基于回歸水再利用的農(nóng)田排水暗管外包濾料選型試驗

李 杰，王紅雨，2，3，王 亞，馬明澤，馬俊毅

（1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021；2.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，銀川 750021；3.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，銀川 750021）

0 引 言

受西北干旱、半干旱缺水環(huán)境影響以及國家制定的黃河流域水資源調(diào)控政策約束，地處寧夏銀北引黃灌區(qū)渠道末梢的灌溉水彌足珍貴，開源節(jié)流是緩解水資源短缺的重要手段。銀北灌區(qū)開展農(nóng)田暗管排水試驗研究和推廣應(yīng)用已有近40 a歷史，實踐證明農(nóng)田暗管排水技術(shù)是治理寧夏銀北灌區(qū)鹽堿化危害的有效途徑[1,2]。利用排入暗管的農(nóng)田回歸水作為灌溉水源的潛力巨大，而田間排水暗管外包濾料是否具備濾土與凈化水質(zhì)的雙重功效便成為問題的關(guān)鍵。

國內(nèi)外利用暗管排水技術(shù)解決農(nóng)田澇漬災(zāi)害的歷史悠久[3,4]，傳統(tǒng)的排水暗管外包濾料主要是改善進入暗管水流的水力條件，防止暗管淤堵[5]。排水暗管最早采用的外包濾料為級配良好的砂礫石[6]，BENTLEY 和LENNOZ-GRATIN 等[7,8]通過試驗研究了設(shè)置外包濾料與不設(shè)置外包濾料的暗管進口水流阻力變化問題，并回答了外包濾料合理的設(shè)置厚度。隨著合成材料的推廣和自動挖溝鋪管技術(shù)的發(fā)展，土工布被廣泛應(yīng)用于暗管的外包濾料。但受土壤類型的限制，土工布厚度和孔徑的選擇應(yīng)符合相關(guān)標準的要求[9]，否則將造成土工布淤堵從而影響暗管排水的持續(xù)運行效果[10]。為降低土工布淤堵風(fēng)險，提高暗管排水效率，陶園等[11,12]將砂礫石濾料與土工布相結(jié)合，提出了一種占用耕地少、排水流量大且環(huán)境友好的改進暗排，通過室內(nèi)土柱試驗，并采用太沙基反濾準則評估了改進暗排反濾體的有效性。然而，寧夏銀北灌區(qū)的現(xiàn)狀是，其地勢低洼土壤鹽漬化嚴重，為解決農(nóng)業(yè)排水問題，農(nóng)田暗管排水工程已基本全覆蓋；另一方面，其位于引黃灌區(qū)末梢，作物灌水困難，灌溉期用水矛盾十分突出。雖然將排入暗管的回歸水用作灌溉水源的必要條件成立，但是基于灌溉回歸水再利用的農(nóng)田排水暗管外包料的設(shè)置應(yīng)有別于傳統(tǒng)的外包料，必須具備濾土、排水和凈化水質(zhì)的綜合功效。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者采用不同材料作了大量關(guān)于水處理的研究。關(guān)正軍等[13]基于玉米秸稈濾料進行了養(yǎng)禽廢水過濾試驗并取得了較好的效果。王亞麗等[14]研究了高爐渣對廢水中Cu2+的吸附率和吸附行為，結(jié)果表明爐渣對Cu2+的去除率可達99.93%。吳小卉等[15]將沸石與爐渣組合，對農(nóng)村生活垃圾滲濾料進行吸附效能研究，發(fā)現(xiàn)能夠高效去除其中的重金屬離子。JAHAN 等[16]研究了土工織物與絮凝物相結(jié)合對水質(zhì)的改善情況，結(jié)果表明聚合物對陽離子具有吸附作用，可以有效降低水中的金屬離子。農(nóng)業(yè)回歸水的水質(zhì)問題也應(yīng)是考慮的重點[17]，但上述學(xué)者的研究多集中于污水、中水、達標排放水的凈化，而農(nóng)田灌溉水質(zhì)的標準有別于上述水處理技術(shù)。王少麗等[18]認為農(nóng)業(yè)排水用于灌溉時水質(zhì)較差，需進行必要的凈化處理或與淡水混用。發(fā)達國家對排水水質(zhì)研究較早，美國在加利福尼亞利用膜的反滲透技術(shù)去除農(nóng)業(yè)排水中的有害物質(zhì)[19]，BORIN 等[20]進行了農(nóng)田排水濕地處理試驗，結(jié)果表明濕地植物可吸收農(nóng)田排水中50%以上的總氮，土壤可儲存20%以上的氮。然而，農(nóng)田排水暗管外包濾料對排入管中回歸水水質(zhì)凈化的研究還鮮有報道。農(nóng)田暗管排水既不同于生活污水的處理，也有別于明溝排水的水質(zhì)凈化問題，地表水或灌溉水入滲田間土壤，再經(jīng)外包濾料層過濾匯入吸水管，探究不同暗管外包濾料及其結(jié)構(gòu)型式凈化水質(zhì)的時效性，直接影響回歸水循環(huán)利用的可行性。

本文以寧夏銀北灌區(qū)暗管排水工程埋管位置土壤為基土，選取1 種通用的無紡?fù)凉げ己? 種吸附性材料，按照濾料的組合方式，設(shè)計了僅敷裹土工布和鋪設(shè)土工布+單一吸附性材料2類敷設(shè)型式的初步試驗方案，進行室內(nèi)土柱滲透試驗。在獲得初步試驗結(jié)果及吸附性材料基本性狀的基礎(chǔ)上，進一步制定了土工布+混合吸附性材料的過濾方案。通過測試不同材料的濾料組合結(jié)構(gòu)的流量衰減過程、滲透系數(shù)變化、鹽分去除率及吸附量達到飽和所用時間等指標，篩選出能夠同時滿足濾土、排水和凈化水質(zhì)要求的暗管外包濾料型式，以期為灌區(qū)回歸水再利用的排水暗管外包濾料選型提供參考依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 供試土壤顆粒級配

DIELEMAN 和TRAFFORD[21]所作的排水試驗結(jié)果表明，黏粒含量與粉粒含量比值大于0.5 時排水暗管被淤堵的風(fēng)險會大大降低，其次土壤的不均勻系數(shù)也是衡量土壤是否會流失的一個重要參數(shù)，具體判別指標如表1所示[21]。

表1 土壤不均勻系數(shù)CuTab.1 Soil inhomogeneity coefficient Cu

本文試驗土壤取自寧夏銀北灌區(qū)暗管排水工程現(xiàn)場，取土范圍介于地表埋深0.8～1.2 m。將土壤風(fēng)干碾磨，過篩剔除>0.6 mm 的土顆粒，然后采用激光粒度分析儀測試土壤顆粒級配，得到該土壤黏粒含量為6.01%，粉粒含量為45.57%，砂粒含量為48.42%。根據(jù)土壤質(zhì)地分類[21]，供試土壤為砂質(zhì)壤土，土壤黏粒含量與粉粒含量比值為0.13<0.5，且d10和d60分別為6.279、80.335 μm，計算得出，土壤不均勻系數(shù)Cu值為12.79，說明該土壤易發(fā)生流失，造成排水暗管外包濾料發(fā)生淤堵的風(fēng)險較大。

1.2 土工布參數(shù)

依據(jù)寧夏銀北灌區(qū)暗管排水工程經(jīng)驗，結(jié)合對灌區(qū)暗管外包料已有的研究成果[22]，本次試驗選取一種通用的熱熔紡黏絲無紡?fù)凉げ?，其性能參?shù)如表2所示。

表2 土工布參數(shù)Tab.2 Geotextile parameters

1.3 供試的吸附性濾料

傳統(tǒng)的濾料以砂礫石居多，考慮到暗管外包濾料的凈化水質(zhì)目標，結(jié)合相關(guān)文獻研究成果，試驗中供試濾料選擇了玉米秸稈、水洗爐渣和沸石（見圖1）等3 種具有吸附性能的材料。其中玉米秸稈取自暗管排水灌區(qū)；爐渣和沸石分別為采購的去硫成品水洗爐渣和未經(jīng)處理的天然沸石。選取的3種吸附性材料，其中秸稈是一種廉價易得的有機吸附質(zhì)，沸石和爐渣是廢水處理中2 種常用的吸附性材料[13-15]。分別將3 種吸附性濾料碾碎，并與蒸餾水充分混合攪拌，待顆粒沉淀后，取上層清液測其電導(dǎo)率EC值，結(jié)果見表3。

圖1 所用濾料示意圖Fig.1 Schematic diagram of the filter materials used

表3 濾料參數(shù)Tab.3 Filter material parameter

1.4 試驗裝置及設(shè)計

參考國內(nèi)外研究常規(guī)暗排外包濾料所采用的試驗裝置[9,11,21]，課題組與上海大有儀器設(shè)備有限公司聯(lián)合研制的試驗裝置如圖2所示。該裝置增大了土柱填土內(nèi)徑，上部蓄水高度也有所增加，可實現(xiàn)持續(xù)供水，能夠更加真實的模擬田間灌水滲透情況。

試驗裝置分為上、下2部分結(jié)構(gòu)并通過法蘭連接，總高為71 cm，內(nèi)徑為20 cm。上部高為60 cm，用于填裝土料和反濾料，并設(shè)置3 個測壓管。法蘭盤高1 cm。下部高為10 cm，用于排砂和排水，并在距離法蘭1.5 cm 處設(shè)置1個測壓管?？衫脺y壓管計算不同位置的滲透系數(shù)，3 號和6 號可計算系統(tǒng)整體的滲透系數(shù)，5號和6號可計算土工布的滲透系數(shù)，4號和6號可計算濾層的滲透系數(shù)。滲透系數(shù)k根據(jù)圖2的測壓管讀數(shù)和排水流量，由達西公式[23]進行計算：

圖2 滲透試驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖（單位：cm）Fig.2 Schematic diagram of the structure of the penetration test device

式中：k為滲透系數(shù)；Q為滲透流量，cm3/s；L為滲徑，cm；H上為靠上入流處的測壓管讀數(shù)，cm；H下靠下出流處測壓管讀數(shù)，cm；A為土柱內(nèi)土樣的橫截面積，cm2。

進行土柱滲透試驗時，按環(huán)刀法計算得到取樣點土壤容重1.51 g/cm3，分層裝填土樣，每次填土高度為5 cm，填裝完一層后擊實刮毛，繼續(xù)填裝下一層，僅鋪設(shè)土工布時填土高度為30 cm，當在土工布上方鋪設(shè)10 cm 濾層時，填土高度為20 cm。裝填完畢后，將（KNO3、KH2PO3、NaCl）3 種鹽等質(zhì)量比混合，攪拌均勻，稱取500 g的混合鹽將其溶于1.38 kg的水中（鹽的溶解度：25 ℃下每100 g水可溶解36.2 g），再將鹽溶液稀釋，得到電導(dǎo)率為5.94 mS/cm 的高礦化度水。隨后將配置的鹽溶液自上向下供水，并通過溢流孔控制積水深度，打開出水口閥門收集過濾出水及觀測流量。

一般采用電導(dǎo)率EC表示水中的含鹽量用以評價鹽漬化。試驗中過濾水樣電導(dǎo)率的測量采用DDS-307A電導(dǎo)率儀。

各組試驗均按照統(tǒng)一容重裝土，但計算所得滲透系數(shù)仍有一定差異，因此為更好分析數(shù)據(jù)，本文定義滲透系數(shù)衰減度來描述滲透系數(shù)的變化情況。滲透系數(shù)衰減度（r），即某一時刻滲透系數(shù)相較初始時刻的衰減值與初始時刻滲透系數(shù)的比值：

式中：k始為初始時刻滲透系數(shù)；ki為排水后某一時刻滲透系數(shù)。

2 試驗結(jié)果

2.1 初設(shè)方案及試驗結(jié)果

初設(shè)試驗方案中有4種鋪設(shè)方案，分別為僅鋪設(shè)土工布方案和3 種鋪設(shè)土工布+單一吸附性濾料方案，如表4所示。初設(shè)方案以僅鋪設(shè)土工布方案為對照，通過室內(nèi)土柱滲透試驗，分別測試流量衰減過程和滲透系數(shù)變化情況，分析土工布+吸附性濾料是否具有較好的濾土、排水作用，但僅鋪設(shè)土工布這種傳統(tǒng)外包濾料不具備凈化水質(zhì)的功能[18]，因此在進一步的篩選過程中，重點對比了“土工布+單一吸附性濾料”3 種方案的鹽分去除情況，找出綜合性能較優(yōu)的材料。

表4 初設(shè)試驗方案Tab.4 The preliminary test plan

2.1.1 流量變化情況

在初設(shè)試驗開始后，每隔5 h 收集一次過濾水樣，待收集2 次過濾水樣后土壤已達到完全飽和并每隔2 h 觀測一次排水流量及測壓管讀數(shù)，排水流量及滲透系數(shù)變化情況共觀測90 h，水質(zhì)變化情況共測試100 h。排水流量的變化能夠直接反映暗管的排水性能，初設(shè)試驗各方案流量變化過程如圖3所示。開始排水時，鋪設(shè)4 種不同外包濾料其初始排水流量各不相同，方案AF2 最大，為7.782 mL/min，而方案A1 最小，為6.612 mL/min，造成這種現(xiàn)象的原因是鋪設(shè)10 cm 濾層后，提高了系統(tǒng)的排水性能，增大了排水流量，但秸稈粒徑范圍小，級配差，形成的濾層中有效孔隙也相對較大，因此高于AF3和AF4 方案的初始排水流量。排水試驗初期，方案A1 的排水流量衰減速率較快，是因為開始排水后土顆粒在水力作用下逐漸移動并填充孔隙，當土顆粒移動至接近土工布時，大于土工布有效孔徑的土顆粒將會被攔截，導(dǎo)致土工布開始發(fā)生淤堵。隨著排水試驗的持續(xù)，方案A1 的流量最先達到穩(wěn)定，而方案AF2、AF3、AF4 的排水流量仍保持下降趨勢，未達到穩(wěn)定狀態(tài)。90 h后方案A1、AF2、AF3及AF4流量分別衰減了40%、32%、30.1%和27.7%。沸石作為濾層時流量衰減度最小，衰減趨勢也較為緩慢，因而防淤堵效果最佳。另外，可以看出鋪設(shè)土工布+濾料方案的排水流量始終大于僅鋪設(shè)土工布方案。

圖3 初設(shè)試驗方案流量衰減過程Fig.3 The preliminary test protocol flow decay process

2.1.2 滲透系數(shù)變化情況

為進一步探究鋪設(shè)不同濾料的排水性能，分別對系統(tǒng)整體、濾層2個不同部位的滲透系數(shù)衰減度進行分析，其變化情況如圖4所示。從圖4中各部位的滲透系數(shù)衰減度來看，試驗開始時，無論是整個系統(tǒng)，還是濾層的滲透系數(shù)均迅速衰減，試驗后期，4種方案各部位的滲透系數(shù)都在逐漸趨向穩(wěn)定，但方案A1 衰減速度較快。由圖4(a)可知，試驗結(jié)束時，A1、AF2、AF3 及AF4 等4 種方案系統(tǒng)整體的滲透系數(shù)分別衰減了47%、35%、37%和32%。對比圖4(a)和圖4(b)可知，方案A1系統(tǒng)整體和濾層的滲透系數(shù)最終衰減度相差不大，但鋪設(shè)土工布+濾料方案系統(tǒng)整體與濾層衰減度差異較大，AF2、AF3及AF4 這3 種方案濾層的滲透系數(shù)分別衰減了46%、43%和35%，方案AF4的衰減程度最小，證明級配較好的濾層可以有效降低淤堵風(fēng)險。

圖4 初設(shè)試驗方案系統(tǒng)整體與濾層的滲透系數(shù)衰減度變化情況Fig.4 The change of permeability coefficient attenuation degree of the whole system and the filter layer in the preliminary test scheme

2.1.3 過濾出水電導(dǎo)率值變化特征

土工布是暗管常用的外包材料，但土工布較薄，對鹽離子幾乎沒有吸附能力。因此，文中重點測試并分析了秸稈、爐渣及沸石等3種吸附性材料去除水中鹽分的情況。鋪設(shè)不同濾料時過濾出水電導(dǎo)率值變化特征及對應(yīng)的鹽分去除率如圖5所示。由圖5可知，在整個過濾周期內(nèi)，沸石對過濾水中的鹽分吸附能力最弱，鹽分去除率最大僅為7.1%。在試驗開始時，秸稈對水中的鹽分不僅沒有起到吸收作用，而且排出水中的電導(dǎo)率值高于未過濾水的電導(dǎo)率值，這是因為玉米秸稈中存在離子含量較高，經(jīng)過水流的浸提作用，增大了出水的電導(dǎo)率值，隨著試驗的進行，排水的電導(dǎo)率值逐漸降低，吸附作用逐漸增強，第30 h 開始，過濾水中的鹽分開始被吸附，當試驗進行到65 h 時，秸稈對鹽分的吸附能力表現(xiàn)最強，去除率達到了29.8%，但隨后吸附能力開始逐漸減弱。爐渣屬于多孔介質(zhì)，表面具有密集的孔隙結(jié)構(gòu)，且比表面積大，對離子的吸附能力較強，試驗開始2 h時鹽分去除率達到最大44.3%，此后隨著試驗的延續(xù)，吸附效果逐漸變?nèi)酢?/p>

圖5 初設(shè)試驗方案濾層對過濾出水電導(dǎo)率值的影響變化及對應(yīng)鹽分去除率情況Fig.5 The influence of the filter layer on the conductivity value of the filtered effluent and the corresponding salt removal rate in the preliminary test scheme

2.2 改進試驗方案及試驗結(jié)果

在初設(shè)試驗方案中，沸石濾料排水性能較為穩(wěn)定，但去除水中鹽分的效果較差，不能滿足凈化水質(zhì)要求。秸稈濾料自身含有鉀離子[30]，試驗開始時經(jīng)過水流沖刷離子進入過濾出水中，使其電導(dǎo)率值增大，無法判斷秸稈的吸附性能，隨著試驗的進行，過濾出水的電導(dǎo)率值越來越低，秸稈的吸附能力逐漸變強，若對秸稈進行必要的水洗處理，可增強其吸附能力[29]。爐渣具有較好的吸附作用，對水中鹽分的去除率較高，排水性能相對穩(wěn)定。若只選擇秸稈作為濾料，秸稈濾土、排水效果不佳，作為有機質(zhì)也易腐爛；若只選擇爐渣作為濾料，鹽分去除率相比秸稈和沸石較高，但仍達不到混合方案的去除效果，另一方面，在實際工程中，大量鋪設(shè)爐渣，不宜取材，成本較高，利用秸稈作為濾料，不僅減少了暗管濾料的鋪設(shè)成本，而且使廢棄資源得到了充分利用。因此，在改進試驗的設(shè)計中將沸石舍棄，選擇了秸稈和爐渣2 種濾料。為提高鹽分去除率，改進完善初設(shè)試驗方案的材料，將秸稈充分浸泡在蒸餾水中進行水洗處理，浸泡12 h 后，再將秸稈晾干與爐渣按壓實后的體積比（1∶1）進行混合，設(shè)計出3種鋪設(shè)型式的改進試驗方案，分析其排水性能和改善水質(zhì)的效果，改進試驗方案如表5所示。初設(shè)試驗顯示，無論是爐渣還是秸稈在試驗后期吸附性能都在逐漸減弱，說明濾料的吸附量在逐漸達到飽和，若進一步增加試驗時長，便可得到不同鋪設(shè)型式下濾料吸附量達到飽和所用時間。因此，在改進試驗開始后，每隔12 h收集一次過濾水樣，待收集1次過濾水樣后土壤已完全飽和，隨后每隔6 h 觀測一次排水流量及測壓管讀數(shù)，當待測數(shù)據(jù)基本達到穩(wěn)定時停止試驗，這樣每組試驗持續(xù)11 d后基本滿足要求。

表5 改進試驗方案Tab.5 Improved test plan

2.2.1 流量變化情況

對比3 種混合鋪設(shè)方案的排水流量，流量衰減過程如圖6所示。方案CF2初始流量較大且流量衰減速率比其他2種鋪設(shè)方案快，方案CF1 和CF3 在6 d 后基本達到了流量穩(wěn)定狀態(tài)，但方案CF2 還在繼續(xù)衰減。第10.5 d 時方案CF1 流量衰減到了3.81 mL/min，為初始流量的52.4%，方案CF2 流量衰減到了4.04 mL/min，為初始流量的50.6%，方案CF3 流量衰減到了3.86 mL/min，為初始流量的51.8%。單從排水流量來篩選，雖然方案CF2始終大于其他2種鋪設(shè)方案，但試驗結(jié)束時流量已衰減了48.2%，衰減程度最大且還未達到相對穩(wěn)定狀態(tài)，隨著排水試驗的延續(xù)，相比其他2 種方案在水流作用下濾層更易淤塞。

圖6 改進試驗方案的流量衰減過程Fig.6 Flow attenuation process for improved test schemes

2.2.2 滲透系數(shù)變化情況

3種混合鋪設(shè)方案的滲透系數(shù)衰減變化情況也存在較大差別，其變化情況如圖7所示。在整個試驗過程中，其中方案CF2系統(tǒng)整體的滲透系數(shù)衰減了54%、濾層的滲透系數(shù)衰減了60%。方案CF2上層鋪設(shè)秸稈，而秸稈粒徑較大，骨架之間形成的孔隙較大，填土?xí)r擾動土填充在濾層表面空隙中，試驗開始，在水力作用下，土顆粒發(fā)生遷移進入濾層內(nèi)部被攔截，從而造成整個濾層內(nèi)部淤堵，使得滲透系數(shù)變化較大。方案CF1是以爐渣顆粒為主要填充材料，秸稈體積可變性較大，使濾層的密實度增加，對土顆粒的攔截能力較強，其濾層的滲透系數(shù)衰減度為55%，系統(tǒng)整體的滲透系數(shù)衰減度為51%。而方案CF3 的爐渣鋪設(shè)在上層，爐渣級配較好，與土壤直接接觸，能夠?qū)⑼令w粒攔截在爐渣層，濾層最終的滲透系數(shù)衰減度為58%，系統(tǒng)整體的滲透系數(shù)衰減度為53%。

圖7 改進試驗方案系統(tǒng)整體與濾層的滲透系數(shù)衰減度變化情況Fig.7 Changes in the overall and filter layer of the improved test scheme system

2.2.3 過濾出水電導(dǎo)率值變化特征

改進試驗方案中3 種混合鋪設(shè)試驗方案對過濾出水EC值的影響變化情況及對應(yīng)的鹽分去除率如圖8所示。試驗開始時3 種混合鋪設(shè)方案鹽分去除率都較高，最大值分別為43.7%、46.0%、44.8%，鹽分平均去除率較單一濾料鋪設(shè)方案中爐渣和秸稈濾料有所提升，因此將秸稈進行水洗處理與爐渣進行混合能夠增強濾料吸附能力。隨著試驗的進行，去除率也逐漸降低，在第10 d 后各方案的吸附都達到飽和。對比3 種方案去除水中鹽分效果的優(yōu)劣，秸稈—爐渣鋪設(shè)方案去除率明顯小于其他2 種方案，且在第8.5 d 時吸附能力減弱，已達到飽和，不能繼續(xù)吸附水中鹽分?；鞊戒佋O(shè)方案前期的鹽分去除率較大且持續(xù)時間長，在第10 d 時達到吸附飽和，爐渣—秸稈鋪設(shè)方案第10.5 d 時達到吸附飽和，2 者相差不大。

圖8 改進試驗方案濾層對過濾出水電導(dǎo)率值的影響變化及對應(yīng)鹽分去除率情況Fig.8 The change of the influence of the filter layer on the conductivity of the filtrated effluent and the corresponding salt removal rate were studied

3 分析與討論

傳統(tǒng)的排水暗管外包濾料通常為級配良好的砂礫石或管壁外裹土工布，而基于灌溉回歸水再利用的暗管外包濾料必須既能濾土、排水，還需具備凈化水質(zhì)的功能。因此，試驗中選用的吸附性材料，其濾土、排水方面的性能是否與傳統(tǒng)砂礫濾料效果一致？同時，還必須保持相對穩(wěn)定的凈化水質(zhì)的效果。

3.1 不同結(jié)構(gòu)型式外包吸附性濾料的濾土、排水性能

在排水暗管周圍鋪設(shè)合理級配的砂礫石濾料，可有效增大暗管的匯水面積，提高排水效率，李占柱[24]研究認為在暗管周圍鋪裹一層5 cm 厚的砂礫石濾料，暗管的排水流量相比僅敷裹土工布方案可增大至1～4 倍。在初設(shè)試驗中，僅鋪設(shè)土工布方案流量由初始6.612 mL/min 衰減到了3.99 mL/min，衰減度達到40%，土工布+吸附性濾料方案流量衰減度最大僅為32%，同時土工布+吸附性濾料方案的排水流量始終大于僅鋪設(shè)土工布方案。因此，鋪設(shè)吸附性濾料也同樣能夠增大暗管排水流量，與砂礫石濾料具有同樣的效果。而吸附性濾料作為濾層其防淤堵性能也與砂礫料一致，主要取決于濾層的滲透系數(shù)，NIEUWENHUIS[25]和DIERICKX[26]對于暗管外包濾料的設(shè)計則建議k濾/k土≥10，k濾及k土分別為濾層和土體的滲透系數(shù)?，F(xiàn)將土工布+濾料組合的6 種方案的試驗初、末濾層與土體滲透系數(shù)比值的差進行分析，其變化情況如表6所示。

表6 不同鋪設(shè)方案試驗初與試驗?zāi)﹌濾/k土變化Tab.6 Change of k filter/k soil at the beginning and end of the test of different laying schemes

對比AF2、AF3 及AF4 可知，沸石作為外包濾料時，k濾/k土的終值比初值僅減小了0.6，單一秸稈作為外包濾料時，k濾/k土減小了7.27，原因是秸稈粒徑難以控制，濾料中大粒徑較多造成。而對比3 種改進鋪設(shè)方案，反濾性能的優(yōu)劣依次為：CF1>CF3>CF2，相較單一秸稈外包濾料效果較好。因此，建議在滿足反濾準則的前提下，使用秸稈作為濾料時，粉碎秸稈大粒徑含量應(yīng)少。SISSON[27]研究表明當外包濾料粒徑過粗時，就不能攔截泥沙或攔截泥沙能力較弱，采用吸附性材料設(shè)計暗管排水濾層時粗顆粒含量不宜過多。

3.2 不同結(jié)構(gòu)型式外包吸附性濾料凈化水質(zhì)性能

在初設(shè)試驗方案中，對比各方案的凈水能力，沸石吸附水中鹽分的能力較弱[28]，而爐渣吸附作用較好，能夠有效去除水中鹽分，秸稈在水洗處理后也是一種吸附性能較好的材料[29,30]，但秸稈粒徑大，易淤堵，長期埋于地下會發(fā)生腐爛?；诖?，將水洗處理后的秸稈與爐渣進行混合，分3種結(jié)構(gòu)型式進行鋪設(shè)，并通過觀測3種方案吸附量達到飽和所用時間評價各方案凈水的效果，爐渣—秸稈、混摻、秸稈—爐渣3種鋪設(shè)方案吸附達到飽和時間分別為10.5、10.0和8.5 d，若僅考慮對水質(zhì)的凈化持續(xù)時間效果，爐渣—秸稈方案與混摻鋪設(shè)方案實現(xiàn)暗管排水水質(zhì)凈化的效果都較好，但考慮其濾土、排水及防淤堵效果，則混摻+土工布鋪設(shè)方案性能更優(yōu)。

為提高試驗效率，增強試驗效果，配制了電導(dǎo)率值為5.94 mS/cm 的高礦化度水進行過濾，試驗中濾料達到吸附飽和所需時間短的原因是一直維持使用高礦化度水過濾，在實際工程中多數(shù)排水是經(jīng)淋洗后產(chǎn)生，每次淋洗時脫鹽率僅為50%左右，土壤中的鹽分也會通過淋洗而減少，排水的礦化度也會越來越低。因此，實際工程中選擇爐渣與秸稈的混合濾料能夠?qū)崿F(xiàn)凈化水質(zhì)的要求，但會存在一個時間效率問題，開始埋設(shè)于地下時，凈化水質(zhì)效果明顯，能夠有效降低排水的礦化度，隨著暗管的長期運行，吸附量逐漸達到飽和，凈化效果會隨時間衰減，實際達到飽和所用時間取決于當?shù)赝寥赖暮}量。寧夏銀北鹽漬化地區(qū)土壤平均含鹽量為3.0～10.0 g/kg，對應(yīng)的土壤浸提液電導(dǎo)率為0.98～2.96 mS/cm[31]，故實際工程中土工布+混摻吸附性材料的暗管外包濾料的時效性將優(yōu)于本次試驗結(jié)果。

農(nóng)田暗管排水工程屬于隱蔽工程，吸附性外包濾料達到飽和后只能維持濾土、排水的作用，重新開挖更換濾料成本過高。因此，如何恢復(fù)吸附性材料凈化水質(zhì)的功能，提升濾料的時效性，還需進一步深入研究。

4 結(jié) 論

（1）暗管的排水性能受外包濾料的影響，若僅敷裹土工布，流量衰減速度快，排水性能較差；若在土工布上方鋪設(shè)10 cm 厚的吸附性濾料，不僅可以有效防止淤堵，還可增大暗管排水流量，提高排水性能，延長暗管使用壽命。

（2）以吸附量達到飽和的持續(xù)時間和鹽分去除率為標準，對比改進試驗各方案的凈水性能，爐渣—秸稈鋪設(shè)方案>混摻鋪設(shè)方案>秸稈—爐渣鋪設(shè)方案。若需滿足濾土、排水和凈化水質(zhì)要求，選擇爐渣和秸稈混摻鋪設(shè)方案（CF1）較為合理，因為其k濾/k土終值比初值僅減小了2.09，反濾性能較優(yōu)，同時對水中鹽分去除率也相對較高，吸附量達到飽和的歷時長。

（3）在實際工程中，吸附性濾料能夠?qū)崿F(xiàn)暗管排水凈化水質(zhì)的要求，但長期運行濾料的吸附量會逐漸達到飽和，凈水功能將衰減，需要進一步研究恢復(fù)吸附性材料凈化水質(zhì)的方法，提高濾料的時效性。