CN106906809A - 农田非饱和条件下的暗管排水装置以及铺设方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种农田非饱和条件下的暗管排水装置以及铺设方法，其中，排水装置包括：暗管，暗管水平设置在土壤内，暗管上具有排水孔；过滤砂层，设置在土壤内，过滤砂层部分包裹暗管，且过滤砂层位于暗管的上方。通过本发明提供的技术方案，能够解决现有技术中土壤水分在非饱和状态下水难以排入暗管的问题。

Description

农田非饱和条件下的暗管排水装置以及铺设方法

技术领域

本发明涉及土壤改良技术领域，具体而言，涉及一种农田非饱和条件下的暗管排水装置以及铺设方法。

背景技术

新疆盐碱地农田使用多年滴灌后，土壤中的盐分易在下部根系层(40～60cm)湿润峰处积累，导致次生盐渍化的风险增加，严重影响农田可持续利用。如何排除长期滴灌农田作物根区附近累积的盐分，成为当地农业发展敕待解决的重要问题。

在土壤改良工程技术中，暗管以其占地面积小、施工方便、快捷等优势，被应用于滴灌盐碱地改良中。但传统的暗管技术主要将暗管埋设于地下水以下，用以排除埋深较浅的地下水，抑制农田土壤盐分积累。对于地下水位埋深较大、地表盐分含量较高的滴灌农田，有学者、农田管理者提出将暗管埋设于60cm以下的非饱和根系层土壤中，以有效排走40～60cm土层累积的盐分。但滴灌农田暗管位于60cm以下时，土壤多处于非饱和状态，采用传统暗管排水形式，常出现土壤水绕过暗管，在暗管底部积聚，难以排入暗管的现象。究其原因，与暗管滤层结构及其运行条件密切相关。

现有技术中提供的排水装置的滤层结构如图1所示，暗管3埋在土壤1内，过滤砂层2完全包裹在暗管3的外侧。该排水装置位于地下水面时，可充分利用地下水产生的压力势和中砂垫层进气值低，导水性强的特点，促进暗管排水。而在非饱和条件下，暗管周围的非饱和土壤水压强小于大气压，不具备排出暗管的能态梯度，所以出现暗管绕流的现象。基于此分析，本发明设计了一种新型暗管排水装置以改善非饱和土条件下暗管周围土壤水分布，促进暗管排水，提高排水效率，为暗管排水工程发挥其功能提供新的途径。

发明内容

本发明提供一种农田非饱和条件下的暗管排水装置以及铺设方法，以解决现有技术中土壤水分在非饱和状态下水难以排入暗管的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种农田非饱和条件下的暗管排水装置，排水装置包括：暗管，暗管水平设置在土壤内，暗管上具有排水孔；过滤砂层，设置在土壤内，过滤砂层部分包裹暗管，且过滤砂层位于暗管的上方。

进一步地，过滤砂层包括第一过滤砂层，暗管以暗管的轴线分为上管壁和下管壁，第一过滤砂层包裹在暗管的上管壁。

进一步地，过滤砂层还包括第二过滤砂层，第二过滤砂层由顶端至底端倾斜设置在土壤内，第二过滤砂层的底端与第一过滤砂层连接，第二过滤砂层为漏斗型，第二过滤砂层的开口较大的一侧朝远离暗管的一侧设置，第二过滤砂层的开口较小的一侧与第一过滤砂层连接。

进一步地，第一过滤砂层的厚度和/或第二过滤砂层的厚度为5至8cm，第二过滤砂层与水平面的夹角在30°至60°之间。

进一步地，排水装置还包括：土壤分界层，水平设置在土壤内，土壤分界层用于将土壤分为容重不同的第一土壤层和第二土壤层，第一土壤层的容重小于第二土壤层等容重，暗管以及过滤砂层均位于第二土壤层内，第二过滤砂层的顶端与土壤分界层连接。

根据本发明的另一方面，提供了一种暗管排水装置的铺设方法，铺设方法包括：将暗管水平铺设在土壤内；将过滤砂层部分包裹在暗管上，且过滤砂层位于暗管的上方。

进一步地，过滤砂层包括第一过滤砂层，将过滤砂层部分包裹在暗管上，具体包括：将第一过滤砂层水平设置在土壤内，且第一过滤砂层部分包裹在暗管上。

进一步地，过滤砂层还包括第二过滤砂层，将第一过滤砂层水平设置在土壤内后，将第二过滤砂层倾斜设置在土壤内，且第二过滤砂层的底端与第一过滤砂层连接。

进一步地，在将暗管水平铺设在土壤内之前，铺设方法还包括：将预设深度土壤分为第一土壤层和第二土壤层，第一土壤层的深度小于第二土壤层的深度；对第一土壤层进行翻耕，以使第二土壤层的容重大于第一土壤层的容重，暗管和过滤砂层均位于第二土壤层内。

进一步地，预设深度的土壤的容重在1.2g/cm³至1.35g/cm³范围内。

应用本发明的技术方案，将暗管埋在土壤内，将过滤砂层部分包裹在暗管上且位于暗管的上方。当暗管周围土壤整体处于非饱和状态时，土壤水要脱离土壤孔隙而进入排水暗管时需要克服较大的基质吸力和进气值。通过在暗管上部设置过滤砂层，由于过滤砂层与土壤的导水率存在差异，土壤中的水容易汇集在过滤砂层，并通过过滤砂层引流至暗管处，如此可保证排水的正常进行。并且，在该装置中，将过滤砂层部分包裹在暗管上，且位于暗管上方，这样能够保证水汇集在暗管上方，使暗管上方产生局部饱和区域，迫使水分通过暗管上留有的排水孔进入暗管内，进而能够提高暗管的排水效率。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了现有技术中暗管排水装置的结构示意图；

图2示出了本发明提供的暗管排水装置的结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、土壤层；2、过滤砂层；3、暗管；10、暗管；20、过滤砂层；21、第一过滤砂层；22、第二过滤砂层；30、土壤分界层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图2所示，本发明实施例提供了一种农田非饱和条件下的暗管排水装置，该排水装置包括暗管10和过滤砂层20。其中，暗管10水平设置在土壤内，暗管10上具有排水孔，土壤中的水分通过排水孔进入暗管10内，并通过暗管10将水分排出，进而能够将水中所含的盐碱带出土壤。过滤砂层20设置在土壤内，将过滤砂层20部分包裹在暗管10上，并且过滤砂层20位于暗管10的上方。具体的，暗管10的开孔率设置在15％以上，以保证暗管10的排水率。

应用本实施例提供的排水装置，将暗管10埋在土壤内，将过滤砂层20部分包裹在暗管10上且位于暗管10的上方。当暗管10周围土壤整体处于非饱和状态时，土壤水要脱离土壤孔隙而进入排水暗管时需要克服较大的基质吸力和进气值。通过在暗管10上部设置过滤砂层20，由于过滤砂层20与土壤的导水率存在差异，土壤中的水容易汇集在过滤砂层20，并通过过滤砂层20引流至暗管10处，如此可保证排水的正常进行。

在本实施例中，若将过滤砂层20完全包裹在暗管10上，则会使水分受重力和过滤砂层20的作用聚集在暗管10的底部，使水分无法进入暗管10内，进而会影响暗管10排水。因此，在该装置中，将过滤砂层20部分包裹在暗管10上，且位于暗管10上方，如此能够保证水汇集在暗管10上方，使暗管10上方产生局部饱和区域，迫使水分通过暗管10上留有的排水孔进入暗管10内，如此能够提高暗管的排水效率。

具体的，该过滤砂层20包括第一过滤砂层21，暗管10以暗管10的轴线分为上管壁和下管壁，第一过滤砂层21包裹在暗管10的上管壁上。通过将第一过滤砂层21包裹在暗管10的上半管壁上，利用砂层与土壤的入渗性能差异，形成毛细屏障，进而能够使土壤水最大限度汇集在暗管10的上方，然后土壤水利用在暗管10上半管壁上的排水孔进入暗管10内。通过将第一过滤砂层21包裹在暗管10的上半管壁上，能够最大限度利用暗管10的排水面积，提高了暗管10的排水效率。

其中，为了保证第一过滤砂层21的汇集土壤水的能力，该第一过滤砂层21的厚度在5至8cm之间。

如图2所示，在本发明提供的实施例中，该过滤砂层20还包括第二过滤砂层22，第二过滤砂层22顶端至底端倾斜设置在土壤内，第二过滤砂层22的底端与第一过滤砂层21连接。通过将第二过滤砂层22倾斜设置在土壤内，能够增加第二过滤砂层22与土壤层的接触面积，提高第二过滤砂层22汇集土壤水的能力。

具体的，在本实施例中，该第二过滤砂层22为漏斗型，第二过滤砂层22的开口较大的一侧朝远离暗管10的一侧设置，第二过滤砂层22的开口较小的一侧与第一过滤砂层21连接。通过将第二过滤砂层22设置为漏斗型，如此能够增加过滤砂层20与土壤的接触面积，提高汇集土壤水的能力，保证土壤水在非饱和状态下，依旧能够将土壤水从土壤中脱离并汇集至第一过滤砂层21，然后通过第一过滤砂层21进入暗管10内。

其中，为了保证第二过滤砂层22的汇集土壤水的能力，将第二过滤砂层22的厚度设置在5至8cm。并且，可以将第二过滤砂层22与水平面的夹角θ设置在30°至60°的范围内，以兼顾暗管埋深、管沟开挖宽度、铺设施工难度以及排水效率等因素。

在本实施例中，该排水装置还包括土壤分界层30，土壤分界层30水平设置在土壤内，通过土壤分界层30以将土壤分为容重不同的第一土壤层和第二土壤层。具体的，该第一土壤层的容重小于第二土壤层等容重，暗管10以及过滤砂层20均位于第二土壤层内。

具体地，将第一土壤层的容重设置在1.2g/cm³至1.35g/cm³范围内。以在保证农作物正常生长的同时提高土壤的入渗特性。

通过设置土壤分界层30将土壤分层后，第一土壤层的容重小，大孔隙较多，使得第一土壤层的渗透速率大；第二土壤层的容重大，大孔隙较少，使得第二土壤层的渗透速率小。由于上下两层土壤的渗透速率不一致，第二土壤层将对第一土壤层水分向下传导起到抑制作用，在土壤分界层30处会更容易积聚水分，进而能够进一步提高过滤砂层20的引流效率。

具体的，该排水装置还包括透水无纺布，将透水无纺布缠绕在暗管10上，利用透水无纺布防止暗管10的排水孔封堵，可降低装置成本，并且能够便于工作人员进行操作。

为了验证该排水装置的排水效果，将现有技术中的排水装置与本发明实施例提供的暗管排水装置进行对比。

试验用土为农场天然盐碱土，土壤所含盐分类型以硫酸盐为主，初始含盐量为1.7％-1.9％，为中盐渍土。实验分2个处理，T1为现有技术中的暗管排水装置，如图1所示，暗管1埋在土壤1内，过滤砂层全部包裹在暗管3的周围；T2为本发明实施例提供的暗管排水装置，暗管10上设置有第一过滤砂层21和第二过滤砂层22。试验中的排水装置均设置在60cm深处。本试验从灌水量、排水量、排盐量、达到稳定排水所需历时、单位时间脱盐效率五方面进行对比，实验效果如下表1：

表1.不同处理下暗管排水效果对比

从表1可以看出暗管发挥排水作用所需历时，T1>T2；暗管发挥排水作用所需灌水量T1>T2；暗管稳定流量值，T2>T1；排出水盐总量，T2>T1；暗管排水效果综合评价来看，T2>T1。从上述数据得知，本发明提供的排水装置排水速率块，排盐效率高，排水持续性高。

因为各处理淋洗时间不同，还须从单位时间含盐量相对变化率来分析土壤脱盐状况。如表2所示：

表2.含盐量沿深度方向上的变化率(％)

根据表2可以看出：在0-40cm以上，各处理脱盐效率依次是T2>T1。T2处理单位时间脱盐效率接近于T1处理的两倍，T2处理脱盐效率优于T1处理。在40cm-50cm处，T2处理有微弱的脱盐现象，T1处理开始积盐。在50cm以下，各处理均出现积盐现象，积盐速率是T1>T2。虽然T2积盐速率小于T1，但差异不显著，这与改进后的滤层铺设方式有关。T2处理中的暗管均为管内上部排水，管内下部排水微弱。因此，对暗管底部土层中的盐分分布影响较小，导致暗管以下土壤积盐速率接近。但整体来讲，T2脱盐效率优于现有技术。从上述试验数据中可以看出，在暗管10上方同时设置第一过滤砂层21和第二过滤砂层22的排水效果最好。

现有技术中采用通过过滤砂层全包围暗管的结构形式，在土壤水处于饱和状态时，暗管周围滤层及土壤在重力势和压力势作用下很快饱和，土壤水无滞后效应，可充分利用地下水产生的压力势和中砂垫层进气值低，导水性强的特点，能够促进暗管排水。但在暗管周围土体整体处于非饱和状态时，中砂垫层的水分滞后效应显著，土壤水要脱离毛管孔隙而进入排水暗管时需要克服较大的基质吸力和进气值，如没有特殊处理，暗管周围的土壤水很容易绕流到暗管底部，而无法进入暗管，使暗管失去吸聚水分的能力，从而导致暗管排水很困难。而通过本发明中采用只在暗管上半部设置过滤砂层的方式，利用第二过滤砂层与粘壤土之间的导水率差异，减缓土壤水向暗管底部的绕流速率，控制水分绕流现象，使暗管上部产生局部饱和区，进而能够迫使土壤水分进入暗管，提高暗管排水效率。如此可解决土壤水在非饱和条件下传统结构无法排水的问题。

在本发明的又一实施例中，提供了一种排水装置的铺设方法，该铺设方法包括：

步骤一，将暗管水平铺设在土壤内；

步骤二，将过滤砂层部分包裹在暗管上，且过滤砂层位于暗管的上方。

将暗管埋在土壤内，将过滤砂层部分包裹在暗管上且位于暗管的上方。当暗管周围土壤整体处于非饱和状态时，土壤水要脱离土壤孔隙而进入排水暗管时需要克服较大的基质吸力和进气值。通过在暗管上部设置过滤砂层，由于过滤砂层与土壤的导水率存在差异，土壤中的水容易汇集在过滤砂层，并通过过滤砂层引流至暗管处，如此可保证排水的正常进行。

在本实施例中，该过滤砂层包括第一过滤砂层，将过滤砂层部分包裹在暗管上的步骤具体包括：将第一过滤砂层水平设置在土壤内，且第一过滤砂层部分包裹在暗管上。具体的，可在暗管上铺设5至8cm的第一过滤砂层，以保证第一过滤砂层能够汇集土壤中的水分。

在本实施例中，该过滤砂层还包括第二过滤砂层，将第一过滤砂层水平设置在土壤内后，将第二过滤砂层倾斜设置在土壤内，且第二过滤砂层的底端与第一过滤砂层连接。具体的，将第二过滤砂层顶端至底端倾斜设置在土壤内，第二过滤砂层的底端与第一过滤砂层连接。通过将第二过滤砂层倾斜设置在土壤内，能够增加第二过滤砂层与土壤层的接触面积，提高第二过滤砂层汇集土壤水的能力。

具体的，在本实施例中，该第二过滤砂层为漏斗型，第二过滤砂层的开口较大的一侧朝远离暗管的一侧设置，第二过滤砂层的开口较小的一侧与第一过滤砂层连接。通过将第二过滤砂层设置为漏斗型，如此能够增加过滤砂层与土壤的接触面积，提高汇集土壤水的能力，保证土壤水在非饱和状态下，依旧能够将土壤水从土壤中脱离并汇集至第一过滤砂层，然后通过第一过滤砂层进入暗管内。

其中，为了保证第二过滤砂层的汇集土壤水的能力，将第二过滤砂层的厚度设置在5至8cm。

在本实施例中，在将暗管水平铺设在土壤内之前，该铺设方法还包括：对预设深度的土壤进行翻耕，以使大于预设深度的土壤的容重大于预设深度土壤的容重，暗管和过滤砂层均位于大于预设深度的土壤内。在本实施例中，对于预设深度在60cm范围内的土壤进行翻耕，并将暗管埋在70cm至90cm处。

具体的，将预设深度的土壤的容重设置在1.2g/cm³至1.35g/cm³范围内。

将土壤分层后，预设深度的容重小，大孔隙较多，使得预设深度土壤层的渗透速率大；预设深度以下的土壤层的容重大，大孔隙较少，使得预设深度以下土壤层的渗透速率小。由于上下两层土壤的渗透速率不一致，预设深度以下土壤层将对预设深度土壤层水分向下传导起到抑制作用，在土壤分界层处会更容易积聚水分，进而能够进一步提高过滤砂层的引流效率。

通过采用本实施例提供的排水装置的铺设方法，能够在土壤水处于非饱和状态时，依然能够将土壤水汇集在暗管处，并从暗管内排出，保证暗管排水的正常进行，并且通过设置第一过滤砂层和第二过滤砂层能够进一步提高砂层的引流效果，从而能够提高暗管的排水效率。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种农田非饱和条件下的暗管排水装置，其特征在于，所述排水装置包括：

暗管(10)，所述暗管(10)水平设置在土壤内，所述暗管(10)上具有排水孔；

过滤砂层(20)，设置在土壤内，所述过滤砂层(20)部分包裹所述暗管(10)，且所述过滤砂层(20)位于所述暗管(10)的上方。

2.根据权利要求1所述的排水装置，其特征在于，所述过滤砂层(20)包括第一过滤砂层(21)，所述暗管(10)以所述暗管(10)的轴线分为上管壁和下管壁，所述第一过滤砂层(21)包裹在所述暗管(10)的上管壁。

3.根据权利要求2所述的排水装置，其特征在于，所述过滤砂层(20)还包括第二过滤砂层(22)，所述第二过滤砂层(22)由顶端至底端倾斜设置在土壤内，所述第二过滤砂层(22)的底端与所述第一过滤砂层(21)连接，所述第二过滤砂层(22)为漏斗型，所述第二过滤砂层(22)的开口较大的一侧朝远离所述暗管(10)的一侧设置，所述第二过滤砂层(22)的开口较小的一侧与所述第一过滤砂层(21)连接。

4.根据权利要求3所述的排水装置，其特征在于，所述第一过滤砂层(21)的厚度和/或所述第二过滤砂层(22)的厚度为5至8cm，所述第二过滤砂层(22)与水平面的夹角在30°至60°之间。

5.根据权利要求3所述的排水装置，其特征在于，所述排水装置还包括：

土壤分界层(30)，水平设置在土壤内，所述土壤分界层(30)用于将土壤分为容重不同的第一土壤层和第二土壤层，所述第一土壤层的容重小于所述第二土壤层等容重，所述暗管(10)以及所述过滤砂层(20)均位于所述第二土壤层内，所述第二过滤砂层(22)的顶端与所述土壤分界层(30)连接。

6.一种暗管排水装置的铺设方法，其特征在于，所述铺设方法包括：

将暗管水平铺设在土壤内；

将过滤砂层部分包裹在所述暗管上，且所述过滤砂层位于所述暗管的上方。

7.根据权利要求6所述的铺设方法，其特征在于，所述过滤砂层包括第一过滤砂层，将过滤砂层部分包裹在所述暗管上，具体包括：

将所述第一过滤砂层水平设置在土壤内，且所述第一过滤砂层部分包裹在所述暗管上。

8.根据权利要求7所述的铺设方法，其特征在于，所述过滤砂层还包括第二过滤砂层，将所述第一过滤砂层水平设置在土壤内后，将所述第二过滤砂层倾斜设置在土壤内，且所述第二过滤砂层的底端与所述第一过滤砂层连接。

9.根据权利要求6所述的铺设方法，其特征在于，在将暗管水平铺设在土壤内之前，所述铺设方法还包括：

将预设深度土壤分为第一土壤层和第二土壤层，所述第一土壤层的深度小于所述第二土壤层的深度；

对所述第一土壤层进行翻耕，以使所述第二土壤层的容重大于所述第一土壤层的容重，所述暗管和过滤砂层均位于所述第二土壤层内。

10.根据权利要求9所述的铺设方法，其特征在于，所述预设深度的土壤的容重在1.2g/cm³至1.35g/cm³范围内。