黃河河口地區(qū)排堿施工暗管間距參數(shù)率定研究

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(山東乾元工程集團(tuán)有限公司， 山東 東營(yíng) 257091)

黃河河口地區(qū)排堿施工暗管間距參數(shù)率定研究

牛麗霞，宮曉東

(山東乾元工程集團(tuán)有限公司， 山東 東營(yíng) 257091)

黃河河口地區(qū)由于自身地質(zhì)、氣象等特點(diǎn)，造成了該地區(qū)鹽漬化問(wèn)題極為嚴(yán)重，嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展。傳統(tǒng)的鹽漬改良手段效果不明顯，為此，通過(guò)合理對(duì)比，可以在黃河河口地區(qū)引入暗管排堿技術(shù)進(jìn)行土壤改良。由于黃河河口地區(qū)地層的特殊情況，暗管排堿施工中的暗管間距布設(shè)的好壞直接影響著暗管排堿施工的效果。應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，率定暗管排堿施工暗管間距布設(shè)的參數(shù)，才能將暗管排堿技術(shù)科學(xué)有效地運(yùn)用到黃河河口地區(qū)鹽漬土地治理中來(lái)。

黃河河口地區(qū)； 暗管排堿； 間距參數(shù)率定

1 暗管排堿技術(shù)介紹

暗管排堿技術(shù)適用于地勢(shì)低洼，排水不良的區(qū)域。該技術(shù)主要推廣國(guó)家為荷蘭，近年來(lái)被引入國(guó)內(nèi)，并與國(guó)內(nèi)幾大科研機(jī)構(gòu)共同改進(jìn)施工工藝及機(jī)械，得到了很好的推廣。該技術(shù)通過(guò)暗管排堿技術(shù)，能夠很好地將土壤中多余水分排走，避免地下水位受蒸發(fā)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(wú)需重復(fù)布設(shè)，前期投入大，后期基本無(wú)投入，且土壤鹽漬改良效果好，根據(jù)國(guó)內(nèi)外暗管排堿施工的效果分析，三年左右土壤可脫堿。見(jiàn)下頁(yè)圖。

暗管排堿施工圖

2 暗管的間距計(jì)算

目前確定吸水管間距主要有田間試驗(yàn)法、理論計(jì)算法和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)法三種方法，各有其應(yīng)用空間，但也存在相對(duì)的缺陷。田間試驗(yàn)法最符合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，但受試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)和試驗(yàn)周期所限，不可能對(duì)各類(lèi)漬害田和鹽堿化土地都開(kāi)展試驗(yàn)；理論計(jì)算法是將錯(cuò)縱復(fù)雜的實(shí)際條件進(jìn)行概化后，利用滲流理論計(jì)算確定吸水管間距，該法雖使用方便，能緊密結(jié)合排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但因有關(guān)參數(shù)不易測(cè)準(zhǔn)，如果盲目選用，計(jì)算成果準(zhǔn)確性可能較差；經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)法是一種經(jīng)驗(yàn)性的方法，《灌溉與排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50288—99)中對(duì)我國(guó)排水工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的概括，可供無(wú)田間試驗(yàn)資料時(shí)選用，但給出的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值取值范圍較大，缺少實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)者難以正確選用。

塑料暗管間距的確定關(guān)系到排水效率和投入成本，并與土壤類(lèi)型、暗管埋深有關(guān)。間距過(guò)大，則相應(yīng)要求深度過(guò)深，不僅工程量大，而且可能要求采取動(dòng)力強(qiáng)排并配以完善的管道輸水系統(tǒng)或通暢的排水溝系統(tǒng)，增加日后運(yùn)行費(fèi)用和管理難度，這在目前的經(jīng)費(fèi)投入和管理體制下難以保證；間距過(guò)密，則改良效果明顯，速度快，但工程建設(shè)投資將會(huì)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(mǎn)足地下排漬標(biāo)準(zhǔn)即設(shè)計(jì)地下排水模數(shù)的要求，二是暗管的間距應(yīng)滿(mǎn)足防鹽要求，即理論上應(yīng)小于按排蒸比標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的間距。二者之間有著重要聯(lián)系，排漬工程中亦同時(shí)排出了相應(yīng)的鹽分。

2.1 設(shè)計(jì)地下排水模數(shù)

根據(jù)棉花耐漬要求，土壤水達(dá)到飽和后需3天之內(nèi)由地表降至0.6m以下，方能使作物免除漬澇災(zāi)害。據(jù)此防漬指標(biāo)，可求得設(shè)計(jì)地下排水模數(shù)，計(jì)算公式為：

式中q地下——設(shè)計(jì)地下排模，m3/(s·km2)；

T——排水時(shí)間，取3d；

F——排漬水面積，km2；

μ——給水度，項(xiàng)目區(qū)土壤實(shí)測(cè)值為0.04；

H——純排水降深值，m。

據(jù)張?zhí)m亭(1986)在各方面條件相近的打漁張灌區(qū)實(shí)測(cè)資料，降雨或灌溉后三天內(nèi)平均每天騰發(fā)量約在11mm左右，可計(jì)算出蒸發(fā)總降深值為0.33m，則純排水降深值應(yīng)為0. 27m左右，可參考該資料進(jìn)行計(jì)算。

由此可計(jì)算出q地下=0.0417m3/(s·km2)，即為3.6mm/d，此為設(shè)計(jì)排漬時(shí)間內(nèi)的平均排水模數(shù)。

2.2 暗管間距計(jì)算

邵孝侯等(2000)、陳香香等(2006)在對(duì)暗管的間距進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，采用的數(shù)學(xué)模型中沒(méi)有考慮排漬過(guò)程中土壤水的蒸發(fā)作用，由此計(jì)算的間距可能偏小。實(shí)際上在降雨或洗鹽灌溉后，田塊地下水位往往短時(shí)間上升至地表，隨后在蒸發(fā)和暗管(或排水溝)內(nèi)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(shí)必須考慮蒸發(fā)的影響。

在非穩(wěn)定流條件下，暗管排水模數(shù)不是一個(gè)定數(shù)，在設(shè)計(jì)排漬時(shí)間內(nèi)在排水過(guò)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(shù)不變，即暗管平均設(shè)計(jì)地下排水模數(shù)q=3.6mm/d(已考慮騰發(fā)影響，忽略農(nóng)溝排漬影響)。

由此可根據(jù)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(shù)，m/d。

經(jīng)土壤調(diào)查實(shí)測(cè)，研究區(qū)土壤滲透系數(shù)在0～1.23m/d之間，平均值為0.23m/d，總體較小。滲透系數(shù)較大區(qū)集中在土壤質(zhì)地較好、沙性較強(qiáng)的區(qū)域，而滲透系數(shù)較小的區(qū)域主要處于土壤粉砂性較強(qiáng)、黏土層分布較厚和多層黏土分布的區(qū)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(shù)，m/d，取0.0036m/d。

實(shí)際上旱田排水是一種非穩(wěn)定流條件，即作用水頭h在排水過(guò)程中是變值，可按如下公式計(jì)算：

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

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

由上述可知，土壤水達(dá)到飽和后需3d之內(nèi)由地表降至0.6m以下，管道埋深設(shè)計(jì)H，管內(nèi)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(jì)算出不同設(shè)計(jì)埋深(H)、不同滲透系數(shù)(Ka、Kb)下的理論暗管間距，詳見(jiàn)表1。

表1 排漬計(jì)算暗管間距

上述計(jì)算間距可認(rèn)為是達(dá)到排漬標(biāo)準(zhǔn)的參考暗管間距。

鹽漬土區(qū)暗管的另一重要功能是排鹽，即暗管間距還應(yīng)滿(mǎn)足排鹽要求，且理論上應(yīng)不超過(guò)按排蒸比計(jì)算的間距，并以此對(duì)上文計(jì)算出的排漬合理間距進(jìn)行校核，以保證暗管區(qū)土壤處于不斷脫鹽過(guò)程中。可參照文獻(xiàn)(王艷芳)，按排蒸比標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算暗管間距，

其公式如下：

式中K——土壤滲透系數(shù)，m/d;

h——暗管埋深，m；

ε0——地下水位埋深為零時(shí)的蒸發(fā)強(qiáng)度，mm/d，按10mm/d計(jì)；

μ——水面形狀修正系數(shù)，一般暗管取μ=0.8～0.9，可取0.85;

α——排蒸速度修正系數(shù)。

當(dāng)h≤hε

式中n——地下水蒸發(fā)強(qiáng)度與埋深關(guān)系指數(shù)，通常n=1，計(jì)算時(shí)取1；

hε——地下水停止蒸發(fā)時(shí)的水位埋深，m，項(xiàng)目區(qū)取3m；

η——排蒸比，排水地段中部的地下水位從地面開(kāi)始降落至hd全過(guò)程中的重力水被排水管排出與被蒸發(fā)消耗的水量。土壤剖面內(nèi)的鹽量平衡關(guān)系可用下式計(jì)算：

其中R——入滲水和原始地下水的礦化比，調(diào)查實(shí)測(cè)表明入滲水(引黃水0.7g/L)在本區(qū)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(fā)積鹽量的比值。根據(jù)鹽漬土的改良速度要求確定，對(duì)于預(yù)防土壤鹽堿化地區(qū)可取G=0，對(duì)于一般改良鹽堿土地區(qū)可取G=1，較高要求的改良區(qū)宜取G=2左右。該項(xiàng)目區(qū)取G=2；

φ——滲流阻抗系數(shù)，由排水地段和暗管的幾何參數(shù)決定。

φ的計(jì)算可采用阿維里揚(yáng)諾夫—瞿興業(yè)公式：

當(dāng)含水層較淺時(shí)，即管距L≥2D時(shí)，

當(dāng)含水層較深時(shí),即L≤2D時(shí)，

式中D——暗管中心點(diǎn)至不透水層距離m，根據(jù)該項(xiàng)目區(qū)開(kāi)展的地質(zhì)勘探資料，埋深在9.80～15.00m之間是為粉質(zhì)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(nèi)徑m，一般取0.1m；

h——作用水頭，m，數(shù)值同上。

由于該區(qū)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(gè)公式計(jì)算φ。

綜上所述，暗管間距計(jì)算公式可轉(zhuǎn)化為：

B和h的關(guān)系為隱函數(shù)關(guān)系，不便求解，為此作如下簡(jiǎn)化：

同上，可計(jì)算出基于防鹽的不同設(shè)計(jì)埋深(H)、不同滲透系數(shù)下(Ka、Kb)的理論暗管間距見(jiàn)表2。

表2 排蒸比暗管間距計(jì)算

研究區(qū)布設(shè)暗管的作用既要滿(mǎn)足防漬，又要實(shí)現(xiàn)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(yàn)表明，土壤因蒸發(fā)而積鹽的過(guò)程發(fā)生在地下水位從高到低的回降過(guò)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(shí)，以二者計(jì)算理論值中小值為約束，因此最終設(shè)計(jì)時(shí)主要以表1、表2為參考，具體可根據(jù)土壤滲透系數(shù)分布情況確定適當(dāng)布設(shè)方案。

根據(jù)以上實(shí)踐理論和土壤實(shí)測(cè)滲透系數(shù)(應(yīng)該考慮到剖面滲透系數(shù)的實(shí)際值應(yīng)該比平均值大些)，在考慮上述各種因素的前提下，結(jié)合各區(qū)域排水斗溝溝深，并考慮投資效益以及規(guī)?；┕し奖?，研究區(qū)暗管設(shè)計(jì)采用埋深不低于1.2m。滲透系數(shù)在0.2m以下的間距采用20m，滲透系數(shù)在0.2～0.4m處采用25m，滲透系數(shù)在大于0.4m處采用30m。

3 結(jié) 語(yǔ)

暗管間距計(jì)算是決定暗管施工成敗的關(guān)鍵技術(shù)之一，影響到土壤鹽漬化脫堿效率，結(jié)合黃河河口地區(qū)現(xiàn)狀，根據(jù)理論公式及經(jīng)驗(yàn)公式，得出的黃河河口地區(qū)暗管排堿施工間距參數(shù)的結(jié)果，能夠科學(xué)有效地提高暗管排堿施工預(yù)期效果，極大地提高施工后運(yùn)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

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1005-4774(2014)11-0081-04