黄河三角洲现代化盐碱土整治技术体系研究与应用

张亮; 赵阳; 石为位; 王庆伟; Liang ZHANG; Yang ZHAO; Wei-wei SHI; Qing-wei WANG

中国农村水利水电 ›› 2021 ›› (7) : 151-154.

农田水利

黄河三角洲现代化盐碱土整治技术体系研究与应用

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Study and Application of Modernized Soil Salinization Treatment Technical System in the Yellow River Delta

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摘要

黄河三角洲地区土壤盐碱化问题十分突出，急需科学高效的现代化盐碱地改良技术手段予以解决。研究提出了以暗管排碱技术为核心，由蓄水灌溉网、暗管排碱网、污水排放网、物联网智能决策支持系统、效果监测网等共同组成的黄河三角洲现代化盐碱土整治工程技术体系，在黄河河口地区土地开发项目中进行了应用，结果表明：确定的暗管间距和埋深等参数合理；建立的以暗管排碱技术为核心的盐碱土整治工程技术体系适用于黄河三角洲地区，对滨海重盐碱地的开发改良效果较好。

Abstract

The problem of soil salinization in the Yellow River Delta is very serious， which is to be solved urgently with a modernized scientific and efficient approach to control land salinization. This paper puts forward a modernized technical system of soil salinization remediation in the Yellow River Delta， which is composed of water storage irrigation network， underground pipe drainage network， sewage discharge network， intelligent decision and support system based on the Internet of Things， effect monitoring network and so on. This system is applied to the land development project of the Yellow River estuary area. The results show that the parameters of the space and layout depth of underground pipe are reasonable and the technical system of soil salinization with the core of the underground pipe discharge technology is suitable for the Yellow River Delta Area， which is effective for the development and improvement of the coastal heavy saline-alkali land.

关键词

黄河三角洲 / 土壤盐碱化 / 暗管排碱 / 技术体系

Key words

Yellow River Delta / soil salinization / underground pipe drainage / technical system

基金

中国地质调查局地质灾害隐患和水文地质生态地质调查项目(DD20190652)

河南省哲学社会科学规划项目(2020BBJ045)

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张亮 , 赵阳 , 石为位 , 王庆伟. 黄河三角洲现代化盐碱土整治技术体系研究与应用[J].中国农村水利水电, 2021(7): 151-154

Liang ZHANG , Yang ZHAO , Wei-wei SHI , Qing-wei WANG. Study and Application of Modernized Soil Salinization Treatment Technical System in the Yellow River Delta[J].China Rural Water and Hydropower, 2021(7): 151-154

0 引言

黄河三角洲位于东营市黄河入海口，黄河携带着大量的泥沙奔腾而来，在即将与渤海交汇的地方形成一片冲积平原，这里还有着十分重要的保护区——黄河三角洲自然保护区，自然资源十分丰富。然而，黄河三角洲临近渤海湾，地下水埋深较浅，受气候影响年蒸发量大于降水量，另一方面海水也在不断侵蚀着这片土地，因此，土地盐碱化问题在不断加剧，严重影响着粮食产量，限制了农业的发展。不仅如此，由于盐碱化土地的增多，生态平衡也受到威胁，曾经鸟类的天堂面临严重的危机。黄河三角洲地区土壤盐碱化问题十分突出，急需科学高效的治理土地盐碱化的技术手段予以解决。

国内外学者普遍认为排灌工程技术体系建设在盐碱化土地防治和治理中发挥着重要的作用^［1-3］。当今，暗管、竖井、明沟等措施在排碱方面的运用效果较好，逐渐被世界各国所认可^［4］，其中暗管排碱工程技术推广较为成功的是荷兰。近年来，暗管排碱技术引进我国，通过国内多家科研机构共同改进施工工艺和机械，已得到很好的推广，主要应用于排水不畅的低洼地区，能有效地控制多余的水分，避免了盐分的蒸发，运行成本基本为零，最关键的是土地改良效果相对较好。

本研究提出以暗管排碱技术为核心的黄河三角洲现代化盐碱土整治工程技术体系，在黄河河口地区土地开发项目中进行了应用，取得了良好的效果。项目区位于东营市河口区新户镇域内驻地西南，共涉及新户镇的北台子、太平、友谊、四顷二、南王、新华、麻郭、东华、西华、马家、龙王、双胜、太一、太二、太三等43个行政村，主体工程于2017年12月完工。

1 黄河三角洲现代化盐碱土整治工程技术体系组成

以黄河来水为依托，通过修建水库水塘等存水网络在汛期储存备用水源；通过连通各灌溉水渠，合理利用和分配水资源，提高灌溉效率；通过在田间铺设暗管排碱和弃水排泄网络，调控地下水位，及时将盐分排出，改良盐碱土，使农作物免受渍涝灾害；结合物联网智能决策支持系统，根据采集的土壤墒情和盐分等数据，进行水量优化分配和水、肥、药科学决策，利用自动控制系统，进行自动输水灌溉；布设监测网络进行实时监测，观察改良效果，组成现代化的黄河三角洲盐碱土整治工程技术体系。

存水网络：水库作为主要的蓄水方式，也要采取一些辅助性的措施，比如修建水塘鱼塘。在黄河汛期，多存储一些黄河水作为备用水源。但是单纯的蓄水设施是不够的，还需要把水源、蓄水设备、灌溉区连接起来，形成系统的存水网络。

灌溉水渠网络：依据高程比降，合理利用上游的水源，在干渠和支渠之间、支渠和斗渠之间、斗渠和农渠之间修建自动控制闸门，在农渠和田地之间修建毛门，各水渠之间通过闸门控制，在汛期实现提闸后自行储备，在需要用水时实现提闸后自行灌溉，这就大大节约了成本，灌溉效率也进一步提高。

暗管排碱网络：该地区有很大一部分土地为沙性土壤，透水性较好，因此根据实际需要，在田间铺设暗管，在降水量较大和进行田间灌溉时，多余水分可以下渗到暗管得以及时排出，也可以适当降低地下水水位。

弃水排泄网络：暗管的铺设虽然有助于排出多余水分，但地下水的流动很有可能引起弃水的反渗，无法彻底排出，因此还需适当的排泄网络加以辅助。

物联网智能决策支持系统：将水源、输配水系统、暗管及弃水排泄系统中的水泵、闸门、流量计、传感器和自动控制器等设备通过物联网连接起来，并与智能决策支持系统相连，以实现水资源优化分配、适时适量进行灌排的智能决策和自动控制。

布设监测点：为更直观地监测地下水位及水质变化，需要布设一些监测点及相关监测设备，通过监测数据，观察改良效果，为下一步工作提供好依据。

由于黄河两岸与黄河三角洲地区的一些地质条件、气候条件等有很多相似之处，因此这些技术工程措施对今后其他地区盐碱地的改良也可以适用。

2 暗管埋深和间距的确定

暗管排碱技术是一种改良盐碱化土壤的有效方式，也是黄河三角洲盐碱土整治工程技术体系中的核心技术。其投入成本、排水效率受塑料暗管间距的影响，同时还与暗管埋深、土壤类型密切相关，过深的深度和过大的间距不仅会导致工程量的增大，有时还会要求必须采取动力强排措施，对管理和运行费用要求较高，因此，暗管的埋深和间距的确定至关重要。

2.1 暗管埋深计算

暗管排碱网络的建设施工中，不同环境条件下埋藏深度是有差别的，这不只受地质条件的影响，还要综合分析该地土壤盐碱化程度、气候因素及土壤透水性等因素。受当地气候的影响，黄河三角洲地区的降水主要集中在7-9月，地下水位升高，而由于该地区土壤中含有黏砂夹层土壤的透水性较差，土壤中水分过多会使得农作物和植被根部缺氧，土壤渍化，进而导致农作物产量降低，因此控制好地下水水位至关重要^［5］。根据现有条件，暗管埋藏深度的确定很大程度上取决于防止土壤盐渍化的要求。

根据农田排水工程技术规范（SL 4-2013），暗管埋深计算公式如下：

h_{q} = h_{e} + H_{e} + h_{0}

（1）

式中：h_q 为暗管埋深，m；h_e 为满足植被和农作物需要的地下水埋深，m；H_e 为滞留水头，即两暗管埋设点间田地的中间位置处地下水位高出暗管中水深h₀ 的差值，m；h ₀为暗管中水深，取值为暗管管径的1/2，m。

由此可见，影响暗管埋设深度的主要因素有两点：①地下水埋深介于何值时可以保证农作物的正常生长；②滞留水头的取值H_e，我国滞留水头一般取在20~30 cm之间^［6］。

该地区盐碱地经过一系列改良，将大面积种植棉花，棉花是较耐盐碱的作物，一般盐碱地复垦都会优先选择种植棉花。7月到9月为棉花蕾铃期，是养分需求量最高的时候，而该地区的降水又集中在这3个月份，需要全力防止渍害的发生。因此适合棉花生长的地下水埋深成为决定暗管埋设深度的最为关键的因素。根据土地开发整理项目规划设计规范（TD/T1012-2000），棉花作物设计排渍深度为1.0~1.3 m。该区域所用的管道直径为10 cm，根据计算公式可得出，暗管最小设计埋深为1.25 m。

2.2 暗管的间距计算

控盐和满足防渍要求是项目区布设暗管主要考虑的因素。20世纪80年代初，丁福堂的研究指出暗管密度的大小和排出水量的多少成正比例关系，暗管间距的大小则与地下水位下降的速度成反比^［7］；本世纪初，王水献等通过试验证明了在地下水位回降的过程中会导致土壤因蒸发而积盐，并且地下水位回降的速度会随着土壤含盐量的降低而加快^［8］。

牛丽霞等对黄河河口地区排碱暗管间距布设参数进行了研究^［9］，参考其研究成果得出满足排渍要求的暗管埋设间距如图1，得出满足防盐要求的暗管埋设间距如图2，具体计算公式和主要参数取值如下。

图1 满足排渍要求的暗管间距

Fig.1 Distance between concealed pipes meeting the requirements of drainage

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图2 按排蒸比计算的暗管间距

Fig.2 Distance between concealed pipes calculated by exhaust steam ratio

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满足排渍标准的暗管间距，根据胡戈浩特公式计算：

L^{2} = (8 K_{b} d h + 4 K_{a} h^{2}) / q

（2）

式中：L为暗管埋设间距，m；K_a 为暗管以下土壤渗透系数，m/d；K_b 为暗管以上土壤渗透系数，m/d，取K_a≈K_b；h为作用水头，m；d为暗管管径，m，取值0.1；q为地下排水模数，m/d，取值0.003 6。

满足防盐要求的暗管间距，采用按排蒸比标准计算间距的半经验公式计算，公式如下：

B = \frac{α K h}{η ε_{0} μ φ}

（3）

式中：B为暗管埋设间距，m；K为土壤渗透系数，m/d；h为暗管埋深，m；ε ₀为地下水位接近地表时的蒸发强度，mm/d，取值10；μ为水面形状修正系数，取中间值0.85；α为排蒸速度修正系数，计算公式见式（4）；η为排蒸比，取1.2；φ为渗流阻抗系数，采用阿维里扬诺夫—瞿兴业公式计算。

α = \frac{n + 1}{2} {[\frac{h / h_{ε}}{1 - (1 - h / h_{ε})^{n + 1}}]}_{_{_{}}} (h \leq h_{ε})

（4）

式中：n为地下水蒸发强度与埋深关系指数，取值1；h_ε 为蒸发后的地下水位埋深，m，取值3。

暗管间距要同时满足农作物免受渍害需求和防止土壤盐碱化的需求，因此，暗管间距应选择较小值。布设方案还要具体考虑土壤渗透系数的分布情况。综合以上各种因素该研究区的暗管间距可采用20 m（渗透系数<0.2 m）、25 m（渗透系数为0.2~0.4 m）、30 m（渗透系数>0.4 m）。

3 监测指标分析

监测网络的建设可以及时准确地掌握地下水水位、水质及土壤盐分含量的变化情况，更加有效的评定土壤改良的成果，同时也可以为今后的土壤改良提供数据支持。在田间设置地下水监测网络，布设管径4 cm深6 m的PVC管观测井，每平方千米布设一个观测点，观测数据一般是7 d为一周期，除了灌溉时期的检测频率需要每天观测之外，盐碱地整治的效果依照每周的变化情况来进行评价。从施工前、到施工中、再到施工后，取得了一些观测数据。现挑选较有代表性的4个观测点，4个观测点直线距离均间隔5 km，选取原则是这4个观测点都位于最早施工的区域，能够观测整治前后的地下水位、水质变化情况，观测点所在区域8月初开始施工，至8月中旬大部分暗管投入运行，至10月初整治工程体系施工完毕，通过以上指标监测数据前后对比分析，阐述该工程技术体系的应用效果。

3.1 地下水位的变化

选取4个观测点的整个观测期的数据变化来分析，见图3。

图3 改良前后1~4号观测点的水位变化情况

Fig.3 Water level change of observation points 1~4 before and after improvement

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可以从图3看出，经过整治工程的土地治理，1~4号观测点的地下水水位明显降低，从数值看，4个观测点分别从3.32、3.19、3.2、3.16 m降到2.01、2.05、2.12、2.25 m，降幅达39.5%、35.7%、33.8%、28.8%，平均下降1.11 m，水位降幅如此明显，得益于暗管排碱工程的施工和弃水排泄网络的投入运用，由图3看出各观测点地下水位变化整体趋势一致，但由于各观测点位置整治工程施工前后及各自水文地质条件的细微差异导致其变化曲线存在一些微小差别。

3.2 矿化度变化

继续利用4个观测点在整个观测期的数据变化来分析，其中现场实测为电导率，矿化度=电导率×0.64，按照这个公式换算即可得出4个观测点的对应矿化度。见图4。

图4 改良前后1~4号观测点的矿化度变化情况

Fig.4 Mineralization change of observation points 1~4 before and after improvement

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从图4可以看出，各观测点整治之前水中矿化度较高，达到了咸水的标准。经过工程整治，4个观测点分别从整治前13.22、14.14、12.97、13.62 g/L，降至整治后7.83、8.83、8.84、8.56 g/L，降幅达40.8%、37.6%、31.8%、37.2%，平均下降4.97 g/L，矿化度回落的较为明显，表明以暗管排碱为主的整治工程能够降低地下水的矿化度。

本次地下水监测数据分析虽然只是采用了4个观测点的数据，但是能够直观看到整治前后地下水位、水质的变化过程。可以看出，盐碱土整治工程技术体系应用后土壤的改良效果是极为明显的。

4 结语

从研究结果和监测数据分析，可以得出以下结论：①研究建立的以暗管排碱技术为核心的盐碱土整治工程技术体系适用于黄河三角洲地区，对解决土壤盐碱化问题效果较好。②得出的暗管间距和埋深等参数是合理的。

黄河三角洲的土壤盐碱化问题严重，亟需有效的土地盐碱化改良的体系。暗管排碱工程需要资金相对较少，土壤改良效果较好，通过现代化灌溉水系统网络，并将暗管排碱和污水排放技术相结合，形成基于物联网，由蓄水灌溉网、暗管排碱网、污水排放网、效果监测网等网络组成的黄河三角洲现代化盐碱地治理系统，可快速降低土壤含盐量、改善土地质量，提高土地承载能力，使盐碱荒地快速转变为中高产良田，在滨海重盐碱地的开发改良中，技术先进，成效显著，而且有利于保护生态环境，是盐碱地开发的高效生态开发模式，对推进高效生态经济良性循环和可持续发展具有积极作用。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序

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收稿日期	出版日期
2020-09-08	2021-07-15
发布日期
2021-08-22

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