，吸持在土工布中的水分受重力作用向下方運(yùn)動(dòng)，對(duì)水分繞流現(xiàn)象的抑制作用降低。

對(duì)于等邊三角形斷面的暗管，其外包土工布與水平方向的夾角始終是60°（圖3（b））。在斷面周長(zhǎng)相同的情況下（即制作管道的材料用量相同），設(shè)圓形斷面暗管與等邊三角形斷面暗管的斷面周長(zhǎng)均為，取單位管段長(zhǎng)度；可以分析出等邊三角形斷面暗管的土工布以60°角攔截并吸持土壤水分的面積t為：

對(duì)圓形斷面的暗管，根據(jù)謝中意[11]的研究結(jié)論,圓心角2×60°所對(duì)應(yīng)的圓周上部圓弧段對(duì)土壤水分的攔截作用和相應(yīng)的土工布對(duì)土壤水分的吸持作用，都大于在這個(gè)弧段以下部分的弧段的同類作用，而這個(gè)弧段的長(zhǎng)度為/3。圓形斷面暗管上土工布吸持土壤水的面積c為：

表明在此條件下，等邊三角形斷面的暗管對(duì)土壤水分的吸持能力是圓形斷面暗管對(duì)水分吸持能力的2倍。由此推斷，本試驗(yàn)中等邊三角形斷面暗管對(duì)土壤水分繞流現(xiàn)象的抑制作用應(yīng)該好于圓形斷面暗管的同類性能。

暗管的斷面寬度對(duì)土壤水分的繞流過程起著一定的阻礙作用。斷面越寬，暗管頂部水分的繞流路徑將會(huì)越長(zhǎng)，暗管斷面對(duì)水分的攔截作用也就越強(qiáng)，水分繞流越困難。在暗管斷面周長(zhǎng)相同的情況下，本試驗(yàn)中的等邊三角形暗管的斷面攔截寬度t與圓形暗管的斷面攔截寬度c分別為：

等邊三角形暗管：

圓形暗管：

由于π>3，所以t>c，即等邊三角形斷面暗管的攔截寬度大于圓形斷面暗管的攔截寬度；所以，推斷出等邊三角形斷面暗管對(duì)土壤水分繞流現(xiàn)象的抑制作用應(yīng)該好于圓形斷面暗管的同類性能。

2.2 暗管斷面結(jié)構(gòu)對(duì)非飽和土壤排水的影響

試驗(yàn)過程中，滲入到砂礫石墊層中的水面始終低于隔水板，即隔水板以上的土壤始終都沒有達(dá)到飽和狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)各土層土壤質(zhì)量含水率進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)4種處理下的土柱中各土層含水率均小于飽和含水率（22.44%）；而且土壤含水率均隨著土層深度的增加而逐步降低。暗管所在的土層深度處的土壤含水率基本上都很低（圖4），說明這些暗管在非飽和土壤中可以起到排除暗管四周水分的作用。

圖4 土壤含水率垂直分布情況

5次重復(fù)試驗(yàn)結(jié)果顯示，無翼情況下，三角形暗管（T2）底部50 cm深度處的土壤平均含水率為17.13%±0.61%；圓形暗管（T1）底部50 cm深度處土壤平均含水率為17.66%±0.59%，表明這2種形式的管道都出現(xiàn)了繞流現(xiàn)象，但是，三角形暗管的繞流現(xiàn)象輕于圓形管道的繞流現(xiàn)象。對(duì)暗管上部40 cm處的土壤平均含水率進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，T2處理的土壤含水率（18.32%±0.93%）略大于T1處理的土壤含水率（18.16%±0.87%左右），表明T2處理的暗管上部出現(xiàn)了一定程度的積水，其對(duì)上部土壤水的攔截能力好于T1處理。

暗管底部加翼以后，T3、T4處理的暗管底部50 cm處的土壤水分分別為17.02%±0.37%、16.62%±0.77%，均小于不帶翼暗管該深度的土壤水分，表明暗管加翼后對(duì)土壤水繞流的抑制作用明顯增大。對(duì)暗管上部的水分分布進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，T4處理的水分梯度大于T3處理的值。根據(jù)土壤水動(dòng)力學(xué)理論可知，T4處理的排水速度應(yīng)該大于T3處理的排水速度。對(duì)暗管上部40 cm處的土壤含水率進(jìn)行分析得出，T4處理的土壤含水率（16.83%±0.53%）略小于T3處理（16.93%±0.29%），但二者的差異性不顯著（>0.05）。這可能與底部不透水翼對(duì)土壤水分所起的攔截作用較大有關(guān)。

2.3 暗管斷面結(jié)構(gòu)對(duì)土壤排鹽的影響

對(duì)4種處理下的各土層含鹽量進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，土壤含鹽量均隨著土層深度的增加而增大；0～30 cm土層是脫鹽狀態(tài)，暗管頂部以下土層逐步呈積鹽狀態(tài)（圖5）。

圖5 土壤含鹽率垂直分布情況

4個(gè)處理在0～30 cm土層平均含鹽量依次為0.18%±0.02%、0.18%±0.01%、0.26%±0.02%、0.27%±0.04%；與初始含鹽量相比，該層土壤排鹽率均達(dá)到90%左右。對(duì)暗管頂部及其兩側(cè)的土壤含鹽量進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，各處理暗管頂部（40 cm處）的土壤含鹽量依次為2.14%±0.58%、1.92%±0.81%、2.55%±1.57%、2.72%±0.98%，均高于初始含鹽量；而其兩側(cè)的土壤含鹽量均小于或接近初始含鹽量，依次為1.06%±0.63%、0.95%±0.50%、1.69%±0.62%、1.75%±0.65%。各處理暗管頂部（40 cm）的土壤含鹽量分別比其兩側(cè)土壤含鹽量高1.07%±0.85%、0.97%±0.85%、0.86%±1.85%、0.97%±0.91%，說明鹽分會(huì)在暗管頂部累積；其中，T1處理的鹽分在暗管頂部的聚集得最多，T3處理的鹽分在暗管頂部聚集得最少。各處理45 cm土層（帶翼暗管的翼上方）處的含鹽量依次為2.53%±1.10%、2.02%±1.35%、3.59%±1.05%、2.57%±1.17%；其中，T3翼上的土壤含鹽量比T1同土層含鹽量多1.06%；T4翼上的土壤含鹽量比T2同土層含鹽量多0.55%，說明鹽分會(huì)在翼的上方出現(xiàn)累積現(xiàn)象。

2.4 暗管斷面結(jié)構(gòu)對(duì)排水起始時(shí)間的影響

改變暗管斷面結(jié)構(gòu)增大了暗管對(duì)水分的吸持面積和攔截寬度，提高了暗管在非飽和土壤中的排水能力。試驗(yàn)結(jié)果表明，等邊三角形斷面暗管開始排水的時(shí)間早于圓形斷面暗管的排水時(shí)間；帶翼的暗管開始排水的時(shí)間早于不帶翼的暗管排水時(shí)間，見表1。

表1 不同處理下的排水排鹽效果

無翼情況下，T2處理暗管開始排水所需要的時(shí)間比T1處理暗管所需要的時(shí)間短7.45 h，且二者之間具有顯著性差異。但是2種處理的暗管排水量和總排鹽量差異不顯著（<0.05）。底部加翼以后，T3處理和T4處理的暗管開始排水所需要的時(shí)間縮短，分別比T1處理和T2處理的初始排水時(shí)間縮短9.79 h和3.47 h；暗管的排水量和總排鹽量也顯著增加，分別比T1處理和T2處理的排水量增加119.8 mL和119.7 mL，排鹽量增加16.76 g和18.83 g。T3處理和T4處理開始排水所需要的時(shí)間具有顯著性差異，特別是三角形斷面所需時(shí)間更短。說明在增加底翼后，三角形斷面結(jié)構(gòu)與圓形斷面相比仍然具有優(yōu)勢(shì)。表1中顯示，三角形暗管的排水總量比圓形暗管的排水總量略小，但其排鹽總量卻比后者略大，雖然這一現(xiàn)象并沒有達(dá)到顯著水平，但仍能反映三角形斷面對(duì)水鹽的吸持和攔截優(yōu)勢(shì)。

2.5 等邊三角形與等腰三角形暗管的排水模擬

為了從機(jī)理上闡明排水暗管的斷面結(jié)構(gòu)在非飽和土壤中對(duì)土壤水分繞流的影響以及實(shí)現(xiàn)非飽和土壤排水的效果，對(duì)試驗(yàn)中的4種處理進(jìn)行模擬。

2.5.1 土柱中暗管排水基本方程

滴灌條件下的土壤處在非飽和狀態(tài)，其水分運(yùn)動(dòng)理論模型是Richards方程[19]。土柱中的土壤水分運(yùn)動(dòng)可以用一維垂直運(yùn)動(dòng)來表達(dá)。由于非飽和土壤中的暗管排水效果取決于對(duì)土壤水分繞流現(xiàn)象的抑制作用，因此，暗管排水是不確定因素；所以，可將排水暗管作為Richards流區(qū)中的內(nèi)邊界處理，而土柱邊界是流區(qū)的外邊界；如此，只需模擬土柱與暗管之間的土壤中的水分運(yùn)動(dòng)狀況，見式（6）。

式中：為土壤體積含水率（%）；為垂向坐標(biāo)（cm）；()為非飽和土壤導(dǎo)水率（cm/d）；()為飽和土壤水?dāng)U散率（cm2/min）。

求解Richards方程的定解問題需要借助初始條件和邊界條件；其中，含水率邊界為Diriclet條件，又稱第一類邊界條件；通量邊界為Neumann條件，又稱第二類邊界條件；通量與含水率的組合邊界為Generalized Neumann條件，又稱第三類邊界條件。

對(duì)于外邊界條件，其上邊界為距離暗管底部6 cm處的土壤含水率條件（圖6），是Diriclet條件；試驗(yàn)中，4種處理在該位置處的含水率最小值約為田間持水率，所以，模型中該處含水率設(shè)為田間持水率；下邊界為暗管底部無窮遠(yuǎn)處的土壤含水率，也是Diriclet條件；左、右邊界為土柱壁，水分通量為0，是Neumann條件（圖6）。對(duì)于內(nèi)邊界條件，暗管的左、右邊界上的土壤含水率會(huì)隨著時(shí)間增加而增加，說明邊界上存在水分通量，故采用Neumann邊界條件；暗管的底部是不透水的結(jié)構(gòu)，故暗管下邊界也采用Neumann邊界條件。

圖6 模型邊界示意

2.5.2 MATLAB仿真平臺(tái)應(yīng)用

MATLB仿真平臺(tái)的PDE工具箱用于求解偏微分方程，其中的拋物線模型可用于求解滲透介質(zhì)中的流動(dòng)與擴(kuò)散問題[16]。PDE中的標(biāo)準(zhǔn)拋物線型方程為：

式中：為求解領(lǐng)域中的函數(shù)；為未知函數(shù)，對(duì)應(yīng)于方程（6）中的。

PDE中的Diriclet邊界條件和Neumann邊界條件分別如式（8）和式（9）：

式中：為求解域中的函數(shù)；為求解域中的外法向矢量。

對(duì)應(yīng)Richards方程和圖6的要求設(shè)定相應(yīng)的邊界條件；其中，土柱的上邊界設(shè)為田間持水率，為28%（體積含水率），式（8）中各參數(shù)為：=1，=0.28；土柱的下邊界為暗管底部無窮遠(yuǎn)處的土壤含水率[21]，式（8）中各參數(shù)為：=1，=0.021 5；土柱的左、右邊界是水分零通量條件，式（9）中各參數(shù)為：=0，=0。對(duì)于內(nèi)邊界條件，暗管的左、右邊界上存在水分通量，考慮到外包土工布的持水和透水特性，將暗管的外包土工布的含水率設(shè)定為時(shí)間函數(shù)，式（9）中各參數(shù)為：=0，=0.004 5。暗管的底部是不透水的結(jié)構(gòu)，式（9）中各參數(shù)為：=0，=0。

各處理的初始含水率0設(shè)為2.15%（體積含水率）。土柱試驗(yàn)中，濕潤(rùn)鋒從暗管頂部運(yùn)動(dòng)到土柱底部（隔水板上部）所需要的時(shí)間約為8 h，故模擬時(shí)間設(shè)定為8 h。

2.5.3 模擬結(jié)果分析

土壤水分沿著暗管周圍產(chǎn)生繞流后，在暗管底部位置匯合，使暗管底部的土壤含水率增大；所以，暗管底部的土壤含水率等值線的值越大，表明土壤水分繞流現(xiàn)象越強(qiáng)烈，反之繞流現(xiàn)象被抑制。對(duì)4種斷面結(jié)構(gòu)的暗管進(jìn)行土壤水分運(yùn)動(dòng)模擬所得到的結(jié)果顯示（圖7），T3、T4處理的暗管底部第一條連續(xù)的含水率等值線的數(shù)值分別為5.82%、5.85%，遠(yuǎn)小于T1、T2處理的同類指標(biāo)（10.92%、10.79%），這表明底部帶翼的暗管對(duì)土壤水分的繞流現(xiàn)象有顯著的抑制作用。而T2處理的暗管下方等值線12.00%和13.21%之間的區(qū)域面積為64.1 cm2，小于T1處理的同類指標(biāo)（72.4 cm2），這表明T2處理的暗管底部的土壤含水率增加量比T1處理的同類指標(biāo)少，其對(duì)土壤水分繞流現(xiàn)象的抑制作用略優(yōu)于圓形暗管。

圖7 暗管周圍土壤水分模擬

T2處理的斷面上部土壤含水率20%～25%的區(qū)域面積（土壤含水率等值線沿著暗管邊緣形成的等值線“漏斗”區(qū)）大于T1處理的同類區(qū)域面積；以值為24.51%的等值線為例，T1、T2處理的該等值線上方的區(qū)域面積分別為29.06、35.44 cm2，說明T2處理的攔截效果好。加翼后，暗管斷面上部的土壤含水率等值線“漏斗”區(qū)面積遠(yuǎn)大于無翼暗管的同類區(qū)域面積；以值為19.38%的等值線為例，T3、T4處理的該等值線上方的區(qū)域面積分別為83.48、93.96 cm2，分別比無翼暗管同等指標(biāo)大了27.10、28.71 cm2。說明除了暗管斷面的攔截面發(fā)揮作用以外，暗管下方的翼部也可以對(duì)水分進(jìn)行攔截。另外，模擬結(jié)果顯示，T3處理的暗管斷面下半部分的水分為反向進(jìn)入暗管，這些水分要靠水力坡度驅(qū)動(dòng)才能進(jìn)入暗管，而只有當(dāng)土壤局部接近飽和的情況下才形成水力坡度。但T4處理暗管攔截面上的水分均通過攔截作用進(jìn)入暗管，不需要暗管周圍產(chǎn)生局部飽和。

3 討論

3.1 暗管斷面對(duì)土壤水分的攔截作用

在飽和土壤中，排水暗管的橫斷面周長(zhǎng)決定了土壤水向暗管中的匯流量，而當(dāng)暗管橫斷面周長(zhǎng)不變時(shí)，暗管過水?dāng)嗝娴拿娣e決定了其輸水能力，所以，在飽和土壤中往往采用圓形斷面暗管[20-21]。但是，在非飽和土壤中，水分向暗管中的匯流量有限，所以，暗管并不需要很大的過水?dāng)嗝婷娣e，但是卻需要能夠抑制或減緩?fù)寥浪盅匕倒苤車@流的能力。本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在暗管斷面周長(zhǎng)相同的情況下，雖然等邊三角形的暗管的斷面面積小于圓形斷面的暗管斷面面積，但是，其對(duì)土壤水分的繞流現(xiàn)象有一定的抑制作用，并且其作用略好于圓形斷面暗管，能促進(jìn)非飽和土壤水進(jìn)入暗管。以往研究表明[11]，圓形斷面暗管對(duì)水分吸持和攔截效果最好的部位是暗管頂部-45°～+45°水平角所包含的弧段，大于45°水平角后，斷面對(duì)水分?jǐn)r截或吸持的作用將降低，對(duì)水分繞流的抑制作用也降低。在斷面周長(zhǎng)相同、其他邊界條件和初始條件相同的情況下，利用MATLAB仿真平臺(tái)對(duì)底角45°的等腰三角形斷面暗管進(jìn)行排水模擬（圖8），并與本文試驗(yàn)中的等邊三角形暗管排水的模擬情況相比較。結(jié)果顯示，等腰三角形暗管下方等值線12.00%和13.21%之間的區(qū)域面積為44.4 cm2，小于等邊三角形的同類指標(biāo)（62.4 cm2），這表明等腰三角形暗管對(duì)土壤水分繞流現(xiàn)象的抑制作用略好于等邊三角形暗管。根據(jù)計(jì)算，等腰三角形的攔截面寬度為：e=/2.41，大于等邊三角形攔截面寬度t=/3。

3.2 暗管底翼對(duì)土壤水鹽的攔截作用

李顯溦等[12]的研究發(fā)現(xiàn)，在飽和流條件下，暗管下方鋪設(shè)防滲膜可以增大匯流量。而本文在非飽和條件下的試驗(yàn)結(jié)果顯示，暗管底部加翼之后可以抑制繞流到暗管底部的水分，并導(dǎo)致翼部土壤形成局部飽和，從而促進(jìn)暗管排水。

李顯溦等[12]的研究發(fā)現(xiàn)，在暗管下方鋪設(shè)防滲膜后，防滲膜上方出現(xiàn)鹽分累積。本文試驗(yàn)結(jié)果也顯示翼部上方的土壤含鹽量較高。主要是因?yàn)椴煌杆囊聿粩鄶r截上方的滲流，同時(shí)攔截滲流所攜帶的鹽分；水分的增加，提高了其對(duì)周圍土壤鹽分的溶解作用[22]；隨著土壤水分的排出，剩下的水分對(duì)鹽分的溶解作用降低，加上外包土工布吸持作用，使得一部分鹽分?jǐn)r截在土工布外圍。同理，積累在暗管頂部土壤中的鹽分也是這樣形成的。排水過程中，暗管頂部的土壤含水率大于暗管二側(cè)的土壤含水率，其溶解和攜帶的鹽分多；試驗(yàn)結(jié)束后，土壤水分進(jìn)入暗管，暗管頂部土壤含水率降低，其對(duì)鹽分的溶解作用也降低，造成一部分鹽分被留在暗管頂部。

圖8 等腰三角形斷面暗管周圍土壤水分模擬

3.3 技術(shù)的用途

本研究提出的用于非飽和土壤排水的暗管主要用于膜下滴灌農(nóng)田節(jié)水治鹽目的。由于非飽和土壤中水分運(yùn)動(dòng)依靠的是水勢(shì)梯度，不是水力坡度，所以該暗管排水的影響寬度有限；因此，在這種條件下確定暗管埋設(shè)間距沒有意義。暗管應(yīng)埋設(shè)于地膜所覆蓋的寬度內(nèi)某一深度處，對(duì)于滴灌條件應(yīng)該埋在土壤濕潤(rùn)區(qū)70 cm深度左右。文獻(xiàn)[22]的研究指出，在滴灌頻繁時(shí)期（灌水高峰期），膜下土壤往往存在鹽分向深層淋洗、并積存在深層的現(xiàn)象，而膜外土壤存在鹽分表聚現(xiàn)象。本文研究的暗管可以應(yīng)用于這一條件，將膜下土壤的淋洗鹽分通過暗管排出農(nóng)田，這在一定程度上既可起到節(jié)水作用，又能起到排鹽效果。

4 結(jié)論

1）等邊三角形斷面的暗管對(duì)土壤水分的攔截和吸持能力大于圓形斷面暗管對(duì)水分?jǐn)r截和吸持能力，前者對(duì)水分的吸持面積是后者的2倍、前者對(duì)水分的攔截寬度是后者的1.05倍，在暗管頂部，T2處理的土壤含水率比T1處理的值大0.16%。因此，等邊三角形斷面暗管對(duì)土壤水分繞流現(xiàn)象的抑制作用好于圓形斷面暗管的同類性能。

2）底部加翼暗管對(duì)土壤水分繞流現(xiàn)象的抑制作用得到增強(qiáng)，繞流到暗管底部的水分減少。在暗管底部，T3處理和T4處理的土壤平均含水率分別比T1處理和T2處理土壤平均含水率小0.64%、0.51%。底部加翼暗管還提高了其在非飽和土壤中的排水排鹽能力，T3處理和T4處理的暗管的排水量分別比T1處理和T2處理的排水量增加119.8 mL和119.7 mL，排鹽量則分別增加了16.76 g和18.83 g。

3）等邊三角形斷面暗管開始排水的時(shí)間早于圓形斷面暗管的排水時(shí)間；T2、T4處理開始排水時(shí)間分別比T1、T3處理開始排水的時(shí)間提早7.45、1.13 h。帶底翼的暗管開始排水的時(shí)間早于不帶底翼的暗管的排水時(shí)間；T3、T4處理開始排水時(shí)間分別比T1、T2處理開始排水的時(shí)間提早9.79、3.47 h。

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Effect of Cross Section of Subsurface Drain on Its Performance

HAN Han1, LI Mingsi1*, ZHANG Jinhua1, LIU Xingshuang1, XU Qiang1, CHEN Wenjuan2

(1. College of Water and Architectural Engineering, Shihezi University, Shihezi 832003, China;2. Faculty of Science Shihezi University, Shihezi 832003, China)

Subsurface drain is an engineering technology to control groundwater table not exceeding a critical depth. Its performance depends not only on soil properties but also on design parameters. The purpose of this paper is to investigate the impact of geometrical configuration of the drain on its performance in controlling water and salt movement in the soil.We compared four cross sections: circular section with an impermeable drain bottom (T1); equilateral triangular section with an impermeable bottom; circular section with an impermeable wing at the drain bottom; equilateral triangular section with an impermeable wing at the drain bottom. All drains were made by metal wire meshes; they were wrapped by non-polyester filament and perforated non-woven geotextile filter layer. The drainage experiment was conducted in soil columns repacked with a sandy soil. Each column was irrigated by 7 L of water. During the experiment, we measured soil water movement around the drain; water flow in the soil was simulated using a MATLAB program.The time that water started exiting the outlet of the drain in T2 was 7.45 h ahead of that in T1. Adding an impermeable wing at the bottom of the drain inhibited water exfiltration thereby improving drainage efficiency. It was found that soil moisture content at the bottom of the drain (50 cm deep) in T3 was 17.02%±0.37% lower than that in T1, while that in T4 was 16.62%±0.77% lower than that in T2. T3 drained 119.8 mL of water and 16.76 g of salt more than T1, while T4 increased 119.7 mL water drainage and 18.83 g salt removal than T2. The time that water started exiting the outlet of the drain in T3 was 9.79 h earlier than that in T1, while the starting time for water to exit the drain in T4 was 3.47 h ahead of that in T2. Numerical simulation confirmed that T2 reduced water exfiltration more, especially with an added impermeable wing at the bottom of the drain, and it is hence most effectively in draining water and removing salt.Subsurface drain with triangular cross section was more effective in inhibiting water exfiltration, especially after adding an impermeable wing to its bottom.

subsurface drain; unsaturated soil; draining water and salt; reclamation of saline-alkali land

S276.7；S156.4

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022009

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1672 - 3317（2022）06 - 0131 – 09

2022-03-04

國(guó)家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目（51790533）

韓寒（1996-），女，河南睢縣人。碩士研究生，主要從事干旱區(qū)節(jié)水灌溉理論與技術(shù)研究。E-mail: 1678534432@qq.com

李明思（1965-），男。博士，教授，主要從事灌溉原理與新技術(shù)應(yīng)用研究。E-mail: leemince@126.com

責(zé)任編輯：韓 洋