基于渗流槽试验的吸附性外包滤料改善暗管排水脱盐效果.pdf
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1、基于渗流槽试验的吸附性外包滤料改善暗管排水脱盐效果李杰,王红雨,马俊毅,郭丽平,金铭锐(宁夏大学土木与水利工程学院,银川750021)摘要:农田暗管排水再利用是缓解西北干旱、半干旱地区灌溉水资源短缺的有效途径,而外包滤料的结构与性状是改善暗管出流水质的关键。利用自行研制的渗流槽物理模型试验设备,将取自宁夏银北暗管排水项目区的土样,结合当地盐渍化土壤特征进行重新配置,以吸附性材料代替传统砂滤料,设置了仅敷裹土工布和外裹土工布+10cm 混合滤料两种暗管外包滤料,模拟研究冬灌淋洗盐分条件下,外包滤料结构型式对暗管排水区土壤水盐运移状况的影响及其出口水质状况。监测结果表明:淋洗试验初期,渗水逐渐浸润
2、土壤,土壤中的盐分随水流垂直向下迁移并积聚于暗管周围,即埋深 6090cm 的土层中。淋洗中期,饱和带浸润水位自下而上逐渐上升,仅敷裹土工布的暗管,当饱和带水位超过暗管轴线位置时便开始排水,而包裹混合滤料的暗管,在饱和带水位达到暗管顶部后才开始排水。仅敷裹土工布时土壤整体的平均脱盐率比铺设混合滤料时的小 11.45 个百分点,两轮淋洗试验后,进入铺设混合滤料暗管水样的平均矿化度较仅敷裹土工布时的水样检测值分别降低了 1.89 和 1.21g/L,且其暗管排水流量亦明显增大。淋洗后期,试验系统停止供水后,受重力疏干排水滞后效应影响,当饱和带浸润水位接近暗管底部时,暗管排水逐渐衰减,土壤中的盐分多
3、呈现以暗管为中心的凹曲线分布。研究成果可为宁夏银北灌区暗管排水再利用提供参考依据。关键词:土壤;渗流槽模型试验;吸附性外包滤料;水盐运移;暗管排水doi:10.11975/j.issn.1002-6819.202304053中图分类号:S276文献标志码:A文章编号:1002-6819(2023)-16-0121-10李杰,王红雨,马俊毅,等.基于渗流槽试验的吸附性外包滤料改善暗管排水脱盐效果J.农业工程学报,2023,39(16):121-130.doi:10.11975/j.issn.1002-6819.202304053http:/www.tcsae.orgLIJie,WANGHongy
4、u,MAJunyi,etal.ImprovingthedesalinationofsubsurfacedrainpipewithenvelopeadsorptionfilterusingseepagetanktestJ.TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE),2023,39(16):121-130.(inChinesewithEnglishabstract)doi:10.11975/j.issn.1002-6819.202304053http:/www.tcsae.org0引
5、言宁夏银北灌区地势低洼,排水不畅,导致土壤盐碱化加重,严重制约了灌区的农业、生态和社会经济可持续发展1-3。农田暗管排水技术作为治理灌区土壤盐碱化的有效途径之一,已在该地区成功推广应用了 40 余年4。然而,针对西北干旱、半干旱地区灌溉水资源短缺的现状,探索农田暗管排水循环利用是节水灌溉面临的新课题。研究表明,暗管外包滤料的选型对排水脱盐、出管水质、地下水位的调控至关重要5-6,而以吸附性材料代替传统砂滤料的复合型外包滤料具有净水功能,有利于暗管排水的循环利用7。因此,研究包裹吸附性材料的暗管外包滤料对改善土壤水盐运移性状,对于宁夏引(扬)黄灌区灌溉回归水再利用的设计与实施具有重要意义。通过淡
6、水淋洗结合暗管排水排盐技术治理土壤盐碱化是一种快捷有效且应用较广的方法。ABEDI-KOUPAI等8研究了不同土层深度和含水率对土壤水盐运移的影响,并采用 HYDRUS-2D 模型进行了验证。张金龙等9在暗管排水条件下通过漫灌淋洗改良滨海地区盐渍土的研究中,利用 Vedernikov 入渗方程和 VanderMolen 淋洗脱盐方程,对淋洗水盐时空变化特征进行了模拟分析。迟碧璇等10研究了控制排水对地下水中盐分含量、排水量和排水中盐分含量的影响,认为控制排水能够提高土壤剖面的保墒效果、脱盐效率和盐分分布均匀性。ZHANG 等11-12通过在暗管上方铺设低渗透率表面覆盖物的方式来增加排水排盐效率
7、和土壤脱盐率。李显溦等13通过在暗管底部铺设防渗层来提高暗管排水排盐效率。实际上,通过调整暗管外包滤料的结构型式也能改善暗管排水排盐效果。秦文豹等14在滴灌条件下通过改变暗管滤层结构的方式来提高暗管排水效率。TAO等15在土柱试验中将砂砾石滤料铺设于暗管周围,以确保暗管不被淤堵,提高排水性能,延长暗管使用寿命。陈名媛等16探究了暗管仅外包土工布时土壤处于非饱和和田持两种状态下水盐运移规律。然而,宁夏引黄灌区末段灌溉用水矛盾突出17,农田排水再利用成为开源节流的潜在水源。为此,李杰等7采用吸附材料代替传统砂砾料作为暗管外包滤料,并通过土柱试验研究提出了一种具有滤土排水和净化水质双重功能的混合外包
8、滤料设计方案。但是,尚未见到针对这种复合型外包滤料改善土壤排水脱盐和净化暗管水质的物理模型试验的研究报道。收稿日期:2023-04-09修订日期:2023-07-09基金项目:宁夏自然科学基金重点项目(2021AAC02006);国家自然科学基金项目(41462010);宁夏大学研究生创新项目(GIP2021052)作者简介:李杰,研究方向为水工建筑物设计与应用。Email:通信作者:王红雨,博士,教授,博士生导师,研究方向为灌区水工结构和岩土工程。Email:第39卷第16期农 业 工 程 学 报 Vol.39No.162023年8月TransactionsoftheChineseSocie
9、tyofAgriculturalEngineeringAug.2023121本文结合宁夏银北灌区冬灌洗盐保墒的传统方法,利用自行研制的渗流槽设备,以吸附性材料代替传统砂滤料,通过渗流槽物理模型试验模拟灌区冬灌淋洗盐分场景,分析研究暗管在仅敷裹土工布和外裹土工布+10cm 混合滤料条件下,不同深度土壤剖面上水盐动态变化规律及其暗管出流水质性状,以期为宁夏银北灌区暗管排水工程中解决回归水循环利用问题提供基础试验数据。1仪器、材料与试验方案1.1土壤采集与试样制作试验用土取自宁夏银北贺兰山农牧场的新建暗管排水项目区,为尽量保持田间原状土壤分布特征,按埋深030、3060、6090、90110cm 共
10、 4 层,分层取土,分袋放置,并使用环刀法计算不同土层的土壤容重。对所取土样风干后充分研磨,过 2mm 筛,称取 20g加入三角瓶中,按土水质量比 1:5 加入 100g 蒸馏水,充分振荡并静置后过滤,使用电导率仪测定土壤浸提液的电导率(EC),其中土壤浸提液电导率与土壤含盐量之间的关系18为T=3.72E1:5+0.44,R2=0.98(1)式中 T 为土壤含盐量,g/kg,E1:5为土壤浸提液的电导率,mS/cm。土壤粒径分布采用激光粒度分析仪测定;土壤饱和渗透系数采用变水头渗透装置测定;土壤饱和含水率采用烘干法测定。利用式(1)计算获得每层土壤的含盐量分别为 2.27、2.02、1.43
11、、1.62g/kg,土壤含盐量较小,属于轻度盐化土壤19。经过多年盐渍土综合整治,灌区农田土壤已多为轻度盐渍土。为重现当地重度盐渍化土壤,以利于试验中盐渍土水盐动态的观测,并且能充分反映暗管排水脱盐的机理与变化规律,通过查阅宁夏银北盐渍化土壤数据,采用人工加盐的方法,将 KNO3、KH2PO3和 NaCl 等 3种盐分等质量比混合,搅拌均匀,加入渗流槽土样。在填入每层土壤时,称取 500g 的混合盐溶于 1.38kg 的水中(盐的溶解度:25 下每 100g 水可溶解 36.2g),再将盐溶液进行稀释,并拌入风干的土样中。拌盐后,将土样按每层计算的土壤原容重填入渗流槽中,铺设滤料方案和仅敷裹土
12、工布方案两类试验开始前,测得经重新配置后土壤剖面整体的含盐量分别为 17.3 和 16.5g/kg。每层土壤具体物理性质见表 1。表1土壤物理性质Table1Soilphysicalproperties土层Soilhorizon/cm颗粒组成体积分数Particlecomposition/%土壤质地Soiltexture土壤容重Soilbulkdensity/(gcm3)饱和(体积)含水率Saturatedwatercontent/%饱和渗透系数Saturatedpermeabilitycoefficient/(cmd1)粉粒 Silt 黏粒 Clay 砂粒 Sand03033.977.675
13、8.36砂质壤土1.5738.6634.46306025.379.0765.56砂质壤土1.7635.8121.82609028.8811.9159.21砂质壤土1.8932.977.629011028.9712.0658.97砂质壤土1.9931.906.531.2试验仪器与方案设计暗管淋洗排水试验在课题组与上海大有仪器设备有限公司联合研制的渗流槽中进行,渗流槽尺寸参考国内外室内试验研究装置16,20-21。渗流槽尺寸为 2.6m0.6m1.4m(长宽高),右端设置一供水箱,用于模拟渠道向田间灌溉情况,供水箱尺寸为 0.4m0.6m1.4m(长宽高)。槽底部铺设 10cm 厚砂砾石,以便更好
14、模拟实际工程中渗透水流在暗管以下土壤中的运移和存储状况。同时,在距底部 5cm 处水平位置等间距布置 3 个饱和带水的抽水孔,并在渗流槽左侧外壁设置直径为1.5cm 的测压管联通器,测压管高度与槽体高度持平,主要用于观测饱和带测点的水质和浸润水位的动态变化情况(见图 1)。暗管设置在距槽左边壁 20cm、槽底 30cm 处,采用直径为50mm 的波纹管,管壁上开2mm 的圆孔,开孔率约为 5%,长度为 60cm,同时出水口处安装控制阀。渗流槽Seepage tank测压管连通器Pressure measuringtube connector测压板Pressure plate4802 60042
15、06005001 4002005005015700100暗管Subsurface pipesTEROS12传感器TEROS12-sensor水箱Watertank饱和带浸出水抽水孔Saturated zone leachingwater pumping hole蠕动泵Peristalticpump调节水箱Regulatingtank303001 650图 1暗管排水试验装置图Fig.1Subsurfacepipedrainagetestdevicediagram122农业工程学报(http:/www.tcsae.org)2023年试验时填土总体积为 2.6m0.6m1.1m(长宽高),暗管埋设
16、深度距离土壤表面 0.9m,管壁仅敷裹土工布和外裹土工布+四周铺设 10cm 混合滤料(水洗处理后的秸秆和炉渣等体积混合),所用土工布类型为热熔纺黏丝无纺土工布,质量为 90g/m2,厚度为 0.38mm,等效孔径为 180m,渗透系数为 3.6104m/s。吸附性滤料的粒径范围为 0.530mm,测定 EC 为 0.264mS/cm,计算出含盐量为 1.42g/kg,同时测定渗透系数为 2.8103m/s。试验数据采用 TEROS12 传感器采集,槽壁上均匀布置 16 个传感器,用以测定土壤剖面的体积含水率和土壤电导率,传感器探头的垂向间距为 30cm,埋深为 15、45、75、105cm;
17、横向间距为 50cm,与暗管的水平距离分别为 20、70、120、170cm,数据采集仪采用 ZL6Pro,每个数据采集仪连接 6 个传感器,设置每 30min 计数1 次。淋洗试验时,均采用淹灌的淋洗方式,试验用水的 EC 值为 0.41mS/cm,两轮淋洗试验设计见表 2。表2淋洗试验灌排参数表Table2Tableofirrigationparametersforleachingtest滤料型式Filtertype编号No.灌水日期Irrigationdate历时 Duration/h淋洗水量Leachingwater/mm灌水Irrigation排水Drainage仅敷裹土工布Only
18、coatedgeotextiles1-12022-07-2439.5673461-22022-07-2774106269外裹土工布+10cm 混合滤料Coveredgeotextile+10cmmixedfiltermaterial2-12022-08-1141603462-22022-08-1565.5100269注:编号中-1、-2 分别代表第 1 轮和第 2 轮淋洗试验。下同。Note:Number-1and-2representthefirstandsecondroundofleachingtests,respectively.Samebelow.1.3数据分析与处理试验中除土壤的含水
19、率和电导率变化采用传感器监测外,暗管排水流量、排水水样电导率、饱和带浸润水位、饱和带水样的电导率每隔 4h 监测 1 次,待暗管停止排水并持续一定时间后结束试验。暗管排出水的水样电导率(ED)、饱和带测点的水样电导率(EG)与矿化度(Q)的转化关系采用西北干旱地区常用的经验式22Q=0.69ED(2)式中 Q 为暗管排出水和饱和带测点水样的矿化度,g/L;一般情况下矿化度约等于 0.50.7 倍的电导率值,式中取值 0.69。土壤淋洗脱盐率22是指土壤电导率的减小值占初始值的百分比,是评价暗管排盐效果的一个重要指标,计算式为N=S1S2S1100%(3)式中 N 为土壤淋洗脱盐率,%;S1、S
20、2分别为淋洗前、后土壤电导率,mS/cm。2结果与分析2.1渗流槽试验中土样浸润饱和特点渗流槽物理模型仿真试验有别于实际灌区田间暗管排水工程,实际上其渗流场基本处于准封闭系统。模拟冬灌的定水头渗透试验过程中,初期水流自上而下浸润土壤,湿润锋也随之向下运移,渗流处于非稳定状态;试验中期,随着注水时间的推移,土壤饱和带自下而上逐渐漫过暗管轴线位置,此时暗管开始排水,当注水与暗管排水达到相对平衡后,饱和带浸润水位便处于稳定状态;排水后期,随着试验系统停止供水,土壤处于重力疏干排水阶段,此时的渗透水流亦属于非稳定渗流状态。两种暗管外包滤料型式对饱和带浸润水位以及饱和带测点的平均矿化度的影响如图 2 所
21、示。020 40 60 80 100排水时间Drainage time/ha.饱和带浸润水位a.Saturated zone saturation water level120 140 160 180 200020 40 60 80 100排水时间Drainage time/hb.饱和带测点的矿化度b.Saturation zone leaching water salinity120 140 160 180 200304050607080试验1-1 Test 1-1 试验1-2 Test 1-2 试验2-1 Test 2-1 试验2-2 Test 2-2暗管饱和带测点的平均矿化度Averag
22、e salinity of measuring pointsin saturated zone/(gL1)饱和带水位Saturated zone water level/cm024681012图 2两种外包滤料型式条件下饱和带浸润水位以及水平均矿化度随排水时间的动态变化Fig.2Dynamicchangesofinfiltrationwaterlevelandhorizontalaveragesalinityofsaturatedzonewithdrainagetimeundertheconditionoftwotypesofsubsurfacepipeoutsourcingfiltermat
23、erial以渗流槽底面作为槽内饱和带浸润水位观测基准面,暗管轴线中心点距槽底 32.5cm。图 2a 显示,仅敷裹土工布的暗管,两轮淋洗试验中,饱和带水位介于暗管轴线位置与暗管顶部位置之间便开始排水,停止供水后,饱和带水位达到最大,随后快速下降。铺设 10cm 混合滤料的暗管两轮淋洗过程中饱和带水位均已漫过暗管顶部时才开始排水,此时,试验 2-1 和试验 2-2 的饱和带水位分别为 36.2 和 35.6cm。饱和带水位的变化趋势与仅敷裹土工布两轮淋洗试验基本相似。相比仅铺设土工布,铺设滤料后重力疏干排水滞后效应明显减缓,排水历时相对较短。而停止排水时,两类试验饱和带水位都降低至接近暗管底部位
24、置。从图 2b 可以看出,第 1 轮淋洗过程中试验 2-1 饱和带测点的矿化度相比试验 1-1 下降幅度大,且下降速率也较快;第 2 轮淋洗时,试验 2-2 饱和带测点的矿化度下降趋势逐渐减缓,而试验 1-2 在停止灌水前降幅比较大,矿化度还较高。第16期李杰等:基于渗流槽试验的吸附性外包滤料改善暗管排水脱盐效果1232.2两种外包滤料对土壤含水率的影响在两种型式的暗管外包滤料排水条件下,先后实施两轮灌水淋洗的过程中,暗管排水控制的土壤剖面含水率变化情况如图 3 所示,从第 1 轮淋洗时的土壤含水率状况可知,开始排水时,试验 1-1 的土壤整个剖面平均含水率都达到了 20%以上;而试验 2-1
25、 右侧土壤中的水分向暗管集中,产生了明显的汇流现象,说明铺设 10cm混合滤料后,增强了暗管的汇水能力。灌水结束时,试验 1-1 表层土壤局部含水率较大,还未达到一个稳定状态;而试验 2-1 灌水结束至排水结束时含水率变化不大,已在这两个时间段内形成了比较稳定的排水状态。从第2 轮淋洗试验土壤剖面含水率的分布变化情况可知,试验 1-2 和试验 2-2 淋洗前土壤均已达到田间持水状态,同时在灌水结束时含水率都达到最大,但试验 1-2 表层有明显积水现象,而试验 2-2 排水更为稳定。2.3两种外包滤料对土壤盐分的影响土壤在淋洗过程中盐分随水流发生迁移,图 4 为两种外包滤料的暗管在淋洗前、开始排
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