阅读说明：本技术 一种提高淋洗排盐效率的覆盖层分区方法 (Covering layer partitioning method for improving leaching and salt discharging efficiency ) 是由 鲁春辉 张加旭 张雷 于 2019-11-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种提高淋洗排盐效率的覆盖层分区方法,包括：(1)测量目标脱盐地块盐碱土渗透系数K；(2)根据渗透系数K,调配n种渗透系数不同的改性渗透介质；(3)根据排盐系统间距,在目标地块表面横向布设覆盖层网格,所述覆盖层网格分为n块渗透介质填充区,向填充区中填充改性渗透介质,根据填充区与暗管距离的增加,渗透介质的渗透系数依次增大；(4)对目标脱盐地块盐碱土进行排水淋洗；(5)脱盐完成后,回收覆盖层进行二次利用。本发明一方面使土壤表面入渗强度均衡分布,缩短淋洗脱盐周期和减少淋洗总水量；另一方面脱盐过程中不必渐进式淋洗,淋洗周期内始终保持淋洗场地完全淹没,方便淋洗措施的实施。(The invention discloses a covering layer partitioning method for improving leaching and salt-removing efficiency, which comprises the following steps: (1) measuring the permeability coefficient K of the saline-alkali soil of the target desalting land block; (2) preparing n kinds of modified permeation media with different permeation coefficients according to the permeation coefficient K; (3) according to the distance between the salt removal systems, covering layer grids are transversely arranged on the surface of a target land, the covering layer grids are divided into n penetrating medium filling areas, modified penetrating media are filled in the filling areas, and the penetration coefficients of the penetrating media are sequentially increased according to the increase of the distance between the filling areas and the underground pipes; (4) draining and leaching the saline-alkali soil of the target desalting land block; (5) and after the desalting is finished, recovering the covering layer for secondary utilization. On one hand, the invention ensures that the infiltration intensity of the soil surface is evenly distributed, shortens the leaching and desalting period and reduces the total leaching water amount; on the other hand, progressive leaching is not needed in the desalting process, and a leaching field is always kept to be completely submerged in a leaching period, so that the leaching measure is convenient to implement.)

一种提高淋洗排盐效率的覆盖层分区方法

技术领域

本发明涉及一种提高淋洗排盐效率的方法，尤其涉及一种提高淋洗排盐效率的覆盖层分区方法。

背景技术

土壤退化对人类生存是一种潜在的威胁，而土壤盐碱化则是一种常见的土壤退化方式。根据2003年的数据可知，全球盐碱地总面积约为955万km²，约占据全球陆地总面积的10％。其中，我国耕地盐碱化问题尤为严重，据统计我国盐碱地总面积约有3.6亿亩，占据我国可耕地面积的1/5。过度的盐分累积于土壤颗粒表面会改变土壤的理化性质，影响作物生长和生态平衡，造成严重的环境和经济风险。

漫灌排水淋洗系统(暗管或明渠)是全世界广泛应用的盐碱土地改良方法。在土壤淋洗过程中，将淡水或再生水通过漫灌方式输送到土壤表面，使土壤表面成一定程度淹没状。在下行水流作用下，盐水与水流混合并被向深层土壤淋洗，最终随着水流通过暗管或明渠排出。事实上，不考虑土壤盐分滞留的情况下，盐分淋洗的速率主要取决于土壤表面入渗强度。入渗强度越高，淋洗速率越快。然而，根据田面单位面积淋洗所需水量表征淋洗效率，研究发现，漫灌淋洗过程中会导致田面入渗强度分布存在空间差异，即越靠近排盐系统的位置入渗强度越大，而越远离排盐系统的位置入渗强度越小，且入渗强度差异常常多达1-2个数量级，造成排盐系统附近区域过度淋洗，远离排盐系统的区域尚未充分淋洗，降低漫灌淋洗效率和增加了淡水资源的消耗。

为了提高排盐系统的淋洗效率，从上世纪50年代开始，渐进式淋洗方法被提出。所谓渐进式淋洗，既先淋洗远离排盐系统的区域，然后逐步扩大淋洗范围，直至土壤表面全部呈淹没状。在本世纪初雍斯等从解析计算角度出发，定量探讨了渐进式淋洗方法的合理性和有效性。然而，渐进式淋洗方法实施较为复杂，需要在淋洗过程中改变土壤淹没范围，导致自动化程度较低，不利于大规模集成化操作。

发明内容

发明目的：本发明旨在提供一种入渗均匀、淋洗周期短、提高排盐系统淋洗效率的覆盖层分区方法。

技术方案：本发明的一种提高淋洗排盐效率的覆盖层分区方法，包括以下步骤：

(1)测量目标脱盐地块盐碱土渗透系数K；

(2)根据渗透系数K，调配n种渗透系数不同的改性渗透介质，渗透系数分别为K₁、K₂、K₃……K_n，n≥3；

(3)根据排盐系统间距，在目标地块表面横向布设覆盖层网格，所述覆盖层网格分为n块渗透介质填充区，向填充区中填充(2)中的n种改性渗透介质，根据填充区与排盐系统距离的增加，渗透介质的渗透系数依次增大；

(4)对目标脱盐地块盐碱土进行排水淋洗；

(5)脱盐完成后，回收覆盖层进行二次利用。

所述排盐系统为暗管排盐系统或明渠排盐系统。当所述排盐系统为明渠排盐系统时，所述渗透介质填充区设于相邻明渠之间，所述渗透介质填充区边缘设有档水堰。

优选的，在(1)前实施以下步骤：选定目标脱盐地块，埋设若干等间距的排盐排盐系统(暗管或明渠)，如果场地存在排盐系统，则直接进入(1)。

优选的，在(1)前实施以下步骤：根据脱盐目标深度，对表层土壤进行翻耕、松散和平整。

优选的，在(1)中，暗管直径可取10-20cm，暗管埋深D可取0.6m-2.0m，暗管坡度可取1％-2.5％。

优选的，在(1)中，明渠开挖深度为1m-2.5m，明渠边坡坡度为45％-30％，明渠渠底坡度可取1％-2.5％。

优选的，在(1)中，暗管排盐系统间距L的选取应根据具体地形地质条件或可参考规范《排盐系统改良盐碱地技术规程第2部分：规划设计与实施》中经验公式：L＝γ·K_s·D/100，其中，K_s为饱和渗透系数，cm/d；D为排盐系统埋深,cm；γ为经验系数，黏土为40，壤土为30，沙土为20。

优选的，在(1)中，明渠排盐系统间距L的选取应根据具体地形地质条件，黏土地基可选范围为40m-100m，壤土地基可选范围为100m-150m，沙土地基可选范围为150m-300m

在(1)中，盐碱土的渗透系数K为若干个取样点的平均值，所述若干取样点沿水平方向和竖直方向等距分布。

所述填充区以排盐系统的单个暗管或明渠为中心左右对称布置。

优选的，在(2)中，改性渗透介质的渗透系数与盐碱土渗透系数比值的对数log₁₀(K_n/K)的取值范围为：-3～4。

优选的，不同的log₁₀(K_n/K)根据分区数将该取值范围等分。

所述改性渗透介质混合材质，根据渗透系数改变混合材质中各组分比例大小。

优选的，在(3)中，所述覆盖层网格分为n块渗透介质填充区，每块渗透介质填充区宽度为L/2n，其中L为两条相邻排盐系统之间的距离。

所述相邻渗透介质填充区的覆盖层网格壁为透水材质。

所述覆盖层网格底部设置筛网。

优选的，在(4)中，脱盐地块表面淹没水深可选为5cm-10cm，淋洗用水矿化度不超过2mg/g。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：

(1)本发明所采用的分区覆盖层使田面入渗强度高的区域受到抑制，而入渗强度低的区域得到加强，使得土壤表面入渗强度的分布均匀，有利于盐分在整个脱盐场地范围向下均匀淋洗，提高淡水或者再生水的利用率，节水效率约为 70％-80％；

(2)本发明所采用的分区覆盖层增加了远离排盐系统区域土壤表面的入渗强度，加快排盐系统的淋洗周期，周期减少率为65％-75％；

(3)本发明可使排盐系统淋洗过程中，脱盐土壤表面可以一次性完全淹没淋洗，不需要额外措施改变土壤淹没范围，方便淋洗措施的实施；

(4)当淋洗过程暂时终止(如极端蒸发天气条件，输水管道堵塞以及脱盐完成)，土壤表面的分区覆盖层能够有效减少土壤表面水分的蒸发，减缓土壤表面非饱和带形成过程，有效抑制毛细负压返盐现象；

(5)该分区覆盖层可以通过机械铺设和回收，方便大规模集成化操作，且不影响后续的农业种植和天然排水过程。

附图说明

图1为未设置分区覆盖层的暗管排盐系统渗流示意图；

图2为未设置分区覆盖层的明渠排盐系统渗流示意图；

图3为实施例1横剖面渗流示意图；

图4为实施例2横剖面渗流示意图；

图5为实施例1土壤表面单位面积入渗量变化趋势图；

图6为实施例1模拟入渗总水量分配情况。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例1

图1为未设置区覆盖层的脱盐地块，本实施例中的排盐系统为暗管排盐系统，其中包括暗管10以及脱盐地块12，此时排盐系统的地下水流线13呈图中的形状。

图3为设置区覆盖层后的脱盐地块，n＝4。包括暗管10、脱盐地块13、筛网 112、分区覆盖层、地下水流线(未设置分区覆盖层)141、地下水流线(设置分区覆盖层)142。所述分区覆盖层包括覆盖层网格111、K₁渗透介质填充区121、 K₂渗透介质填充区122、K₃渗透介质填充区123、K₄渗透介质填充区层124。

下面结合图3对所述提高淋洗排盐效率的覆盖层分区方法作进一步描述：

首先，选定改良盐碱土地13，埋设若干等间距的排盐暗管10。特别地，暗管直径可取8～20cm，暗管埋深D可取0.6m～2.0m，暗管坡度可取1％～2.5％；暗管间距L的选取应根据具体地形地质条件或可参考规范《暗管改良盐碱地技术规程第2部分：规划设计与实施》中经验公式：L＝γ·K_s·D/100，其中，K_s为饱和渗透系数，cm/d；D为暗管埋深,cm；γ为经验系数，黏土为40，壤土为30，沙土为 20。

然后，实施以下步骤：

(1)根据脱盐目标深度，对表层土壤进行翻耕、松散和平整，以保证表层土壤颗粒均匀以及去除孔隙死区，增加孔隙度减少毛细负压；特别地，盐碱土的渗透系数K为若干个取样点的平均值，其中水平取样点间距为L/16cm，范围为目标脱盐地块；竖向取样点间距为20cm～40cm，范围为距离地表0cm～500cm。

(2)根据盐碱土渗透系数K，调配四种改性渗透介质，每种渗透介质的渗透系数分别为K₁、K₂、K₃和K₄；特别地，四种改性渗透介质对应的渗透系数的取值范围分别为log₁₀(K₁/K)＝-3～2,log₁₀(K₂/K)＝-1.5～0.5,log₁₀(K₃/K)＝-1～0和 log₁₀(K₄/K)＝1～4，其中改性渗透介质为河沙，黏土，壤土，粉煤灰，石膏粉等多种材料按一定比例混合，可根据渗透系数改变各组分比例大小。

(3)根据暗管间距，布设预制的覆盖层网格111，其中，覆盖层网格111 底部设置筛网112，防止填充材料之间的掺混和方便填充材料回收。利用施工机械将改性渗透介质K₁、K₂、K₃和K₄依次填充至K₁渗透介质填充区121，K₂渗透介质填充区122，K₃渗透介质填充区123，K₄渗透介质填充区124。

(4)使用矿化度不超过2mg/g的水作为淋洗水源，将脱盐地块表面淹没至 5cm-10cm。在排水淋洗过程，分区覆盖层在K₁渗透介质填充区121置较低渗透系数的多孔介质，从而减弱了该区域的地表入渗强度，而远离暗管区域设置较高渗透系数的多孔介质，导致横向覆盖层表面水流的汇聚至较高渗透填充区，增加了这些区域的地表入渗强度。另一方面，K₁渗透介质填充区121下入渗量减少，导致来自K₂渗透介质填充区122，K₃渗透介质填充区123，K₄渗透介质填充区 124的地下水流线142可以横向流向暗管。相比于地下水流线141，分区覆盖层加强了横向流效应，而横向流减少水流渗径，加快将盐分排入暗管。此外，当淋洗过程暂时终止(如极端蒸发天气条件，输水管道堵塞以及脱盐完成)，土壤表面的分区覆盖层能够有效减少土壤表面水分的蒸发，减缓土壤表面非饱和带形成过程，有效抑制毛细负压返盐现象。

(5)脱盐完成后，回收分区覆盖层进行二次利用。

为了展示本发明所设计的分区覆盖层能够提高暗管排盐系统淋洗脱盐效率，使用数值模拟的方式对比了设置与不设置分区覆盖层两种情况下的表面入渗量，淋洗周期和淋洗总水量。

实施例2

图2为未设置区覆盖层的脱盐地块，在本实施例中的排盐系统为明渠排盐系统，其中包括明渠20、脱盐地块14以及档水堰11，此时排盐系统的地下水流线 15呈图中的形状。

图4为设置分区覆盖层后的脱盐地块，n＝4。包括筛网212、分区覆盖层。所述分区覆盖层包括覆盖层网格211、K₁渗透介质填充区221、K₂渗透介质填充区222、K₃渗透介质填充区223、K₄渗透介质填充区层224。此时排盐系统的地下水流线16呈图中的形状。

首先，选定改良盐碱地块14，开挖排盐明渠20或改造现有沟渠，布设明渠排水系统。明渠开挖深度为1m-2.5m，明渠边坡坡度为45％-30％。两条明渠之间的间距L的选取应根据具体地形地质条件，黏土地基可选范围为40m-100m，壤土地基可选范围为100m-150m，沙土地基可选范围为150m-300m。在明渠边缘待铺设覆盖层处设置档水堰。

然后，实施以下步骤：

(1)与实施例1步骤(1)相同；

(2)根据盐碱土渗透系数K，调配四种改性渗透介质，每种渗透介质的渗透系数分别为K₁、K₂、K₃和K₄；特别地，四种改性渗透介质对应的渗透系数的取值范围分别为log₁₀(K₁/K)＝-2--1,log₁₀(K₂/K)＝-1-0,log₁₀(K₃/K)＝0-1和 log₁₀(K₄/K)＝1-3，其中改性渗透介质为河沙，黏土，壤土，粉煤灰，石膏粉等多种材料按一定比例混合，可根据渗透系数改变各组分比例大小。

(3)～(5)与实施例1中步骤(3)～(5)相同。

本发明所采用的分区覆盖层使田面入渗强度高的区域受到抑制，而入渗强度低的区域得到加强，使得土壤表面入渗强度的分布均匀，有利于盐分在整个脱盐场地范围向下均匀淋洗，提高淡水或者再生水的利用率，节水效率约为 70％-80％；本发明所采用的分区覆盖层增加了远离排盐系统区域土壤表面的入渗强度，加快排盐系统的淋洗周期，周期减少率为65％-75％；本发明可使排盐系统淋洗过程中，脱盐土壤表面可以一次性完全淹没淋洗，不需要额外措施改变土壤淹没范围，方便淋洗措施的实施；当淋洗过程暂时终止(如极端蒸发天气条件，输水管道堵塞以及脱盐完成)，土壤表面的分区覆盖层能够有效减少土壤表面水分的蒸发，减缓土壤表面非饱和带形成过程，有效抑制毛细负压返盐现象；该分区覆盖层可以通过机械铺设和回收，方便大规模集成化操作，且不影响后续的农业种植和天然排水过程。

以实施例1为例，使用SUTRA软件包中地下水渗流及溶质迁移过程进行数值模拟。

根据崇明岛东部区域的现场勘测数据，脱盐地块渗透系数为1m/d，孔隙率为0.3，纵向弥散系数D_L＝0.1m，横向弥散系数D_T为0.01m,含水层地下水初始浓度为10kg/m³。暗管埋深为1m，暗管直径为8cm，暗管间距为20m，不透水层位置为-5m，土壤表面定水头高5cm。由于地下水流动关于暗管对称分布，故选模型的一半进行数值模拟，模型的尺寸为10m×5m。数值模拟1(以下简称模拟 1)代表不设置分区覆盖层情况，数值模拟2(以下简称模拟2)代表设置分区覆盖层情况。其中数值模拟分区覆盖层各个渗透系数为K₁＝0.01m/d，K₂＝0.1m/d， K₃＝1m/d和K₄＝10m/d，即log₁₀(K₁/K)＝-2,log₁₀(K₂/K)＝-1,log₁₀(K₃/K)＝0和 log₁₀(K₄/K)＝1。

图5为土壤表面单位面积入渗量变化趋势图，实线代表模拟1，虚线代表模拟2。如实线所示，在暗管附近位置的土壤表面单位入渗强度相当大，表示该区域水流流速大，盐分冲刷能力强，能够使盐分快速淋洗到暗管内。而随着与暗管距离的增加，土壤表面单位入渗强度急剧减少1～2个数量级，表示远离暗管的区域入渗水流流速较小，对盐分冲刷能力不足，导致两条暗管中间的区域的盐分向下淋洗进度缓慢。单位入渗强度空间分布的巨大差异，一方面延缓了淋洗脱盐周期，另一方面在距离暗管较近的区域长时间高强度入渗，减少单位水量盐分冲刷效率，降低了水资源利用率。如虚线所示，在暗管附近位置(如K₁渗透介质填充区121)由于分区覆盖层对入渗的抑制作用，导致该区域单位入渗强度较之数值模拟1急剧下降。而沿着远离暗管方向的各个分区中的渗透介质的渗透系数以增大一个数量级的方式分布，导致横向覆盖层表面水流的汇聚至较高渗透填充区，增加了K₂渗透介质填充区122，K₃渗透介质填充区123，K₄渗透介质填充区124的地表入渗强度，从而缩短了淋洗周期。

图6为模拟1和模拟2两种模式在整个脱盐周期内四个分区入渗总水量分配情况。模拟1在K₁渗透介质填充区121入渗总量达接近8.3m³/m²，占据土壤表面入渗总量的80％，而K₂渗透介质填充区122，K₃渗透介质填充区123和K₄渗透介质填充区124入渗总量分别为1.3m³/m²,0.5m³/m²和0.3m³/m²，分布占据土壤表面入渗总量的12％，5％和3％。而在模拟2中，K₁渗透介质填充区121， K₂渗透介质填充区122，K₃渗透介质填充区123和K₄渗透介质填充区124入渗总量分别为0.31m³/m²,0.83m³/m²,0.84m³/m²和0.41m³/m²，分别占据土壤表面入渗总量的13％，34％，36％和17％。根据上述数据，模拟2的入渗总量比模拟 1节约了77％，而每个子填充区入渗水量分配更加均衡，继而促使盐分被均匀地向下淋洗，提高了淋洗效率。