暗管断面结构对非饱和土壤中暗管排水排盐效果的影响

韩寒，李明思*，张锦华，柳幸爽，徐强，陈文娟

暗管断面结构对非饱和土壤中暗管排水排盐效果的影响

韩寒1，李明思1*，张锦华1，柳幸爽1，徐强1，陈文娟2

（1.石河子大学 水利建筑工程学院，新疆 石河子 832003；2.石河子大学 理学院，新疆 石河子 832003）

研究不同断面结构的暗管在非饱和土壤中的排水排盐效果。选用了4种断面结构的暗管在室内进行土柱滴灌排水试验；其中，T1为底部不透水的圆形暗管，T2为底部不透水的等边三角形暗管，T3为底部带不透水翼的圆形暗管，T4为底部带不透水翼的等边三角形暗管；各暗管均由金属丝网构成，外裹无聚酯长丝针刺无纺土工布作滤层。供试土壤为砂土，每个土柱灌水7 L，每个处理设置5个重复。利用MATLAB平台对4种暗管周围的非饱和土壤水分运动进行了模拟。T2处理的拦截面宽度大于T1处理，其对水分的吸持能力是T1处理的2倍；且对土壤水分绕流现象的抑制作用比T1处理的性能略好。T2处理的暗管出水时间比T1处理的提早7.45 h；对暗管增加底翼后，可增强其抑制土壤水绕流的能力，提高其排水排盐效果；其中，T3、T4处理的暗管底部50 cm处的土壤含水率分别为17.02%±0.37%和16.62%±0.77%，均小于T1、T2处理同位置处的土壤含水率；T3、T4处理的排水量分别比T1、T2处理的值增加119.8 mL和119.7 mL，排盐量增加16.76 g和18.83 g；T3、T4处理的暗管出水时间分别比T1、T2处理的出水时间提前9.79 h和3.47 h。通过数值模拟进一步验证了T2处理可以抑制绕流；暗管增加底翼后，可进一步提高其抑制绕流的能力。在非饱和土壤中，三角形断面暗管抑制土壤含水率绕流的作用好于圆形断面暗管的同类能力；暗管增加底翼后，可以进一步提高其对绕流现象的抑制作用，提高其排水排盐能力。

排水暗管；非饱和土壤；排水排盐；盐碱地治理

0 引言

【研究意义】传统的暗管排水技术是建立在饱和流理论基础上的[1]。在地下水位低于田间排水暗管的埋设位置时，如果进行灌水压盐并通过暗管排盐，则需先抬高地下水位才能实现排水、排盐[2]，这种做法对于节约用水和保护地下水质来说都是很不合理的。在新疆干旱地区，节水和治理盐碱地是当地农业发展中需要解决的2个根本问题。大面积的滴灌技术推广，为新疆农业产量的提升和生态保护打下了很好的基础[3]。然而，滴灌技术的特点是“浅灌、勤灌”，土壤始终处在非饱和状态，不适用于将土壤盐分淋洗到地下水中[4]，往往导致盐分在耕作层以下聚积[5-6]；如果要将盐分淋洗出农田，则需在作物非生育期专门进行大定额灌水压盐、利用排水暗管将盐分排出[7-8]。如何利用滴灌“勤灌”的特点，在作物生育期内实现暗管在非饱和土壤中的排水排盐效果，是当前需重点解决的问题。在非饱和土壤中，水分往往会沿着暗管周围绕流而不进入暗管，为此需要对暗管本身及其周围的条件进行改造，以抑制绕流现象。前人的研究发现，通过改进暗管结构、外包滤层结构、滤层的材料性质、暗管开孔率、增加大孔隙流导管等等措施，可以减缓土壤水分的绕流现象，实现暗管在非饱和土壤中排水的效果[9-11]。

【研究进展】李显溦等[12]将暗管底部做防渗处理，利用HYDRUS-2D软件对这种暗管在滴灌条件下的排水效果进行了模拟分析，发现此种处理可增大暗管的汇流面积，进而提高暗管的排水排盐效果。陈名媛等[13]通过室内土槽试验，研究了滴灌条件下暗管的排水排盐规律，发现只有当地下水位淹没暗管以后，暗管才会实现排水。秦文豹等[9]通过改变暗管滤层的结构，减缓了暗管周围水分的绕流过程，实现了非饱和土壤中的暗管排水。聂锦杰等[10]通过使用连接大孔隙流导管的暗管，在土槽中实现了滴灌条件下非饱和土壤中的暗管排水。谢中意[14]测定了不同土工布对水分的吸持能力，发现其在作为暗管外包裹滤层材料时，会将土壤中的水分吸附到暗管管壁上，进而促进暗管排水；同时，该研究还通过对暗管设定不同开孔率，比较其排水的阻力差异，得出暗管开孔率越大，水分进入暗管的阻力越小。学者们也常用仿真工具来研究暗管排水过程，例如：HYDRUS、DRAINMOD、SWAP、RZWQM等软件，取得了很多有价值的结果；但是，这些仿真工具在解决暗管排水问题时主要是针对饱和土壤[15-18]，没有考虑非饱和土壤的特殊情况。【切入点】前人在非饱和土壤暗管排水方面的研究取得了大量成果，但这些成果仍然是探索性的。例如，复杂的砂砾石滤层结构可以使暗管在非饱和土壤中排水排盐，但施工复杂；利用大孔隙流理论来促进暗管排水，不仅存在暗管制作工艺上的问题，还存在大孔隙流导管对田间耕作造成不便的问题。尽管如此，前人的研究成果证明了可以通过一定的技术改造使暗管在非饱和土壤中实现排水效果。由于这一问题有其特殊的研究背景，目前的研究成果还较少，因此有必要围绕这一问题探索新的方法，使该技术或理论进一步完善。为了进一步探究非饱和土壤中的暗管排水过程，故采用可以模拟非饱和土壤中暗管排水的MATLAB软件进行非饱和土壤中的暗管排水的模拟。【拟解决的关键问题】本研究以土工布滤层和大开孔率暗管为基础，在前人研究成果的基础上，提出不同断面结构的暗管，比较其在非饱和土壤中的排水排盐效果，分析适用于非饱和土壤排水的暗管结构形式，为开发用于滴灌盐碱地的节水治盐技术提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2020年11月―2021年10月在石河子大学水利建筑工程学院水利与土木工程实验中心进行。试验用土为砂土（其中砂粒量96.80%±0.77%，粉砂粒量0.86%±0.08%，黏粒量2.95%±0.06%），土壤干体积质量为1.72 g/cm3；土壤饱和含水率、田间持水率、初始含水率分别为22.44%、16.32%、1.25%（质量百分数）；土壤盐分类型以硫酸盐为主，初始含盐量为1.8%，为中度盐渍土。试验用土柱规格为：内径20 cm，高度80 cm。试验用暗管为金属丝网架结构无壁管，开孔率为72.3%，其断面结构形式分别为：圆形、三角形和底翼型；管外包裹滤层材料规格为300 g/m2的无聚酯长丝针刺无纺土工布[14]。

1.2 试验设计与方法

1.2.1 暗管断面结构设计

将金属丝网加工成管状，外包土工布，做成排水暗管。其中，暗管断面结构设计成4种形式，T1：底部不透水的圆形暗管；T2：底部不透水的等边三角形暗管；T3：底部带不透水翼的圆形暗管；T4：底部带不透水翼的等边三角形暗管。圆形暗管直径为5 cm，等边三角形暗管的边长为5.24 cm，二者的周长均为15.71 cm；不透水翼的总长为12 cm。每种形式的暗管长度均为18 cm。横截面结构见图1。

图1 暗管横截面断面

1.2.2 暗管排水装置布置

试验前在土柱底部装填5 cm厚的砂砾石垫层。将盐碱土风干后粉碎过筛，再分层装填到土柱中，每层为5 cm。砂砾石垫层和盐碱土之间设置隔水板，隔水板的开孔率为25%。将制作好的暗管布置在土层深度40～45 cm之间，暗管布置坡度为1%（图2（a））。试验中采用容量为1 L的树木输液袋供水，每个土柱设置一个输液袋，输液袋的滴头位于土柱中间。试验用水为自来水，矿化度0.15 g/L。试验中4种处理的暗管均开始出水后停止灌水，以保持每个处理灌水量相同，试验中每个土柱灌水7 L，每种处理设置5个重复，取平均结果进行分析。

图2 试验装置和取样点示意

1.2.3 测试指标

试验在室内进行，试验过程中环境比较稳定，室内温度在17～20 ℃之间，无风。另外，从灌水停止到取土样之间的时间不长，所以认为蒸发量不大；为减少水分蒸发，试验中在土壤表面覆盖了1层滤纸。试验中每隔1 h在土槽外部观察水分入渗情况，并标注湿润锋位置。暗管排水结束48 h后开始取样，测土壤含水率和含盐量。

在暗管正上方和暗管两侧用直径2 cm的土钻取土，取样点分布见图2（b）。取样时，沿土层深度方向每隔5 cm取1个样。用烘干法测定土壤质量含水率。提取1∶5土—水质量比的浸提液，测定其电导率；然后用干燥残渣法确定土壤含盐量与电导率之间的标定关系式，即：

=0.361 2c-0.064 2 (20.986 7)， （1）

式中：为土壤含盐量（%）；c为电导率（μs/cm）。

待暗管出水后，每隔2 h利用50 mL量筒量测暗管的排水量，试验中利用电导率法测暗管排出水的电导率，再利用式（1）换算含盐量。

1.3 数据处理与分析

利用Excel 2013对试验数据进行整理并绘制水分分布图和盐分分布图；采用SPSS 19.0对暗管排水、排盐效果进行显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同断面暗管对土壤水的拦截能力分析

前人研究表明，在非饱和土壤中要提升暗管排水效果就要解决土壤水沿暗管周围绕流的问题[9]；而在暗管周围对土壤水进行拦截、吸持、降低其进入暗管的阻力等措施，可以起到抑制或减缓绕流现象的效果。由谢中意[11]针对不同规格土工布所做的吸水能力试验结果可知，无聚酯长丝针刺无纺土工布不仅具有比短丝土工布更好的吸水能力，而且当土工布放置的水平夹角（土工布的切线方向与水平方向的夹角）越小时，其对水分的吸持能力越强。

图3 暗管的投影面宽度示意

圆形断面暗管的外包土工布在暗管上半部位与水平方向的夹角是从0°（在暗管顶部）逐步增大到90°（在暗管侧面）（图3（a））；而在暗管的下半部位，土工布与水平方向的夹角大于90°，吸持在土工布中的水分受重力作用向下方运动，对水分绕流现象的抑制作用降低。

对于等边三角形断面的暗管，其外包土工布与水平方向的夹角始终是60°（图3（b））。在断面周长相同的情况下（即制作管道的材料用量相同），设圆形断面暗管与等边三角形断面暗管的断面周长均为，取单位管段长度；可以分析出等边三角形断面暗管的土工布以60°角拦截并吸持土壤水分的面积t为：

对圆形断面的暗管，根据谢中意[11]的研究结论,圆心角2×60°所对应的圆周上部圆弧段对土壤水分的拦截作用和相应的土工布对土壤水分的吸持作用，都大于在这个弧段以下部分的弧段的同类作用，而这个弧段的长度为/3。圆形断面暗管上土工布吸持土壤水的面积c为：

表明在此条件下，等边三角形断面的暗管对土壤水分的吸持能力是圆形断面暗管对水分吸持能力的2倍。由此推断，本试验中等边三角形断面暗管对土壤水分绕流现象的抑制作用应该好于圆形断面暗管的同类性能。

暗管的断面宽度对土壤水分的绕流过程起着一定的阻碍作用。断面越宽，暗管顶部水分的绕流路径将会越长，暗管断面对水分的拦截作用也就越强，水分绕流越困难。在暗管断面周长相同的情况下，本试验中的等边三角形暗管的断面拦截宽度t与圆形暗管的断面拦截宽度c分别为：

等边三角形暗管：

圆形暗管：

由于π>3，所以t>c，即等边三角形断面暗管的拦截宽度大于圆形断面暗管的拦截宽度；所以，推断出等边三角形断面暗管对土壤水分绕流现象的抑制作用应该好于圆形断面暗管的同类性能。

2.2 暗管断面结构对非饱和土壤排水的影响

试验过程中，渗入到砂砾石垫层中的水面始终低于隔水板，即隔水板以上的土壤始终都没有达到饱和状态。试验结束后对各土层土壤质量含水率进行分析，发现4种处理下的土柱中各土层含水率均小于饱和含水率（22.44%）；而且土壤含水率均随着土层深度的增加而逐步降低。暗管所在的土层深度处的土壤含水率基本上都很低（图4），说明这些暗管在非饱和土壤中可以起到排除暗管四周水分的作用。

图4 土壤含水率垂直分布情况

5次重复试验结果显示，无翼情况下，三角形暗管（T2）底部50 cm深度处的土壤平均含水率为17.13%±0.61%；圆形暗管（T1）底部50 cm深度处土壤平均含水率为17.66%±0.59%，表明这2种形式的管道都出现了绕流现象，但是，三角形暗管的绕流现象轻于圆形管道的绕流现象。对暗管上部40 cm处的土壤平均含水率进行分析发现，T2处理的土壤含水率（18.32%±0.93%）略大于T1处理的土壤含水率（18.16%±0.87%左右），表明T2处理的暗管上部出现了一定程度的积水，其对上部土壤水的拦截能力好于T1处理。

暗管底部加翼以后，T3、T4处理的暗管底部50 cm处的土壤水分分别为17.02%±0.37%、16.62%±0.77%，均小于不带翼暗管该深度的土壤水分，表明暗管加翼后对土壤水绕流的抑制作用明显增大。对暗管上部的水分分布进行分析发现，T4处理的水分梯度大于T3处理的值。根据土壤水动力学理论可知，T4处理的排水速度应该大于T3处理的排水速度。对暗管上部40 cm处的土壤含水率进行分析得出，T4处理的土壤含水率（16.83%±0.53%）略小于T3处理（16.93%±0.29%），但二者的差异性不显著（>0.05）。这可能与底部不透水翼对土壤水分所起的拦截作用较大有关。

2.3 暗管断面结构对土壤排盐的影响

对4种处理下的各土层含盐量进行分析发现，土壤含盐量均随着土层深度的增加而增大；0～30 cm土层是脱盐状态，暗管顶部以下土层逐步呈积盐状态（图5）。

图5 土壤含盐率垂直分布情况

4个处理在0～30 cm土层平均含盐量依次为0.18%±0.02%、0.18%±0.01%、0.26%±0.02%、0.27%±0.04%；与初始含盐量相比，该层土壤排盐率均达到90%左右。对暗管顶部及其两侧的土壤含盐量进行分析发现，各处理暗管顶部（40 cm处）的土壤含盐量依次为2.14%±0.58%、1.92%±0.81%、2.55%±1.57%、2.72%±0.98%，均高于初始含盐量；而其两侧的土壤含盐量均小于或接近初始含盐量，依次为1.06%±0.63%、0.95%±0.50%、1.69%±0.62%、1.75%±0.65%。各处理暗管顶部（40 cm）的土壤含盐量分别比其两侧土壤含盐量高1.07%±0.85%、0.97%±0.85%、0.86%±1.85%、0.97%±0.91%，说明盐分会在暗管顶部累积；其中，T1处理的盐分在暗管顶部的聚集得最多，T3处理的盐分在暗管顶部聚集得最少。各处理45 cm土层（带翼暗管的翼上方）处的含盐量依次为2.53%±1.10%、2.02%±1.35%、3.59%±1.05%、2.57%±1.17%；其中，T3翼上的土壤含盐量比T1同土层含盐量多1.06%；T4翼上的土壤含盐量比T2同土层含盐量多0.55%，说明盐分会在翼的上方出现累积现象。

2.4 暗管断面结构对排水起始时间的影响

改变暗管断面结构增大了暗管对水分的吸持面积和拦截宽度，提高了暗管在非饱和土壤中的排水能力。试验结果表明，等边三角形断面暗管开始排水的时间早于圆形断面暗管的排水时间；带翼的暗管开始排水的时间早于不带翼的暗管排水时间，见表1。

表1 不同处理下的排水排盐效果

无翼情况下，T2处理暗管开始排水所需要的时间比T1处理暗管所需要的时间短7.45 h，且二者之间具有显著性差异。但是2种处理的暗管排水量和总排盐量差异不显著（<0.05）。底部加翼以后，T3处理和T4处理的暗管开始排水所需要的时间缩短，分别比T1处理和T2处理的初始排水时间缩短9.79 h和3.47 h；暗管的排水量和总排盐量也显著增加，分别比T1处理和T2处理的排水量增加119.8 mL和119.7 mL，排盐量增加16.76 g和18.83 g。T3处理和T4处理开始排水所需要的时间具有显著性差异，特别是三角形断面所需时间更短。说明在增加底翼后，三角形断面结构与圆形断面相比仍然具有优势。表1中显示，三角形暗管的排水总量比圆形暗管的排水总量略小，但其排盐总量却比后者略大，虽然这一现象并没有达到显著水平，但仍能反映三角形断面对水盐的吸持和拦截优势。

2.5 等边三角形与等腰三角形暗管的排水模拟

为了从机理上阐明排水暗管的断面结构在非饱和土壤中对土壤水分绕流的影响以及实现非饱和土壤排水的效果，对试验中的4种处理进行模拟。

2.5.1 土柱中暗管排水基本方程

滴灌条件下的土壤处在非饱和状态，其水分运动理论模型是Richards方程[19]。土柱中的土壤水分运动可以用一维垂直运动来表达。由于非饱和土壤中的暗管排水效果取决于对土壤水分绕流现象的抑制作用，因此，暗管排水是不确定因素；所以，可将排水暗管作为Richards流区中的内边界处理，而土柱边界是流区的外边界；如此，只需模拟土柱与暗管之间的土壤中的水分运动状况，见式（6）。

式中：为土壤体积含水率（%）；为垂向坐标（cm）；()为非饱和土壤导水率（cm/d）；()为饱和土壤水扩散率（cm2/min）。

求解Richards方程的定解问题需要借助初始条件和边界条件；其中，含水率边界为Diriclet条件，又称第一类边界条件；通量边界为Neumann条件，又称第二类边界条件；通量与含水率的组合边界为Generalized Neumann条件，又称第三类边界条件。

对于外边界条件，其上边界为距离暗管底部6 cm处的土壤含水率条件（图6），是Diriclet条件；试验中，4种处理在该位置处的含水率最小值约为田间持水率，所以，模型中该处含水率设为田间持水率；下边界为暗管底部无穷远处的土壤含水率，也是Diriclet条件；左、右边界为土柱壁，水分通量为0，是Neumann条件（图6）。对于内边界条件，暗管的左、右边界上的土壤含水率会随着时间增加而增加，说明边界上存在水分通量，故采用Neumann边界条件；暗管的底部是不透水的结构，故暗管下边界也采用Neumann边界条件。

图6 模型边界示意

2.5.2 MATLAB仿真平台应用

MATLB仿真平台的PDE工具箱用于求解偏微分方程，其中的抛物线模型可用于求解渗透介质中的流动与扩散问题[16]。PDE中的标准抛物线型方程为：

式中：为求解领域中的函数；为未知函数，对应于方程（6）中的。

PDE中的Diriclet边界条件和Neumann边界条件分别如式（8）和式（9）：

式中：为求解域中的函数；为求解域中的外法向矢量。

对应Richards方程和图6的要求设定相应的边界条件；其中，土柱的上边界设为田间持水率，为28%（体积含水率），式（8）中各参数为：=1，=0.28；土柱的下边界为暗管底部无穷远处的土壤含水率[21]，式（8）中各参数为：=1，=0.021 5；土柱的左、右边界是水分零通量条件，式（9）中各参数为：=0，=0。对于内边界条件，暗管的左、右边界上存在水分通量，考虑到外包土工布的持水和透水特性，将暗管的外包土工布的含水率设定为时间函数，式（9）中各参数为：=0，=0.004 5。暗管的底部是不透水的结构，式（9）中各参数为：=0，=0。

各处理的初始含水率0设为2.15%（体积含水率）。土柱试验中，湿润锋从暗管顶部运动到土柱底部（隔水板上部）所需要的时间约为8 h，故模拟时间设定为8 h。

2.5.3 模拟结果分析

土壤水分沿着暗管周围产生绕流后，在暗管底部位置汇合，使暗管底部的土壤含水率增大；所以，暗管底部的土壤含水率等值线的值越大，表明土壤水分绕流现象越强烈，反之绕流现象被抑制。对4种断面结构的暗管进行土壤水分运动模拟所得到的结果显示（图7），T3、T4处理的暗管底部第一条连续的含水率等值线的数值分别为5.82%、5.85%，远小于T1、T2处理的同类指标（10.92%、10.79%），这表明底部带翼的暗管对土壤水分的绕流现象有显著的抑制作用。而T2处理的暗管下方等值线12.00%和13.21%之间的区域面积为64.1 cm2，小于T1处理的同类指标（72.4 cm2），这表明T2处理的暗管底部的土壤含水率增加量比T1处理的同类指标少，其对土壤水分绕流现象的抑制作用略优于圆形暗管。

图7 暗管周围土壤水分模拟

T2处理的断面上部土壤含水率20%～25%的区域面积（土壤含水率等值线沿着暗管边缘形成的等值线“漏斗”区）大于T1处理的同类区域面积；以值为24.51%的等值线为例，T1、T2处理的该等值线上方的区域面积分别为29.06、35.44 cm2，说明T2处理的拦截效果好。加翼后，暗管断面上部的土壤含水率等值线“漏斗”区面积远大于无翼暗管的同类区域面积；以值为19.38%的等值线为例，T3、T4处理的该等值线上方的区域面积分别为83.48、93.96 cm2，分别比无翼暗管同等指标大了27.10、28.71 cm2。说明除了暗管断面的拦截面发挥作用以外，暗管下方的翼部也可以对水分进行拦截。另外，模拟结果显示，T3处理的暗管断面下半部分的水分为反向进入暗管，这些水分要靠水力坡度驱动才能进入暗管，而只有当土壤局部接近饱和的情况下才形成水力坡度。但T4处理暗管拦截面上的水分均通过拦截作用进入暗管，不需要暗管周围产生局部饱和。

3 讨论

3.1 暗管断面对土壤水分的拦截作用

在饱和土壤中，排水暗管的横断面周长决定了土壤水向暗管中的汇流量，而当暗管横断面周长不变时，暗管过水断面的面积决定了其输水能力，所以，在饱和土壤中往往采用圆形断面暗管[20-21]。但是，在非饱和土壤中，水分向暗管中的汇流量有限，所以，暗管并不需要很大的过水断面面积，但是却需要能够抑制或减缓土壤水分沿暗管周围绕流的能力。本试验研究发现，在暗管断面周长相同的情况下，虽然等边三角形的暗管的断面面积小于圆形断面的暗管断面面积，但是，其对土壤水分的绕流现象有一定的抑制作用，并且其作用略好于圆形断面暗管，能促进非饱和土壤水进入暗管。以往研究表明[11]，圆形断面暗管对水分吸持和拦截效果最好的部位是暗管顶部-45°～+45°水平角所包含的弧段，大于45°水平角后，断面对水分拦截或吸持的作用将降低，对水分绕流的抑制作用也降低。在断面周长相同、其他边界条件和初始条件相同的情况下，利用MATLAB仿真平台对底角45°的等腰三角形断面暗管进行排水模拟（图8），并与本文试验中的等边三角形暗管排水的模拟情况相比较。结果显示，等腰三角形暗管下方等值线12.00%和13.21%之间的区域面积为44.4 cm2，小于等边三角形的同类指标（62.4 cm2），这表明等腰三角形暗管对土壤水分绕流现象的抑制作用略好于等边三角形暗管。根据计算，等腰三角形的拦截面宽度为：e=/2.41，大于等边三角形拦截面宽度t=/3。

3.2 暗管底翼对土壤水盐的拦截作用

李显溦等[12]的研究发现，在饱和流条件下，暗管下方铺设防渗膜可以增大汇流量。而本文在非饱和条件下的试验结果显示，暗管底部加翼之后可以抑制绕流到暗管底部的水分，并导致翼部土壤形成局部饱和，从而促进暗管排水。

李显溦等[12]的研究发现，在暗管下方铺设防渗膜后，防渗膜上方出现盐分累积。本文试验结果也显示翼部上方的土壤含盐量较高。主要是因为不透水的翼不断拦截上方的渗流，同时拦截渗流所携带的盐分；水分的增加，提高了其对周围土壤盐分的溶解作用[22]；随着土壤水分的排出，剩下的水分对盐分的溶解作用降低，加上外包土工布吸持作用，使得一部分盐分拦截在土工布外围。同理，积累在暗管顶部土壤中的盐分也是这样形成的。排水过程中，暗管顶部的土壤含水率大于暗管二侧的土壤含水率，其溶解和携带的盐分多；试验结束后，土壤水分进入暗管，暗管顶部土壤含水率降低，其对盐分的溶解作用也降低，造成一部分盐分被留在暗管顶部。

图8 等腰三角形断面暗管周围土壤水分模拟

3.3 技术的用途

本研究提出的用于非饱和土壤排水的暗管主要用于膜下滴灌农田节水治盐目的。由于非饱和土壤中水分运动依靠的是水势梯度，不是水力坡度，所以该暗管排水的影响宽度有限；因此，在这种条件下确定暗管埋设间距没有意义。暗管应埋设于地膜所覆盖的宽度内某一深度处，对于滴灌条件应该埋在土壤湿润区70 cm深度左右。文献[22]的研究指出，在滴灌频繁时期（灌水高峰期），膜下土壤往往存在盐分向深层淋洗、并积存在深层的现象，而膜外土壤存在盐分表聚现象。本文研究的暗管可以应用于这一条件，将膜下土壤的淋洗盐分通过暗管排出农田，这在一定程度上既可起到节水作用，又能起到排盐效果。

4 结论

1）等边三角形断面的暗管对土壤水分的拦截和吸持能力大于圆形断面暗管对水分拦截和吸持能力，前者对水分的吸持面积是后者的2倍、前者对水分的拦截宽度是后者的1.05倍，在暗管顶部，T2处理的土壤含水率比T1处理的值大0.16%。因此，等边三角形断面暗管对土壤水分绕流现象的抑制作用好于圆形断面暗管的同类性能。

2）底部加翼暗管对土壤水分绕流现象的抑制作用得到增强，绕流到暗管底部的水分减少。在暗管底部，T3处理和T4处理的土壤平均含水率分别比T1处理和T2处理土壤平均含水率小0.64%、0.51%。底部加翼暗管还提高了其在非饱和土壤中的排水排盐能力，T3处理和T4处理的暗管的排水量分别比T1处理和T2处理的排水量增加119.8 mL和119.7 mL，排盐量则分别增加了16.76 g和18.83 g。

3）等边三角形断面暗管开始排水的时间早于圆形断面暗管的排水时间；T2、T4处理开始排水时间分别比T1、T3处理开始排水的时间提早7.45、1.13 h。带底翼的暗管开始排水的时间早于不带底翼的暗管的排水时间；T3、T4处理开始排水时间分别比T1、T2处理开始排水的时间提早9.79、3.47 h。

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Effect of Cross Section of Subsurface Drain on Its Performance

HAN Han1, LI Mingsi1*, ZHANG Jinhua1, LIU Xingshuang1, XU Qiang1, CHEN Wenjuan2

(1. College of Water and Architectural Engineering, Shihezi University, Shihezi 832003, China;2. Faculty of Science Shihezi University, Shihezi 832003, China)

Subsurface drain is an engineering technology to control groundwater table not exceeding a critical depth. Its performance depends not only on soil properties but also on design parameters. The purpose of this paper is to investigate the impact of geometrical configuration of the drain on its performance in controlling water and salt movement in the soil.We compared four cross sections: circular section with an impermeable drain bottom (T1); equilateral triangular section with an impermeable bottom; circular section with an impermeable wing at the drain bottom; equilateral triangular section with an impermeable wing at the drain bottom. All drains were made by metal wire meshes; they were wrapped by non-polyester filament and perforated non-woven geotextile filter layer. The drainage experiment was conducted in soil columns repacked with a sandy soil. Each column was irrigated by 7 L of water. During the experiment, we measured soil water movement around the drain; water flow in the soil was simulated using a MATLAB program.The time that water started exiting the outlet of the drain in T2 was 7.45 h ahead of that in T1. Adding an impermeable wing at the bottom of the drain inhibited water exfiltration thereby improving drainage efficiency. It was found that soil moisture content at the bottom of the drain (50 cm deep) in T3 was 17.02%±0.37% lower than that in T1, while that in T4 was 16.62%±0.77% lower than that in T2. T3 drained 119.8 mL of water and 16.76 g of salt more than T1, while T4 increased 119.7 mL water drainage and 18.83 g salt removal than T2. The time that water started exiting the outlet of the drain in T3 was 9.79 h earlier than that in T1, while the starting time for water to exit the drain in T4 was 3.47 h ahead of that in T2. Numerical simulation confirmed that T2 reduced water exfiltration more, especially with an added impermeable wing at the bottom of the drain, and it is hence most effectively in draining water and removing salt.Subsurface drain with triangular cross section was more effective in inhibiting water exfiltration, especially after adding an impermeable wing to its bottom.

subsurface drain; unsaturated soil; draining water and salt; reclamation of saline-alkali land

S276.7；S156.4

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022009

韩寒, 李明思, 张锦华, 等. 暗管断面结构对非饱和土壤中暗管排水排盐效果的影响[J]. 灌溉排水学报, 2022, 41(6): 131-139.

HAN Han, LI Mingsi, ZHANG Jinhua, et al. Effect of Cross Section of Subsurface Drain on Its Performance[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(6): 131-139.

1672 - 3317（2022）06 - 0131 – 09

2022-03-04

国家自然科学基金重大项目（51790533）

韩寒（1996-），女，河南睢县人。硕士研究生，主要从事干旱区节水灌溉理论与技术研究。E-mail: 1678534432@qq.com

李明思（1965-），男。博士，教授，主要从事灌溉原理与新技术应用研究。E-mail: leemince@126.com

责任编辑：韩 洋