濱海灘涂“淺溝+暗管”排水模式的設計與應用效果

2015-10-20 17:44:15陳煉等

江蘇農業科學 2015年9期

陳煉等

摘要：分析了江蘇省新墾濱海灘涂明溝排水存在的淤積和土地占用問題，并對產生原因進行探討，發現灘涂土壤結構差、農溝深度大和邊坡較長等問題，而農田越級排水是上述問題的主要誘因。在此基礎上，提出了與生產路建設相結合的淺溝+暗管排水（鹽）模式，按照交通和排水要求，給出了相應的設計方法和技術參數。最后結合實例，分析了該模式的減淤、節地和脫鹽效果，并進行了經濟和社會效益評價。該模式具有經濟和技術可行性，可為江蘇省濱海高鹽沙土區農田水利規劃和土壤脫鹽改良提供技術參考。

關鍵詞：濱海灘涂；高鹽沙土；排水模式；淺溝+暗管；溝道淤積

中圖分類號： S276文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）09-0464-03

1灘涂明溝排水主要問題與分析

江蘇省規劃在2050年前圍墾46.6萬hm2濱海灘涂，其中60%面積用于農業。由于長期受到海水浸泡，新墾灘涂的土壤含鹽量、地下礦化度較高，需脫鹽改良。明溝排水是江蘇省目前最常用的脫鹽改良技術，其基本思路是利用農溝匯集澇水、漬水和淋洗排水，并通過溝道系統排出治理區。該模式操作簡便，建設成本低，但在江蘇濱海地區使用存在以下問題：（1）農溝口寬大，占地多，不適應目前江蘇省耕地緊張的現狀。根據筆者在如東縣掘港鎮、東臺市弶港鎮等濱海灘涂的調查，圍墾5年后的灘涂，溝深為1.5 m左右時，在采用草簾護坡情況下，農溝口寬需6.0 m以上才能保持穩定。為防止農田越級排水造成溝坡沖刷，農溝兩側需修溝堤，并在堤外布置截水溝，農溝實際占地寬度10～12 m。而根據江蘇省濱海灘涂區的地下水埋深和礦化度，適宜農溝間距在75～90 m[1]，僅農溝占地就在10%以上。（2）坍塌嚴重，排水（鹽）效果差，維護成本高。根據東臺市弶港鎮圍墾5年的灘涂現場調查，在無防護措施下，農溝每年淤積深度一般在0.5～0.8 m，農溝排漬（鹽）功能基本喪失，與王資生在海安灘涂圍墾區新挖斗（農）溝淤積調查結果[2]類似。（3）耕地破碎，影響土地規模化經營。農渠間距受制于農溝間距，而農溝間距受制于溝深。較大的溝深容易坍塌淤積，且一般農機具無法跨溝作業。目前江蘇省濱海地區在溝渠相間布置模式下，條田寬度只有30～50 m（相鄰布置模式下條田規格較大，但灌排效果較差），土地被溝渠分割，機械耕作效率較低[3]，不適應目前圍墾區集約化經營的要求。

綜上所述，農溝坍塌和淤積是導致上述問題的主要因素。通過資料收集和現場調查，對溝道坍塌、淤積的主要原因分析如下：

1.1土壤沙性強，含鹽量高，抗侵蝕性差

根據如東縣掘港兆盈農場、東臺市弶港新墾灘涂土壤取樣測試結果，新墾海涂為沙土或粉沙土，顆粒細小，黏粒和有機質含量低，基本屬于無結構土壤[4-5]，抗沖性極差。由于土壤含鹽量高，在鈉離子作用下，土壤遇水后很容易被離散[6]，抗蝕性很差。被雨滴濺散的粉沙土粒易堵塞土壤孔隙，使表層土壤更加密實，降低土壤入滲能力，增加地表徑流量，侵蝕模數很高。根據張以森等[7]、佘冬立等[8]的試驗結果，在雨強1.0～2.05 mm/min時，沙土溝道邊坡的輸沙率可高達4～12 t/（hm2·min）。雨水沖刷侵蝕后會在溝坡形成細溝甚至淺溝，為重力侵蝕提供了發育條件。

根據弶港鎮新墾灘涂的調查，圍墾后5年內，在無水利措施條件下，表層30 cm土壤含鹽量一般在1.0%～1.5%，除少量鹽蒿外，農田和溝道坡面基本處于裸露狀態，地表糙率小，地表徑流流速較大，擊濺侵蝕和徑流沖刷較為嚴重，導致泥沙大量入溝，加劇了溝道淤積。

1.2農溝坡長和深度較大，為水力和重力侵蝕提供了有利條件

江蘇省濱海灘涂年降雨量在1 000 mm左右，雨季暴雨較多，侵蝕動能高。目前排水模式下，農溝需同時承擔防鹽、降漬和排澇任務。為滿足防鹽要求，濱海灘涂區溝道深度一般在1.5～2.0 m，非襯砌溝道邊坡系數一般需在1.5～3.0之間或更緩[9-10]。較大的坡長和溝深，促進了水力侵蝕和重力侵蝕發展，溝道坍塌較為嚴重。

1.3缺少溝堤防護，越級排水導致農田大量泥沙進入溝道

調查發現，圍墾初期，土地平整程度相對較差，在田間排水工程（如墑溝、腰溝、隔水溝[11]）不全的情況下，降雨后部分農田積水會越過田間溝道直接流入農溝。由于溝深較大，流速快，往往產生較嚴重的溯源侵蝕，導致大量泥沙進入農溝。根據筆者2013年對如東縣掘港鎮兆盈農場的調查結果，在長度600 m的2條農溝中，發現4處由于越級排水形成的侵蝕溝，其末端深度與農溝溝底齊平，長度可達3～5 m。為減少越級侵蝕，該農場被迫在溝道兩側修筑溝堤，堤外開挖排水淺溝，使得農溝寬度由原來的7 m增加到12 m左右，占地率遠高于高標準農田的建設標準[12]。

2淺溝（生產路）+暗管排水模式設計

從影響坍塌、淤積的3個因素分析可以看出，改變土壤結構和質地需要較長時間，目前除設置農溝溝堤控制越級排水外，只能通過溝坡防護技術防止坍塌。襯砌防護技術，如混凝土面板、混凝土網格等技術，效果雖好，但造價較高，由于農溝數量巨大，難以大規模使用。因此，如何防止或者規避溝道坍塌，是濱海新墾區大規模排水脫鹽亟待解決的問題。另外，生產路作為田間工程的一部分，在方便生產的同時，也占用了一定的耕地。基于張友義等明暗結合排水的理念[13]，本研究結合江蘇省濱海鹽堿土特點和土地規模經營需求，提出了與生產路建設相結合的“淺溝+暗管”的排水模式：利用暗管系統將地下水直接排至斗溝，而淺溝僅承擔除澇任務，以降低溝深，減少溝道坍塌和淤積，從而節約土地和溝道維護費用。同時，利用淺溝深度較小的特點，溝底兼做生產路使用，使田間工程占地進一步減少。而對于匯集漬、澇水的斗溝，由于其控制面積大（一般是農溝控制面積的5～10倍），可采用目前常用的防護技術，保持排水暢通。

2.1暗管排水系統規劃設計endprint

“淺溝+暗管”模式下，田間排水暗管分為2級，分別為吸水管和集水管。集水管與淺溝平行，用于匯集吸水管排水并排向斗溝。間距可根據排水要求、耕作要求布置，一般可取100～150 m[14]。集水管可以是不透水管，也可以是透水管，后者具有控制地下水位的作用[9]。江蘇省濱海灘涂土壤透水性較弱，建議使用透水管，埋深1.5～2.0 m。

吸水管間距需根據土壤和地下水位控制要求，通過試驗或參照相關資料確定。根據江蘇各地的試驗資料[15-16]，吸水暗管的間距在10～15 m，深度在0.9～1.5 m之間。

2.2排水淺溝規劃設計

與生產路相結合的淺溝，其橫斷面設計參數需要同時滿足地表排水和交通要求。

2.2.1交通要求生產路主要為人工田間作業和收獲農產品服務，一般不通過大型機械。江蘇省土地整理建設標準中規定路面寬度在1.0～2.0 m，素土壓實處理。因此，淺溝底寬在1.0～2.0 m即可。為方便生產者進出及小型農具從淺溝進入農田，淺溝深度不宜過大。對于規模經營的農場，淺溝經過適當處理，應能允許大型機械（如收割機）橫向通過。為方便行走，淺溝底部不應積水，因此，淺溝底部應高于地下水位。綜上所述，淺溝深度宜控制在0.4～0.5 m。由于溝深較淺，邊坡系數可選為1 ∶（1～1.5）。

淺溝宜結合集水管布置，即將集水管埋設在淺溝下方，以便雨后及時降低淺溝上方地下水位，并減少開挖費用。對于生產路使用頻率較高的經濟作物種植區，淺溝底部可鋪設5～10 cm厚的碎石或碎磚，起加固路基和防止沖刷的作用；使用頻率較低的地區，淺溝可按生態用地進行設計。旱作物種植區可采用天然植被保護，增加生物多樣性，并攔截排水中的氮磷和泥沙。亦可種植耐淹作物，增加耕地面積；水田區可按照濕地建設要求，種植濕生植物。

2.2.2排水要求排水設計要求應考慮2個方面：一是排澇要求，即淺溝縱橫斷面能在規定時間內排除設計暴雨產生的徑流；二是淺溝深度與田間排水毛溝的深度相適應，避免在交匯處產生沖刷。

新墾灘涂地勢平坦，溝、河具有一定的蓄水調節能力，可按平均排除法計算排澇流量。根據江蘇省高標準農田的建設要求，農田排澇標準按日降雨200 mm、2 d排出即可。

采用底寬2.0～3.0 m，深度0.4～0.5 m的淺溝，占地16%～3.0%（表1）。在淺道間距100～150 m的情況下，條田長度（即斗溝間距）可達1 000 m以上，能滿足江蘇省絕大多數灘涂地區的排澇要求。因此，對于一般水旱輪作的大田作物，淺溝底寬取2.0～3.0 m，間距建議取為150 m，采用溝渠相間布置。由于淺溝和斗溝溝深差異較大，毛溝與淺溝的結合處需設置排水涵管或做防沖處理。表1不同規格淺溝的排澇能力與控制面積

0001.752500.2～0.33.01.00.3～0.51/5 0004.00.16 0.19 1 003 500～1 0001.60注：（1）溝道按照24 h凈雨130 mm、48 h排除計算；（2）農溝上游溝深取小值，下游取大值；（3）溝水面低于田面10～20 cm；（4）糙率取003；（3）最大過流能力按明渠均勻流計算，偏于安全。

由于淺溝深度較小，排澇時溝內水位較高，而斗溝深度較大（一般在2.0～2.5 m），較大的落差導致淺溝末端流速大于表1中按照明渠均勻流計算值，淺溝末端的實際水深小于計算值，表1所給的溝深偏于安全。考慮到淺溝末端流速較高，淺溝出口需設陡坡或跌水防沖。

3應用與驗證

為驗證上述排水模式的有效性，2012年5月至2013年4月在江蘇省如東縣圍墾灘涂的兆盈農場進行了對比試驗。

項目區內土壤為粉沙土，0～100 cm土壤含鹽在1.055%～1.177%。已建成的農溝深度為1.5 m，間距150 m（明顯偏大，但渠已建成，故未做加密處理）。試驗選擇了相鄰3條農溝，以保持土壤和地下水位的一致性。雖未設重復處理，但各農溝和淺溝的長度達到600 m，且在自然條件下進行，研究具有較好的代表性。

處理1、處理2采用明溝排水。其中處理2溝坡采用草簾防護，稻草用量為1.5 kg/m2。農溝設計參數見表2。處理3為淺溝+暗管模式。挖深至1.8 m后，于溝底鋪設200 mm透水波紋管，然后回填至設計深度（表2）。吸水暗管采用外徑65 mm透水波紋管，管間距15 m，埋深0.9 m，通過三通排水至集水管。各處理毛溝垂直農溝布置，深度0.5 m，間距100 m，共6條。由于農溝侵蝕嚴重，故農溝兩側設置了溝堤，堤外開挖排水溝與毛溝相連，用于匯集田間排水并防止農田越級排水。為減少毛溝排水沖刷破壞，各處理的毛溝排水口設置排水涵。農溝和淺溝技術參數見表2。

3.1防坍減淤效果

經過1年運行后，處理1農溝坍塌和淤積較為嚴重，其次是處理2（草簾防護），處理3淺溝淤積量最小（表2）。與處理1相比，處理3淤積量減少了90%，處理2減少63%。淤積導致農溝底部抬高25～86 cm，對地下水位控制產生不利影響。而處理3的地下排水則由集水管匯集后直接排至斗溝，規避了農溝淤積造成的不利影響。

由于毛溝和淺溝深度相同，處理3毛溝排水涵出口流速較小，經1年運行后無一破壞。溝底除中間部分有沖刷外，形狀總體保持較好，可作為生產路正常使用。處理1和處理2排水涵破壞較嚴重（表2）。表2不同處理溝道參數與淤積量處理號防護方法底寬

（m）溝深

（m）邊坡系數淤積量

（m3/m）倒塌排水涵

（座）最大溝深

（m）最小溝深

（m）處理1（農溝）無防護1.01.502.001.5320.950.64處理2（農溝）草簾防護1.01.502.000.5731.251.03處理3（淺溝）無防護2.00.501.000.1500.560.41注：（1）每條農溝、淺溝每隔150 m測定淤積后橫斷面，每溝測5個斷面；（2）以原設計橫斷面線為基準線，位于該線以上部分為淤積量。坍塌部分不重復計算；（3）測試日期2013年4月28—29日。endprint

3.2節約用地效果

與處理1和處理2 相比，處理3淺溝占地大幅度減少（表3）。本試驗中，由于淺溝可作為生產路使用，傳統的“溝-渠-路”模式變為“淺溝（生產路）+渠道”模式，每塊條田（150 m×600 m）可增加耕地5 700 m2，耕地率可增加 6.34%。若農溝（渠）間距為100 m時，節地率達到9.5%。這對于耕地緊張的江蘇省而言，具有特別意義。表3不同處理溝道參數與占地量

處理號上口寬

（m）溝堤及堤外溝寬

（m）溝占地率

（%）農渠+生產路寬

（m）溝渠路寬

（m）溝渠路占地率

（%）處理17.05.58.333.8016.3010.87 處理27.05.58.333.8016.3010.87 處理33.01.02.662.80（無生產路）6.804.53注：（1）溝道占地包括農溝、溝堤和溝堤外排水溝。（2）生產路寬度1.5 m，結合農渠渠堤建設。（3）溝渠路占地包括渠堤、渠（道）外坡占地。

3.4土壤脫鹽效果

根據2012汛期（5月11日開始，9月16日結束）降雨排水脫鹽試驗資料，該段時期內共降雨498.9 mm，灌水 100 mm。頻繁的降雨加上初期的灌溉淋洗脫鹽，土壤處于淋洗狀態，土壤脫鹽較快。汛期結束后，處理1、處理2和處理3表土100 cm土壤脫鹽率分別為26.2%、33.4%和665%，表明“淺溝+暗管”模式具有更好的排水脫鹽效果。而在非汛期，由于降雨量少，加上冬春季節風力較大，土壤由淋洗轉為蒸發狀態，至第二年結束時（2013年4月29日），100 cm土壤的脫鹽率分別為15.0%、16.2%和36.4%，仍以“淺溝+暗管”排水模式最佳。

3.3效益費用分析

3.3.1費用投入根據土地整理預算定額，處理1溝道開挖和堤頂修筑、毛溝排水涵等共計3.46萬元；處理2為處理1基礎上增加草簾防護費用0.48萬元（以后每3年重新鋪設1次），共計3.94萬元。處理3建設費用17.64萬元。括淺溝開挖和表土壓實0.54萬元，集水管、吸水管埋設與安裝16.2萬元，毛溝排水涵6座0.6萬元，跌水0.30萬元。

3.3.2效益分析（1）維修成本降低產生的效益。隨著土壤熟化和含鹽量降低，植被將逐漸恢復，淤積減少。為簡化計算，淤積量按每年遞減10%進行估算，溝道清淤土方按照當地價格6.0元/m3計算。（2）新增耕地的經濟效益。處理3較處理1和處理2增加耕地0.57 hm2。新增耕地效益，初期5年按照0.60萬元/hm2計算，以后每年按照1.2萬元/hm2計算。處理2的效益估算方法與處理1相同。（3）增產效益。由于土壤脫鹽加快，土壤含鹽量降低，作物增產。增產效益按每年0.15萬元/hm2 計算。則每塊條田每年增收：（150-16.87）×600/10 000×0.15=1.2萬元。

3.3.3經濟效益評價社會折現率按照7%計算。和處理1相比，需9年收回投資；與處理2相比，約需10.5年（期間重新鋪設草簾2次），而暗管使用壽命一般在30年以上。因此“淺溝+暗管”模式具有經濟可行性。根據江蘇、山東等地濱海鹽堿地的溝渠布置模式，農溝間距一般在50～90 m[3，12]，若考慮渠道節地和建設效益，經濟效益更高。

4結論與討論

濱海高鈉鹽粉土的溝道坍塌、淤積是影響土壤脫鹽的關鍵和難點。對于數量巨大的排水農溝，至今仍缺少有效的低成本防護方法[4]。本研究提出的“淺溝+暗管”排水模式，將地面排水和地下排水任務分別由淺溝和暗管承擔，通過降低淺溝深度，在一定程度上規避了傳統深農溝引起的邊坡坍塌與淤積，加速了土壤脫鹽，并降低溝道維護費用。

淺溝橫斷面的縮小及其與生產路的結合，能大幅度減少溝、路占地，提高土地利用率。由于淺溝僅承擔地表排水任

務，在田間排水工程完善的情況下，其間距可增至100～150 m，大于目前濱海地區的農溝間距[6]，可減少田間溝、渠、路的密度，進一步增加耕地率。淺溝兩側經適當處理，可允許大型機械橫向通過，在溝渠相間布置的模式下，有利于擴大條田規格，更適于濱海灘涂土地規模經營。因此，與生產路相結合的“淺溝+暗管”排水模式在江蘇省濱海灘涂地區以及類似地區具有較好的應用前景。

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