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1、 盐渍化土壤的冲洗改良与排水 （四）防止土壤次生盐渍化的排水 张 蔚 榛 本文作者、中国工程院院士张蔚榛教授（左） 5. 防止土壤次生盐渍化的排水 防止土壤次生盐渍化地区排水的任务是： a. 排除多余的地下水，防止土壤沼泽化和提供对作物生长的有利条件。在干旱地区最好将地下水位保持在 0.6-1.0 m 以下, 视作物品种和生长阶段而定，但在灌溉和降雨后可以短期使地下水位上升到地面以下0.3-0.5 m 。 b. 控制地下水位，防止过多的盐分在根层积累，导致土壤盐渍化。为此，在临界时期（潜在蒸发量较高的干旱非耕作季节）地下水位必须降低至临界深度 Hcr 以下，使土壤溶液的 ECe保持在 4-8
2、mmho/cm 或土壤的含盐量保持在0.2-0.6 %以下。 干旱半干旱地区排水设计的内容即是：根据排水标准选择合理的田间排水沟（管）的深度和间距，以及在设计的排水系数（排水模数或排水强度）和地下水位要求的基础上确定排水系统的纵横断面。 在4.2.1节中详细讨论了防止土壤盐渍化对排水深度的要求。田间排水间距最好根据试验或大田资料确定，否则，在取得水文和土壤参数的条件下也可采用稳定或非稳定流排水公式进行设计。 5.1 稳定流排水公式 Hooghoudt 排水间距公式是广泛应用的稳定流排水公式之一。完全穿透含水层的排水间距计算式为： cchhMkL)2/(8 += （59） 当 hc 远较土壤的厚
3、度 M 为小时，上式可简化为： ckMhL8= （60） 对非完整排水沟(或管)的情况： MLnLMkMhkMhLcc81(88+= （61） 式中 MLnLM811+= ; 对于暗管 r =；对于明沟 2/B = 由于在求解间距 L的 (61)式中包含了待求的 L，需要通过迭代求解。通过将（46）重新安排后得到显式形式： MLnMkhMMLnMLc48)4(2+= （62） 为了应用上式计算排水间距，除水文地质参数 k 和 M 外,还需要首先确定排水系数 和 hc。hc 可自沟深和控制沼泽化所要求的正常地下水埋深求得: hc = D - 排水系数, 原则上可自以下通式计算求得: TGESSR
4、nic+= (63) where - 排水系数,mm/day; R - 深层渗漏, mm; Sc 渠道渗漏, mm; Si 进入地区的地下水流， mm; E - 潜水蒸发， mm; Gn 地下水天然排水量，mm; T 排除多余地下水的时间,d。 由于灌溉引起的深层渗漏应根据当地的实际资料确定，在资料缺乏时可采用粮农组织提供的资料（FAO，1980）,见表13或参考河南人民胜利渠灌区提供的不同初始地下水埋深时的试验资料，见图16（壤土）。 表13 田间灌水深层渗漏经验值 (以田间灌水量的百分数计，%) 灌溉方法 影响深层入渗的条件 细颗粒土壤 轻质土壤 日间灌溉，中等强度风 30 30 喷灌 夜
5、间灌溉 25 25 滴灌 15 15 土地平整差 30 40 淹灌 土地平整良好 20 30 沟畦坡度规格差 30 40 沟灌、 畦灌 沟畦坡度规格良好 25 35 图16. 不同初始地下水埋深时深层渗漏与灌水定额的关系 田间灌溉所产生的深层渗漏量是难以精确确定的，它的最小值不能小于淋盐需水量 LR, 其值可用下式计算: cipimECECECLR= （64） 式中 LR 是为了自根层淋洗排除利用电导度为ECi的水灌溉而带进田间的盐分所需要的水量， ECp 是自根层排除的深层渗漏水的电导度。ECp 常采用以下数值(Rhoades 1974): ECp = 2 ECe25% 用于敏感作物、冲洗效
6、率低或对盐度控制要求高的情况； ECp = 2 ECe50% 用于耐盐性强的作物、冲洗效率高或对盐度控制要求低的情况。 ECe25%、ECe50% 分别为作物减产25%和50%时的电导率ECe 值， mc 是净灌溉定额，作物灌溉和冲洗灌溉带来盐分所要求的总定额为 m = mc + LR. 由于大多数水平衡项目是难以预测的，为了确定排水系数，除理论计算外，以下由粮农组织所推荐的经验数值有重要参考价值（FAO 1980）： - 对渗透性弱的土壤： = 1.5 mm/d; - 对大多数典型情况：在集约式耕作的透水性土壤采用高值= 1.5-3.0 mm/d; - 对灌溉损失水量大伙灌溉水高矿化度的极端
7、情况= 3.0-4.5 mm/d; 埃及尼罗河三角洲所推荐的排水系数也可作为参考： - 在尼罗河三角洲的南部和上埃及的北部，没有水稻种植，深层渗漏较少，包括100%安全系数的设计排水率为 2 mm/d; - 在尼罗河三角洲的中部( 有水稻种植，但无向上的顶托渗漏，且天然排水有限), 包括 50%安全系数的设计排水率为3 mm/d; - 在尼罗河三角洲的北部 ( 水稻中值区，且有向上的顶托渗漏)包括33%安全系数的设计排水率为4 mm/d。 5.2 非稳定渗流的排水公式 在干旱、半干旱地区为了播前湿润土壤和降低表层土壤含盐量，常进行加大定额的播前灌溉。例如，新疆的播前灌水定额为1500-1800
8、 m3/ha.灌水后要求在下一次灌水前或积盐临界期以前地下水位降低至临界深度以下。在这种情况下需要采用考虑潜水蒸发的非稳定流公式确定排水沟的间距。初始水位 hi 根据深层渗漏除以土壤的储水系数求得，临界时期到来前设计水位高程 hc 则自沟深 D 减去临界深度求得。在已知要求的 hi 和 hc 的情况下可自公式 (51) 或 (58)确定排水沟的间距。 6. 控制土壤盐渍化的垂直排水 在有良好的含水层、地下水埋藏较钱、且水质又符合要求的地区结合井灌进行排水，不仅可以提供大量的灌溉水源，同时对降低地下水位和除涝治碱也起到重要作用。 6.1 竖井排水的作用 1） 降低地下水位，防止返盐 由于水井自地
9、下含水层中抽取了一定的水量，在水井附近和水井排水地区地下水位将随水量的排出而降低。地下水位的降低值一般包括两部分：一部分是由于水井长期抽水，地下水补给不及，消耗一部分地下水储量，在抽水区内外产生一个地下水位降落漏斗而形成的，如图 17 中实线所示，称为静水位降。另一部分是由于地下水位向水井汇集过程中发生水头损失而产生的。据水井愈近，其数值愈大，在水井附近达到最大值，此值一般在3-6m以上。在水井抽水过程中形成的总水位降称为动水位降，如图 17 中虚线所示。 图 17 井群抽水过程中的静水位降和动水位降 由于水井的排水作用，增加了地下水的人工排泄，地下水位显著降低，有效的加大了地下水埋深，减少了
10、地下水的蒸发，因而可以起到防止土壤返盐的作用。 2） 腾空地下库容用以除涝防渍 干旱季节，结合井灌提取地下水，不仅可以防止土壤返盐，同时由于开发利用地下水，使灌水前或湿润区汛前地下水位达到年内最低值，这样就可以腾空地下含水层中的土壤容积，供灌溉或降雨季节存蓄灌溉或降雨入渗水量之用。地下水位的降低可以增加土壤的蓄水能力和增加灌水或降雨的入渗，防止田面形成积水造成土壤过湿，同时，还可以增加地下水提供的灌溉水量。 3） 促进土壤脱盐和地下水的淡化 竖井排水在水井影响范围内形成较深的地下水位下降漏斗。地下水位的下降可以增加田面的入渗速度，因而为土壤脱盐创造有利条件。在有灌溉水源的条件下，利用淡水压盐可
11、以起到良好的效果。例如，根据青海省德令哈农场尕海分场冲洗排水试验资料，在竖井影响范围内，硫酸盐氯化物经冲洗后，0-30cm 土层脱盐率为81.5%-84.4%,0-100cm土层脱盐率为66.3%-77,5%,而无井排地区冲洗后0-30cm脱盐率仅为36.3%-40.9%,0-100cm脱盐率为25%-30%。 在地下咸水地区，如有地面淡水垂直补给或沟渠侧渗补给，则随着含盐地下水的不断排除和淡水的补充，地下水将逐步淡化。试验表明，在抽排的咸水量较大，能够保证地下水位下降一定深度，并有淡水及时补给的情况下，一般都可以取得较好的淡化效果。例如，河北省水利专科学校在校办农场（面积85亩）进行抽咸换淡
12、试验，在1974和1975两年中，利用水井平均每亩抽排咸水1368m3，利用灌溉和雨水补充淡水每亩1244m3。由于抽咸和补淡的水量均较大，地下水质发生了显著变化，咸水改造前表层2m地下水的矿化度为3.8g/l-9.9g/l, 1975年已降至0.48g/l-1.04g/l。 竖井排水除可形成较大降深，有效控制地下水位外，还具有减少田间排水系统和土地平整土方量、占地少和便于机耕等优点，但竖井排水需消耗能源、运行管理费用高、且需要有适宜的水文地质条件，在表土层渗透系数过小或下部承压水压力过高时，难以达到预期的排水效果。 62 竖井的规划布置 1） 合理的井深和井型结构 为了使水井起到灌溉、除涝、
13、防渍、改碱、防止次生盐碱化和淡化地下水的作用，应使每个水井具有尽可能大的出水量。为了增加降雨和灌水的入渗量，提高压盐的效率，并在含水层中形成一定的地下库容，还应使潜水位有较大的降深。为此，在规划中必须根据各地不同的水文地质条件，选取合理的井深和井型结构。 （1）在浅层有较好的砂层或虽无良好砂层但土壤透水性较好（例如，裂隙粘土等）的情况下，可以打浅机井或真空井，井管自上而下全部采用滤水管，在这种情况下一般可以保证有一定的出水量和潜水降深。 （2）砂层埋藏在地表以下一定深度，但砂层以上无明显的隔水层时，为了使单井保持一定的出水量，水井可以打至含水砂层，抽水时虽然出水量的一部分来自下部砂层，但由于上
14、部土层无明显的隔水作用，大面积抽水时潜水位仍可随之下降。因此，可以保证形成一定的潜水位降深和浅层地下水库容，有利于承受上部来水，促进土壤脱盐和地下水淡化。 （3）上部土层透水性较差，且在相当深度内又无良好砂层时，为了保证水井有较大的出水量和地下水位有较大的降深，必须选取适当的井型结构，如大口井、大骨料井、辐射井、梅花井（群井点）和卧管井等。 2） 水井的规划布置 水井的规划布局应视水井的任务、地区的自然特点和水利条件而定。在有地面水灌溉水源并实行井渠结合、井灌井排的地区，其任务是控制地下水位、保证灌溉用水、除涝防渍、并防止土壤次生盐渍化。在这种情况下井的间距一方面决定于单井出水量所能控制的灌溉
15、面积，另一方面也决定于单井控制地下水位的要求。在利用竖井单纯排水的地区，井的间距则主要决定于控制地下水位的要求。 竖井在平面上一般多按等边三角形或正方形布置。由单井的有效控制面积可求得单井有效控制半径R和井距 L，水井布置如图 18（a）、(b)。 图 18 （a）(b)水井布置图 （a）等边三角形布置(井距 L=R 3 ),(b)按正方形布置(井距 L=R 2 ) 在局部地区进行竖井排水时，竖井抽出的地下水，一部分来自抽水区以外的侧向补给，见图17，在相同的水井间距和单井抽水量情况下，在抽水过程中局部地区井排对降低地下水位的作用不如大面积井排显著。且在水井停抽后，由于外区补给，地下水位将较快地回升。在局部井排的情况下初步拟定井距和布井方案后，地下水的动水位降深S可根据单井非稳定流公式计算: =niiiniiatrWTQSS121)4(4（65） 式中 Si - 由于第 i口井抽水引起的水位降深； Qi - 第i口井抽水流量； ri - 第i口井与计算点的距离； T - 含水层的导水系数； a - T/,表示潜水含水层的给水度。 根
