摘要:我國鹽堿地面積廣闊,次生鹽漬化問題突出,開發利用鹽堿地資源可有效緩解國家耕地緊缺,同時保障我國糧食安全。暗管排水排鹽技術是改良鹽堿地的重要技術之一,其排水排鹽效益的充分發揮是暗管材料、結構、外包料、工程布置形式等因素綜合作用的結果。本文概述了我國暗管排水排鹽技術的應用現狀及其在暗管材料與結構、明溝 - 暗管等組合排鹽系統的布置參數以及太陽能等新能源利用領域的研究進展,指出現有暗管系統在暗管淤堵、灌排結合和施工維護等方面存在的問題,提出未來的鹽漬農田暗管排水排鹽技術將向節能環保、智能化、綜合管理和多源互補等方向發展。本文旨在為我國暗管排水排鹽技術相關理論研究及應用實踐提供參考。
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引言
土壤鹽漬化是一個世界性的難題,目前全球鹽漬土總面積約為(1.10 ×10^{9} hm^{2}),其中我國鹽漬土面積約為(3.69 ×10^{7} hm^{2}),占全國可利用土地面積的 [1],集中分布于西北、華北、東北及沿海地區。鹽漬化土壤的肥力質量和生產力水平低,資源利用的限制因素多、治理難度大 [2]。鹽堿地作為重要的后備耕地資源,鹽堿地的改良利用對保障國家糧食安全具有重要戰略意義。鹽漬土改良的方法主要包括物理改良 (耕作和農藝等)、化學改良 (各類改良劑)、生物改良 (耐鹽作物) 和灌排管理等措施 [3],運用淡水淋洗配合暗管排水排鹽是最直接、最快捷的改良方式之一 [4]。暗管排水排鹽是將管壁上分布有小孔或者窄縫的管道埋入地下,在農田地下水與管道內水面間的水頭差作用下,使攜帶鹽分的水通過孔縫排入暗管,然后排出農田的一項土壤鹽漬化防治措施。暗管排水排鹽能夠有效調節土壤水分和鹽分,改善灌區農田土壤生態環境,為作物生長創造更加有利的條件。
近代的暗管排水技術最早由英國發明,隨后在美國、前蘇聯、日本、荷蘭等國家得到廣泛應用。歐洲多個國家近 70% 農業用地已成功實施運用暗管排水技術,在改善土壤鹽漬化等方面取得顯著成效 [5]。我國自 20 世紀 60 年代開始暗管排水治漬害研究,開啟了我國近代暗管科技研究的序幕。隨后,我國暗管排水技術發展經歷初步探索期和漸進發展期后,進入到現階段的蓬勃發展階段 [6]。近年來,我國制定和出臺了多部與暗管排水技術相關的標準和規范,涵蓋規劃、設計和施工等方面。
然而,目前國內對暗管技術的研究停留在暗管材料遴選、工程布置和養分流失控制等,針對暗管管材及外包料的結構優化、暗管 - 明溝等組合工程布置參數、新能源排水排鹽系統的綜合性研究較少,難以進一步支撐暗管排水排鹽技術的高質量發展。本文旨在系統總結我國暗管排水排鹽技術的應用現狀及其在暗管材料、組合排鹽系統布置參數、太陽能等新能源利用領域的研究進展,同時分析暗管排水排鹽系統運行中存在的問題,并提出未來優化方向,為鹽堿地治理和農業高質量發展提供科學支持和技術參考。
1 暗管排水排鹽技術
1.1 暗管
在國內的應用分布狀況暗管排水排鹽技術在我國的應用呈現出明顯的區域性特征,根據各地的土壤條件、氣候環境和水文特點,對暗管的布置參數和外包料選擇進行了差異化設計。在新疆、寧夏和內蒙古等西北地區由于蒸發強烈,鹽漬化問題普遍嚴重,設計上傾向于采用較大的埋深和間距,以有效降低地下水位,抑制鹽分通過毛細作用上升,從而實現深層排鹽和廣域水鹽動態調控的目標。西北地區外包料通常選用砂礫石、無紡布等材料,不僅能顯著提升排水系統的防堵性能,還能延長管道的使用壽命;部分區域采用粗化纖維或雙層玻璃纖維布組合,進一步優化透水性和排鹽效率。在天津、上海、江蘇和山東等濱海地區,由于地下水位高且土壤鹽分集中于土壤表層,一般暗管設計埋深較淺 (0.4~1.2 m),間距較為緊湊 (3~20 m),以實現高效排除淺層鹽漬水分的目的。
暗管外包料多選用纖維絲和土工布,這些材料不僅具有較好的透水性和防堵性能,還因成本較低而廣泛應用于濱海地區的濕潤環境。這樣的設計能夠快速減少淺層土壤鹽分積累,顯著改善土壤的水鹽條件,為作物生長提供更加適宜的生態環境,同時兼顧了經濟性和可持續性。在黑龍江和吉林等東北地區,由于地下水位較高,暗管設計多以較淺埋深 (0.45~1.2 m) 和較寬間距 (5~40 m) 為主,部分地區配備大管徑 (如 250 mm) 的管道,以增強排水能力。外包料選用砂濾料、濾紗網、稻殼或稻草等,以滿足低溫環境下對防堵和透水性能的雙重要求。這些設計能夠有效降低稻田過飽和風險,同時改善土壤水分條件,為農作物生長提供可靠的保障。可見,我國暗管排水排鹽技術主要應用于西北內陸、濱海以及東北地區,不同地區的土壤、氣候與水文特性等均會影響暗管工程的設計。因此,為有效地提升我國排水排鹽技術的長效性,需要充分考慮工程的應用環境,確定適宜的暗管排水排鹽技術參數。
1.2 暗管材料及結構
暗管是鋪設于地下的帶孔隙的管道,土體中的鹽分通過降雨或灌溉水滲入管道中排出 [10]。暗管排水排鹽系統一般由暗管、集水管、集水井、檢查井、水鹽監測系統和監控泵房等組成 [26]。隨著生產技術和科技水平的提升,暗管材料不斷更新升級,由陶土管、磚塊、瓷磚、黏土、混凝土逐漸發展為瀝青纖維穿孔管、硬質塑料穿孔管、波紋墻金屬導管、穿孔光滑塑料管或波紋塑料管。早在公元前 2000 年左右,在印度河下游河谷已使用了排水管 [27]。同期中國采用有孔的竹管作為地下排水管 [28]。17 世紀前后,由磚塊、瓷磚、黏土、混凝土等制成的地下排水管道,以其耐久性和適用性在英國、美國、荷蘭等灌溉區得到了廣泛應用 [29]。我國自 20 世紀開始引進國外的暗管排水技術,隨著生產技術和科技水平的提升,暗管材料也不斷更新升級。
20 世紀 50 年代我國大部分地區通過就地取材,使用陶土管、黏土管、楠竹、蘆葦等材料作為排水通道,這類材料在土壤中會慢慢腐解還田從而增加土壤肥力。隨著聚乙烯、聚丙烯等管材原料日漸增多和對暗管材料的不斷研究試驗,聚乙烯和強度高、耐熱性能好、模量高的聚丙烯共混改性生產的波紋暗管開始批量上市,不僅降低了產品生產成本,而且排水排鹽性能得到大幅提升,更能適應機械化作業和埋深 [30]。1978 年初,中國科學院率先將塑料管應用到地下排水中,并在上海各縣開展試驗,發現塑料暗管的埋設有助于作物根系的深扎,根系活力明顯得到增強 [15]。1985 年,南疆農二師 29 團首次進行波紋塑料管替代陶土管的排水試驗,不僅明顯改良土壤、增加產量,而且延長了水旱輪作周期,改變了作物結構,說明塑料暗管排水在干旱區應用從技術上是可行的 [31]。
波紋塑料管相較于天然管材具有強度高、重量輕、成本低、不易腐蝕和縱向柔性較好等優點,應用規模逐漸擴大,促進了我國暗管產品的進一步發展 [32]。波紋結構能夠提高產品的外壓強度,使得管道能夠在受到外部壓力時發生彎曲而不會破裂,避免影響排水效果,同時有效地提高管道的使用壽命。利用波紋管排水能穩定控制地下水位,從而防止土壤次生鹽漬化,增加產量,還能減少對耕地的占用,大大減少農田基建投資,有利于田間農事的機械化耕作 [6]。“十二五” 期間,國家科技支撐計劃項目加快了我國暗管鋪設設備和管材的研發,降低了暗管技術的應用成本,促使暗管由單純排水向排水排鹽和水鹽調控研究轉變 [6]。
合理的波紋管幾何結構是提高暗管排水性能的重要基礎,許多研究者在該領域進行了大量研究。目前廣泛應用的波紋塑料管主要分為單壁波紋管和雙壁波紋管兩類,波紋型材包括正弦波紋管、螺旋波紋管和平行波紋管。Wesström 等 [33] 通過多年的野外試驗發現,合理的暗管開孔結構將使作物產量提高 3%~20%。波紋管管孔的打孔方式也由原來的鉆孔、扎孔等方式改進成現有的勾刀開槽為長條形孔,較大程度地避免了平面圓孔產品易出現堵塞的問題,針對特定的排水要求,管孔大小和開孔分布能夠實現精準調控,大大提高了暗管進水面積,提高排水排鹽效率。Wu 等 [34] 通過 CFD 模擬暗管排水過程,發現影響其排水能力的因素由大到小分別為管道直徑、波紋谷寬和波紋高度;Oyarce 等 [35] 通過砂罐試驗研究了暗管開孔率、管道直徑和外包料對暗管入口阻力、“有效半徑” 和排水性能的影響,發現較小的管徑、較高的開孔率和包絡結構可以提高排水排鹽的性能;Yang 等 [36] 通過室內試驗得到了適用于無紡布外包料波紋暗管阻力因數的理論公式及暗管等效半徑計算公式,發現小流量時的等效半徑接近真實半徑,此時開孔面積不需要很大便可滿足排水要求。
此外,不同的斷面結構也會影響暗管的排水排鹽過程,其中三角形斷面的暗管能夠有效抑制土壤水分的繞流,當暗管增加底翼后,其抑制繞流現象的效果可進一步增強,從而提升暗管的排水和排鹽能力 [37]。可見,波紋管的幾何結構、管孔設計和材質選擇對暗管的排水排鹽過程均有重要影響,同時,暗管開孔與波紋結構會影響暗管環剛度、環柔度等力學性能。因此,尋求暗管管材及結構優化設計以提高暗管的力學性能和排水性能是未來需要重點關注的內容。
1.3 暗管外包料
暗管外包料是一種高透水性材料,用于包裹暗管起到反濾作用,其能夠穩定暗管周圍的土壤,防止土壤顆粒堵塞暗管排水孔或通過管道導致土壤流失。暗管外包料較多使用天然無機材料和合成外包料 [38],暗管排水技術發展早期部分地區采用天然有機材料,例如鋸末、棕皮、稻殼、椰子纖維、稻草和麥稈等作為外包料,其在暗管排水初期透水和防堵效果較好,但易老化,使用壽命不長。例如麥稈屬于不耐腐材料,其使用壽命一般為 4~5 年,稻殼在嫌氣條件下耐腐較強,最大使用壽命可達 10 年 [39]。Turtola 等 [40] 發現以表土或木屑作為回填物可明顯增加暗管的排水排鹽量,以表土作為濾料可減少顆粒態磷和溶解態正磷酸鹽磷的流失,而以木屑作為濾料則不會減少顆粒態磷的流失。砂礫作為主要的天然無機外包材料,具有與土壤一樣的耐久性且反濾效果較好,但這種材料并不是所有地區都能就地取材,限制了其大面積推廣應用。
王蘇勝等 [41] 分析了不同外包料 (包括麥秸、鋸末、陶瓷、沸石和纖維球) 對氮的去除效果,結果表明無機材料在去除銨態氮方面表現更好,而有機材料則在去除硝態氮方面有更好的效果。此外還發現當外包料的厚度增加 10 cm 時,麥秸和鋸末、陶瓷和沸石以及纖維球的氮去除效率分別提高了 6%~8%、6%~28% 和 10%~20%[41]。合成外包料相比于天然有機外包料和天然無機外包料,具有產品系列多、性能穩定、運輸施工方便等優點,逐漸被廣泛應用 [42]。根據制作工藝的不同,合成外包料可分為有紡和無紡兩大類。有紡布通常由相互正交的經絲和緯絲編織而成,或通過將兩組纖維絲置于熱輥之間壓制黏合而制成。
無紡布則是通過定向或隨機排列的纖維,經過熱粘、化粘、針刺等物理過程纏結而成,形成一種在織物厚度方向上不斷堆疊的三維立體結構,具有各向同性的特點 [43]。由于生產效率高、價格便宜等特點,無紡土工織物已被廣泛用作外包材料。但是隨著暗管運行年限的增加,合成外包料的淤堵會導致暗管排水效率的降低 [44–46]。當土壤顆粒的等效粒徑小于土工布的等效孔徑時,其會進入土工布內部淤堵或穿透土工布進入暗管內部;當土壤顆粒粒徑大于等效孔徑時,土壤顆粒會在外包料表面形成濾餅,導致透水性降低 [47]。因此不少學者著手研究防堵型外包料,以防淤堵增流為目的,針對保土性、透水性以及防淤堵三個方面來制定合成包料選擇標準。張迎奧等 [48] 研究了不同土質條件下四種無紡布的反濾效果,發現砂粉土土質適合采用單位面積質量為 68g・m-2 的土工布,而粉土土質更適合使用單位面積質量為 90g・m-2 的土工布;胡玲玲等 [49] 研究適合于河套灌區下游的排水暗管外包料時,考慮了單一土工布和土工布與不同粒徑砂濾料組合外包料的滲透性、保土性及防淤堵性,發現選用 68g・m-2 土工布加設 1 mm 粒徑砂濾料的處理能兼顧透水及防堵性能。Guo 等 [50] 基于建立的外包料化學淤堵模型,預測了合成外包料表面改性降低表面結晶速率,進而減緩暗管外包料化學堵塞的趨勢。
可見,選擇合適的外包料不僅能夠提高排水性能,更重要的是防止外包料淤堵,但目前關于外包料淤堵的研究尚處于現象觀察和規律總結階段,對于防淤堵型高效排水排鹽外包料的研發是未來必須重視的方向。
1.4 暗管工程關鍵設計參數
暗管設計時主要考慮埋深、間距、坡度、排水模數等技術參數,其影響著土壤脫鹽效率、土壤鹽分的空間分布以及養分含量。暗管埋設深度取決于當地土壤類型、地下水位和作物等因素。張潔等 [51] 對南京次生鹽漬化番茄蔬菜大棚分別設置埋深 40 cm、間距 6 m 和埋深 70 cm、間距 8 m 的兩種暗管布置方式進行了研究,結果表明較大的埋深和間距有助于排鹽。李彥鑫等 [52] 以河北省滄州市南大港產業園區近濱海暗管排水排鹽試驗地為模擬研究對象,發現增加地下水位與暗管的垂直距離可以有效增大水鹽運移速率,防止土壤返鹽。與濕潤地區和濱海地區不同,干旱地區降水較少、蒸發強烈、地下水位較深,濱海和濕潤地區的暗管布局參數在干旱區的適用性需要驗證。以《暗管改良鹽堿地技術規程》為例,現有關于暗管埋深的布置多以地下水臨界埋深作為控制依據,避免地下水位過高而出現的次生鹽漬化問題 [53]。但如今我國西北旱區已經大范圍采用節水滴灌,現有的暗管埋深布置公式不盡符合滴灌條件下的鹽分防控要求。
王振華等 [7] 針對滴灌條件下暗管排水對土壤剖面鹽分分布及脫鹽淋洗效果的影響開展研究,結果表明在滴灌條件下,當暗管間距設為 15 m 時,土壤的脫鹽淋洗效果最佳且節水潛力最大,因此初步建議將 15 m 作為新疆鹽漬土暗管排水系統的推薦間距;衡通等 [54] 通過田間灌溉排水試驗,研究了不同管徑和暗管埋深對滴灌條件下土層鹽分分布和脫鹽效果的影響,認為當暗管埋深為 0.6 m、管徑為 90 mm 時,暗管排水排鹽效率較高,是北疆鹽漬土的最佳暗管布置埋深和管徑參數。但上述田間試驗研究大多基于當地自然條件得出,對于自然條件存在差異的其他地區,已有的結論不一定具有適用性。理論計算和數值模擬也是探究暗管布置參數的重要工具,研究者們已經提出了諸如努美諾夫公式 [55]、考斯加可夫公式 [56]、阿維里揚諾夫公式 [57]、胡格浩特公式 [58]、瞿興業 - 阿維里揚諾夫公式等 [59] 理論公式。其中胡格浩特公式基于 Dupuit 假設,假定地下水運動為一元流動;瞿興業 - 阿維里揚諾夫公式則適用于有入滲補給
且不透水層位于無限深處的情形。不同的公式都有其不同的假設條件和適應情況,即使在相同的水文地質條件下,使用不同方法也會使結果差異很大。無論地下水是何種流態,都存在計算繁瑣的問題。將排水理論公式編寫成計算機程序,通過程序進行計算是尋找不同情況下暗管最優布置參數的有效途徑 [60]。基于以上暗管排水公式開發的數值模型,如 HYDRUS、DRAINMOD 等被廣泛應用于干旱區的暗管布局。例如,Qian 等 [61] 利用新疆蓄水淋洗、暗管排水排鹽試驗數據,建立并驗證了 HYDRUS-2D 數學模型,提出了兼顧脫鹽率、排鹽效率和施工成本的經驗公式;Guo 等 [62] 考慮新疆鹽漬農田中普遍存在的弱透水夾層現象,根據建立的 HYDRUS 數值模型,提出了弱透水夾層影響下的最優暗管埋深、間距布置方案和農田脫鹽率的經驗公式;張展羽等 [63] 利用典型濱海鹽堿地區實測土壤、氣象、作物等資料,用 DRAINMOD 對不同排水暗管布置方案的地下水埋深進行了長序列模擬,提出了適宜濱海鹽堿地的農田暗管布置參數。除理論計算和數值模擬外,也有研究者采用統計分析的方法探究暗管的最優布置參數。例如,閆玉民等 [64] 采用投影尋蹤分類模型得到暗管埋深 0.6 m、間距 6 m 可作為農田最優的暗管布局方案。
設計良好的排水系統布局對于加強鹽分淋濾、減少養分流失、節約水資源至關重要。目前,隨著暗管排水技術在我國的推廣應用,暗管、明溝與豎井的各種工程組合形式不斷出現,但關于不同鹽漬地區暗管 - 明溝等組合工程布置參數的研究尚不充分,需要在理論和實驗研究的基礎上探索適合我國不同鹽漬地區不同工程布置形式的暗管工程布置參數。
1.5 新能源排水排鹽
對于無法滿足暗管自流條件的農田,高成本的電力強排方式不利于大面積推廣,近年來太陽能、風能等可再生能源被選用作為暗管排水泵站的供電來源 [11]。水利部牧區水利科學研究所開發研制出了與風力機配套的低揚程、大流量、低速水泵,同時結合 “948” 農業技術創新綜合研究示范區引進暗管集水項目,每套 型風力排水系統可以對 33hm² 農田實現排水量控制,試驗證明每畝 (1 畝 = 667m²) 每年可增產達到 100~400 kg,同時節約發電成本將近 1.5 萬元,具有極好的經濟效益和社會效益 [65]。周斌 [66] 在寧夏北部暗管排水區利用風能機械轉化成電力強排,認為研究區每年的風力條件能夠滿足集水井抽水的有效利用要求,即在風力最少年份也能夠實現 0.253 萬 m³ 的排水要求。等 [67] 討論了太陽能抽水系統應用于泰國東北部暗管排水的可行性,認為其能有效緩解由地下水位上升所導致的土壤鹽漬化。光伏發電系統的運行成本要遠低于使用傳統電力的成本,可節省超 33 萬元,但可能存在排水能力不足的問題 [12]。鑒于此,王少麗等 [14] 以寧夏銀北灌區為例,提出夜間采用虹吸管輔助排水可達到白天太陽能光伏水泵相當的抽水量,此外增設集水井與鄰近排水溝之間的水平連通管,能夠實現夜間的自流排水,有助于太陽能光伏暗管排水系統的推廣應用。
目前關于新能源排水排鹽技術的研究多關注可再生能源的選配使用來滿足排水要求,對于新能源排水排鹽系統的穩定性及不同能源互補系統的研究較少。氣象變化條件下,不僅要考慮排水排鹽的經濟性,更要考慮排水排鹽系統的適應性,因此需要在現有新能源排水排鹽系統的基礎上進一步探究未來新能源排水排鹽系統的新型架構及運管方式,提升已建和新建暗管排水排鹽系統的效率。
2 暗管排水排鹽技術存在問題
綜上,我國的暗管排水排鹽技術從國外引進后發展迅速,形成了從理論、模型、材料、工程應用和技術規范的應用體系,但在暗管管材及結構優化設計、暗管 - 明溝等組合排鹽工程布置參數及新能源排水排鹽系統架構與運管等領域仍然存在亟需解決的突出問題。
2.1 對暗管堵塞問題重視不夠
世界糧食及農業組織 (FAO) 指出堵塞是導致暗管排水排鹽效率降低的最主要因素,嚴重的堵塞會將外包料孔隙通道膠結 [68],致使暗管的透水性大幅度降低,嚴重影響排水排鹽效率。暗管外包料的材料性質和三維結構直接影響堵塞的發生發展過程,外包料內堵塞物質的主要化學成分是 SiO₂和 CaCO₃,且化學堵塞的敏感性隨著地下排水管的運行時間而增加 [69]。研究者們發現通過合理的物理選材和化學改性能夠較好地防止淤堵,例如合成外包料等效孔徑與土壤特征粒徑 (O₉₀/d₉₀≥1.0) 可防止物理淤堵 [27];檸檬酸溶解過后的土工布滲透性不僅恢復較快,而且與鐵離子絡合能力強,絡合物酸堿穩定性高,可有效降低化學淤堵的發生風險 [70]。但是這些研究還沒有得到充分的工程實踐檢驗,對堵塞的發生發展過程和防控機制認識不清,在實際工程中也尚未得到應用。
2.2 缺乏灌排協同下的暗管組合排鹽參數研究
為實現高效灌排的目標,常將暗管與灌溉措施組成的灌排系統看作一個整體來研究與應用。但目前的暗管技術參數設計目標單一,以暗管埋深為例,常見的布置規范以地下水臨界埋深為控制依據,適用于過去地下水埋深高導致的積鹽情況。而現在我國西北旱區大范圍采用節水滴灌,面對淋洗不足而導致的積鹽問題,傳統的暗管布置形式不完全適用于現有的鹽分防控要求。節水灌溉措施既能夠以作物的需水規律來進行配水,還可以使作物根區的土壤鹽分得到有效淡化,而暗管排水在很大程度上緩解了長期以來 “有灌無排” 所造成的次生鹽漬化加劇、地下水位上升等農業生態環境問題,并且在鹽堿地的開發利用中形成了新的水鹽平衡關系 [71-72]。同時研究者們發現暗管明溝組合排水系統相較于單獨的明溝排水能使鹽漬農田的脫鹽效果增加 170%[73],同時組合排鹽系統影響下農田水鹽運移規律與單一排水系統不一致。為解決這個問題,Yang 等 [74] 開發了暗管排水邊界計算模型,并將其與多尺度地下水三維動力學 MODFLOWLGR-MT3DMS 耦合,構建了能計算組合排鹽工程影響下的區域水鹽運動數值模型,為組合排鹽系統的工程布局與參數優化提供了技術工具。但目前考慮根區水鹽的不同區域暗管 - 明溝 - 豎井多種組合排鹽工程布置參數的適應性研究缺乏,尚未形成完善的工程范式。
2.3 缺乏對暗管工程的運管維護
暗管排水排鹽技術的長期運行缺乏科學的理論和技術指導,重建設輕維護的現象比較嚴重,已成為限制暗管治理鹽堿地的重要瓶頸之一 [75]。目前暗管系統的配套清淤設施仍然不夠完善,導致管道內積淤現象嚴重,且清淤工程量巨大,人工成本高昂。這直接導致各暗管排水工程項目區普遍未能按要求定期實施暗管清淤工作,進一步影響了系統的排水排鹽能力 [76]。此外,暗管入溝的排水溝由于雜草叢生和出口被埋,普遍存在著排水不暢的問題,缺乏防控淤堵的規范。在溝道砌護和清淤過程中,在溝道邊坡上的暗管出水口處受到比較嚴重的破壞 [13]。同時,缺乏針對暗管工程運行管理的技術性文件,難以充分發揮暗管排水排鹽工程的效益。
3 發展趨勢及思考
(1) 技術創新與集成:隨著材料科學和工程技術的進步,新型暗管材料和設計方法不斷涌現,將進一步提高系統的耐久性和效率。未來,暗管技術將更加注重與其他土壤改良技術的集成應用,如與生物修復、化學改良等方法結合,形成綜合鹽堿地治理方案。
(2) 智能化與自動化:現代信息技術,特別是物聯網 (IoT)、大數據和人工智能 (AI) 的應用,將使暗管排鹽技術更加智能化和自動化。通過實時監測土壤鹽分和水分狀況,智能控制系統能夠自動調節排鹽過程,優化水資源和能源的使用。
(3) 區域適應性:不同地區的土壤、氣候和農業生產條件差異較大,未來的暗管排鹽技術將更加注重區域適應性,根據不同地區的具體情況定制化設計和實施,提高技術的適用性和有效性。
(4) 技術經濟性:加快排鹽產品的研發,通過降低產品及施工設備成本,提高易用性。在推廣暗管排鹽技術時,需要綜合考慮其經濟性,包括初期投資、運營成本和長期效益,以確保技術的可行性和農民的接受度。
(5) 理論與技術深化:現有暗管排鹽技術在灌排協同設計、運行機制優化及防堵塞技術方面仍存挑戰。未來還應加強暗管布置對土壤水鹽調控的動態影響、新型包料材料的研發及抗堵塞性能提升、鹽分淋洗過程中的水 - 鹽 - 養分協同調控理論等方面的研究。
4 結論
我國農田暗管排水排鹽技術經歷了從傳統陶土管到現代波紋塑料管的快速發展過程。近年來,基于暗管材料的升級和可再生能源的應用,暗管排水排鹽的效能和適用性得到了顯著提升。目前,暗管排水排鹽在鹽堿地綜合治理中具有重要作用,其關鍵技術進展包括:
(1) 暗管材料與外包料升級:從傳統材料逐步發展為高強度、耐腐蝕的波紋塑料管,并結合高效防堵型外包料以提高系統的透水性和耐久性。
(2) 設計與布置優化:通過理論模型和數值模擬優化暗管埋深、間距等布置參數,提升灌排協同效果,尤其是滴灌條件下的鹽分調控。
(3) 新能源與智能化應用:通過引入太陽能、風能等可再生能源,降低了排水系統運行成本的同時,將物聯網、人工智能與暗管排水系統結合,顯著提升了鹽分監控和水鹽動態調控的精度。
然而,暗管排水技術在防堵性能優化、長期運行維護及適應不同區域自然條件的能力方面仍需深入研究。未來,應進一步開展智能化協同調控、低成本耐用型材料研發及區域適配性技術集成研究,為我國鹽堿地的高效利用和生態環境改善提供理論依據和技術支撐。
郭宸耀;伍靖偉;陳林;鄭國玉;馬英杰;程蓮;丁峰,武漢大學水資源工程與調度全國重點實驗室;中新建農牧投集團;新疆農墾科學院農田水利與土壤肥料研究所;新疆農業大學水利與土木工程學院;新疆天業節水灌溉股份有限公司;新疆農業科學院土壤肥料與農業節水研究所,202406