一种暗管排盐与结冰灌溉相结合的盐碱地治理方法
阅读说明：本技术 一种暗管排盐与结冰灌溉相结合的盐碱地治理方法 (Saline-alkali soil treatment method combining concealed pipe salt elimination and icing irrigation ) 是由 张美� 刘金铜 付同刚 高会 齐菲 王丰 高玥 李彦鑫 赵亮 于 2021-09-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种暗管排盐与结冰灌溉相结合的盐碱地治理方法。包括：土壤及地下水等环境要素调查及测定,“暗管排水排盐系统”设计、铺设,进行咸水/微咸水结冰灌溉,冰融淡化梯次入渗土壤,土壤盐分淋洗,暗管排水排盐等步骤。本方法是在冬季进行咸水/微咸水灌溉,形成一种土壤上层结冰、下层铺有暗管的特殊结构,利用春季咸水冰融淡化梯次入渗的规律淋洗土壤盐分,通过土壤下层铺设的“暗管排水排盐系统”将盐分排除土壤外,从而降低盐碱地的含盐量。本发明为缺少淡水资源、降雨量稀少、咸水/微咸水等非淡水资源丰富地区的盐碱地治理与生态建设提供了一种方法选择。(The invention discloses a saline-alkali soil treatment method combining concealed pipe salt elimination and icing irrigation. The method comprises the following steps: investigating and measuring environmental elements such as soil, underground water and the like, designing and laying a 'hidden pipe drainage and salt discharge system', freezing and irrigating saline water/brackish water, performing ice melting desalination and echelon infiltration of soil, leaching soil salt, draining and discharging salt through a hidden pipe and the like. The method is characterized in that saline water/brackish water irrigation is carried out in winter to form a special structure with frozen soil upper layer and laid hidden pipes on the lower layer, soil salinity is leached by utilizing the law of gradient infiltration of saline water ice melting desalination in spring, and the salt is removed from the soil through a hidden pipe drainage and salt discharge system laid on the soil lower layer, so that the salt content of the saline-alkali soil is reduced. The invention provides a method selection for saline-alkali soil treatment and ecological construction in areas which are short of fresh water resources, have rare rainfall, and are rich in non-fresh water resources such as saline water/brackish water.)
技术领域
本发明涉及一种盐碱地治理方法，尤其是一种暗管排盐与结冰灌溉相结合的盐碱地治理方法，属于生态修复技术领域。
背景技术
由于干旱少雨、地表水资源短缺、地下水咸水水位较浅以及人类农业种植制度不合理等原因，造成越来越多的农田发生次生盐渍化，尤其是中国北方及西北地区，次生盐碱地的面积不断增加。
暗管排水排盐技术是干旱和半干旱地区防止洪涝灾害和土壤盐渍化治理的一项重要措施，所谓暗管，包括吸水管和集水管，吸水管管壁开有透水孔，铺设于地下一定深度，盐水通过管壁透水孔进入管道内，遵循“盐随水来、盐随水去”的水盐运移规律，将充分溶解了土壤盐分的地下水体通过吸水管汇入集水管中，再通过集水管管道排出土体外，从而达到有效降低土壤含盐量的目的。暗管排水排盐技术一般适用于雨量较大、地表淡水资源丰富的地区，采用大水漫灌压盐的方式降低土壤的盐分。但是在淡水资源稀少、降雨量稀少、咸水资源较为丰富、冬季地表结冰较厚的地区，暗管排水排盐的使用效率则较低，造成一种有水资源却不能有效利用的特殊“供需”矛盾，影响农业生产。此外，如果非结冰期采用咸水灌溉会加剧次生盐渍化的发生。
研究发现，咸水灌溉时，盐分含量高的浓咸水沉至底层，盐分含量低的微咸水或淡水在上层，结冰时底部冰层盐度高，上部冰层盐度低。咸水冰层春季融化时底部浓咸水融化在先，上部微咸水或淡水融化在后，会出现不同咸度的水梯次入渗的现象，上部后融化微咸水或淡水对底部先融化的浓咸水有良好的淋洗作用，可以降低土壤表层，尤其是耕作层的盐分含量，而且结冰层有助于保持土壤墒情。如何利用暗管排水排盐技术与咸水冰层融化梯次入渗的规律，解决咸水资源较为丰富却不能利用的“供需”矛盾，同时降低土壤盐分含量，改善盐碱地土壤质量，成为干旱少雨、地表淡水资源短缺地区的攻关课题。
发明内容
本发明的目的是提供一种暗管排盐与结冰灌溉相结合的盐碱地治理方法，
解决了冬季寒冷、干旱少雨、地表淡水资源短缺，但是咸水资源较为丰富地区有水不能用的问题。
具体的，本发明提供的一种暗管排盐与结冰灌溉相结合的盐碱地治理方法，包括以下步骤：
（1）土壤及地下水等环境要素调查及测定
包括土壤、地下水、地形、气象、水资源与水利设施等环境要素的调查，
调查土壤质地、土壤含盐量、渗透系数、耕层深度；调查地下水埋深、流向、相应季节性变化情况；实地勘查、资料收集，获取坡向、高程等地形要素信息；收集气温、降水量与蒸发量及季节分布情况；调查周边河流、水库、湿地等可引用农业灌溉或土壤盐分淋洗客水资源，泵站及电力设施。
（2）暗管排水排盐系统设计
暗管排水排盐系统主要由暗管管网、集水井、集水池和泵站等组成，主要根据盐碱地土壤及地下水等环境要素调查及测定结果进行设计；
暗管管网设计：暗管管网包括吸水管和集水管，吸水管管壁设有透水孔，吸水管一端封闭，另一端连接集水管，用于汇集下渗的含盐水，集水管用于收集吸水管的含盐水，吸水管在地下平排铺设，铺设间距30-60m，集水管的铺设间距综合考虑汇水量、作物种植安排等进行设计，吸水管铺管的坡降比一般为0.5‰-0.7‰；集水管铺管的坡降比一般为0.8‰-1.2‰；
吸水管和集水管铺设在地下近似同一深度，一般呈垂直交叉，交叉处设置垂直向上的集水井；
吸水管周围铺设沙子和石子作为滤料以避免泥土堵塞吸水管管壁上的透水孔；
集水井设计：吸水管与集水管连接处设置集水井，集水井设有管孔，连接吸水管与集水管，集水井主要用于汇集吸水管中的水，集水井深度一般设置为0.5-1m，集水井井口距地表距离不小于50cm，便于农田机械化作业；
集水池设计：根据暗管铺设范围及汇水量来确定集水池容积；集水池结构和集水池高程根据所在区域的土壤结构、地下水深度确定；
泵站设计：包括泵站的扬程、泵站的流量、泵站的运行时长、供电方式设计；其中泵站的扬程根据承泄区与泵站的距离确定，泵站的流量与泵站的运行时长结合集水池容积与集水池排空时间进行设计；泵站的供电方式根据所在地的供电能力或供电种类进行设计；
（3）暗管排水排盐系统施工
包括以下步骤：
暗管铺设施工，暗管铺设施工包括吸水管和集水管施工，吸水管施工包括开沟、埋管、裹砂、覆土四个步骤完成；
集水井施工包括土方开挖，埋管、井体埋设、覆土等步骤；
集水池与泵站可以同时修建与安装，包括土方开挖、结构施工、泵站安装、覆土还原场地等；
暗管排水排盐系统施工期宜选在非汛期的农闲和地下水位较低的季节进行，暗管排水排盐系统设计施工可一次性施工，多年重复使用，每隔15~20年对暗管排水排盐系统进行冲洗；
（4）进行咸水/微咸水结冰灌溉
进入冬季，在连续5天温度降至-5℃以下时，开始进行咸水/微咸水灌溉，灌溉水选用咸水/微咸水等非淡水资源，根据前期调查设置合理的灌溉水量以满足冰融洗盐的目的，灌溉深度30-50cm，满足结冰后冰层厚度为30-50cm，形成一种“上冰下管”特殊结构，也就是土壤表层结冰、土壤下层含有暗管的结构；
（5）冰融淡化梯次入渗土壤
春季气温在0℃以上冰层开始融化，冰层按照底部浓咸水融化在先、上部微咸水/淡水融化在后的规律梯次入渗土壤；
（6）土壤盐分淋洗
冰融后，土壤上层的微咸水/淡水对底部的浓咸水进行淋洗，淋洗至土壤下部；
（7）暗管排水排盐
含有淋洗盐分的土壤水渗入吸水管，经由吸水管汇入集水管与集水井，排入集水池，由集水泵站排出土体外，从而实现降低土壤的盐分含量。
作为优选方案，步骤（2）中，暗管铺设深度在地表以下1.2-1.8m，其中，吸水管采用等间距布设，间距为30-60m；
当管道较长时，在200-300m位置处设置一个集水井。集水井一般应埋于耕层20cm以下，一般距地表距离不小于50cm，便于农田机械化作业。
本发明的特点是，咸水结冰灌溉时间为冬季、利用咸水冰融淡化梯次入渗的规律淋洗土壤盐分的时间在春季。
本发明的方法适用于冬季冰层较厚，降雨、地表淡水资源稀少，但是咸水/微咸水等非淡水资源丰富的地区。可实现多年冬季咸水结冰灌溉-春季冰融淡化梯次入渗的特殊水文循环。
本发明取得以下有益效果：
本发明的方法是在冬季进行结冰灌溉，利用春季融化时咸水冰层中的浓咸水融化在先、微咸水/淡水融化在后这种梯次入渗规律，对盐渍土中盐分进行淋洗，在降低土壤盐分含量的同时，又能保持土壤墒情，有助于次年春季作物的种植与生长。适用于干旱少雨、地表淡水资源短缺、咸水/微咸水等非淡水资源丰富、冬季寒冷的地区，可实现对退水、跑水、路壕水、坑塘水、地下咸水/微咸水等多种非淡水水源有效利用。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为“上冰下管”结构示意图。
图中，1、土壤种植层，2、铺设的暗管，3、结冰层。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
试验区位于我国内蒙古自治区五原县，是河套灌区中的主要种植区之一，由于灌区水资源短缺、且土壤盐分较大，土壤不适宜作物正常生长，为此，利用本发明的方法进行治理。具体步骤依照图1所示的工艺流程进行。
首先对试验区进行包括土壤调查、地下水调查、地形调查、气象调查、水资源调查等环境要素进行调查。调查发现区域年降水量200mm左右，年蒸发量2500mm左右，降雨较少，蒸发强烈。试验地地形平坦，地下水位平均埋深为1.8-2m，土壤为粘性土，土壤盐分含量为0.8%-1.2%，种植土层厚度约为1.8m。试验区周边试验区除黄河水外，其他水资源为咸水或微咸水。试验地周边有乌兰排干经过，电力设施缺少。
根据调查结果进行暗管排水排盐系统设计，试验区内共铺设吸水管13条，长度共计2600m，吸水管采用管径为8cm的PVC管，管壁开有3mm孔径的透水孔。吸水管埋设的坡降比为0.5‰，管间距30m，埋深1.6m。试验区内铺设一条垂直于吸水管的集水管，集水管是管径为15cm的PE管。集水管埋设的坡降比为1‰，埋深平均为1.65m，长度约为500m。在吸水管与集水管相交处设置集水井，集水共计13个。集水井井口距地表以下0.6m的位置，集水井深度为1.1m，集水井选用混凝土管，采用铸铁井盖封口，上部覆土。
根据集水管排水能力，在集水管末端设集水池与泵站1座，集水池体积为为2m*3m*4m，采用钢筋混凝土结构并作防水处理。泵站采用自动控制启停方式，无人值守。根据计算集水井泵站排水量为 24.67m³/h。水泵选型：潜水泵，扬程为15m，流量为25m³/h。泵站采用太阳能供电。
根据设计方案，试验区于2020年4月中旬开始施工，首先进行吸水管施工，采用开沟埋管一体机进行施工，实现开沟、埋管、裹砂、覆土四个步骤一次完成；其次，进行集水管与集水井施工，集水管与集水井同时逐步施工，施工步骤依次是土方开挖-埋管-井体埋设-埋管--井体埋设-覆土；第三，进行集水池与泵站施工，集水池与泵站同时修建与安装，包括土方开挖、然后进行钢筋混凝土结构施工，结构施工完毕后进行泵站安装、最后进行覆土还原场地等；最后对施工完毕的“暗管排水排盐系统”进行试运行，发现问题及时检修与维护。
根据实验设置，2020年11月5日，试验区已经连续5天温度达到-5℃，选用乌兰排干中的退水对试验地进行咸水（含盐量约为1.1%）灌溉，灌溉方式采用大水漫灌，灌水约50cm，结冰厚度约为56cm，结冰后的土壤结构如图2所示。
2021年3月初，气温逐渐回暖，冰层开始融化，冰层按照底部浓咸水融化在先、上部微咸水/淡水融化在后的规律梯次入渗土壤。冰融后形成微咸水/淡水对底部的浓咸水进行淋洗从而实现降低土壤的盐分含量。
2021年4月10日冰层全部融化。根据土壤取样检测发现，冰融后的土壤盐分含量在0.5%-0.8%，土壤中的盐分含量降低了27%-37%。
根据当地的种植需要，6月22日在试验区及周边对照区种植作物，主要包括谷子、玉米、高粱和葵花。截止7月5日，对“上冰下管”的试验区内与周边未采用“上冰下管”方法的对照区进行对比，发现试验区内作物出芽快、出芽率高、幼苗长势好。
实验结果表明，本方法利用咸水/微咸水进行结冰灌溉，充分利用非淡水之外的其他水资源，利用咸水冻融水盐运动规律及暗管排盐排碱的作用，降低了盐碱土中的盐分含量。同时，由于冬季结冰灌溉有助于土壤保湿、保墒的作用，作物种植后的发芽率与幼苗长势明显好于对照区。
综上所述该盐碱地的治理方法有助于降低河套地区盐碱地土壤的盐分，对灌区内农业生产、生态建设起到了良好的促进作用。