暗管排盐关键技术的研究进展

2012-10-16王洪义王智慧杨凤军纪鹏

黑龙江八一农垦大学学报 2012年5期

王洪义，王智慧，杨凤军，纪鹏

（黑龙江八一农垦大学农学院，大庆163319）

盐碱地是指盐分含量高，难以生长植物的土壤。土壤盐碱化和次生盐碱化问题是一个世界性难题，在世界范围内普遍存在，滨海地区和干旱、半干旱地区，土壤盐碱化和次生盐渍化问题更为严重[1-2]。盐碱危害造成大面积土壤资源难以被利用，农业综合生产能力下降，很多地方严重影响农业生产。当今，人口、粮食、资源、环境等压力不断增大，促使人们开发、改造、利用盐碱荒地来缓解粮食危机和改善环境，提高土地资源的利用率。我国是一个盐碱地面积大，分布范围广的国家，采用合理的盐碱地改良措施，可以提高我国土地资源的利用率，改善生态环境，提高农民生活水平[3]。

暗管排盐技术是国际上盐碱地改造的先进技术，其核心思路是通过埋设地下暗管，降低地下水位，排除土壤中过多的水分，并通过灌溉、淋洗等手段去除土壤中过多的盐分，达到土壤改良的目的[4-5]。

1 暗管排盐技术概况

暗管排盐技术原理是利用灌溉水和雨水对暗管以上的含盐土层进行冲洗脱盐，排除土壤中过高的盐分，加速脱盐过程，同时把地下水位控制在某一适宜的深度，防止土壤向上反盐，为植物生长提供良好的土壤条件，促进植物生长[6]。20世纪初在低洼地区采用明沟或暗管的方式排出地下多余的水分，发展农业生产，取得了良好的丰产效果，在此基础上，1959年荷兰首次采用暗管排盐技术治理盐碱地取得成功，之后迅速在美国、丹麦、以色列等国家推广[7]。我国从20世纪80年代开始采用塑料暗管降渍脱盐技术，在江苏、天津、新疆等地陆续开始实施，自此，暗管排盐改良盐碱土技术的试验示范工作在我国得以广泛开展，经国内20余个省市的试用，取得了显著的效果[8-9]。目前国内外将暗管排盐作为防止土壤盐渍化的一项重要措施广泛推广，对内陆盐渍土、沼泽土、滨海盐碱土的暗管排盐均有不同程度的研究。其中对滨海滩涂盐渍土的研究较成熟，如张万钧等在天津滨海新区进行的暗管排盐技术及绿化配套技术研究，获得国家科技进步二等奖，该项目对暗管排盐的技术参数进行了系统研究，提出了不同脱盐标准下暗管埋深、间距和管径等技术措施，为暗管排盐技术的推广起到重要推动作用[9-11]。但内陆盐渍土的治理由于研究相对较少，且技术落后等原因，没有取得实质性突破，还停留在参照滨海地区盐碱地暗管铺设方式和相应技术参数。因此开展暗管排盐技术的总结研究，特别是研究不同地域的暗管排盐关键技术特点，对开发内陆地区盐碱地具有十分重要的意义。

2 暗管排盐关键技术

2.1 管材的选择

排盐管的类型以前多用无砂水泥管、素砼管、软性弹簧管，其中应用最多的是无砂水泥管，排盐排碱效果较好，但存在容易破碎，且造价较高等缺点[6]。目前国内外常用的管材为聚氯乙烯（PVC）塑料管和聚乙烯（PE）塑料管制成的有孔管道。按管道构造形式分为平滑管和波纹管两种。由于平滑管必须开沟铺设，费用较高，且接头多，易损坏，维修保养较费事，目前应用较少；波纹管的管壁薄、重量轻、挠曲性高、表面开孔率高、抗压强度高、耐酸碱腐蚀、排水效果良好、易于施工、造价费用较低，因此被普遍采用。波纹管的特点是透水孔打在波纹的凹处，有利于水分进入，而对泥沙等却有一定的阻挡作用，便于排出多余水分且不至于堵塞管道。因此，波纹塑料管在我国被广泛采用，并取得显著的排盐效果和良好的经济效益。

2.2 排盐管的埋深

经典农田排水理论暗管埋深的设计以原苏联土壤学家B.B.波勒诺夫1931年提出防治土壤盐渍化的地下水“临界深度”为标准。其基本含义是：如果地下水埋深达到某个深度，使得地下水沿土壤毛管的上升运动弱到不足以使土壤表层产生积盐，这个深度即为土壤地下水临界深度。这个概念是从土壤发生学角度加以定义的，只注意到静止的毛管水的上升极限，而忽视了毛管水的流速和土壤水流通量等动态因素[12-13]。经过更加深入的研究，我国学者在上世纪70年代提出“允许深度”这个概念，即表土轻微积盐（一般取土壤含盐量不高于0.6%），但不影响作物生长，周年盐分基本稳定的地下水埋深[14]。张万钧等在实践中根据“允许深度”的概念，在天津滨海地区根据不同土壤质地、不同植物类型，提出“浅密式”暗管排盐方式，其公式为：

式中，H为暗管埋深深度；h为植物允许轻微积盐的地下水“允许埋深”；Δh为两排盐暗管间地块中部地下水位与排盐暗管中水位之差，一般取0.1～0.2 m；r为暗管中水深，一般取排盐暗管的半径[12]。其中h值对暗管埋深的影响最大，实践中，暗管排盐效果和经济合理性主要取决于h值的合理选择。黄明勇等2000年在天津滨海区对该种提法做了实验研究，研究表明：将土壤含盐量0.3%作为植物生长含盐临界点时，排盐管“允许埋深”控制在1～1.3 m，高于理论计算的“临界深度”，这种暗管埋深，4年平均年脱盐40%[15-16]。排盐管的埋深决定排盐的效果，但当埋入地下较深时工程费用较高，甚至超过土壤的产出，因此确定一个合理的埋藏深度对暗管排盐技术的应用具有重要意义。不同地区还应根据当地的土壤和水文条件，通过区域试验，确定本地区的暗管埋深。

2.3 暗管的埋设

暗管的埋设应综合考虑水文地质、土壤理化性质、植被类型、气象条件等因素。邵孝侯等[13]认为，除了暗管埋深外，暗管的间距、管径、坡降等因素，也是暗管排盐系统规划设计的关键问题，影响到排盐效果和投资效益。因此近年来，很多学者对暗管埋设方面的研究逐渐增多。

2.3.1 铺设方式

暗管的铺设方式直接影响到地下水的运动方向，埋设暗管后将原来只沿自然坡降的长距离（农排间距1 200 m）水平运动环境，改变为被所埋管道分割成短距离（100～150m）的定向排水环境。目前比较成熟的是滨海地区的暗管铺设系统，该种盐碱地区根据土壤沙质较多的特点，广泛应用“浅密式”暗管排盐工艺，其由排盐支管、汇水管、集水井、检查井、排水主管组成。排盐管一般平行道路或沿自然坡降方向，采用正交网格型或斜交人字型与集水管相连。集水井和检查井的设置方向与集水管的设置方向一致，便于监测和检修，排水主管接入市政雨水管道或自然河流中[16]。内陆盐碱地区的铺设方式是借鉴滨海地区改进的二级“浅密式”暗管排盐技术，其关键是排盐管加密、在支管层设置淋渗层，汇集上层降水和地下反盐水，达到快速排水的目的。这种改进的方法更适合较干旱土壤，集水更充分，排盐效果较好。

2.3.2 间距

排盐管间距的确定有三种方法：试验法、经验法、理论计算法[17]。田间试验法具有一定针对性，符合试区所在条件，反映实际效应，是一种最可靠的暗管间距确定方法，但开展试验研究一般需要几年时间、费力、实施有一定的困难。经验法需大量走访调查，并研究整理其他地区的试验资料，归纳分析，总结各种情况产生的原因，分析暗管间距与其主要影响因素如暗管埋深、土壤质地等有决定影响的指标之间的关系，确定一个合理的暗管间距。理论计算法一般是根据水量平衡原理和渗流力学原理推导得出的。近年来，随着计算机和数学模拟技术的普及，各类参数测试方法也得到了改进，很多复杂的问题可借助计算机来完成[18]。美国应用计算机模拟技术，研究确定在排盐方式上，可以采用明暗排结合的方式，确定一个更加合理的暗管铺设间距；在此领域，荷兰建立了spreedsheef程序用于计算暗管间距的埋深，均取得了较理想的实际效果。暗管间距的计算方法在各国学者的研究下，进一步趋于合理化、实用化[19]。我国目前在一些地区开展了暗管铺设间距实验研究，如湖北省研究表明，粘土地区暗管合理埋设间距为12m、砂质土为15m；上海市研究一般埋设间距为10～12m[3]。间距的选择除了上述方法外，还应该根据不同的种植植物或地势特点来合理选择，确定一个更加合理的性价比。

2.3.3 坡降

坡降一般依据不产生淤积的最小流速来确定，通常情况下，暗管的坡降可以和地表的坡降相一致，便于控制暗管的埋深处理。不同地区坡降可能有一定的差异，天津滨海地区由于地表较平，一般坡降采用0.1%左右；大庆地区经实验测量，暗管坡降一般可以选择0.1%～0.3%。

2.3.4 滤料

滤料的选择应根据当地实际情况，选用取材容易、价格便宜、施工方便、耐酸碱腐蚀、不易腐烂、对作物无害、不污染环境的透水性材料。目前应用较多的有机滤料、无机滤料和合成滤料等三大类。有机滤料主要为农业生产的副产品，如稻壳、稻草、秸秆等，我国应用秸秆的粉碎滤料较多，日本应用稻壳较多。这类滤料初期应用时可以有效阻止颗粒的土壤进入管道中，2～3年腐烂后一般在管道周围能形成稳定的滤水层，可以保证正常的过滤功能。无机滤料包括砾石、沙粒、卵石、煤矸石、炉渣等材料，这些滤料耐久性好，但重量大、运输与施工不便，且投资较高[1，9]。合成滤料主要是化纤制品，如聚苯乙烯、纤维丝、无纺布等，过滤效果较好，特别是无纺布近年来应用较广泛。

2.4 暗管排盐工艺

蔡飞等[20]2009年在总结各地排盐工艺的基础上，对暗管排盐的工艺进行了详细研究，包括主管、支管的管材和管径，管的连接和铺设等。研究表明，合理的支管管径一般采用Ф60100PVC双螺纹渗管，管的四周间隔10 cm，打一直径1 cm的圆洞，两行之间呈品字形错开，管外包双层无纺布，主管采用Ф120～160PVC双壁波纹管，接口处用无纺布缠紧，用耐盐碱粘接剂粘牢，主支管起始端用UPVC管堵封口，防止泥沙等杂质从管端流入管内，堵塞管道；管道弯曲半径不小于600 mm，能有效地减轻排盐管中泥沙淤积[21]。开完管沟后，先在底部铺设一层粗砂、炉渣、级配鹅卵石等滤料，然后再铺设排盐管，保证在排盐管周围有10～20 cm厚的滤料层，这样既可以防止泥沙流进排盐管，同时也有利于按照设定的坡降铺设排盐管。邵孝侯等研究，在盐碱地园林绿化领域，可以在排盐管的上方绿化土底层，铺设20 cm的粗砂淋层，能加速土壤渍水外排和阻断下层水盐上行，提高排渍脱盐的效率。另外，在应用暗管排盐工艺时，也可以通过深翻绿化土，掺沙、粉碎秸秆和牛粪等方式，增大土壤渗透系数，促使土粒团聚，可以改善土壤结构，减少土壤容重和增加孔隙度，使土壤中的盐渍水迅速流出。但这种方法也存在明显缺点，即干旱和半干旱地区，由于降水较少，土壤透水性强，容易造成土壤含水量降低，影响植物生长。

总体来说，通过改进排盐工艺，暗管在排渍、脱盐方面效果更加显著，它能迅速排出土壤中盐渍水，降低地下水位防止土壤次生盐碱化，改善土壤结构和增加透气率，创造良好的根系生长环境，提高土地利用率，延长绿化用地使用年限，减少工程量和建设管理费用。

3 暗管排盐成效

国内外大量学者研究表明，暗管排盐技术可有效改良盐碱地。特别是我国近年来，在暗管排盐领域研究不断深入，并在部分地区彻底改良了盐碱地[22]。如天津滨海新区，以张万钧为首的科研组通过对多年监测的盐分数据进行分析和绿化效果对比，得出暗管排盐工艺在盐碱土绿化中切实可行，特别是“浅密式”排盐技术，效果更加明显，1m土体的平均盐分含量在不到3年的时间内下降到0.4%以下，在5年的时间内下降到0.2%以下，消除了盐分对绝大多数植物的危害，彻底改良了盐碱滩涂。倪同坤[22]的试验表明，沿海滩涂地利用暗管排水结合种稻淋盐技术可快速改良重盐土，使水稻生长茂盛，有效分蘖多，当年就能获得较高的产量。该技术在胜利油田实施后，成功地将10多万亩寸草不生的滩海重盐碱地改造为良田，经过改造的土地种植棉花等作物产量逐年提高[23]。张亚年等利用江苏滨海滩涂盐碱土壤，采用暗管排水的方法，进行了室内渗流槽试验，物理模拟土壤排盐过程。研究发现受暗管排水影响在一定程度上增大了土壤的渗透性，水流排出较快，水位下降，土壤可溶盐分极易排出；表层土壤盐分运移主要受降雨量影响，盐分下降速率最快；深层土壤盐分运移受上层盐分的累积和降雨共同影响，排盐较滞后[5]。

4 存在问题及研究展望

暗管排盐技术改良盐碱地是促进农业可持续发展的重要途径之一，在全国范围内推广暗管排盐技术对提高我国粮食产量能发挥重要作用。但暗管排盐技术在我国研究的还不十分深入，研究范围还停留在滨海盐碱地领域的研究，对其他内陆盐碱地和次生盐碱地研究较少，尤其是冻土条件下，暗管排盐的实际研究开展较少。

关于暗管排盐关键技术的研究还需加强不同质地和绿地类型下的暗管间距和埋深最优组合研究；建立单位面积工程费用最少的目标函数研究；引水脱盐率和抗旱节水等复合关系研究。另外，针对不同土壤类型和应用条件，还需在暗管排盐工艺领域加强本土化研究，使各地区具有最优的排盐工艺，形成地区性暗管排盐技术体系。

我国盐渍土面积约3 460×104 hm2，近1/5耕地发生盐碱化，治理盐碱地对我国农业生产和粮食安全具有重要作用。暗管排盐技术的研究对改善和治理盐碱地具有实际意义，国内外多地研究表明，该技术可以在世界各地推广，能有效治理盐碱地；该技术是一个多学科的研究和多领域的集成，是一个复杂的系统工程，特别是在内陆地区的推广应用，还需要具体的试验和实践。该技术的研究者还需紧密跟踪国内外盐碱土改良、盐碱地绿化发展动态和研究成果，吸取先进理论和技术经验，进一步开展暗管排盐技术在不同质地条件下的应用研究。

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