库尔勒某垦区暗管改良盐碱地方案探析

陈 旭

(新疆峻特设计工程有限公司,新疆 库尔勒 841000)

库尔勒市有许多盐碱地无法耕作利用。为了改良土壤,扩大垦区耕作面积,需对盐碱地排盐方案进行探析。

1 概 况

库尔勒某垦区位于塔克拉玛干大沙漠东北边缘,天山支脉玛扎山南麓,地处天山支脉玛扎山南坡冲积扇和塔里木平原地带,垦区现有土地总面积27727.19hm2,灌溉面积为8824.41hm2,其中耕地6803.4hm2,林地1120.56hm2,园地1967.65hm2。项目区降雨稀少,蒸发强烈。多年平均降水量34.1mm,作物生长期平均降水量为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达41.6%。区内历年平均蒸发量为2410.1mm,其中作物生长期为2082.9mm,同期蒸发量为降水量的50～80倍,由于蒸发量巨大,区内农、林业全靠灌溉满足用水要求。

2 盐碱地现状

垦区地处内陆干旱地带,气候干燥,降水稀少,蒸发强烈,在地下水埋深浅且矿化度高的地段,土壤盐渍化相对较为严重。2022年5月30日,组织人员对项目区的农田及排渠进行了现场勘察取样及排渠与农田高差测量,对土壤盐渍化发育特点进行了调查。工作中选择项目区不同位置采集了2组7个土样。灌区易溶盐份分析成果见表1。项目区土壤类型有潮土及盐土,土壤质地以壤质为主。项目区土壤盐分含量全部在1.0g/kg以上,都属于盐渍化土壤。耕地全部属于盐化耕作土壤,盐分含量在2.70～5.45g/kg。

表1 易溶盐份分析成果表

3 水土条件分析

3.1 土壤水溶性盐含量与盐分组成分析

项目区内大多数剖面表层为粉质壤土,粉质壤土层下面为黏土层或者砂土层,剖面的最下层大多数为砂质壤土层或者砂土层。经调查采样,对样品室内化验分析可知,项目区土壤盐渍类型为SO42--Cl-类型。其中阴离子以SO42-、Cl-为、HCO3-为主,CO32-没有;阳离子以Na+、Ka+、Ca2+、Mg2+为主。调查发现,项目区内土壤盐分差异较大。

由表1可知,项目区上层土壤比下层土壤盐化程度高。这是因为地下水位高,外加蒸发强烈,土壤水分蒸发导致盐分在表层聚集。暗管排盐技术能有效将地下水位控制在一定水平,并将含盐水快速排出项目区,减少土壤含盐量,实现土壤的快速改良。因此,在项目区实施暗管排盐技术是十分必要的。

3.2 地下水埋深分析

根据项目区土壤调查布点,通过钻孔得到钻孔地下水位,详见表2。从表中看出,调查点中地下水水位最深达155cm,最浅为130cm,平均埋深145cm。由调查可知,项目区西北部和中南部分地下水埋深较深,东南角地下水埋深较浅。根据地下潜水埋深分级表(表3),项目区处于“积盐深度”等级范围内。由于地下水位偏高,在强烈蒸发的情况下,盐分通过毛细作用向土壤表面集聚,造成表层土壤盐碱化重,土壤次生盐渍化程度高。因此,需要通过铺设暗管可将多余的地下水排走,并将地下水位控制在一定的水平,抑制土壤返碱。

表2 项目区钻孔地下水深度表

表3 地下潜水埋深分级表

4 排水方案设计

4.1 排水方案选择

排水方式有水平排水与垂直排水两种方式,水平排水又可分为明沟排水与暗管排水。垂直排水即在项目区打井,抽取地下水以咸换淡,达到排水目的。结合项目区土壤、水文地质、工程地质条件等,项目区排水选择明沟排水与暗管排水结合的方式,即项目区田间排水采用暗管排水,干、支、斗排则选择明沟排水。优势如下:①一次投资长期受益,经济合理;②具有独立的排水系统,仅需要对项目区部分排水系统进行清淤挖排,便可实现排水功能;③能够有效保障排水功能,实现项目区持续排水,提高排水效率,改碱速度快、效果好;④后期维护简便、费用低;⑤不需要加宽排沟占用土地资源,可有效节约土地,实现土地资源高效化利用。

结合项目区土壤、水文地质、工程地质条件等,本次设计采用两种排盐模式,一种是“吸水管”一级暗管排盐模式,即水流由吸水管直接排入排渠。另一种采用“吸水管+集水管”两级暗管排盐模式,即在田间布置一级吸水管和二级集水管,采用集水井连接,水流由吸水管汇入集水管,由集水管流入下级排渠排出。

4.2 暗管排盐系统布局

暗管技术改良盐碱地的原理是:遵循“盐随水来、盐随水去”的水盐运动规律,将充分溶解了的土壤盐分并渗入地下的含盐水体通过管道排走,从而达到有效降低土壤含盐量的目的。根据项目区现状耕地土壤、灌溉、地下水位埋深、地下水矿化度指标、各排渠的控制范围及面积、排水效果及能力,进行暗管排盐系统布局,主要建设吸水管、集水管和集水井泵站,做到各级排渠配套,排水出路畅通,满足排水要求。

吸水管:根据项目区地势及田块实际情况,确定吸水管在田间平行条田长边布置。吸水管布设间距30m,埋深1.8m,坡降0.5‰。共布设599.23条,每条长约923～1076m,长度共计564.688km。沿吸水管每300m设置清洗三通1个,共计1882个。

集水管:项目区集水管沿田间垂直于吸水管布置,共6条,长度共计18.151km。坡降0.7‰。吸水管与集水管连接处设集水井,共计61座。

集水井泵站:集水管末端设置集水井泵站。根据集水管排水能力及项目区基础设施情况计算,在排渠末端设置3座集水井泵站。采用自动控制启停方式,无人值守。

4.3 排渠清淤系统布局

垦区的农田排水基本进入到耕地周边排渠,经过几十年的运行,排渠边坡塌陷严重,淤积严重,断面收缩变小,部分排渠内苇草丛生,堵塞排渠,造成排渠深度变浅,导致排水不畅。因此,需对项目区范围内的排渠进行清淤挖排。排渠深度3.6m,清淤后的排渠底宽为1.5m,内边坡系数为1:2.0。排渠清淤合计17.93km。

4.4 吸水管设计

项目区吸水管关键参数设计采用田间水文模型DRAINMOD模型分析的方法来确定。应用田间水文模型DRAINMOD模型对管道系统设计进行模拟运算。经过数据分析,确定不透水层在3.0m,当排水深度(即吸水管埋深)为2.0m时,模型预测的地下吸水管排水量及地表径流量(以单位面积上的水深表示)随排水间距的变化趋势:随着排水间距的增大,地下吸水管排水量逐渐减小,地表径流量逐渐增加,尤其是间距超过30～40m以后,水量变化幅度趋于平缓。因此,排水间距设计不易超过40m。为保证排水效果,本设计选择30m间距作为项目区控制地下水位较为合理的吸水管设计间距。

当排水间距为30m时,地下吸水管排水量及地表径流量随吸水管埋深的变化趋势:随着吸水管埋深的增大,地下排水量逐渐增加,地表径流量逐渐减小。大于1.8m,排水变化则不明显。因此,项目区控制地下水位较为合理的吸水管设计埋深设计为1.8m。此外,由于项目区内整体地势北高南低,吸水管设计为沿条田长边布设,现有田块土地较平整,满足暗管铺设要求。

根据以上设计,项目区共埋设田间吸水管599.23条,长度共564.688km。吸水管采用PE单壁打孔波纹管,比降为0.5‰,管径为110mm。

4.5 集水管设计

集水管是汇集吸水管水流的管道。根据国际标准公式:

Q=22×d2.76×i0.5

(1)

式中:Q为流量,m3/s;d为管道直径,m;i为坡降,%。

经计算得出,每条集水管最大流量为592m3/d,再根据DAINMOD模型模拟项目区暗管排水量及工程实践经验,确定暗管排水量为1.8mm/d,从而计算得出每条集水管控制面积约592×1000/(1.8×10000)=32.9hm2。

所以,项目区集水管采用直径为200mm的PE单壁波纹管,每条集水管垂直吸水管方向布设,通向排渠,坡度为0.7‰,共铺设集水管6.0条,长度共计18.151km。

4.6 集水井泵站设计

根据项目区排水系统现状,需要在排渠末端设置3座集水井泵站。根据调查,冬灌期间,田间排水量最大,33.35hm2排水小区实际排水量约为38.5m3/h,即确定本项目每条集水管最大排水流量为38.5m3/h,单座集水井泵站控制2条集水管,则单座泵站排水量为77.0m3/h。水泵为自由出流,按照相对高程,出水管中心标高为0.00m,水泵停泵水位为-3.50m,水泵扬程为3.8m。则潜水泵选择流量为100m3/h,扬程8m,配套电机功率4kw,转速2860r/min的机型,共为3个泵站配备3台水泵。

4.7 集水井、清洗三通设计

吸水管与集水管的连接处、集水管转弯处建集水井,汇集吸水管或集水管水流,共61座。为施工方便、节省工程成本,在保证排水效果前提下,设计采用PE成品井。井体采用高强度复合式树脂井筒(规格:60cm×120cm×90cm),井盖低于原始地面100cm为准。

吸水管长度>300m时,每隔300m应设置检查井,用于检查吸水管工作状态和疏通管道。为了减少占用耕地,便于农业生产,吸水管位置检查井用清洗三通替代,共安装清洗三通1882个。并在集水井、清洗三通盖子上均预制一块铁板(规格:8cm×8cm×1cm),以便于探测发现。

5 结 语

暗管排盐技术特点为:管道排盐,通过将水或灌溉淋洗,将土壤中的盐分通过暗管排走,从而达到土壤洗盐排盐的目的;控制地下水位,暗管能够将地下水位降低到埋设深度以下,从而起到有效控制地下水上升,防止土壤次生盐渍化的作用。根据项目区水土条件和盐碱地现状,通过分析探讨,采用暗管排水与明沟排水相结合的方式,吸水管、集水管和集水井并重,使得地下盐水经吸水管汇入集水管排入现状排渠,有效将地下水位控制在一定水平,实现盐碱地快速、高效改良,为项目实施提供了科学依据。