黃河三角洲現代化鹽堿土整治技術體系研究與應用

張 亮，趙 陽，石為位，王慶偉

（1.華北水利水電大學，鄭州450046；2.河南河長學院，鄭州450046；3.山東安瀾工程建設有限公司，山東聊城252000）

0 引 言

黃河三角洲位于東營市黃河入海口，黃河攜帶著大量的泥沙奔騰而來，在即將與渤海交匯的地方形成一片沖積平原，這里還有著十分重要的保護區——黃河三角洲自然保護區，自然資源十分豐富。然而，黃河三角洲臨近渤海灣，地下水埋深較淺，受氣候影響年蒸發量大于降水量，另一方面海水也在不斷侵蝕著這片土地，因此，土地鹽堿化問題在不斷加劇，嚴重影響著糧食產量，限制了農業的發展。不僅如此，由于鹽堿化土地的增多，生態平衡也受到威脅，曾經鳥類的天堂面臨嚴重的危機。黃河三角洲地區土壤鹽堿化問題十分突出，急需科學高效的治理土地鹽堿化的技術手段予以解決。

國內外學者普遍認為排灌工程技術體系建設在鹽堿化土地防治和治理中發揮著重要的作用［1-3］。當今，暗管、豎井、明溝等措施在排堿方面的運用效果較好，逐漸被世界各國所認可［4］，其中暗管排堿工程技術推廣較為成功的是荷蘭。近年來，暗管排堿技術引進我國，通過國內多家科研機構共同改進施工工藝和機械，已得到很好的推廣，主要應用于排水不暢的低洼地區，能有效地控制多余的水分，避免了鹽分的蒸發，運行成本基本為零，最關鍵的是土地改良效果相對較好。

本研究提出以暗管排堿技術為核心的黃河三角洲現代化鹽堿土整治工程技術體系，在黃河河口地區土地開發項目中進行了應用，取得了良好的效果。項目區位于東營市河口區新戶鎮域內駐地西南，共涉及新戶鎮的北臺子、太平、友誼、四頃二、南王、新華、麻郭、東華、西華、馬家、龍王、雙勝、太一、太二、太三等43個行政村，主體工程于2017年12月完工。

1 黃河三角洲現代化鹽堿土整治工程技術體系組成

以黃河來水為依托，通過修建水庫水塘等存水網絡在汛期儲存備用水源；通過連通各灌溉水渠，合理利用和分配水資源，提高灌溉效率；通過在田間鋪設暗管排堿和棄水排泄網絡，調控地下水位，及時將鹽分排出，改良鹽堿土，使農作物免受漬澇災害；結合物聯網智能決策支持系統，根據采集的土壤墑情和鹽分等數據，進行水量優化分配和水、肥、藥科學決策，利用自動控制系統，進行自動輸水灌溉；布設監測網絡進行實時監測，觀察改良效果，組成現代化的黃河三角洲鹽堿土整治工程技術體系。

存水網絡：水庫作為主要的蓄水方式，也要采取一些輔助性的措施，比如修建水塘魚塘。在黃河汛期，多存儲一些黃河水作為備用水源。但是單純的蓄水設施是不夠的，還需要把水源、蓄水設備、灌溉區連接起來，形成系統的存水網絡。

灌溉水渠網絡：依據高程比降，合理利用上游的水源，在干渠和支渠之間、支渠和斗渠之間、斗渠和農渠之間修建自動控制閘門，在農渠和田地之間修建毛門，各水渠之間通過閘門控制，在汛期實現提閘后自行儲備，在需要用水時實現提閘后自行灌溉，這就大大節約了成本，灌溉效率也進一步提高。

暗管排堿網絡：該地區有很大一部分土地為沙性土壤，透水性較好，因此根據實際需要，在田間鋪設暗管，在降水量較大和進行田間灌溉時，多余水分可以下滲到暗管得以及時排出，也可以適當降低地下水水位。

棄水排泄網絡：暗管的鋪設雖然有助于排出多余水分，但地下水的流動很有可能引起棄水的反滲，無法徹底排出，因此還需適當的排泄網絡加以輔助。

物聯網智能決策支持系統：將水源、輸配水系統、暗管及棄水排泄系統中的水泵、閘門、流量計、傳感器和自動控制器等設備通過物聯網連接起來，并與智能決策支持系統相連，以實現水資源優化分配、適時適量進行灌排的智能決策和自動控制。

布設監測點：為更直觀地監測地下水位及水質變化，需要布設一些監測點及相關監測設備，通過監測數據，觀察改良效果，為下一步工作提供好依據。

由于黃河兩岸與黃河三角洲地區的一些地質條件、氣候條件等有很多相似之處，因此這些技術工程措施對今后其他地區鹽堿地的改良也可以適用。

2 暗管埋深和間距的確定

暗管排堿技術是一種改良鹽堿化土壤的有效方式，也是黃河三角洲鹽堿土整治工程技術體系中的核心技術。其投入成本、排水效率受塑料暗管間距的影響，同時還與暗管埋深、土壤類型密切相關，過深的深度和過大的間距不僅會導致工程量的增大，有時還會要求必須采取動力強排措施，對管理和運行費用要求較高，因此，暗管的埋深和間距的確定至關重要。

2.1 暗管埋深計算

暗管排堿網絡的建設施工中，不同環境條件下埋藏深度是有差別的，這不只受地質條件的影響，還要綜合分析該地土壤鹽堿化程度、氣候因素及土壤透水性等因素。受當地氣候的影響，黃河三角洲地區的降水主要集中在7-9月，地下水位升高，而由于該地區土壤中含有黏砂夾層土壤的透水性較差，土壤中水分過多會使得農作物和植被根部缺氧，土壤漬化，進而導致農作物產量降低，因此控制好地下水水位至關重要［5］。根據現有條件，暗管埋藏深度的確定很大程度上取決于防止土壤鹽漬化的要求。

根據農田排水工程技術規范（SL 4-2013），暗管埋深計算公式如下：

式中：hq為暗管埋深，m；he為滿足植被和農作物需要的地下水埋深，m；He為滯留水頭，即兩暗管埋設點間田地的中間位置處地下水位高出暗管中水深h0的差值，m；h0為暗管中水深，取值為暗管管徑的1/2，m。

由此可見，影響暗管埋設深度的主要因素有兩點：①地下水埋深介于何值時可以保證農作物的正常生長；②滯留水頭的取值He，我國滯留水頭一般取在20～30 cm之間［6］。

該地區鹽堿地經過一系列改良，將大面積種植棉花，棉花是較耐鹽堿的作物，一般鹽堿地復墾都會優先選擇種植棉花。7月到9月為棉花蕾鈴期，是養分需求量最高的時候，而該地區的降水又集中在這3 個月份，需要全力防止漬害的發生。因此適合棉花生長的地下水埋深成為決定暗管埋設深度的最為關鍵的因素。根據土地開發整理項目規劃設計規范（TD/T1012-2000），棉花作物設計排漬深度為1.0～1.3 m。該區域所用的管道直徑為10 cm，根據計算公式可得出，暗管最小設計埋深為1.25 m。

2.2 暗管的間距計算

控鹽和滿足防漬要求是項目區布設暗管主要考慮的因素。20 世紀80年代初，丁福堂的研究指出暗管密度的大小和排出水量的多少成正比例關系，暗管間距的大小則與地下水位下降的速度成反比［7］；本世紀初，王水獻等通過試驗證明了在地下水位回降的過程中會導致土壤因蒸發而積鹽，并且地下水位回降的速度會隨著土壤含鹽量的降低而加快［8］。

牛麗霞等對黃河河口地區排堿暗管間距布設參數進行了研究［9］，參考其研究成果得出滿足排漬要求的暗管埋設間距如圖1，得出滿足防鹽要求的暗管埋設間距如圖2，具體計算公式和主要參數取值如下。

圖1 滿足排漬要求的暗管間距Fig.1 Distance between concealed pipes meeting the requirements of drainage

圖2 按排蒸比計算的暗管間距Fig.2 Distance between concealed pipes calculated by exhaust steam ratio

滿足排漬標準的暗管間距，根據胡戈浩特公式計算：

式中：L為暗管埋設間距，m；Ka為暗管以下土壤滲透系數，m/d；Kb為暗管以上土壤滲透系數，m/d，取Ka≈Kb；h為作用水頭，m；d為暗管管徑，m，取值0.1；q為地下排水模數，m/d，取值0.003 6。

滿足防鹽要求的暗管間距，采用按排蒸比標準計算間距的半經驗公式計算，公式如下：

式中：B為暗管埋設間距，m；K為土壤滲透系數，m/d；h為暗管埋深，m；ε0為地下水位接近地表時的蒸發強度，mm/d，取值10；μ為水面形狀修正系數，取中間值0.85；α為排蒸速度修正系數，計算公式見式（4）；η為排蒸比，取1.2；φ為滲流阻抗系數，采用阿維里揚諾夫—瞿興業公式計算。

式中：n為地下水蒸發強度與埋深關系指數，取值1；hε為蒸發后的地下水位埋深，m，取值3。

暗管間距要同時滿足農作物免受漬害需求和防止土壤鹽堿化的需求，因此，暗管間距應選擇較小值。布設方案還要具體考慮土壤滲透系數的分布情況。綜合以上各種因素該研究區的暗管間距可采用20 m（滲透系數＜0.2 m）、25 m（滲透系數為0.2～0.4 m）、30 m（滲透系數＞0.4 m）。

3 監測指標分析

監測網絡的建設可以及時準確地掌握地下水水位、水質及土壤鹽分含量的變化情況，更加有效的評定土壤改良的成果，同時也可以為今后的土壤改良提供數據支持。在田間設置地下水監測網絡，布設管徑4 cm 深6 m 的PVC 管觀測井，每平方千米布設一個觀測點，觀測數據一般是7 d 為一周期，除了灌溉時期的檢測頻率需要每天觀測之外，鹽堿地整治的效果依照每周的變化情況來進行評價。從施工前、到施工中、再到施工后，取得了一些觀測數據。現挑選較有代表性的4 個觀測點，4 個觀測點直線距離均間隔5 km，選取原則是這4 個觀測點都位于最早施工的區域，能夠觀測整治前后的地下水位、水質變化情況，觀測點所在區域8月初開始施工，至8月中旬大部分暗管投入運行，至10月初整治工程體系施工完畢，通過以上指標監測數據前后對比分析，闡述該工程技術體系的應用效果。

3.1 地下水位的變化

選取4 個觀測點的整個觀測期的數據變化來分析，見圖3。

圖3 改良前后1～4號觀測點的水位變化情況Fig.3 Water level change of observation points 1～4 before and after improvement

可以從圖3 看出，經過整治工程的土地治理，1～4 號觀測點的地下水水位明顯降低，從數值看，4 個觀測點分別從3.32、3.19、3.2、3.16 m 降到2.01、2.05、2.12、2.25 m，降幅達39.5%、35.7%、33.8%、28.8%，平均下降1.11 m，水位降幅如此明顯，得益于暗管排堿工程的施工和棄水排泄網絡的投入運用，由圖3看出各觀測點地下水位變化整體趨勢一致，但由于各觀測點位置整治工程施工前后及各自水文地質條件的細微差異導致其變化曲線存在一些微小差別。

3.2 礦化度變化

繼續利用4 個觀測點在整個觀測期的數據變化來分析，其中現場實測為電導率，礦化度=電導率×0.64，按照這個公式換算即可得出4個觀測點的對應礦化度。見圖4。

圖4 改良前后1～4號觀測點的礦化度變化情況Fig.4 Mineralization change of observation points 1～4 before and after improvement

從圖4可以看出，各觀測點整治之前水中礦化度較高，達到了咸水的標準。經過工程整治，4 個觀測點分別從整治前13.22、14.14、12.97、13.62 g/L，降至整治后7.83、8.83、8.84、8.56 g/L，降幅達40.8%、37.6%、31.8%、37.2%，平均下降4.97 g/L，礦化度回落的較為明顯，表明以暗管排堿為主的整治工程能夠降低地下水的礦化度。

本次地下水監測數據分析雖然只是采用了4個觀測點的數據，但是能夠直觀看到整治前后地下水位、水質的變化過程。可以看出，鹽堿土整治工程技術體系應用后土壤的改良效果是極為明顯的。

4 結 語

從研究結果和監測數據分析，可以得出以下結論：①研究建立的以暗管排堿技術為核心的鹽堿土整治工程技術體系適用于黃河三角洲地區，對解決土壤鹽堿化問題效果較好。②得出的暗管間距和埋深等參數是合理的。

黃河三角洲的土壤鹽堿化問題嚴重，亟需有效的土地鹽堿化改良的體系。暗管排堿工程需要資金相對較少，土壤改良效果較好，通過現代化灌溉水系統網絡，并將暗管排堿和污水排放技術相結合，形成基于物聯網，由蓄水灌溉網、暗管排堿網、污水排放網、效果監測網等網絡組成的黃河三角洲現代化鹽堿地治理系統，可快速降低土壤含鹽量、改善土地質量，提高土地承載能力，使鹽堿荒地快速轉變為中高產良田，在濱海重鹽堿地的開發改良中，技術先進，成效顯著，而且有利于保護生態環境，是鹽堿地開發的高效生態開發模式，對推進高效生態經濟良性循環和可持續發展具有積極作用。