宁夏银北灌区暗管排水技术应用现状调查分析

马利军，王红雨,2，麦文慧，李 星，姚自凯

(1. 宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021；2. 宁夏大学教育部节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，银川 750021)

灌区农业排水是控制土壤盐分、维持土壤透气性，防治土地盐渍灾害和保证灌区农业可持续发展的前提。在干旱、半干旱地区，为了保证灌溉农业的发展，就必须在作物根区保持一个动态的盐分平衡，所以排水对于作物生长具有与灌溉同等重要的作用，故预防和治理土地盐渍化灾害应从控制水着手[1-4]。暗管排水技术是一项治理土地盐碱渍害行之有效的手段，国内外学者就暗管排水标准、渗流理论、暗管间距及埋深计算方法、外包料及反滤层等方面做了大量的研究工作[5-11]。

为解决宁夏银北灌区长期遭受盐碱渍害的影响，20世纪80年代中期，开始引进暗管排水技术并开展工程示范与试验研究,经过30 a的技术推广，暗管排水技术已经成为解决银北灌区盐碱渍害的首选方案。为摸清银北灌区暗管排水工程的现状、建设规模、存在问题，笔者选取暗管排水技术推广应用较集中的石嘴山市惠农区、平罗县及银川市贺兰县进行剖析，旨在总结经验，弥补不足，促进暗管排水工程技术的不断完善和提高。

1 灌区暗管排水项目实施概况

银北灌区位于宁夏引黄灌区北部，地貌类型由贺兰山丘陵地、洪积倾斜平原、黄河冲积平原3个单元组成，海拔高度为1 090～1 300 m，灌区平均气温为8 ℃， 年均降雨量189.9 mm，降雨以7-9月份最多，年均日照长，蒸发量为2 249.5 mm。灌区内有银川、石嘴山2地区，包括贺兰、永宁北部、银川郊区、平罗及惠农等地，作物种植面积为29.93 万hm2，2016年统计粮食总产量达475 603.6 t，农业总产值为780 809 万元。其中，石嘴山市惠农区、平罗县和贺兰县3个区域共涉及15个暗排项目区，总面积约6 843.9 hm2，银北3区县暗管排水工程概况见表1。

表1 银北3区县暗管排水工程概况Tab.1 General situation of underground drainage projects in Yinbei 3 districts and counties

2 项目区暗管排水技术引进及发展

盐碱地改良一直是宁夏银北灌区的一项重要任务，20世纪90年代中后期，依托农业综合开发项目，申请获得荷兰政府贷款，引进荷兰暗管排水先进技术，以此为契机，加速了暗管排水技术在银北灌区的发展。近年来，在农业综合开发高标准农田建设中，暗管排水技术得到了更为广泛的推广与应用，并取得了丰硕成果。

2.1 新型排水施工设施的引进与应用

随着暗管排水技术在宁夏银北灌区的推广与广泛应用，传统人工开挖管沟、铺管的施工方法已无法满足需求，银北灌区先后引进了2种形式的开沟铺管机，分别是荷兰EGS3000型刀链式开沟铺管机和美国T555型开沟铺管机。相关资料显示，采用机械施工优点突出，资金投入大幅减少，人工费用不到人工开沟铺管的1/4，总投资为人工施工的2/3[12]。尤其是宁夏引黄灌区暗管排水工程的施工受灌溉季节限制，一般只有春灌前和秋收后的农闲期间适宜施工。开沟铺管机具有施工速度快、效率高的特点，既能确保施工进度与效率，又能保证施工质量，弥补了人工铺管的不足。实地调研了解到，包括惠农区、平罗县、贺兰县在内的15个暗排项目区全部采用开沟铺管机进行机械化施工，应用程度100%。开沟铺管机完成暗管排水项目统计见表2。

2.2 排水管材的引进与应用

暗管排水技术发展初期，使用的主要排水材料为黏土管和混泥土管，随着科学技术、塑料工业及制造业的发展，20世纪70年代，国外开始由传统的黏土管和混泥土管向塑料波纹管过渡，并逐步替代了“传统管”。塑料波纹管具有重量轻、耐腐蚀、整体性好等特点，因此，在我国暗管排水工程中也很快得到了应用与推广。自1995年开始，塑料管也逐步应用于银北灌区的暗排建设项目中。

表2 开沟铺管机完成暗管排水项目统计Tab.2 Ditching and pipe laying machine to complete the drainage project of pipe

实地调研了解到，银北灌区暗管排水项目中，使用的暗管管材主要分为2种，吸水管多采用PE(聚乙烯)打孔塑料波纹管，集水管多采用UPVC管(UPVC是硬脂聚氯乙烯，是在PVC的基础上提高性能的产品)，资料显示，2者在灌区暗管排水项目中被广泛应用。吸水管多采用PE管，原因在于在相同规格的情况下，PE管的物理力学性能优于PVC管。PVC、PE的物理力学性能见表3。

表3 PVC、PE的物理力学性能Tab.3 Physical and mechanical properties of PVC and PE

2.3 外包滤料的引进与应用

暗管外包滤料要满足透水性、保土性、防淤堵性等反滤要求[13,14]，暗管排水技术在灌区应用多年来，吸水管外包料已从砂滤料发展到无纺布。宁夏水科院通过多次试验研究，并参考工程中应用多年的实际效果，现已优选出符合银北灌区的外包料及反滤层。课题组实地到3区县农业综合开发办公室及各典型暗管项目区了解到，吸水管外包滤料多采用管壁套68 g杜邦土工布外加5～8 cm砂滤料或外加一定厚度有机材料的设计方案。

2.4 光伏强排泵站的应用

暗管排水工程的排水方式分为自流排水和强排进入承泄区2种类型。银北灌区地势低平，全年日照时间长，光照充足，辐射较强，太阳能资源丰富。长期以来，强排区以往多采用动力电抽水，其电费一直存在较大争议[8,15]，为解决这一问题，银北灌区暗管排水项目区充分利用太阳能自然条件的优势，光伏发电技术被应用于暗管排水工程中，强排区泵站改用太阳能泵站，即利用光伏阵列发出的电力代替原来的动力电，驱动水泵的扬水系统。整个系统主要由光伏阵列(太阳能电池组件)、太阳能扬水逆变器、水泵组成[14]。2000年前后，在惠农区农业综合开发项目中率先采用太阳能光伏泵站的新能源动力模式，2种技术的结合应用，有效地解决了暗排项目区的费用争议问题。光伏强排泵站在银北灌区应用较为广泛，正在全面推行，强排区利用太阳能光伏泵站抽排将是银北灌区暗管排水工程动力系统的一个发展方向。

以石嘴山惠农区2013年度燕子墩乡、礼和乡、庙台乡土地整理重大工程项目为例，在原规划中对0.553 万hm2建设面积进行了4处暗管排水工程设计，排水面积共计0.072 万hm2，原采用动力电抽水，但在项目实施中，经多方面考虑，由原来的4处改为8处，其中4处为动力电抽水，4处为太阳能供电抽水。光伏暗管排水区在工程建设投资、运行管理和抽排水能力3方面都优于动力电暗管排水区。太阳能泵站和动力电泵站效益对比见表4，水泵性能对比见表5。

表4 太阳能泵站和动力电泵站效益对比Tab.4 Comparison of benefits between solar pumping stations and power pumping stations

表5 太阳能泵站和动力电泵站水泵性能对比Tab.5 Comparison of pump performance between solar pumping station and power station pump station

太阳能泵站水泵系统在运行过程中不会产生电费和过多的运行费用，使用寿命长；光伏发电暗排区对水泵安全运行可实现自动控制，无人看管操作。2项技术的结合应用，不仅响应国家节能环保政策，且较动力电在各方面有了很大的提升和完善，大大提高了设备运行的安全性与可靠性。

3 银北灌区暗管排水项目区运行状况及效益

3.1 灌区暗管排水工程运行状况

调研期间，银北灌区3区县暗管排水工程运行、抽排水正常，项目区地下水位降低，耕地被改良后，作物种植结构有所调整，旱作为主，农作物长势良好；部分新建暗管初期改良地，较之前有了很大改观，耕地现已占苗。惠农区农发办雇佣当地50～60岁的农民，指定专门人员负责暗管的日常维护、集水井清淤及定时抽排水的工作，对暗管正常运行起到了积极作用，值得其他区县借鉴。在银北灌区，暗管排水技术治理盐碱的措施很受农户欢迎。

3.2 暗管效益分析

据农发办工作人员介绍，已建成的暗管排水工程运行多年后，暗排区的地下水位明显得到了降低，盐碱渍害得到了有效的控制和防治，实施前地下水埋深为0.3～1.0 m，现在项目区地下水埋深控制在1.5 m左右，并维持动态平衡；部分项目区土壤含盐量原为0.5%～2.2%，属中盐渍土或强盐渍土，改良后现已降低至0.3%～0.5%，属弱盐渍土，有的项目区改良后土壤含盐量已小于0.3%，属非盐渍化土。暗管排水通过改善作物生长的土壤水盐条件[16]，同时，在灌溉和降雨的作用下，能排出土壤中的易溶盐分，为作物生长创造了良好的生长环境[17]，提高了作物产量，部分改良为非盐渍化土的项目区，作物根层土壤含盐量灌溉期为0.095%左右，冬灌前为0.045%～0.056%，并且，种植小麦和玉米长势良好，较未实施前小麦每公顷增产150～750 kg，增幅为2.7%～16.67%，玉米每公顷增产150～600 kg，增幅为2.63～16.67%，农业增收约400～1 800 元/hm2。应用此项技术，实现了灌区农业增产丰收，带动了灌区农业经济收入。

以平罗县陶乐镇马太沟村暗管排水项目区为例。项目区为引黄自流灌区，原采用明沟排水，由于明沟淤积坍塌严重，导致农田排水困难，土地盐渍灾害加剧[18]。2015年修建了暗管排水工程，排水控制面积220 hm2。

为了定量说明暗管排水工程对银北地区盐碱地的改良效果，课题组选取马太沟暗管排水项目区作为试验监测区域，对地下水位、土壤全盐量、土壤PH值进行周期性监测，自2016年8月12日开始，至2016年10月11日结束，每10 d监测一次。地下水埋深动态变化见表6，不同深度土壤全盐量初末变化见表7，不同深度土壤pH初末变化见表8。

表6 地下水埋深变化 m

表7 不同深度土壤全盐量变化 g/kg

表8 不同深度土壤pH变化Tab.8 Changes in soil pH in different depths

监测结果表明：①地下水埋深明显降低，由于暗管建成已运行半年之久，初次监测时，一级自流区为1.14 m，二级强排为1.57 m，较实施前均有所降低，监测期内受强降雨影响，8月22日埋深有所回升，之后又呈现出总体下降趋势，至冬灌前观测结束时，一级自流区地下水埋深降为1.91 m，降低27.4%，二级强排区降为地下水埋深降为2.0 m，降低67.5%；②不同深度土壤全盐量含量降低，一级自流区下降率为19.4%～35.6%，二级强排区下降率为4.8%～18.7%；③土壤酸碱性得到改善，不同土壤剖面的pH降低。由此，说明暗管排水能有效的防治盐渍灾害，排水排盐效果显著[19,20]。

项目区实施暗管排水后，现规划主要种植作物为玉米和小麦，对2016、2017年度的作物产量进行统计，结果表明，玉米增产600 kg/hm2，小麦增产900 kg/hm2，油葵增产300 kg/hm2，应用暗管排水技术后，农作物产量增产幅度5.3%～17.2%，年农业经济增收总值达26万元，平均增加1 179 元/hm2。说明暗管排水促进作物增产效果显著。马太沟暗管排水项目区粮食增产效益见表9。

表9 马太沟暗管排水项目区粮食增产效益Tab.9 Grain yield increase in Matai ditch drainage projectarea

注：其中玉米75%，小麦20%，其他(主要为油葵)5%。

3.3 存在问题

暗管排水技术在灌区应用多年来，效果显著，但在课题组调研的过程中，发现存在诸多问题，归纳如下。

(1)地方建设部门对暗管排水工程的规划缺乏足够的论证与评估，没有把暗管排水工程置于区域土地治理及其灌溉排水配套规划的大格局中统筹规划。

(2)设计部门对暗管排水工程基础资料的收集不够重视，缺乏真实可靠的调研，设计资料、计算参数千篇一律，无针对性可言，造成一些项目区暗管排水工程设计方案选择不合适。

(3)由于暗管排水工程规模小，建设工程运作不太规范，不同施工单位的施工质量控制存在较大差异。

(4)建设归档资料库不完善，个别地方重叠、重复建设。老项目区重新建设后，前后2次的设计施工资料无归档记录。

(5)重建设轻管护现象比较严重。管护经费不到位，管理责任缺失。例如：由于管道清淤工程量大，且需要专门的清淤设备，投资较大，各暗管排水工程项目区均没有按要求定期实施管道清淤工作；暗管入沟的排水沟普遍存在杂草丛生，淤积严重，排水不畅，出口被掩埋等问题；在沟道清淤、砌护等治理工程中，设置在沟道边坡上的暗管出水口遭受破坏比较严重。

4 总结与建议

暗管排水工程在治理银北灌区盐渍灾害、改造中低产田中发挥重要作用，尤其是将光伏发电技术应用于暗管排水工程中，使暗管排水技术显示出更大的优势。基于现状，应从工程规划、设计、勘察、施工、管护等多方面作出努力和思考，使其能真正规范暗管排水工程建设行为，提高宁夏农业综合开发暗管排水工程建设的技术水平。就灌区暗管排水工程应用现状及存在问题，给出以下几点建议。

(1)设计部门设计前必须收集准确无误的项目区水文地质资料，必要时补充勘察，做好地层土质和地下水位勘察工作，提高隐蔽工程的设计水平，提倡针对项目区实际情况的合理设计，而不仅仅只是套用标准设计资料。

(2)对暗管排水工程的保护应引起农田基本建设相关部门的重视，并落实到具体的工程建设设计与施工方案之中。

(3)把暗管排水工程置于区域土地治理及其灌溉排水配套规划的大格局中统筹规划，使暗管排水规划更加科学合理。

(4)将农田基本建设视为一个系统工程，合理调度，协调有序。杜绝在修建新工程的过程中，损坏既有配套工程的野蛮施工方式。

(5)既然有河长制、湖长制，那么也可以在 灌区对各级渠道和各级沟道实施行政管理的方式，即渠长和沟长，保障渠道、沟道等农田水利工程配套设施的管护，明确目标，责任到人，落实到位，以解决“重建设轻管护”的顽疾。