庫爾勒某墾區暗管改良鹽堿地方案探析

陳 旭

(新疆峻特設計工程有限公司,新疆 庫爾勒 841000)

庫爾勒市有許多鹽堿地無法耕作利用。為了改良土壤,擴大墾區耕作面積,需對鹽堿地排鹽方案進行探析。

1 概 況

庫爾勒某墾區位于塔克拉瑪干大沙漠東北邊緣,天山支脈瑪扎山南麓,地處天山支脈瑪扎山南坡沖積扇和塔里木平原地帶,墾區現有土地總面積27727.19hm2,灌溉面積為8824.41hm2,其中耕地6803.4hm2,林地1120.56hm2,園地1967.65hm2。項目區降雨稀少,蒸發強烈。多年平均降水量34.1mm,作物生長期平均降水量為30.6mm,降雨多聚中在4～8月份,其中6、7月份降水量占全年降水量多達41.6%。區內歷年平均蒸發量為2410.1mm,其中作物生長期為2082.9mm,同期蒸發量為降水量的50～80倍,由于蒸發量巨大,區內農、林業全靠灌溉滿足用水要求。

2 鹽堿地現狀

墾區地處內陸干旱地帶,氣候干燥,降水稀少,蒸發強烈,在地下水埋深淺且礦化度高的地段,土壤鹽漬化相對較為嚴重。2022年5月30日,組織人員對項目區的農田及排渠進行了現場勘察取樣及排渠與農田高差測量,對土壤鹽漬化發育特點進行了調查。工作中選擇項目區不同位置采集了2組7個土樣。灌區易溶鹽份分析成果見表1。項目區土壤類型有潮土及鹽土,土壤質地以壤質為主。項目區土壤鹽分含量全部在1.0g/kg以上,都屬于鹽漬化土壤。耕地全部屬于鹽化耕作土壤,鹽分含量在2.70～5.45g/kg。

表1 易溶鹽份分析成果表

3 水土條件分析

3.1 土壤水溶性鹽含量與鹽分組成分析

項目區內大多數剖面表層為粉質壤土,粉質壤土層下面為黏土層或者砂土層,剖面的最下層大多數為砂質壤土層或者砂土層。經調查采樣,對樣品室內化驗分析可知,項目區土壤鹽漬類型為SO42--Cl-類型。其中陰離子以SO42-、Cl-為、HCO3-為主,CO32-沒有;陽離子以Na+、Ka+、Ca2+、Mg2+為主。調查發現,項目區內土壤鹽分差異較大。

由表1可知,項目區上層土壤比下層土壤鹽化程度高。這是因為地下水位高,外加蒸發強烈,土壤水分蒸發導致鹽分在表層聚集。暗管排鹽技術能有效將地下水位控制在一定水平,并將含鹽水快速排出項目區,減少土壤含鹽量,實現土壤的快速改良。因此,在項目區實施暗管排鹽技術是十分必要的。

3.2 地下水埋深分析

根據項目區土壤調查布點,通過鉆孔得到鉆孔地下水位,詳見表2。從表中看出,調查點中地下水水位最深達155cm,最淺為130cm,平均埋深145cm。由調查可知,項目區西北部和中南部分地下水埋深較深,東南角地下水埋深較淺。根據地下潛水埋深分級表(表3),項目區處于“積鹽深度”等級范圍內。由于地下水位偏高,在強烈蒸發的情況下,鹽分通過毛細作用向土壤表面集聚,造成表層土壤鹽堿化重,土壤次生鹽漬化程度高。因此,需要通過鋪設暗管可將多余的地下水排走,并將地下水位控制在一定的水平,抑制土壤返堿。

表2 項目區鉆孔地下水深度表

表3 地下潛水埋深分級表

4 排水方案設計

4.1 排水方案選擇

排水方式有水平排水與垂直排水兩種方式,水平排水又可分為明溝排水與暗管排水。垂直排水即在項目區打井,抽取地下水以咸換淡,達到排水目的。結合項目區土壤、水文地質、工程地質條件等,項目區排水選擇明溝排水與暗管排水結合的方式,即項目區田間排水采用暗管排水,干、支、斗排則選擇明溝排水。優勢如下:①一次投資長期受益,經濟合理;②具有獨立的排水系統,僅需要對項目區部分排水系統進行清淤挖排,便可實現排水功能;③能夠有效保障排水功能,實現項目區持續排水,提高排水效率,改堿速度快、效果好;④后期維護簡便、費用低;⑤不需要加寬排溝占用土地資源,可有效節約土地,實現土地資源高效化利用。

結合項目區土壤、水文地質、工程地質條件等,本次設計采用兩種排鹽模式,一種是“吸水管”一級暗管排鹽模式,即水流由吸水管直接排入排渠。另一種采用“吸水管+集水管”兩級暗管排鹽模式,即在田間布置一級吸水管和二級集水管,采用集水井連接,水流由吸水管匯入集水管,由集水管流入下級排渠排出。

4.2 暗管排鹽系統布局

暗管技術改良鹽堿地的原理是:遵循“鹽隨水來、鹽隨水去”的水鹽運動規律,將充分溶解了的土壤鹽分并滲入地下的含鹽水體通過管道排走,從而達到有效降低土壤含鹽量的目的。根據項目區現狀耕地土壤、灌溉、地下水位埋深、地下水礦化度指標、各排渠的控制范圍及面積、排水效果及能力,進行暗管排鹽系統布局,主要建設吸水管、集水管和集水井泵站,做到各級排渠配套,排水出路暢通,滿足排水要求。

吸水管:根據項目區地勢及田塊實際情況,確定吸水管在田間平行條田長邊布置。吸水管布設間距30m,埋深1.8m,坡降0.5‰。共布設599.23條,每條長約923～1076m,長度共計564.688km。沿吸水管每300m設置清洗三通1個,共計1882個。

集水管:項目區集水管沿田間垂直于吸水管布置,共6條,長度共計18.151km。坡降0.7‰。吸水管與集水管連接處設集水井,共計61座。

集水井泵站:集水管末端設置集水井泵站。根據集水管排水能力及項目區基礎設施情況計算,在排渠末端設置3座集水井泵站。采用自動控制啟停方式,無人值守。

4.3 排渠清淤系統布局

墾區的農田排水基本進入到耕地周邊排渠,經過幾十年的運行,排渠邊坡塌陷嚴重,淤積嚴重,斷面收縮變小,部分排渠內葦草叢生,堵塞排渠,造成排渠深度變淺,導致排水不暢。因此,需對項目區范圍內的排渠進行清淤挖排。排渠深度3.6m,清淤后的排渠底寬為1.5m,內邊坡系數為1:2.0。排渠清淤合計17.93km。

4.4 吸水管設計

項目區吸水管關鍵參數設計采用田間水文模型DRAINMOD模型分析的方法來確定。應用田間水文模型DRAINMOD模型對管道系統設計進行模擬運算。經過數據分析,確定不透水層在3.0m,當排水深度(即吸水管埋深)為2.0m時,模型預測的地下吸水管排水量及地表徑流量(以單位面積上的水深表示)隨排水間距的變化趨勢:隨著排水間距的增大,地下吸水管排水量逐漸減小,地表徑流量逐漸增加,尤其是間距超過30～40m以后,水量變化幅度趨于平緩。因此,排水間距設計不易超過40m。為保證排水效果,本設計選擇30m間距作為項目區控制地下水位較為合理的吸水管設計間距。

當排水間距為30m時,地下吸水管排水量及地表徑流量隨吸水管埋深的變化趨勢:隨著吸水管埋深的增大,地下排水量逐漸增加,地表徑流量逐漸減小。大于1.8m,排水變化則不明顯。因此,項目區控制地下水位較為合理的吸水管設計埋深設計為1.8m。此外,由于項目區內整體地勢北高南低,吸水管設計為沿條田長邊布設,現有田塊土地較平整,滿足暗管鋪設要求。

根據以上設計,項目區共埋設田間吸水管599.23條,長度共564.688km。吸水管采用PE單壁打孔波紋管,比降為0.5‰,管徑為110mm。

4.5 集水管設計

集水管是匯集吸水管水流的管道。根據國際標準公式:

Q=22×d2.76×i0.5

(1)

式中:Q為流量,m3/s;d為管道直徑,m;i為坡降,%。

經計算得出,每條集水管最大流量為592m3/d,再根據DAINMOD模型模擬項目區暗管排水量及工程實踐經驗,確定暗管排水量為1.8mm/d,從而計算得出每條集水管控制面積約592×1000/(1.8×10000)=32.9hm2。

所以,項目區集水管采用直徑為200mm的PE單壁波紋管,每條集水管垂直吸水管方向布設,通向排渠,坡度為0.7‰,共鋪設集水管6.0條,長度共計18.151km。

4.6 集水井泵站設計

根據項目區排水系統現狀,需要在排渠末端設置3座集水井泵站。根據調查,冬灌期間,田間排水量最大,33.35hm2排水小區實際排水量約為38.5m3/h,即確定本項目每條集水管最大排水流量為38.5m3/h,單座集水井泵站控制2條集水管,則單座泵站排水量為77.0m3/h。水泵為自由出流,按照相對高程,出水管中心標高為0.00m,水泵停泵水位為-3.50m,水泵揚程為3.8m。則潛水泵選擇流量為100m3/h,揚程8m,配套電機功率4kw,轉速2860r/min的機型,共為3個泵站配備3臺水泵。

4.7 集水井、清洗三通設計

吸水管與集水管的連接處、集水管轉彎處建集水井,匯集吸水管或集水管水流,共61座。為施工方便、節省工程成本,在保證排水效果前提下,設計采用PE成品井。井體采用高強度復合式樹脂井筒(規格:60cm×120cm×90cm),井蓋低于原始地面100cm為準。

吸水管長度>300m時,每隔300m應設置檢查井,用于檢查吸水管工作狀態和疏通管道。為了減少占用耕地,便于農業生產,吸水管位置檢查井用清洗三通替代,共安裝清洗三通1882個。并在集水井、清洗三通蓋子上均預制一塊鐵板(規格:8cm×8cm×1cm),以便于探測發現。

5 結 語

暗管排鹽技術特點為:管道排鹽,通過將水或灌溉淋洗,將土壤中的鹽分通過暗管排走,從而達到土壤洗鹽排鹽的目的;控制地下水位,暗管能夠將地下水位降低到埋設深度以下,從而起到有效控制地下水上升,防止土壤次生鹽漬化的作用。根據項目區水土條件和鹽堿地現狀,通過分析探討,采用暗管排水與明溝排水相結合的方式,吸水管、集水管和集水井并重,使得地下鹽水經吸水管匯入集水管排入現狀排渠,有效將地下水位控制在一定水平,實現鹽堿地快速、高效改良,為項目實施提供了科學依據。