庫爾勒某墾區(qū)暗管改良鹽堿地方案探析

陳 旭

(新疆峻特設計工程有限公司,新疆 庫爾勒 841000)

庫爾勒市有許多鹽堿地無法耕作利用。為了改良土壤,擴大墾區(qū)耕作面積,需對鹽堿地排鹽方案進行探析。

1 概 況

庫爾勒某墾區(qū)位于塔克拉瑪干大沙漠東北邊緣,天山支脈瑪扎山南麓,地處天山支脈瑪扎山南坡沖積扇和塔里木平原地帶,墾區(qū)現(xiàn)有土地總面積27727.19hm2,灌溉面積為8824.41hm2,其中耕地6803.4hm2,林地1120.56hm2,園地1967.65hm2。項目區(qū)降雨稀少,蒸發(fā)強烈。多年平均降水量34.1mm,作物生長期平均降水量為30.6mm,降雨多聚中在4～8月份,其中6、7月份降水量占全年降水量多達41.6%。區(qū)內歷年平均蒸發(fā)量為2410.1mm,其中作物生長期為2082.9mm,同期蒸發(fā)量為降水量的50～80倍,由于蒸發(fā)量巨大,區(qū)內農(nóng)、林業(yè)全靠灌溉滿足用水要求。

2 鹽堿地現(xiàn)狀

墾區(qū)地處內陸干旱地帶,氣候干燥,降水稀少,蒸發(fā)強烈,在地下水埋深淺且礦化度高的地段,土壤鹽漬化相對較為嚴重。2022年5月30日,組織人員對項目區(qū)的農(nóng)田及排渠進行了現(xiàn)場勘察取樣及排渠與農(nóng)田高差測量,對土壤鹽漬化發(fā)育特點進行了調查。工作中選擇項目區(qū)不同位置采集了2組7個土樣。灌區(qū)易溶鹽份分析成果見表1。項目區(qū)土壤類型有潮土及鹽土,土壤質地以壤質為主。項目區(qū)土壤鹽分含量全部在1.0g/kg以上,都屬于鹽漬化土壤。耕地全部屬于鹽化耕作土壤,鹽分含量在2.70～5.45g/kg。

表1 易溶鹽份分析成果表

3 水土條件分析

3.1 土壤水溶性鹽含量與鹽分組成分析

項目區(qū)內大多數(shù)剖面表層為粉質壤土,粉質壤土層下面為黏土層或者砂土層,剖面的最下層大多數(shù)為砂質壤土層或者砂土層。經(jīng)調查采樣,對樣品室內化驗分析可知,項目區(qū)土壤鹽漬類型為SO42--Cl-類型。其中陰離子以SO42-、Cl-為、HCO3-為主,CO32-沒有;陽離子以Na+、Ka+、Ca2+、Mg2+為主。調查發(fā)現(xiàn),項目區(qū)內土壤鹽分差異較大。

由表1可知,項目區(qū)上層土壤比下層土壤鹽化程度高。這是因為地下水位高,外加蒸發(fā)強烈,土壤水分蒸發(fā)導致鹽分在表層聚集。暗管排鹽技術能有效將地下水位控制在一定水平,并將含鹽水快速排出項目區(qū),減少土壤含鹽量,實現(xiàn)土壤的快速改良。因此,在項目區(qū)實施暗管排鹽技術是十分必要的。

3.2 地下水埋深分析

根據(jù)項目區(qū)土壤調查布點,通過鉆孔得到鉆孔地下水位,詳見表2。從表中看出,調查點中地下水水位最深達155cm,最淺為130cm,平均埋深145cm。由調查可知,項目區(qū)西北部和中南部分地下水埋深較深,東南角地下水埋深較淺。根據(jù)地下潛水埋深分級表(表3),項目區(qū)處于“積鹽深度”等級范圍內。由于地下水位偏高,在強烈蒸發(fā)的情況下,鹽分通過毛細作用向土壤表面集聚,造成表層土壤鹽堿化重,土壤次生鹽漬化程度高。因此,需要通過鋪設暗管可將多余的地下水排走,并將地下水位控制在一定的水平,抑制土壤返堿。

表2 項目區(qū)鉆孔地下水深度表

表3 地下潛水埋深分級表

4 排水方案設計

4.1 排水方案選擇

排水方式有水平排水與垂直排水兩種方式,水平排水又可分為明溝排水與暗管排水。垂直排水即在項目區(qū)打井,抽取地下水以咸換淡,達到排水目的。結合項目區(qū)土壤、水文地質、工程地質條件等,項目區(qū)排水選擇明溝排水與暗管排水結合的方式,即項目區(qū)田間排水采用暗管排水,干、支、斗排則選擇明溝排水。優(yōu)勢如下:①一次投資長期受益,經(jīng)濟合理;②具有獨立的排水系統(tǒng),僅需要對項目區(qū)部分排水系統(tǒng)進行清淤挖排,便可實現(xiàn)排水功能;③能夠有效保障排水功能,實現(xiàn)項目區(qū)持續(xù)排水,提高排水效率,改堿速度快、效果好;④后期維護簡便、費用低;⑤不需要加寬排溝占用土地資源,可有效節(jié)約土地,實現(xiàn)土地資源高效化利用。

結合項目區(qū)土壤、水文地質、工程地質條件等,本次設計采用兩種排鹽模式,一種是“吸水管”一級暗管排鹽模式,即水流由吸水管直接排入排渠。另一種采用“吸水管+集水管”兩級暗管排鹽模式,即在田間布置一級吸水管和二級集水管,采用集水井連接,水流由吸水管匯入集水管,由集水管流入下級排渠排出。

4.2 暗管排鹽系統(tǒng)布局

暗管技術改良鹽堿地的原理是:遵循“鹽隨水來、鹽隨水去”的水鹽運動規(guī)律,將充分溶解了的土壤鹽分并滲入地下的含鹽水體通過管道排走,從而達到有效降低土壤含鹽量的目的。根據(jù)項目區(qū)現(xiàn)狀耕地土壤、灌溉、地下水位埋深、地下水礦化度指標、各排渠的控制范圍及面積、排水效果及能力,進行暗管排鹽系統(tǒng)布局,主要建設吸水管、集水管和集水井泵站,做到各級排渠配套,排水出路暢通,滿足排水要求。

吸水管:根據(jù)項目區(qū)地勢及田塊實際情況,確定吸水管在田間平行條田長邊布置。吸水管布設間距30m,埋深1.8m,坡降0.5‰。共布設599.23條,每條長約923～1076m,長度共計564.688km。沿吸水管每300m設置清洗三通1個,共計1882個。

集水管:項目區(qū)集水管沿田間垂直于吸水管布置,共6條,長度共計18.151km。坡降0.7‰。吸水管與集水管連接處設集水井,共計61座。

集水井泵站:集水管末端設置集水井泵站。根據(jù)集水管排水能力及項目區(qū)基礎設施情況計算,在排渠末端設置3座集水井泵站。采用自動控制啟停方式,無人值守。

4.3 排渠清淤系統(tǒng)布局

墾區(qū)的農(nóng)田排水基本進入到耕地周邊排渠,經(jīng)過幾十年的運行,排渠邊坡塌陷嚴重,淤積嚴重,斷面收縮變小,部分排渠內葦草叢生,堵塞排渠,造成排渠深度變淺,導致排水不暢。因此,需對項目區(qū)范圍內的排渠進行清淤挖排。排渠深度3.6m,清淤后的排渠底寬為1.5m,內邊坡系數(shù)為1:2.0。排渠清淤合計17.93km。

4.4 吸水管設計

項目區(qū)吸水管關鍵參數(shù)設計采用田間水文模型DRAINMOD模型分析的方法來確定。應用田間水文模型DRAINMOD模型對管道系統(tǒng)設計進行模擬運算。經(jīng)過數(shù)據(jù)分析,確定不透水層在3.0m,當排水深度(即吸水管埋深)為2.0m時,模型預測的地下吸水管排水量及地表徑流量(以單位面積上的水深表示)隨排水間距的變化趨勢:隨著排水間距的增大,地下吸水管排水量逐漸減小,地表徑流量逐漸增加,尤其是間距超過30～40m以后,水量變化幅度趨于平緩。因此,排水間距設計不易超過40m。為保證排水效果,本設計選擇30m間距作為項目區(qū)控制地下水位較為合理的吸水管設計間距。

當排水間距為30m時,地下吸水管排水量及地表徑流量隨吸水管埋深的變化趨勢:隨著吸水管埋深的增大,地下排水量逐漸增加,地表徑流量逐漸減小。大于1.8m,排水變化則不明顯。因此,項目區(qū)控制地下水位較為合理的吸水管設計埋深設計為1.8m。此外,由于項目區(qū)內整體地勢北高南低,吸水管設計為沿條田長邊布設,現(xiàn)有田塊土地較平整,滿足暗管鋪設要求。

根據(jù)以上設計,項目區(qū)共埋設田間吸水管599.23條,長度共564.688km。吸水管采用PE單壁打孔波紋管,比降為0.5‰,管徑為110mm。

4.5 集水管設計

集水管是匯集吸水管水流的管道。根據(jù)國際標準公式:

Q=22×d2.76×i0.5

(1)

式中:Q為流量,m3/s;d為管道直徑,m;i為坡降,%。

經(jīng)計算得出,每條集水管最大流量為592m3/d,再根據(jù)DAINMOD模型模擬項目區(qū)暗管排水量及工程實踐經(jīng)驗,確定暗管排水量為1.8mm/d,從而計算得出每條集水管控制面積約592×1000/(1.8×10000)=32.9hm2。

所以,項目區(qū)集水管采用直徑為200mm的PE單壁波紋管,每條集水管垂直吸水管方向布設,通向排渠,坡度為0.7‰,共鋪設集水管6.0條,長度共計18.151km。

4.6 集水井泵站設計

根據(jù)項目區(qū)排水系統(tǒng)現(xiàn)狀,需要在排渠末端設置3座集水井泵站。根據(jù)調查,冬灌期間,田間排水量最大,33.35hm2排水小區(qū)實際排水量約為38.5m3/h,即確定本項目每條集水管最大排水流量為38.5m3/h,單座集水井泵站控制2條集水管,則單座泵站排水量為77.0m3/h。水泵為自由出流,按照相對高程,出水管中心標高為0.00m,水泵停泵水位為-3.50m,水泵揚程為3.8m。則潛水泵選擇流量為100m3/h,揚程8m,配套電機功率4kw,轉速2860r/min的機型,共為3個泵站配備3臺水泵。

4.7 集水井、清洗三通設計

吸水管與集水管的連接處、集水管轉彎處建集水井,匯集吸水管或集水管水流,共61座。為施工方便、節(jié)省工程成本,在保證排水效果前提下,設計采用PE成品井。井體采用高強度復合式樹脂井筒(規(guī)格:60cm×120cm×90cm),井蓋低于原始地面100cm為準。

吸水管長度>300m時,每隔300m應設置檢查井,用于檢查吸水管工作狀態(tài)和疏通管道。為了減少占用耕地,便于農(nóng)業(yè)生產(chǎn),吸水管位置檢查井用清洗三通替代,共安裝清洗三通1882個。并在集水井、清洗三通蓋子上均預制一塊鐵板(規(guī)格:8cm×8cm×1cm),以便于探測發(fā)現(xiàn)。

5 結 語

暗管排鹽技術特點為:管道排鹽,通過將水或灌溉淋洗,將土壤中的鹽分通過暗管排走,從而達到土壤洗鹽排鹽的目的;控制地下水位,暗管能夠將地下水位降低到埋設深度以下,從而起到有效控制地下水上升,防止土壤次生鹽漬化的作用。根據(jù)項目區(qū)水土條件和鹽堿地現(xiàn)狀,通過分析探討,采用暗管排水與明溝排水相結合的方式,吸水管、集水管和集水井并重,使得地下鹽水經(jīng)吸水管匯入集水管排入現(xiàn)狀排渠,有效將地下水位控制在一定水平,實現(xiàn)鹽堿地快速、高效改良,為項目實施提供了科學依據(jù)。