改进暗管排水及其性能研究

陶 园，许 迪，王少丽，瞿兴业，杨丽慧

(1.中国水利水电科学研究院水利研究所，北京 100048；2. 国家节水灌溉北京工程技术研究中心，北京 100048；3.河海大学水利水电学院，南京 210098)

改进暗管排水技术(以下简称“改进暗排”)是一种新型的地下排水结构[1]，采用透水性强的砂砾石或炉渣、秸秆、木屑等材料替换暗管上方透水性较弱的土壤(以下称“反滤体”)，借此增加暗管上部土体的渗水性，并在反滤体上方回填30～40 cm原土作为耕作层，具有不占地、排水性能较常规暗管排水技术(以下简称“常规暗排”)有所提高以及环境友好的特点。改进暗排对于农田涝水的排除具有重要作用。浅地下水埋深地区，强降雨过后产生地表积水土壤饱和的情况下，改进暗排的排水性能已有所研究[1]。然而，我国一些粮食产区的地下水埋深较大，如河套灌区6月地下水埋深大于2m的面积超过灌区面积的30%[2,3]，黑龙江松嫩平原北部和三江平原东北部局部地区地下水埋深为8～20 m，淮北平原北部6月的地下水埋深为2.0～4.0 m[4]。此外，随着北方地区井灌的不断发展，地下水大量开采也导致地下水位持续下降[5]，以安徽地区为例，从2007年9月到2010年9月该地区平均地下水位累计下降达1.3 m[6]。同时这些地区会发生涝灾，根据中国水旱灾害公报统计[7]，从2006到2012年，安徽和黑龙江两大粮食产区由于涝灾产生的农作物受灾面积年平均为76和66万hm2，位居全国第三位和第六位。对于易发生涝灾且地下水大埋深地区，强降雨过后地表持续积水但深层土壤未完全饱和的情况下，改进暗管排水的性能如何还有待研究。

本研究通过室内试验，考虑地下水埋深、反滤体宽度以及土体介质3个影响因素，揭示较大地下水埋深条件下、地表持续积水一定时间后改进暗排的排水性能，为改进暗排在较大地下水埋深地区的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验装置

参考Lennoz-Gratin[8]和Kami[9]的暗管排水试验，设计了模拟非完整暗管排水的室内试验装置见图1。该装置主体为内径18.8 cm的有机玻璃筒，筒内底部填装10 cm厚的大粒径玻璃珠作为透水层，玻璃珠与土体之间放置支撑网以防止土体介质被冲走。暗管由内径1 cm、外径1.2 cm的光滑铜管制作而成，开孔率为1.5%，暗管埋深(用D表示)为15 cm。暗管周边反滤体由不同粒径玻璃珠替代，反滤体高度为10 cm，宽度以暗管为对称轴分别取0、2、4和6 cm。土体介质分别选用40～70目(粗砂土介质)和80～120目(细砂土介质)的两种石英砂。在玻璃筒壁上共安装4个测压管，紧贴筒壁内侧的测压管口设置滤网以防止土体介质流失及淤堵，利用平水箱控制不同地下水埋深。

1-进水口；2-5-测压管；6-止水夹；7-排水暗管；8-支撑网；9-连接管；10-平水箱；11-可移动支架；12-反滤体；13-土体介质；14-强透水材料图1 试验装置结构图(单位:cm)Fig.1 Sketch of test equipment

1.2 试验方法及相关参数

试验中，固定暗管埋设参数及地表积水深度，考虑地下水埋深、反滤体宽度和土体介质3个因素对排水流量的影响，进行全面试验，共计32组，表1给出了组合试验的设计方案。试验前，将土体介质分层填装到有机玻璃筒内，控制一定的容重；采用平水箱连接玻璃筒底部出水口由下往上缓慢注水的方式进行土体饱和。每次更换反滤体后，关闭排水暗管，打开玻璃筒底部出水口，通过达西一维渗流试验测算筒中装填的土体介质和反滤体的渗透系数。试验过程中，地下水埋深控制依次为0(0D)、30(2D)、55(3.7D)和75 cm(5D)。每次改变地下水埋深时，将平水箱连接玻璃筒底部出水口并置于设定高度，土柱内高出设定位置的水将通过平水箱溢流排出，维持该状态足够长时间使控制水位以上土体中的自由水充分排出，之后上端注水形成7 cm积水层，开启暗管出水口，积水10 min后进行试验测量。根据达西定律测算得到粗砂土介质的平均渗透系数为0.025 8 cm/s；细砂土介质的平均渗透系数为0.001 4 cm/s；粗砂土介质中反滤体的渗透系数约粗砂土介质渗透系数的10倍；细砂土介质中反滤体的渗透系数约为细砂土介质的78倍。

表1 组合试验设计Tab.1 Composite experiment design

2 结果与分析

2.1 地下水埋深对排水能力的影响

以渗透系数小的细砂土介质为主要研究对象，粗砂土介质作为对比，表2给出了细砂和粗砂土介质下不同组合试验方案的排水流量。由表2可知，积水10 min后，其他因素相同时，随着地下水埋深的增加，常规暗排及改进暗排的排水流量均随之减小。非饱和土体在地表积水入渗过程中，一部分水量通过土体进入地下水中而被排出，这部分水量与非饱和土层的厚度有关，非饱和土层越厚，则通过地下水排出的水量越多，而通过暗管排出的水量越少。地下水埋深为0 cm的饱和土体条件下，测得细砂条件下常规暗管的排水流量为0.505 cm3/s，与传统暗管排水理论公式计算[10]的结果0.49 cm3/s相近(模型简化为暗管长度为18.8 cm、间距为14.77 cm)，说明了试验设计的合理有效性。

表2 不同组合试验方案下的排水流量 cm3/s

细砂土介质中、地下水埋深为30 cm(2D)时，经过10 min积水后，常规暗排的排水流量为0.405 cm3/s，约为完全饱和条件下排水流量的4/5，具有一定的排水效果，当地下水埋深达到75 cm(5D)时，常规暗排排水流量很小，约为饱和条件下排水流量的1/5，基本失去了排水作用。说明了地下水埋深大到一定程度后，常规暗排具有很大局限性。然而，反滤体宽度为2 cm的改进暗排在地下水埋深为0D、2D、3.7D和5D时的排水流量分别是地下水埋深为0D条件下常规暗排排水流量的2.28、1.98、0.75和0.61倍；反滤体宽度为6 cm时，改进暗排在相应地下水埋深下的排水流量分别为0D条件下常规暗排排水流量的3.03、2.69、1.29和1.23倍。由此可见，设置反滤体的改进暗排在地下水埋深较大的非饱和土体条件下对于排除地表持续积水的作用非常显著。

图2给出了地下水埋深对不同暗排排水流量的影响趋势。可以看出，无论地下水埋深多大，相同积水时间下，改进暗排均能大大提高暗管的排水流量。同一土体介质中，地下水埋深相同时，随反滤体宽度增加，暗管的排水流量有所增大，且不同结构形式暗排自由出流排水流量随地下水埋深变化的趋势与是否设置反滤体有关，而与改进暗排反滤体宽度的关系不显著：无论在粗砂土介质还是细砂土介质中，相同积水时间下常规暗排的排水流量均随地下水埋深的增加呈线性下降趋势，二者具有显著的线性负相关关系，相关系数可达到0.97；然而，对于改进暗排来说，其排水流量随地下水埋深变化的趋势不再呈线性，该趋势在粗砂和细砂土介质中也有一定差别。

在粗砂土介质中，改进暗排的排水流量随地下水埋深变化的趋势主要分两个阶段：地下水埋深小于30 cm(2D)时，随着地下水埋深增大，改进暗排排水流量的减小速率大于常规暗排，即该阶段改进暗排对地下水埋深变化比常规暗排更敏感；地下水埋深大于30 cm(2D)时，地下水埋深对常规暗排排水流量的影响大于改进暗排。而在细砂土介质中，该趋势分为3个阶段：地下水埋深小于30 cm(2D)时，由于细砂土介质渗透系数小，通过非饱和细砂土介质进入地下水中的水量有限，仍有大部分入渗水量通过暗管排出，导致该阶段改进暗排排水流量随地下水埋深变化的趋势与常规暗排大致相同；后面两个阶段与粗砂土介质中的规律相似。

图2 地下水埋深对不同暗排排水流量的影响Fig.2 Effect of groundwater depth on flow rate of different-type subsurface drainage

2.2 地下水埋深对排渗水量比的影响

地下水位低于暗管埋设高程时,土体呈现非饱和状态，地表积水入渗的水量有一部分通过暗管排出，另一部分绕过暗管下渗补给到地下水中。单位时间暗排排出的水量与下渗补给到地下水中的水量比值可以在一定程度上反映改进暗排的作用大小，以下简称“排渗水量比”。排渗水量比主要受到地下水埋深、暗排结构反滤体宽度及土体渗透系数的影响。

图3给出积水层深度为7 cm条件下地下水埋深对排渗水量比的影响。可以看出，对相同土体介质中的特定暗排结构来说，地下水埋深较小时，排渗水量比很大，且随着地下水埋深增大，排渗水量比有所减小，特别是细砂土介质的排渗水量比下降较快。当地下水埋深条件相同时，积水10 min后，常规暗排在粗砂土介质下的排渗水量比仅是细砂土介质下的1/2左右，即透水性较强的土体介质会下渗更多的水量补给地下水，且改进暗排在细砂土介质下的排水效果远大于粗砂土介质。此外，改进暗排的反滤体宽度对排渗水量比的影响很大，细砂土介质、反滤体宽度分别为2、4和6 cm时，排渗水量比相应的为常规暗排下的2.5、3和5.5倍。由此可见，反滤体的宽度越大，改进暗排下的排渗水量比就越大，即暗排的排水作用越强。细砂土介质更接近田间实际情况，我国南方多数地区的土壤与反滤体渗透性的差别大于细砂土介质条件，可以预期改进暗排在大地下水埋深的地区中可以发挥排水除涝的作用。

图3 地下水埋深对排渗水量比影响Fig.3 Effect of groundwater depth on the ratio of drainage and seepage quantity per time

3 结 论

通过对地表积水条件下不同地下水埋深 条件下改进暗排的排水流量试验研究发现。

(1)细砂土介质中，积水10 min后，地下水埋深为暗管埋深的2倍时，常规暗排仍可起到排水作用，此时改进暗排的自由出流排水流量为饱和条件下常规暗排自由出流排水流量的2倍，排水效果显著，而当地下水埋深为5倍暗管埋深时，常规暗排基本失去排水作用，但改进暗排仍可起到排水作用。

(2)相同地下水埋深条件下，细砂土介质中的改进暗排排渗水量比远大于粗砂土介质，且反滤体宽度对排渗流量比有很大影响。地下水埋深较浅时，随地下水埋深增加，排渗水量比迅速下降；当地下水埋深到达一定数值后，排渗水量比变化很小。

无论对于地下水埋深较小或较大地区，相比于常规暗排，改进暗排均具有更好的排水作用。本文研究可为改进暗管排水技术在有一定地下水埋深条件下的推广应用提供一定的参考。不同地下水埋深条件下，田间土壤条件、排水布局等对改进暗排排水作用的影响也有待进一步研究。

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[1] 陶 园，王少丽，许 迪，等. 改进暗管排水结构形式对排水性能的影响[J]. 农业机械学报，2016，47(4):113-118.

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[3] 付美英，赵宇辉. 2010年河套灌区地下水动态浅析[J]. 内蒙古水利，2011，133(3):56-57.

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