改進暗管排水及其性能研究

陶 園，許 迪，王少麗，瞿興業，楊麗慧

(1.中國水利水電科學研究院水利研究所，北京 100048；2. 國家節水灌溉北京工程技術研究中心，北京 100048；3.河海大學水利水電學院，南京 210098)

改進暗管排水技術(以下簡稱“改進暗排”)是一種新型的地下排水結構[1]，采用透水性強的砂礫石或爐渣、秸稈、木屑等材料替換暗管上方透水性較弱的土壤(以下稱“反濾體”)，借此增加暗管上部土體的滲水性，并在反濾體上方回填30～40 cm原土作為耕作層，具有不占地、排水性能較常規暗管排水技術(以下簡稱“常規暗排”)有所提高以及環境友好的特點。改進暗排對于農田澇水的排除具有重要作用。淺地下水埋深地區，強降雨過后產生地表積水土壤飽和的情況下，改進暗排的排水性能已有所研究[1]。然而，我國一些糧食產區的地下水埋深較大，如河套灌區6月地下水埋深大于2m的面積超過灌區面積的30%[2,3]，黑龍江松嫩平原北部和三江平原東北部局部地區地下水埋深為8～20 m，淮北平原北部6月的地下水埋深為2.0～4.0 m[4]。此外，隨著北方地區井灌的不斷發展，地下水大量開采也導致地下水位持續下降[5]，以安徽地區為例，從2007年9月到2010年9月該地區平均地下水位累計下降達1.3 m[6]。同時這些地區會發生澇災，根據中國水旱災害公報統計[7]，從2006到2012年，安徽和黑龍江兩大糧食產區由于澇災產生的農作物受災面積年平均為76和66萬hm2，位居全國第三位和第六位。對于易發生澇災且地下水大埋深地區，強降雨過后地表持續積水但深層土壤未完全飽和的情況下，改進暗管排水的性能如何還有待研究。

本研究通過室內試驗，考慮地下水埋深、反濾體寬度以及土體介質3個影響因素，揭示較大地下水埋深條件下、地表持續積水一定時間后改進暗排的排水性能，為改進暗排在較大地下水埋深地區的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

參考Lennoz-Gratin[8]和Kami[9]的暗管排水試驗，設計了模擬非完整暗管排水的室內試驗裝置見圖1。該裝置主體為內徑18.8 cm的有機玻璃筒，筒內底部填裝10 cm厚的大粒徑玻璃珠作為透水層，玻璃珠與土體之間放置支撐網以防止土體介質被沖走。暗管由內徑1 cm、外徑1.2 cm的光滑銅管制作而成，開孔率為1.5%，暗管埋深(用D表示)為15 cm。暗管周邊反濾體由不同粒徑玻璃珠替代，反濾體高度為10 cm，寬度以暗管為對稱軸分別取0、2、4和6 cm。土體介質分別選用40～70目(粗砂土介質)和80～120目(細砂土介質)的兩種石英砂。在玻璃筒壁上共安裝4個測壓管，緊貼筒壁內側的測壓管口設置濾網以防止土體介質流失及淤堵，利用平水箱控制不同地下水埋深。

1-進水口；2-5-測壓管；6-止水夾；7-排水暗管；8-支撐網；9-連接管；10-平水箱；11-可移動支架；12-反濾體；13-土體介質；14-強透水材料圖1 試驗裝置結構圖(單位:cm)Fig.1 Sketch of test equipment

1.2 試驗方法及相關參數

試驗中，固定暗管埋設參數及地表積水深度，考慮地下水埋深、反濾體寬度和土體介質3個因素對排水流量的影響，進行全面試驗，共計32組，表1給出了組合試驗的設計方案。試驗前，將土體介質分層填裝到有機玻璃筒內，控制一定的容重；采用平水箱連接玻璃筒底部出水口由下往上緩慢注水的方式進行土體飽和。每次更換反濾體后，關閉排水暗管，打開玻璃筒底部出水口，通過達西一維滲流試驗測算筒中裝填的土體介質和反濾體的滲透系數。試驗過程中，地下水埋深控制依次為0(0D)、30(2D)、55(3.7D)和75 cm(5D)。每次改變地下水埋深時，將平水箱連接玻璃筒底部出水口并置于設定高度，土柱內高出設定位置的水將通過平水箱溢流排出，維持該狀態足夠長時間使控制水位以上土體中的自由水充分排出，之后上端注水形成7 cm積水層，開啟暗管出水口，積水10 min后進行試驗測量。根據達西定律測算得到粗砂土介質的平均滲透系數為0.025 8 cm/s；細砂土介質的平均滲透系數為0.001 4 cm/s；粗砂土介質中反濾體的滲透系數約粗砂土介質滲透系數的10倍；細砂土介質中反濾體的滲透系數約為細砂土介質的78倍。

表1 組合試驗設計Tab.1 Composite experiment design

2 結果與分析

2.1 地下水埋深對排水能力的影響

以滲透系數小的細砂土介質為主要研究對象，粗砂土介質作為對比，表2給出了細砂和粗砂土介質下不同組合試驗方案的排水流量。由表2可知，積水10 min后，其他因素相同時，隨著地下水埋深的增加，常規暗排及改進暗排的排水流量均隨之減小。非飽和土體在地表積水入滲過程中，一部分水量通過土體進入地下水中而被排出，這部分水量與非飽和土層的厚度有關，非飽和土層越厚，則通過地下水排出的水量越多，而通過暗管排出的水量越少。地下水埋深為0 cm的飽和土體條件下，測得細砂條件下常規暗管的排水流量為0.505 cm3/s，與傳統暗管排水理論公式計算[10]的結果0.49 cm3/s相近(模型簡化為暗管長度為18.8 cm、間距為14.77 cm)，說明了試驗設計的合理有效性。

表2 不同組合試驗方案下的排水流量 cm3/s

細砂土介質中、地下水埋深為30 cm(2D)時，經過10 min積水后，常規暗排的排水流量為0.405 cm3/s，約為完全飽和條件下排水流量的4/5，具有一定的排水效果，當地下水埋深達到75 cm(5D)時，常規暗排排水流量很小，約為飽和條件下排水流量的1/5，基本失去了排水作用。說明了地下水埋深大到一定程度后，常規暗排具有很大局限性。然而，反濾體寬度為2 cm的改進暗排在地下水埋深為0D、2D、3.7D和5D時的排水流量分別是地下水埋深為0D條件下常規暗排排水流量的2.28、1.98、0.75和0.61倍；反濾體寬度為6 cm時，改進暗排在相應地下水埋深下的排水流量分別為0D條件下常規暗排排水流量的3.03、2.69、1.29和1.23倍。由此可見，設置反濾體的改進暗排在地下水埋深較大的非飽和土體條件下對于排除地表持續積水的作用非常顯著。

圖2給出了地下水埋深對不同暗排排水流量的影響趨勢?？梢钥闯?，無論地下水埋深多大，相同積水時間下，改進暗排均能大大提高暗管的排水流量。同一土體介質中，地下水埋深相同時，隨反濾體寬度增加，暗管的排水流量有所增大，且不同結構形式暗排自由出流排水流量隨地下水埋深變化的趨勢與是否設置反濾體有關，而與改進暗排反濾體寬度的關系不顯著：無論在粗砂土介質還是細砂土介質中，相同積水時間下常規暗排的排水流量均隨地下水埋深的增加呈線性下降趨勢，二者具有顯著的線性負相關關系，相關系數可達到0.97；然而，對于改進暗排來說，其排水流量隨地下水埋深變化的趨勢不再呈線性，該趨勢在粗砂和細砂土介質中也有一定差別。

在粗砂土介質中，改進暗排的排水流量隨地下水埋深變化的趨勢主要分兩個階段：地下水埋深小于30 cm(2D)時，隨著地下水埋深增大，改進暗排排水流量的減小速率大于常規暗排，即該階段改進暗排對地下水埋深變化比常規暗排更敏感；地下水埋深大于30 cm(2D)時，地下水埋深對常規暗排排水流量的影響大于改進暗排。而在細砂土介質中，該趨勢分為3個階段：地下水埋深小于30 cm(2D)時，由于細砂土介質滲透系數小，通過非飽和細砂土介質進入地下水中的水量有限，仍有大部分入滲水量通過暗管排出，導致該階段改進暗排排水流量隨地下水埋深變化的趨勢與常規暗排大致相同；后面兩個階段與粗砂土介質中的規律相似。

圖2 地下水埋深對不同暗排排水流量的影響Fig.2 Effect of groundwater depth on flow rate of different-type subsurface drainage

2.2 地下水埋深對排滲水量比的影響

地下水位低于暗管埋設高程時,土體呈現非飽和狀態，地表積水入滲的水量有一部分通過暗管排出，另一部分繞過暗管下滲補給到地下水中。單位時間暗排排出的水量與下滲補給到地下水中的水量比值可以在一定程度上反映改進暗排的作用大小，以下簡稱“排滲水量比”。排滲水量比主要受到地下水埋深、暗排結構反濾體寬度及土體滲透系數的影響。

圖3給出積水層深度為7 cm條件下地下水埋深對排滲水量比的影響?？梢钥闯?，對相同土體介質中的特定暗排結構來說，地下水埋深較小時，排滲水量比很大，且隨著地下水埋深增大，排滲水量比有所減小，特別是細砂土介質的排滲水量比下降較快。當地下水埋深條件相同時，積水10 min后，常規暗排在粗砂土介質下的排滲水量比僅是細砂土介質下的1/2左右，即透水性較強的土體介質會下滲更多的水量補給地下水，且改進暗排在細砂土介質下的排水效果遠大于粗砂土介質。此外，改進暗排的反濾體寬度對排滲水量比的影響很大，細砂土介質、反濾體寬度分別為2、4和6 cm時，排滲水量比相應的為常規暗排下的2.5、3和5.5倍。由此可見，反濾體的寬度越大，改進暗排下的排滲水量比就越大，即暗排的排水作用越強。細砂土介質更接近田間實際情況，我國南方多數地區的土壤與反濾體滲透性的差別大于細砂土介質條件，可以預期改進暗排在大地下水埋深的地區中可以發揮排水除澇的作用。

圖3 地下水埋深對排滲水量比影響Fig.3 Effect of groundwater depth on the ratio of drainage and seepage quantity per time

3 結 論

通過對地表積水條件下不同地下水埋深 條件下改進暗排的排水流量試驗研究發現。

(1)細砂土介質中，積水10 min后，地下水埋深為暗管埋深的2倍時，常規暗排仍可起到排水作用，此時改進暗排的自由出流排水流量為飽和條件下常規暗排自由出流排水流量的2倍，排水效果顯著，而當地下水埋深為5倍暗管埋深時，常規暗排基本失去排水作用，但改進暗排仍可起到排水作用。

(2)相同地下水埋深條件下，細砂土介質中的改進暗排排滲水量比遠大于粗砂土介質，且反濾體寬度對排滲流量比有很大影響。地下水埋深較淺時，隨地下水埋深增加，排滲水量比迅速下降；當地下水埋深到達一定數值后，排滲水量比變化很小。

無論對于地下水埋深較小或較大地區，相比于常規暗排，改進暗排均具有更好的排水作用。本文研究可為改進暗管排水技術在有一定地下水埋深條件下的推廣應用提供一定的參考。不同地下水埋深條件下，田間土壤條件、排水布局等對改進暗排排水作用的影響也有待進一步研究。

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[1] 陶 園，王少麗，許 迪，等. 改進暗管排水結構形式對排水性能的影響[J]. 農業機械學報，2016，47(4):113-118.

[2] 杜 軍，楊培嶺，李云開，等. 河套灌區年內地下水埋深與礦化度的時空變化[J]. 農業工程學報，2010，26(7):26-31.

[3] 付美英，趙宇輝. 2010年河套灌區地下水動態淺析[J]. 內蒙古水利，2011，133(3):56-57.

[4] 安徽省水利廳, 安徽省水文局.安徽省淮北地區地下水通報[R]. 2010.

[5] 中華人民共和國水利部水資源司，中華人民共和國水利部水文局.中國北方平原區地下水通報[R]. 2010,(3).

[6] 王友貞，葉乃杰. 安徽淮北平原農田排水問題[J]. 中國農村水利水電，2008,(2):5-7.

[7] 國家防汛抗旱指揮部，中華人民共和國水利部. 中國水旱災害公報[J]. 北京：中國水利水電出版社，2006-2012.

[8] Lennoz-Gratin Ch. Effect of envelopes on flow pattern near drain pipe[J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 1989,115(4):626-641.

[9] Kami K,Abdolmajid L,Seyed H H. The feasibility of rice husk application as envelope material in subsurface drainage systems[J]. Irrigation and Drainage,2012,(61):490-496.

[10] 瞿興業. 農田排灌滲流計算及其應用[M]. 北京：中國水利水電出版社, 2011.