黃河河口地區排堿施工暗管間距參數率定研究

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(山東乾元工程集團有限公司， 山東 東營 257091)

黃河河口地區排堿施工暗管間距參數率定研究

牛麗霞，宮曉東

(山東乾元工程集團有限公司， 山東 東營 257091)

黃河河口地區由于自身地質、氣象等特點，造成了該地區鹽漬化問題極為嚴重，嚴重制約了當地農業發展。傳統的鹽漬改良手段效果不明顯，為此，通過合理對比，可以在黃河河口地區引入暗管排堿技術進行土壤改良。由于黃河河口地區地層的特殊情況，暗管排堿施工中的暗管間距布設的好壞直接影響著暗管排堿施工的效果。應根據實際情況，率定暗管排堿施工暗管間距布設的參數，才能將暗管排堿技術科學有效地運用到黃河河口地區鹽漬土地治理中來。

黃河河口地區； 暗管排堿； 間距參數率定

1 暗管排堿技術介紹

暗管排堿技術適用于地勢低洼，排水不良的區域。該技術主要推廣國家為荷蘭，近年來被引入國內，并與國內幾大科研機構共同改進施工工藝及機械，得到了很好的推廣。該技術通過暗管排堿技術，能夠很好地將土壤中多余水分排走，避免地下水位受蒸發影響被抬高造成鹽漬化加重，所需成本雖前期較高，但是暗管排堿施工只需一次，無需重復布設，前期投入大，后期基本無投入，且土壤鹽漬改良效果好，根據國內外暗管排堿施工的效果分析，三年左右土壤可脫堿。見下頁圖。

暗管排堿施工圖

2 暗管的間距計算

目前確定吸水管間距主要有田間試驗法、理論計算法和經驗數據法三種方法，各有其應用空間，但也存在相對的缺陷。田間試驗法最符合當地實際情況，但受試驗經費和試驗周期所限，不可能對各類漬害田和鹽堿化土地都開展試驗；理論計算法是將錯縱復雜的實際條件進行概化后，利用滲流理論計算確定吸水管間距，該法雖使用方便，能緊密結合排水設計標準，但因有關參數不易測準，如果盲目選用，計算成果準確性可能較差；經驗數據法是一種經驗性的方法，《灌溉與排水設計規范》(GB 50288—99)中對我國排水工程實踐經驗的概括，可供無田間試驗資料時選用，但給出的經驗數值取值范圍較大，缺少實踐經驗者難以正確選用。

塑料暗管間距的確定關系到排水效率和投入成本，并與土壤類型、暗管埋深有關。間距過大，則相應要求深度過深，不僅工程量大，而且可能要求采取動力強排并配以完善的管道輸水系統或通暢的排水溝系統，增加日后運行費用和管理難度，這在目前的經費投入和管理體制下難以保證；間距過密，則改良效果明顯，速度快，但工程建設投資將會隨之大幅增加。因此，在暗管排水工程中合理地確定暗管間距極為重要。

暗管間距的確定一是首先要滿足地下排漬標準即設計地下排水模數的要求，二是暗管的間距應滿足防鹽要求，即理論上應小于按排蒸比標準計算的間距。二者之間有著重要聯系，排漬工程中亦同時排出了相應的鹽分。

2.1 設計地下排水模數

根據棉花耐漬要求，土壤水達到飽和后需3天之內由地表降至0.6m以下，方能使作物免除漬澇災害。據此防漬指標，可求得設計地下排水模數，計算公式為：

式中q地下——設計地下排模，m3/(s·km2)；

T——排水時間，取3d；

F——排漬水面積，km2；

μ——給水度，項目區土壤實測值為0.04；

H——純排水降深值，m。

據張蘭亭(1986)在各方面條件相近的打漁張灌區實測資料，降雨或灌溉后三天內平均每天騰發量約在11mm左右，可計算出蒸發總降深值為0.33m，則純排水降深值應為0. 27m左右，可參考該資料進行計算。

由此可計算出q地下=0.0417m3/(s·km2)，即為3.6mm/d，此為設計排漬時間內的平均排水模數。

2.2 暗管間距計算

邵孝侯等(2000)、陳香香等(2006)在對暗管的間距進行優化設計時，采用的數學模型中沒有考慮排漬過程中土壤水的蒸發作用，由此計算的間距可能偏小。實際上在降雨或洗鹽灌溉后，田塊地下水位往往短時間上升至地表，隨后在蒸發和暗管(或排水溝)內排水的共同作用下，土壤中水位不斷下降，因此在考慮暗管間距時必須考慮蒸發的影響。

在非穩定流條件下，暗管排水模數不是一個定數，在設計排漬時間內在排水過程中隨著地下水位的高低(作用水頭)而不斷的變化，只是變化緩慢而已。在此假定暗管排水模數不變，即暗管平均設計地下排水模數q=3.6mm/d(已考慮騰發影響，忽略農溝排漬影響)。

由此可根據胡浩特公式確定暗管適宜間距：

L=(8Kbdh+4Kah2)/q

式中L——暗管間距，m；

Ka、Kb——分別為暗管以下和以上土壤滲透系數，m/d。

經土壤調查實測，研究區土壤滲透系數在0～1.23m/d之間，平均值為0.23m/d，總體較小。滲透系數較大區集中在土壤質地較好、沙性較強的區域，而滲透系數較小的區域主要處于土壤粉砂性較強、黏土層分布較厚和多層黏土分布的區域。Ka、Kb近似相等處理；

h——作用水頭，m；

d——暗管管徑，m，取0.1m；

q——地下排水模數，m/d，取0.0036m/d。

實際上旱田排水是一種非穩定流條件，即作用水頭h在排水過程中是變值，可按如下公式計算：

式中H0——地下水位降落起始時刻排水地段中部地下水位高于管內水面的作用水頭，m；

Ht——地下水位降落到t時刻排水地段中部地下水位高于管內水面的作用水頭，m。

由上述可知，土壤水達到飽和后需3d之內由地表降至0.6m以下，管道埋深設計H，管內水面為管徑的一半，即0.05m，則：

H0=H-0.05(m)；Ht=H-0.6-0.05(m)

由此可計算出不同設計埋深(H)、不同滲透系數(Ka、Kb)下的理論暗管間距，詳見表1。

表1 排漬計算暗管間距

上述計算間距可認為是達到排漬標準的參考暗管間距。

鹽漬土區暗管的另一重要功能是排鹽，即暗管間距還應滿足排鹽要求，且理論上應不超過按排蒸比計算的間距，并以此對上文計算出的排漬合理間距進行校核，以保證暗管區土壤處于不斷脫鹽過程中。可參照文獻(王艷芳)，按排蒸比標準計算暗管間距，

其公式如下：

式中K——土壤滲透系數，m/d;

h——暗管埋深，m；

ε0——地下水位埋深為零時的蒸發強度，mm/d，按10mm/d計；

μ——水面形狀修正系數，一般暗管取μ=0.8～0.9，可取0.85;

α——排蒸速度修正系數。

當h≤hε

式中n——地下水蒸發強度與埋深關系指數，通常n=1，計算時取1；

hε——地下水停止蒸發時的水位埋深，m，項目區取3m；

η——排蒸比，排水地段中部的地下水位從地面開始降落至hd全過程中的重力水被排水管排出與被蒸發消耗的水量。土壤剖面內的鹽量平衡關系可用下式計算：

其中R——入滲水和原始地下水的礦化比，調查實測表明入滲水(引黃水0.7g/L)在本區土壤形成的平均地下水礦化度為10g/L左右；

G——要求的土壤剖面有效脫鹽量與蒸發積鹽量的比值。根據鹽漬土的改良速度要求確定，對于預防土壤鹽堿化地區可取G=0，對于一般改良鹽堿土地區可取G=1，較高要求的改良區宜取G=2左右。該項目區取G=2；

φ——滲流阻抗系數，由排水地段和暗管的幾何參數決定。

φ的計算可采用阿維里揚諾夫—瞿興業公式：

當含水層較淺時，即管距L≥2D時，

當含水層較深時,即L≤2D時，

式中D——暗管中心點至不透水層距離m，根據該項目區開展的地質勘探資料，埋深在9.80～15.00m之間是為粉質黏土，厚度為2.60～10.70m，可近似視為不透水層，因此D取9.8m;

d——塑料暗管的有效內徑m，一般取0.1m；

h——作用水頭，m，數值同上。

由于該區含水層厚度可定為9.8m，出于投資考慮，選擇管距L一般不小于2D，因此選用第一個公式計算φ。

綜上所述，暗管間距計算公式可轉化為：

B和h的關系為隱函數關系，不便求解，為此作如下簡化：

同上，可計算出基于防鹽的不同設計埋深(H)、不同滲透系數下(Ka、Kb)的理論暗管間距見表2。

表2 排蒸比暗管間距計算

研究區布設暗管的作用既要滿足防漬，又要實現控鹽。暗管密度大，排出水量多；暗管間距小，地下水位下降速度快，相反暗管間距大，地下水位下降速度慢。試驗表明，土壤因蒸發而積鹽的過程發生在地下水位從高到低的回降過程中，水位回降越慢，土壤積鹽越多。綜合以上考慮，選擇暗管間距時，以二者計算理論值中小值為約束，因此最終設計時主要以表1、表2為參考，具體可根據土壤滲透系數分布情況確定適當布設方案。

根據以上實踐理論和土壤實測滲透系數(應該考慮到剖面滲透系數的實際值應該比平均值大些)，在考慮上述各種因素的前提下，結合各區域排水斗溝溝深，并考慮投資效益以及規模化施工方便，研究區暗管設計采用埋深不低于1.2m。滲透系數在0.2m以下的間距采用20m，滲透系數在0.2～0.4m處采用25m，滲透系數在大于0.4m處采用30m。

3 結 語

暗管間距計算是決定暗管施工成敗的關鍵技術之一，影響到土壤鹽漬化脫堿效率，結合黃河河口地區現狀，根據理論公式及經驗公式，得出的黃河河口地區暗管排堿施工間距參數的結果，能夠科學有效地提高暗管排堿施工預期效果，極大地提高施工后運行效益。

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StudyonUndergroundPipeSpacingParameterCalibrationinAlkaliDischargeConstructionofYellowRiverEstuaryRegion

NIU Li-xia， GONG Xiao-dong

(Shandong Qianyuan Engineering Group Co., Ltd., Dongying 257091, China)

Salinity problems are extremely serious in Yellow River estuary region due to its geological and meteorological characteristics, thereby seriously hampering local agriculture development. Traditional salinity improvement means have insignificant effect. Underground pipe alkali discharge technique can be adopted in Yellow River Estuary Region for improving soil through reasonable comparison. Underground pipe spacing layout quality in underground pipe alkali discharge construction directly affects the effect of underground pipe alkali discharge construction due to special circumstances of the Yellow River estuary region. Parameter of underground pipe spacing layout in underground pipe alkali discharge construction should be calibrated according to actual situation, thereby underground pipe alkali discharge technique can be scientifically and effectively applied in treating salinity land in Yellow River estuary region.

Yellow River estuary region; underground pipe alkali discharge; spacing parameter calibration

TV511

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1005-4774(2014)11-0081-04