陈为峰 王文中 刘志全 张立宾 尹承斌 倪俊玲

摘要：为进一步简化黄河三角洲盐碱区暗管排水排盐工程规划设计方案，结合土地开发工程典型实例，通过对项目区实际情况的分析，探讨了暗管排水工程规划设计关键参数确定的理论模型及其简化求解方法。黄河三角洲地区多采用单级暗管形式，暗管材料选用外径为110 mm的PE双壁波纹塑料打孔管;暗管埋深建议为1.2- 1.7m;根据不同的排盐标准，计算出相应的排水模数，结合排水区域土壤的渗透系数，提供了暗管间距选择参考表，得出项目区暗管布設间距范围可取17-27 m，平均为22 m。

关键词：暗管排水：排水模数：暗管埋深：暗管间距：黄河三角洲

中图分类号：S276.3

文献标志码：A

doi：10.3969/j .issn.1000-1379.2020.01.030

1 引言

黄河三角洲地区土地开发对象主要是滨海新生盐碱地。该区滨海新生盐碱地土壤质地以粉砂壤土为主，结构松散，稳定性差，排水明沟边坡极易坍塌[1]，其排水排盐效果持续性差，维护成本极高，且占地多;竖井排水技术对降低该地区表层潜水位的作用也不够明显[2]，且成本较高，一直没有得到大面积推广应用;台田浅塘改良利用技术曾是黄河三角洲盐碱土的重要改良方法，但在土地资源日益宝贵的今天，因其土地利用率较低，也逐渐被淘汰;盐碱地稻改利用改良方法，受制于黄河下游淡水资源不足，只能小面积推广。黄河三角洲地区从20世纪七八十年代就已经开展了暗管排水排盐研究[3]，目前该技术成为该地区盐碱地高效开发与利用的主导模式。

暗管排水排盐技术可有效避免明沟排水占用大量耕地和边坡塌陷的问题[4]，是一种水利措施改良盐碱、脱盐效率较高的方法[5-6]，增产效果明显[7]。暗管埋设关键技术参数为暗管的埋深与间距[8-9].选择适宜的排水暗管布设规格，能够提高改盐效率，控制地下水位，进而提高作物产量[10]。暗管排水布设关键参数可以通过试验或模型计算的方法加以确定。薛静等[11]通过研究认为，在保证作物产量有所提升的前提下，内蒙古河套灌区田间排水暗管规格为间距100 m或75 m、埋深2.5 m;田玉福等[12]提出，在松嫩平原苏打草甸碱土改土基础上，暗管间距小于20 m对表层土壤渗透性、土壤全盐含量、ESP（碱化度）改善作用显著，暗管埋深为0.8 m、暗管间距为Sm对表层土壤的改良效果最好;刘慧涛等[13]通过田间试验，提出河北滨海盐碱区暗管排水排盐最优铺设方案为埋深1.2 m、间距30 m。综上所述，不同学者确定暗管布设关键参数时采用的方法和模型不一，结果差异较大，这可能与不同研究区域的土壤、地下水、气候、种植作物等因素有关。本文结合前人研究成果，以东营市河口区新户二期土地开发重点项目为实例，采用简化模型方法，立足当地实际，结合工程实践，进行暗管排水系统关键参数的设计总结与探索，旨在探讨黄河三角洲典型盐碱区暗管排水系统中规划设计关键参数的确定方法、思路和途径，并为类似地区暗管排水改盐技术的实践与应用提供参考。

2 研究区概况

研究区属北温带半湿润大陆性气候区，年平均气温13.1℃，年平均降水量565.6 mm，土壤类型主要为潮土、潮盐土。选择典型区域为东营市河口区新户二期土地开发重点项目区，位于东营市河口区新户镇西南部，处于北纬37°58'53”-37°50'37”，东经118°13'03”-118°18 '32”。项目建设规模5 699.40 hm2，其中盐碱地为2 099.31 hm2。项目区属黄河近代冲积平原，地势平缓，地形南高北低，东高西低，南北向自然坡降为1/10 000左右，东西向自然坡降为1/5 000左右，地面高程大多在2.0-5.5 m之间，属于黄河三角洲盐碱地开发的典型区域。项目区前期进行的土壤调查表明，土壤pH值为7.33 - 9.32，土壤含盐量为1.05 -35.98 g/kg，其中轻度盐化土占24.17%，中度盐化土占23.33%.重度盐化土占22.50%.盐土占28.33%;土壤有机质含量为0.56 - 29.25 g/kg，土壤渗透系数为0.3-1.5 m/d。2013年3月调查数据表明，区内地下水静止水位埋深为0.90 - 2.70 m，地下水位随季节的变化而变化，历年地下水最高静止水位埋深为0.50 m.水位变化幅度为3.00 m;地下水含盐量平均值为10 g/L。

项目区位于黄河下游王庄灌区西部，黄河水是项目区农业生产唯一可靠的淡水资源。项目区来水时间短，水资源宝贵，引水量受限，提高排水洗盐效率非常有必要：同时，区域汛期降雨集中，在雨季通过排水系统有效控制渍害也是该地区需要解决的问题。因此，通过暗管排水系统实现有效控盐防渍是工程设计应首要解决的问题。

3 暗管排水工程规划设计

3.1 设计地下排水模数

设计地下排水模数是确定暗管布设的关键参数之一。出于降水位控盐的要求，可采取地下水位下降速度标准和排蒸比控盐标准进行约束。

根据《农田排水工程技术规范》（SL/4-2013）（以下简称《规范》），旱作区在渍害敏感期间可采用3-4d将地下水埋深降至0.4- 0.6 m;防治盐碱化通常以地下水位临界深度为工程设计标准，排水时间一般可采用8-15 d将地下水位降到临界深度。因此，可按上述水位下降速度标准要求计算排水模数。降雨或洗盐灌溉后，在土壤水蒸发和土壤内排水的共同作用下地下水位不断下降，因此在计算设计地下排水模数时，应首先计算排水过程中的地下水平均蒸发强度。

3.1.1 地下水平均蒸发强度

排水过程中的地下水平均蒸发强度可按下式计算：

该区水面蒸发强度约为5 mm/d.排渍设计地下水埋深一般取0.5 m.临界地下水埋深为2.0 m左右，出于理论和工程实践的结合考虑，本设计控盐地下水埋深采用1.7 m。据此可计算出该区排水期间地下水平均蒸发量，见表1。

3.1.2 防渍排水模数

《规范》提供的防渍排水模数公式中没有考虑地下水蒸发的影响，计算结果会偏大，在此对公式进行修正如下：式中：q渍 为防渍平均排水模数，mm/d; ho为起始地下水埋深，m;ht为满足防渍要求的设计地下水埋深，m;t为排水时间，d;u为地下水位降深范围内的平均给水度。

设计时，该区治渍标准中最大水位降深按0.5 m计算，时间是3d，排水层土壤给水度平均值为0.05，据此可计算出治渍排水模数（见表1）。

3.1.3 控盐排水模数

控盐排水模数计算公式为式中：q盐 为控盐平均排水模数，mm/d;h0为起始地下水埋深，m;ht为满足防盐要求的设计地下埋深，m，取1.7 m;;Ω为排水地段内的地下水面形状修正系数，暗管排水宜取0.8 - 0.9。

按控盐标准设计时，该区最大水位降深按1.7 m计算，平均给水度为0.05，地下水面形状修正系数取0.85.据此可计算出不同排水时间下的控盐排水模数（见表1）。

3.1.4 排蒸比

为进一步验证所用排水模数是否满足排盐需要，可用排蒸比指标来进行校核。排蒸比是指在地下水位降落过程中，排水地段内土壤中的重力水被排水沟（管）排出的水量与被蒸发消耗掉的水量之比值，用η表示。用排蒸比作为一种指标来表示排水标准，具有明确的物理概念和实用意义。按照土壤剖面内的盐量平衡关系，排蒸比可用下式计算[14]：

该改良区为引黄灌区，黄河水矿化度一般为0.6g/L左右，而地下水矿化度平均为10 g/L左右，则可计算出按盐量平衡关系下，G取1时，排蒸比η=0. 63;G取2时，η=1. 19。

综上所述，满足控盐要求的排水模数也同时满足排渍要求。不同排水时间的排水模数和排蒸比是不一样的，排水模数为2.44 mm/d，相应排水时间设计为12d，排蒸比为0.68，可以满足改盐区一般控盐要求;排水模数为4.44 mm/d.相应当排水时间设计为9d，排蒸比为1.24，可以满足改盐区较高的控盐要求。

3.2 暗管布置规划

暗管田间布置有单级管、多级管等形式。单级管是指只布置一级吸水管，具有吸聚和排泄地下水流的能力;多级管包括一级吸水管和二级或三级集水管，集水管主要起到及时汇集和输排吸水管来水的作用。该地区高程低，多级管需要设置强排系统，而一级吸水管布局简单，投资小，易管理，运行费用低，是目前暗管排水工程采取的主导模式。

根据项目区实际情况，并结合该地区前期项目，项目区采用了复合式单级暗管自流排水工程形式（见图1），即每个条田内部仍保留一条农沟，沟深1.5 m，底宽1.0 m，边坡为1：2，主要用于排出地面涝水，同时与暗管一起起到控制地下水位、排出浅层潜水的作用，以加速脱盐改良进程。暗管没有与农沟相连，而是与农沟平行、与斗沟垂直相连的形式。采用这种布置形式一是考虑到排水走向，二是考虑给暗管留有足够的出口高度，避免排水沟坍塌造成的暗管堵塞、出水不畅。

3.3 暗管管材选择与管径设计

暗管应选择抗盐碱、耐腐蚀的管材，同时应满足一定的强度要求。结合该区多年的工程实践以及现状机械化施工要求，采用外径110 mm双壁波纹PE塑料打孔管（内径为100 mm左右）;吸水孔打在暗管波纹底部，在管道四周均匀分布，每周4行，每100 mm有2排;吸水孔为长方形，宽度为1 mm，长度为50 mm，有效吸水孔面积大于8 000 mm2/m。

3.4 暗管埋深设计

暗管埋深的确定，是暗管排水系统规划设计的主要任务之一。塑料暗管埋深的确定要满足防渍或防盐的要求，并应考虑项目区气候条件、土壤质地、作物种类、出水条件等因素。

3.4.1 暗管最小埋深设计

确定暗管最小埋深，应在满足控盐要求的基础上，充分满足种植作物排渍要求、农业机械作业要求等。对暗管埋设深浅的研究表明[15]，埋深越小，经灌溉淋洗后，其排水效率越高，耕作层土壤脱盐效果越好，盐分分布越均匀，改土效率越高。另外，采用适当的暗管浅埋方式，可以大大增加利用降雨进行洗盐的机会，并加快上层土壤的脱盐速度。这对淡水资源非常缺乏的黄河三角洲地区更有实践意义。根据《规范》要求，暗管最小埋深工程控制标准应满足农作物全生育期的排渍要求，可视作物根深不同而选用0.8 - 1.3 m;另外，还需要考虑农业机械作业对排水要求的地下水埋深，如满足履带式拖拉机下地要求的最小地下水埋深是0.4 m，满足轮式拖拉机要求的是0.5 m，目前该地区采用的深松机械，最大深度达到0.7 m，即要求地下水埋深应不小于0.7 m。

考慮到两排水暗管间地块中部地下水位与排水暗管中水位之差（一般取0.2 m），以及暗管中水深（一般取暗管管径的一半，即0.05 m），可确定暗管最小埋深为0.95 m。该深度小于刘文龙等[16]提出的“浅密型”暗管布置推荐深度1.2 m。

3.4.2 暗管最大埋深设计

施工实践表明，埋管越深，施工越难，投资越大，因此埋设的最大深度一般由控制土壤返盐的地下水埋深确定。另外，黄河三角洲地区目前亟待开发的大片盐碱地主要位于滨海区，大片区域高程在3m左右，在考虑自流排水的前提下，埋管最大深度也受到自然高程的制约。因此，在实际施工中，一是要考虑当地埋管机械的施工深度;二是要考虑在施工机械铺管深度一定、地形允许的情况下，尽量满足自流排水要求，以减少运行费用;三是要考虑运行过程中排水沟的坍塌淤积，避免出现管道堵塞现象。

暗管最大埋深位于暗管出水口处（即伸出排水沟位置，见图2），可按以下公式计算：

由式（5）可计算出最大设计埋深为1.90 m.因此其最大设计埋深原则上可定为1.90 m。

黄河三角洲地区多年土地开发整理施工和管理经验表明，新开挖排水沟坡坍塌比较严重，同时造成沟底淤积（经调查，一般当年淤积厚度在0.3 - 0.5 m之间），因此必须适当加大暗管与斗沟沟底的高差，以免暗管出口被淤土堵塞。当地新挖沟渠一般每年清淤一次，考虑沟内淤积厚度，确定暗管出口与沟底高差保持在50 cm以上，即最大埋深采用1.70 m可满足各项要求，基本保证出水通畅。长远来看，要对土壤进行彻底改良，还应该控制地下水位在临界水位以下，但就其运行成本以及整个地区水文地质大环境来看（如外围咸水的长期侧渗补给），除非在较大范围内实施暗排，否则很难实现。

该项目区暗管设计埋深阈值（即暗管首端和末端埋深）确定为1.20 m和1.70 m，布设时根据项目区内各单元规划种植作物、土壤含盐量、地下水质、黏土层分布特征、地下水位高低、田块长短等因素进行因地制宜的布置。

3.5 暗管的间距设计

暗管间距是暗管排水系统设计的关键参数之一。暗管间距大小与土壤性质、设计排水模数、暗管埋深等因素有关。间距设置合理与否，直接关系到排水效果和工程投资大小。

采用Hooghoudt简化公式确定暗管适宜间距[16]：

式中：L为暗管间距.m;k为暗管埋设土层土壤渗透系数，经现场实测，该项目区土壤渗透系数变异较大，大部分介于0.3 - 1.5 m/d之间;H为非稳定流情况下的平均作用水头.m;D为不透水层顶部低于排水管的深度，m;q为排水模数，m/d。

在非稳定流条件下，暗管排水模数不是一个定值，在设计排渍时间内，排水过程中随着地下水位（作用水头）的变化而变化。为简化计算，在此假定暗管排水模数不变，即取上文计算的暗管平均设计地下排水模数。平均作用水头H可按下式计算[17]：

式中：Ho为初始作用水头，m;Ht为t时刻作用水头，m。

由此可计算出不同设计埋深m（可以暗管纵向中部埋深为准）、不同渗透系数、不同改盐要求（G=I、G=2）的理论暗管间距（见表2）。

该项目区渗透系数一般为0.6- 1.2 m/d.设计平均埋深（应考虑暗管出口排水沟的深度）按1.3 - 1.5 m（暗管中段埋深）考虑，排盐按照一般标准要求，即G=1，最终选择暗管间距为17 - 27 m，平均为22 m。在工程施工过程时，可根据不同项目区实际情况适当修正。

4 结论

结合黄河三角洲地区暗管排水改盐工程实际情况和现有数据资料，分析了有关设计参数的理论模型及其求解方法，结合不同模型的对比计算，提出了基于当地不同土壤渗透系数、不同改盐要求的暗管排水改盐工程关键设计参数参考值，为黄河三角洲地区应用暗管排盐工程实践提供设计指导，研究结果有较强的实践意义和一定的理论价值。

（1）在目前的管理体制和投资体制下，暗管排水系统建议采用单级埋设方式，材料选用外径为110 mm的PE双壁波纹塑料打孔管。

（2）根据暗管出口排水沟的典型深度，暗管埋深建议在1.2 - 1.7 m之间，可根据暗管埋设长度、埋设比降和出水管口与排沟沟底的高差等多种因素，综合考虑确定首端、末端适宜深度。

（3）根据该区暗管推荐采用的埋深，基于排水区域土壤的渗透系数和不同的排盐标准（不同的排蒸比），采用Hooghoudt简化公式计算出了暗管适宜的布设间距参考值。具体而言，该区暗管布设间距范围可采取17 -27 m，平均为22 m。

（4）排水范围土体给水度、地下水面形状校正系数、土壤渗透系数、排水模数等参数在非稳定流的排水条件下，采用了定值化或平均化处理，这样处理比较粗略，可能带来一些计算上的误差，如何更合适地确定以上参数，需要进一步分析探讨。

参考文献：

[1] 刘文龙，罗纨，贾忠华，等，黄河三角洲暗管排水土工布外包滤料的试验研究[J].农业工程学报，2013，29（18）：109-116.

[2] 戴同霞，李锡录，张兰亭，等，山东省打渔张引黄灌区竖井排水改良盐土效果的试验研究[J].土壤学报，1980，17（3）：255-266.

[3] 张兰亭，暗管排水改良滨海盐土的效果及其适宜条件[J].土壤学报，1988，25（4）：356-365.

[4] 彭成山，杨玉珍，郑存虎，等.黄河三角洲暗管改碱工程技术实验与研究[M].郑州：黄河水利出版社，2006：3.

[5]SINGH K M， SINGH O P，SEWA RAM H S.Chauhan.Mod-ified Steady State Drainage Equations for Transient Conditionsin Subsurface Drainage[J].Transaction8 0f the ChineseSociety of Agricultural Engineering （TraIl8actions of theCSAE），1992，20（4）：329—339.

[6] BAHCECI I，SUAT一NACAR A.Subsllrface Drainage and SaltIJeaching in Irrigated LaIld in South—East Turkey[J].Irrigation aIld Drainage，2009，58（3）：316—356.

[7] 邵孝侯，王靖波，朱成立，等，暗管排降对小麦养分、干物质、籽粒产量及品质的影响[J].河海大学学报（自然科学版），2000，28（5）：16—20.

[8] 于淑会，刘金铜，李志祥，等，暗管排水排盐改良盐碱地机理与农田生态系统响应研究进展[J].中国生态农业学报，2012，20（12）：1664—1672.

[9] WISKOW E，VANDER PLOEG R R.Calculation of DarinSpacings for optimal Rajnstorm Hood Contml[J].Joumal ofHydrology，2003，272（1）：163—174.

[10] AZHAR A H.Subsurface Drainage Impact Assessment onCrop Yield[J].，Transactions of the Chinese Society of Agri一cultural Engineering（‘Ihnsactions of the CSAE），201 1，2l（2）：215—219.

[11] 薛靜，任理.提高小麦单产的田间排水暗管规格模拟[J].灌溉排水学报，2016，35（5）：1-9.

[12] 田玉福，窦森，张玉广，等，暗管不同埋管间距对苏打草甸碱土的改良效果[J].农业工程学报，2叭3，29（12）：145—153.

[13] 刘慧涛，谭莉梅，于淑会，等，河北滨海盐碱区暗管埋设下土壤水盐变化响应研究[J].中国生态农业学报，2012，20（12）：1693一l699.

[14] 瞿兴业，张友义，考虑蒸发影响和脱盐要求的田间排水沟（管）间距计算[J].水利学报，l98l，12（5）：1-5.

[15]王洪义，王智慧，杨凤军，等.浅密式暗管排盐技术改良苏打盐碱地效应研究[J].水土保持研究，2013，20（3）：269—272.

[16] VANDER MOLEN W H，WESSⅢNG J.ASolution in aosedfom and a Series Solulionto Replacethe'Iable8forthe，111icke8sof the EqLlivalent Layer in Hooghoudt'sDrain SpaciIlg Formula[J].Agric.Water Manage，1991，19（1）：1—16.

[17] 王少丽，张友义，李福祥.涝渍兼治的明暗组合排水计算方法探讨[J].水利学报，2001，32（12）：56—62.

【责任编辑 许立新】

收稿日期：2018-03-06

基金项目：山东省重点产业关键技术项目（2016CYJS05A02）;国家自然科学基金资助项目（ 31570522）：山东省土地综合整治服务中心项目（LTZY-2017-002）

作者简介：陈为峰（1970-），男，山东日照人，教授，主要从事土地生态整治、水土资源利用等方面的研究工作