CN112081095A - 一种改善土壤次生盐渍化的排水井布设计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种改善土壤次生盐渍化的排水井布设计算方法，包括确定盐渍化地下水临界埋深；确定研究区域水文地质参数；确定盐渍化区域地下水降深；计算排水井的影响半径；确定盐渍化区域排水井的合理布设。本发明以盐渍化地下水临界埋深为管控目标，精准确定次生盐渍化区域地下水合理降深，通过分析排水井抽水对地下水水位的影响，确定排水井的影响半径，从而通过合理布设排水井来实现精准降低次生盐碱化区域的地下水水位，达到显著有效改善因灌溉回归水排水不畅导致局部区域地下水位过高而导致的次生盐渍化。该方法对地下水过高导致土壤盐渍化问题的解决具有通用性，为指导土壤盐渍化的治理和地下水资源合理开发利用提供可靠的理论与技术支撑。

Description

一种改善土壤次生盐渍化的排水井布设计算方法

技术领域

本发明涉及一种改善土壤次生盐渍化的排水井布设计算方法，是一种水文水利的计算方法，是一种改善生态环境的计算方法。

背景技术

次生盐渍化是我国农业安全的主要威胁之一，因地制宜确定合理有效的改善次生盐碱化的技术方法对缓解我国此生盐碱化意义重大。特别是我国西北干旱半干旱地区，由于灌溉回归水的不合理排放，导致局部地区地下水位抬高，蒸散发加剧，土壤盐分随着毛管水运移在地表聚集形成盐渍化，因此降低地下水位是治理次生盐通过分析地下水毛细管作用将盐带到地表的原理，阐明了造成土壤盐渍化的过程，定义了造成土壤盐渍化的临界埋深的关键。针对降低地下水位的技术方法，目前比较普遍的做法的利用排碱渠沟等，实际中有些区域由于地形地势或排碱渠自流不畅等原因导致治理效果不显著，加之缺乏明确的降低地下水水位目标，地下水位降低过深，导致改善后农作物需水量增加，地下水水位降低过浅，达不到改善次生盐碱化的目的。公开号为CN 109061105 A的中国专利公开了一种盐渍化临界地下水埋深计算方法，该专利通过通过分析地下水毛细管作用将盐带到地表的原理，阐明了造成土壤盐渍化的过程，定义了造成土壤盐渍化的临界埋深，但并没有提出进一步解决如何改善次生盐通过分析地下水毛细管作用将盐带到地表的原理，阐明了造成土壤盐渍化的过程，定义了造成土壤盐渍化的临界埋深，但没有提出如何解决土壤盐渍化的具体措施。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种改善土壤次生盐渍化的排水井布设计算方法。本发明以次生盐碱化临界埋深为目标，利用排水井合理布设，准确将次生盐碱化区域地下水水位降低盐碱化临界埋深以下，从而改善次生盐渍化。该技术方法改善次生盐碱化更加准确合理，不受地形地势影响，效果显著。

本发明的目的是这样实现的：一种改善土壤次生盐渍化的排水井布设计算方法，所述的方法包括如下步骤：

步骤1，确定研究区域次生盐渍化地下水临界埋深h_临界；

步骤2，确定研究区域的水文地质参数，主要包括是出水量Q，渗透系数K，潜水含水层厚度H₀；

步骤3，确定研究区域次生盐渍化现状地下水埋深h₀，计算需要降低地下水的降深S，计算公式如下：

S＝h_临界-h₀

式中：S为水井内地下水降深(m)；h_临界为次生盐渍化地下水临界埋深(m)；h₀为次生盐渍化地下水现状埋深(m)。

步骤4，根据当地水文地质和实际工作需求，确定排水井为完整井或者非完整井：

步骤5，根据步骤4的确定结构进行排水井影响半径的计算：

完整井影响半径计算公式：

式中：Q为排水量，单位为m³；K为渗透系数，单位为m/d；S为水井内地下水降深，单位为m；R为干扰半径，单位为m；r_w为抽水井半径，单位为m；H₀为含水层的厚度，单位为m。

非完整井影响半径计算公式：

步骤7，根据治理次生盐渍化效果最佳原则，即需要将次生盐渍化区域地下水水位整体快速的降到盐渍化临界埋深h_临界以下，确定两两排水井之间距离L＜2R。根据研究区域面积，进一步确定排水井个数等参数，从而进一步确定排水井布设方案。

进一步的优化方案：步骤6中：确定确定两两排水井之间距离L＝R。

进一步的，步骤1中：土壤盐渍化的临界地下水埋深计算公式如下：

式中：h_临界为造成盐渍化的临界地下水位；h(maxσ)为最大表面张力下的毛管水上升高度；T为灌溉期之前的最低土壤温度；h(minT)为灌溉期之前的最低土壤温度下的毛管水上升高度；σ_minT为灌溉期之前的最低土壤温度下的水的张力，ρ_w为灌溉期之前的最低土壤温度下的水的密度；R_e为土壤毛细管当量孔径；g为重力加速度；d为研究区域内土壤的有效粒径；n为研究区域内土壤的孔隙度n。

本发明产生的有益效果是：本发明通过分析利用排水井相互干扰的理论，在地下水水位过高的次生盐碱化区域，以土壤次生盐渍化地下水临界埋深为管控目标，利用排水井合理布设，实现精准降低次生盐渍化区域的地下水水位。该方法物理过程与操作明确，对地下水过高导致土壤次生盐渍化问题的解决具有显著效果，为指导土壤盐渍化的治理和地下水资源合理开发利用提供可靠的理论与技术支撑。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是排水井不同布设条件下地下水水位降深效果图；

图2是本发明的实施例所述方法的流程图；

图3为本发明应用示例中的研究区域示意图。

具体实施方式

实施例：

本实施例是一种改善土壤次生盐渍化的排水井布设计算方法。所述方法的原理如下：

在土壤层介质一定的条件下，地下水通过毛细管作用力将盐分带到地表形成盐渍化，造成盐渍化的关键是地下水毛细管上升最大高度，这是造成盐渍化的关键问题。地下水位埋深过浅时在毛细管作用力下地下水会与地表形成接触，将盐分带到地表形成聚集，地下水位过高时即使在毛管作用的影响下地下水与地表有一定距离，盐分无法聚集，因此，治理盐渍化的关键是将盐渍化区域的地下水位降低到盐渍化地下水临界埋深以下。传统的排碱渠缺乏明确目标，结合盐渍化地下水临界埋深，利用排水井合理布设，将次生盐碱化区地下水水位整体降低到临界埋深以下，一方面可以有效快速解决次生盐碱化问题，一方面有利于水资源的节约保护。

利用排水井合理布设改善土壤盐渍化的计算方法：

根据Dupuit假设，一眼机井在一定流量抽水时产生以井轴线为中心的漏斗状地下水水位下降面，如图1(a)可知，在机井抽水时，地下水水头会形成一个类似漏斗的形状，越靠近机井水头下降越多，在不受影响的边界水头维持不变。

各项同性均质的稳定流基本地下水头函数方程，如下：

式中：H为地下水头；x、y、z表示不同方向。

该方程符合拉普拉斯方程的形式，其解为调和函数。根据地下水水头函数公式所示，为拉普拉斯方程形式。由于地下水水头函数方程为偏微分方程，所以水头函数解符合叠加原理。因此两两排水井在相互影响范围，可以降低的地下水水位是每眼排水井降低水位之和。

单眼排水井排水如图1(a)，两两排水井之间的位置主要可以分为三种情况，分别为图1(b-d)。两两排水井之间的距离L﹥2R，如图1(b)，两两排水井之间不相互干扰，此时如果停止抽水，一段时间后整个含水层的水位会恢复到抽水前的初始地下水水位；两两排水井之间的距离L＝2R，如图1(c)，距离处于一种临界状态，在自然状态条件下，两两排水井之间不会相互干扰；两两排水井之间的距离L＜2R，如图1(d)，图中虚线的表示如果两两排水井之间不产生相互干扰时各自抽水时形成的降落漏斗，实线表示的是两两之间相互干扰状态时实际的地下水位。

确定研究区域次生盐渍化现状地下水埋深h₀，计算需要降低地下水的降深S，计算公式如下：

S＝h_临界-h₀ (2)

式中：S——次生盐碱化区域地下水降深(m)；h_临界——次生盐渍化地下水临界埋深(m)；h₀——次生盐渍化地下水现状埋深(m)。

土壤盐渍化的临界地下水埋深计算公式如下：

式中：h_临界——造成盐渍化的临界地下水位；h(maxσ)——最大表面张力下的毛管水上升高度；T——灌溉期之前的最低土壤温度；h(minT)——灌溉期之前的最低土壤温度下的毛管水上升高度；σ_minT——灌溉期之前的最低土壤温度下的水的张力，ρ_w—灌溉期之前的最低土壤温度下的水的密度；R_e——土壤毛细管当量孔径；g——重力加速度；d——研究区域内土壤的有效粒径；n——研究区域内土壤的孔隙度n。

根据当地水文地质和实际工作需求，确定排水井为完整井或者非完整井。

完整井影响半径计算公式：

式中：Q为排水量，单位为m³；K为渗透系数，单位为m/d；S为水井内地下水降深，单位为m；R为干扰半径，单位为m；r_w为抽水井半径，单位为m；H₀为含水层的厚度，单位为m。

非完整井影响半径计算公式：

所述的方法包括如下步骤，流程图如图2所示：

步骤1，确定研究区域次生盐渍化地下水临界埋深h_临界，详细见中国专利一种盐渍化临界地下水埋深计算方法(ZL 201810868841.2)；

步骤2，确定研究区域的水文地质参数，主要包括是出水量Q，渗透系数K，潜水含水层厚度H₀；

步骤3，确定研究区域次生盐渍化现状地下水埋深h₀，计算需要降低地下水的降深S，计算公式如下：

S＝h_临界-h₀

式中：S——水井内地下水降深(m)；h_临界——次生盐渍化地下水临界埋深(m)；h₀——次生盐渍化地下水现状埋深(m)。

步骤4，根据当地水文地质和实际工作需求，确定排水井为完整井或者非完整井：

步骤5，排水井影响半径的计算公式：

完整井影响半径计算公式：

式中：Q为排水量，单位为m³；K为渗透系数，单位为m/d；S为水井内地下水降深，单位为m；R为干扰半径，单位为m；r_w为抽水井半径，单位为m；H₀为含水层的厚度，单位为m；

非完整井影响半径计算公式：

步骤6，确定次生盐碱化排水井合理布设：

确定利用不同排水井布设形成的地下水水位降深，分析比较不同排水井布设方法，详细见附图1。单眼排水井排水如图1(a)，两两排水井之间的位置主要可以分为三种情况，分别为图1(b-d)。两两排水井之间的距离L﹥2R，如图1(b)，两两排水井之间不相互干扰，此时如果停止抽水，一段时间后整个含水层的水位会恢复到抽水前的初始地下水水位；两两排水井之间的距离L＝2R，如图1(c)，距离处于一种临界状态，在自然状态条件下，两两排水井之间不会相互干扰；两两排水井之间的距离L＜2R，如图1(d)，图中虚线的表示如果两两排水井之间不产生相互干扰时各自抽水时形成的降落漏斗，实线表示的是两两之间相互干扰状态时实际的地下水位。根据各项同性均质的稳定流基本地下水头函数方程解的叠加原理，两两排水井干扰叠加区形成的地下水位是排水井水位下降之和。

根据治理次生盐渍化效果最佳原则，即需要将次生盐渍化区域地下水水位整体快速的降到盐渍化临界埋深h_临界以下，确定两两排水井之间距离L＝R，此时降低地下水水位效果最佳且能实现整体降低次生盐渍化区域的地下水水位。

应用实例：

选取黑河流域中下游盐碱化严重的张掖市高台县罗城灌区罗城水管所农场为研究区，该农场1991年成立，位于东经99.65°北纬39.65°，面积约1000亩。通过调查发现从2011年以来，罗城水管所农场开始出现次生盐碱化，导致约300亩良田产量下降，大部分出现弃耕现象。主要原因是地势较高的周围众一农场和自身农场灌溉回归水的排放，由高地势向低地势区域汇集，抬高了农场内部地下水埋深，导致出现次生盐碱化。目前通过尝试修建排碱渠等方法治理盐碱化，在南北两面各修建了一条排碱渠，北面排碱渠深2m，目前长期无水，南面排碱渠深约1.5m，长期有水但是由于地势原因排碱渠不能直接将水排出，并没有从根本上有效解决盐碱化问题。采用中国专利一种盐渍化临界地下水埋深计算方法(ZL201810868841.2)构建的理论公式计算研究区造成盐渍化的地下水临界埋深为1.3m，结合当地水文地质条件，对次生盐渍化区域采用合理布设排水井，利用抽水降低地下水水位，改善盐渍化的技术方法。研究区域示意图如图3所示。

根据寒旱所关于黑河流域质地相关的统计，每年灌溉前期该区域地下水埋深普遍在0.2m左右，甚至有的区域直接有地下水溢出，根据计算的结果需要将地下水降到1.3m以下，因此降深S＝1.1m，根据水文地质剖面发现该区域地下水含水层厚度为80～180m左右，程国栋等(程国栋等.河西走廊黑河流域山区水资源变化和山前水资源转化研究[R].中国科学院寒区旱区环境与工程研究所.2000.)对黑河流域顺地质调查给出研究区给水度为0.06～0.16，土壤以风沙土为主。根据水文地质图剖面分析，在山前冲积区土壤质地为砾石夹粗砂，给水度和渗透系数均较大，一般分布在20～50m/d，平原区由于土壤质地变为粉细中砂，加上含水层中有3～5层透镜体分布，对给水度和渗透系数都有减弱的影响，通过参考土壤质地为粉细中砂的渗透系数5～25m/d，通过一定比例减弱处理，同时参考程国栋等黑河流域水文地质相关的研究，渗透系数取平均值为8.5m/d。

排水井为非完整井，含水层厚度取平均值为130m，渗透系数为8.5m/d，次生盐碱化区域的地下水需要下降的降深为1.1m，将上述相关参数代入到非完整井影响半径计算公式中，对排水井的合理井距进行计算，计算结果表明排水井的距离为R＝213m左右。

通过优化布设在300亩的盐渍化土地上，布设3眼排水井，两两抽水井布设距离为213m，在每年灌溉期前可将水位降到1.3m以下，实现改善土壤次生盐碱化的效果。

最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案(比如各种不同的地形和土壤类型、公式的运用推导过程、步骤的先后顺序等)进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种改善土壤次生盐渍化的排水井布设计算方法，其特征在于：所述的方法包括如下步骤：

步骤1，确定研究区域次生盐渍化地下水临界埋深h_临界；

步骤2，确定研究区域的水文地质参数，所述水文地质参数包括是排水量Q，渗透系数K，潜水含水层厚度H₀；

步骤3，确定研究区域次生盐渍化现状地下水埋深h₀，计算次生盐碱化区域地下水降深，计算公式如下：

S＝h_临界－h₀

式中：S为水井内地下水降深；h_临界为次生盐渍化地下水临界埋深；h₀为次生盐渍化地下水现状埋深；

步骤4，根据当地水文地质和实际工作需求，确定排水井为完整井或者非完整井；

步骤5，根据步骤4确定的结果进行排水井影响半径的计算：

完整井影响半径计算公式：

式中：Q为排水量，单位为m³；K为渗透系数，单位为m/d；S为水井内地下水降深，单位为m；R为干扰半径，单位为m；r_w为抽水井半径，单位为m；H₀为含水层的厚度，单位为m；

非完整井影响半径计算公式：

式中：K为渗透系数，单位为m/d；S为水井内地下水降深，单位为m；R为干扰半径，单位为m；H₀为含水层的厚度，单位为m；

步骤6，确定次生盐碱化排水井合理布设：确定两两排水井之间距离L＜2R，进而结合研究区域面积确定排水井最终布设方案。

2.根据权利要求1所述的改善土壤次生盐渍化的排水井布设计算方法，其特征在于：步骤6中：确定两两排水井之间距离L＝R。

3.根据权利要求1所述的改善土壤次生盐渍化的排水井布设计算方法，其特征在于：步骤1中：土壤盐渍化的临界地下水埋深计算公式如下：

式中：h_临界为造成盐渍化的临界地下水位；h(maxσ)为最大表面张力下的毛管水上升高度；T为灌溉期之前的最低土壤温度；h(minT)为灌溉期之前的最低土壤温度下的毛管水上升高度；σ_minT为灌溉期之前的最低土壤温度下的水的张力，ρ_w为灌溉期之前的最低土壤温度下的水的密度；R_e为土壤毛细管当量孔径；g为重力加速度；d为研究区域内土壤的有效粒径；n为研究区域内土壤的孔隙度n。

Images