暗管排盐条件下绿地次生盐渍化调控技术及节水技术研究Word格式.docx
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大部分地区一般采用大水漫灌,这样如同发生洪涝,极易引发土壤盐碱化。
如果灌溉用水中盐分离了含量过高,长期使用这样的水,也会使盐分离子在土壤中过量积累,发生土壤盐碱化。
(2)植被破坏:
植被破坏,尤其是砍伐林木,会打破土壤与地下水位之间的平衡。
林木蒸腾量大,可以使地下水位保持在一定深度。
当树木被伐掉,种植农作物或土壤裸露时,一方面水分蒸腾量降低,地下水位上升;
另一方面,降水进入土壤的比例加大,也会抬升地下水位,从而导致土壤盐碱化。
(3)海水入侵:
在沿海地区,气候干旱时,大量开采地下水,使地下水位下降,地下水呈漏斗形分布,打破了淡水层与海(咸)水层之间的界线,海(咸)水进入淡水区,再提水灌溉时,过量的盐分离了进入农田,引起土壤盐碱化。
1.3土壤盐碱化的危害
盐碱地由于土壤内大量盐分的积累,引起一系列土壤物理性状的恶化:
结构粘滞,通气性差,容重高,土温上升慢,土壤中好气性微生物活动性差,养分释放慢,渗透系数低,毛细作用强,便导致表层土壤盐渍化的加剧。
土壤盐碱化后会严重影响植物的生长,降低生物量。
盐胁迫还影响到质膜的组分、透性、运输、离子流等发生一系列变化,导致细胞膜的正常功能受损,进而使细胞的代谢及生理功能受到不同程度的破坏,表现在:
引起植物的生理干旱:
盐土中含有过多的可溶性盐类,可提高土壤溶液的渗透压,从而引起植物的生理干旱,使植物根系及种子发芽时不能从土壤吸收足够的水分,甚至还导致水分从根细胞外渗,使植物萎蔫甚至死亡。
伤害植物组织:
在高pH值下,会导致氢氧根离子对植物的直接伤害。
有的植物体内集聚过多的盐分,而使原生质受害,蛋白质的合成受到严重阻碍,从而导致含氮的中间代谢物的积聚,造成细胞伤害。
影响植物正常营养:
由于钠离子的竞争,使植物对钾磷和其他营养元素的吸收减少,磷的转移也会受到抑制,从而影响植物的营养状况。
影响植物的气孔关闭:
在高浓度盐类作用下,气孔保卫细胞内的淀粉形成受到阻碍,致使细胞不能关闭,因此植物容易干旱枯萎。
2.滨海城市盐碱地园林绿化技术措施
2.1物理措施
物理改良措施主要是对土层的整改,有平整地面、深耕晒垡、客土抬高地面、微区改土,大穴整地等方法。
平整地面应留一定坡度,挖排水沟,以便灌水洗盐。
凡质地粘重,透水性差、结构不良的土地,在雨季到来之前要进行翻耕,疏松表土,增强透水性,阻断水盐上升。
四周不具备排水条件的小型绿地采用客土抬高地面,下设隔离层,利用高差进行排水淋盐,达到改土的目的。
抬高高度以土壤临界深度减去地下水位深度即为抬高度。
另外,在树穴地表覆盖秸秆、稻草、树皮地膜等措施后,可明显减少土壤水分蒸发,抑制盐分在地表积聚。
同时在树穴内铺粗砂、炉灰渣、锯屑、碎树皮等隔盐层,然后填以客土,可有效地控制土壤次生盐渍化。
通过采取适地适树、小苗密植、适时栽植、种植地被植物、合理灌溉、及时松土、多施有机肥等一系列栽培措施,改善土壤结构、减少盐碱对树木的危害,从而保证栽培植物正常生长和发育。
2.2工程措施(水利措施)
20世纪60年代在山东禹城和河南封丘采用“井灌井排”的方法,70年代在我国北方部分地区采用“抽咸换淡”的方法。
在上述两种方法的基础上,80年代末期,根据禹城市的具体条件,采用了“强排强灌”的方法改良重盐碱地,在强灌前预先施用磷石膏等含钙物质以便于置换更多的钠离子和防止碱化,然后耕翻、耙平,强灌后要加以农业措施维持系统稳定。
目前,应用于滨海城市盐碱地水利改良的有下部设隔离层和渗管排盐。
在一些大型绿地中渗管排盐是绿地改土的常用方法之一,它是根据“盐随水来、盐随水去”的水盐运动规律铺设暗管把土壤中的盐分随水排走,并将地下水位控制在临界深度以下,达到土壤脱盐和防止次生盐渍化的目的。
一般分为两种形式,一是用水泥渗漏管或塑料渗漏管,埋地下适宜深度排走可溶性盐。
二是挖暗沟排盐,沟内先铺鹅卵石,然后覆盖粗砂与石砾,最后填土。
2.3化学措施
化学改良是对盐碱土增施石膏、磷石膏、黑矶(主要含硫酸亚铁)等化学改良物质,既可降低碱性,又可置换土壤中的碱性物质,同时磷元素能提高树木的抗性,达到改良的目的。
施入适当的矿物性化肥和施用大量有机质如腐叶土、松针、木屑、刺皮、马粪、泥炭及有机垃圾等,可补充土壤中氮、磷、钾、铁等元素的含量和有机质,有明显的改土效果。
2.4耐盐碱树种的选择
引进和种植耐盐植物是改良利用盐碱地的重要措施之一。
在选择树种时,应选择耐盐碱植物,根据它们对盐分的适应特点,可分为三类:
(1)聚盐植物:
这类植物的渗透压一般在40个大气压以上,能在盐分高的土壤中繁茂的生长,如盐角、滨黎等。
(2)泌盐植物:
通过茎、叶表面的分泌腺,把盐分排出体外,从而提高了从盐水中吸收水分的能力,如枉柳、胡颓子等。
(3)不透盐性植物:
这种植物一般只生长在盐渍化程度较轻的土壤上。
根细胞对盐类的透过性非常小,几乎不吸收,如田菁等。
以北方为例,适合生长在滨海城市盐碱地的常绿树种有:
雪松、枉柳、黑松、水腊、金叶女贞、金边黄杨、小叶女贞、小叶黄杨、大叶黄杨、龙柏、丰花月季等。
落叶树种有:
合欢、栾树、臭椿、国槐、绒毛白蜡、木槿、紫薇、紫穗槐、紫叶李等。
地被植物有:
白三叶、紫花苜蓿、扶芳藤、矮生地被菊等。
在进行植物配置的时候,要本着当地树种为主干树种的原则,同时可根据园林绿化景观的需要,选择少量名贵树种。
结合上述物理、水利、化学措施,进行种植,也可以保证其成活,达到理想的景观效果。
3.排降系统的应用及发展
20世纪以来,特别是二次世界大战以后,排降系统得到广泛应用和发展。
排降的任务是降低过高地下水位,排除土壤中过量的对植物生长有害的水及盐分,加速地下水的降落过程及脱盐过程,把地下水位控制在某一适宜的深度,保持对植物良好的水分供应条件和植物生长必需的供氧条件,且不产生化肥和养分的流失,保护生态环境不受破坏,防止土壤返盐。
排水方式一般有水平排水和垂直排水两种。
在南方地区,主要采用水平排水。
水平排水有明沟排水和地下暗管排水。
明沟排水速度快,排水效果好,但工程量大、占地面积大、沟坡易坍塌且不利于交通和机械化耕作。
暗管排水通过滤水管渗流来排除地下水,能迅速降低地下水位,大量排除矿质化潜水,加速地下水淡化,促使土壤脱盐,且排水性能稳定,适应性强,促进作物稳产高产,是开发治理滨海低洼易涝地区行之有效的技术措施。
关于暗管排水的研究工作,在国外开始于十九世纪初,到20世纪中期己被广泛应用,主要是在工业发达的英国、丹麦、荷兰、法国、德国、澳大利亚、美国、日本等国家。
大规模发展暗管排水则是本世纪六十年代,1970年暗管占总排水面积的40%。
60年代,排水技术的一个重大突破是塑料暗管技术的发展。
和传统的瓦管及鼠道排水相比,塑料暗管具有质轻、便于机械化施工、使用寿命长、排水效果好、增产作用显著等优点。
据介绍,美国1975年新建的暗排工程中60-70%采用塑料管道。
目前,荷兰、以色列等国农田已全部采用塑料暗管排水,美国、比利时、德国等也达到60%以上,北非、西亚、南亚等一些发展中国家正在大面积推广使用。
我国暗管排水技术50年代后期首先从南方开展起来,1959年江苏昆山在城南乡江浦圩区进行瓦管排水试验取得成功。
70年代初,上海松江地区引进“鼠道”降渍措施以后,夏熟单产得到了显著提高,产量平均提高了1.0~1.5X103kg/hm2。
70年代中期,江苏无锡等地为了实现“吨粮田”,对农田水利工程提出“排、灌、降”的高标准要求,暗管排水得以逐步推广。
上海市农科院、上海市塑料研究所于1978年和1979年相继研制成功塑料管和波纹塑料管,填补了国内空白。
80年代初,我国新疆、上海等地开始采用塑料暗管降渍脱盐技术,江苏无锡也开始少量埋设。
1990年起在吴县、扬中、太仓、昆山、响水等地进行小面积实验示范。
自此,塑料暗管技术得以广泛采用,经国内14个省市的试用,经济效益较为显著。
暗管排水可有效调控地下水位,汛期当地下水接近地表时,三日内降低0.5-0.8米,达到除涝、防渍、降盐标准;
一米土体年脱盐率为27%,3-4年达到改良盐土的目的;
暗管排水还可抑制地表盐斑,改善作物生态环境,与明沟相比,具有工程量少,土地利用率高,有利于交通和田间机械化作业等优点。
4.塑料暗管排水脱盐技术
4.1管材的选择
国内外常用的暗管材料分为当地材料管和塑料管两大类。
但是由于塑料管具有重量轻、耐磨蚀、易于搬运和铺设等优点,目前在国外已经得到广泛使用,由于其价格较高,在我国还未普遍使用,只有在一些经济条件较好的地区或小面积试区铺设。
塑料暗管是用聚氯乙烯(PVC)或聚乙烯(PE)制成的有孔管道。
按管道构造型式不同分为平滑管和波纹管,由于平滑管必须开沟铺设,且接头多,运输不便,故目前使用较多的是波纹塑料管。
波纹管是以聚氯乙烯为原料,经过机械挤压、加工而成的具有节纹的透水管,它由荷兰瓦芬公司发明并首先使用。
波纹管的管壁薄、重量轻,且由于采用了节纹状构造,其抵抗土壤负荷的强度很高,同时,又增加了挠曲性,为运输和铺设带来了方便。
透水孔打在波纹的凹处,有利于水分进入,而对土粒、砂石却有一定的阻挡作用。
波纹管的排水效果好是世界公认的;
同时排盐效果也很好,且造价及铺设费用又较低,是一种良好的吸水管,值得大力推广应用。
4.2塑料暗管的埋设
塑料暗管的埋设应综合考虑植被种类、土壤特性、水文地质和气象条件等因素。
暗管的埋深、间距、管径和坡降,是设计的关键问题。
1.埋深
埋深主要决定于保证植被正常生育需要控制的地下水位及盐渍土区的临界地下水位,同时考虑必要的剩余水头。
近年来试验示范的埋深通常为80~120厘米,但不同土壤及植被的最佳埋深还需要通过大量的试验研究才能进一步明确。
2.间距
由于地区不同,土壤的透水性差异较大,因而各地区的暗管间距需根据降渍脱盐标准结合埋深确定。
3.管径
管径应保证排除设计排水量,同时又不致形成满管水流,一般适宜管径在50~100毫米。
4.坡降
坡降一般依据不产生淤积的最小流速来确定,在可能的条件下,应尽量采用地面坡降为暗管的设计坡降。
当管径等于或小于100毫米时可采用1/300~1/600。
5.滤料
滤料选择应根据当地实际情况,选用取材容易、施工方便、耐酸碱、不易腐烂、对作物无害且不污染环境的透水性材料。
4.3管理与养护
排水暗管的管理运行较为简单,但检查修复却较为困难。
因此必须十分重视对暗管排水网的管理。
埋管后应注意观察,尽快了解和掌握排水性能,定期检查地下水位与排水流量,处理好滤层的透水防御措施,防止灌溉水跑、漏、废区浑水流入检查井造成暗管淤积,出现不正常情况及时寻找原因加以处理。
三.项目主要研究内容
1.暗管排水条件下绿地水盐运动模拟
土壤中水分和盐分运动总是同时发生的,并在降水、蒸发、灌溉、排水、地下水埋深等边界条件以及农作物生长等诸多因素的影响下进行着垂直和水平方向的运动、扩散。
建立绿地土壤水分运移模型和土壤盐分运移模型,选择暗管排水条件下的土壤含水量、含盐量等作为耦合变量,在忽略水平方向水力梯度影响的假定下构成流场的绿地水盐运移模型。
1.1水分运移模型
考虑试区土壤为非均质土,非均质土体的含水量分布不连续,但基质势分布是连续的。
因而采用以基质势h为变量的Richards方程:
(3-1)
式中C(h)—比水容量(也称容水度),表示单位基质势变化时含水量的变化,
z—水流方向坐标,取坐标原点在地表,z向下为正
K(h)—土壤水力传导度(也称导水率),在饱和土壤中与渗透系数相等
t—时间变量
S(z,t)—汇源项,此处为作物根系的吸水率,受作物动态生长影响
h—土壤中的基质势或重力势,在非饱和土壤中为基质势,且h
0,饱和土壤中为重力势,满足静水压强。
在非均质土壤剖面中,总水势剖面仍连续分布,参数k(h),c(h)不仅是基质势h的函数,还受土层深度z的影响,因此将式(3-1)改写为:
其相应的定解条件如下:
Ⅰ.初始条件
当t=0时,即为初始条件,剖面上的基质势h(z,0)=h(z)已知。
为便于计算,初始状态取稳定剖面,非饱和土壤中负压值仅与点位置有关。
Ⅱ.边界条件
a.上边界条件
当t>
0时,z=0处即为上边界条件。
入渗情况下:
;
<
K0,z=0,t>
降雨情况下:
h=h0;
,z=0,t>
蒸发情况下:
式中K0—地表土壤接近饱和时的导水率
h0—地表土壤接近饱和时土壤水的负压值
—降雨强度或棵间蒸发量
b.下边界条件
排水条件下,当t>
0时,根据地下水流的流网特征,在土层某一深度处流线为水平流线。
按Hooghoudt假定,水平流线处地下水排泄量保持不变,该处即为下边界,该处到排水暗管的距离为等效深度d2。
Hooghoudt根据大厚度含水层地下水运动的这些特征,给出了排水暗管条件下大厚度含水层中等效深度d2的计算公式:
式中FH由下式计算:
式中L—排水暗管间距,(m)
H—排水暗管内水位到隔水层的距离,(m)
r—排水暗管半径
f(H,L)—与H,L有关的函数,一般可忽略不计
下边界距地表深度为:
下边界确定后,即可根据排水条件下大厚度含水层地下水运动特征,给出下边界条件:
=-1;
z=d,t>
1.2盐分运移模型
饱和-非饱和土壤中水盐运移以垂直方向为主,根据Fick定律和质量守恒原理导出盐分运动模型:
式中θ—土壤体积含水量,当处于饱和状态时,θ=θs
C—土壤溶液浓度,g/1
D—水动力弥散系数,cm2/d
q—渗透流速,cm/d
Ss—源汇项,表示单位时间内在单位体积溶质中溶质由于吸附、结晶和衰变等引起的溶质质量变化
土壤对盐分的吸附、结晶等作用表现在减弱了弥散进程,引入延迟因子Rd(Rd>
1),它相当于把弥散系数和孔隙平均流速都缩小了,使穿透曲线向后推迟。
式中n—土壤孔隙率
α—常数项。
则上式简化为:
初始时刻t=0时的土壤盐分浓度即为初始条件:
C(z,0)=C0(z)
z=0,t>
式中:
Cup=降雨的含盐浓度,其值近似为0。
与水分运移情况相似,下边界定位在下边界深度d处,此处边界外是浓度固定的地下水位,地下水矿化度为Cw,即:
C(z,t)=Cw
1.3不同绿地类型土壤水盐运动参数的确定
1土壤水分特征曲线
土壤水基质势h是土壤含水量θ的函数,两者的关系曲线称为土壤水分特征曲线。
基质势与含水量之间的关系复杂,至今尚不能从理论上得出。
因而土壤水分特征曲线都是用试验方法测定,并拟合成为经验公式,以利计算和分析。
由于土壤水存在滞后现象,同样土质和结构的土壤其吸水和脱水过程的土壤水分特征曲线是不同的。
因研究暗管排水脱盐条件下绿地土壤水分变化,因此在实验室可只做脱水情况下的土壤水分特征曲线,并在野外用张力计对低吸力的土壤水分特征曲线进行了修正。
2容水度的确定
土壤水分特征曲线的斜率称为容水度(或比水容量),是每单位的土壤基质势变化所引起的土壤含水量的变化,反映了土壤孔隙对水分的调蓄能力。
容水度随土壤水分特征曲线而变化,因为它的大小取决与土壤质地和土壤含水量。
利用拟合的土壤水分特征曲线关系式,进行求导即可得到C(h):
3导水率K(h)的确定
土壤导水率又称土壤水力传导度,指在单位水头差作用下,单位断面面积上流过的水流通量,是土壤含水量或土壤负压的函数。
反映了土壤水分在压力水头差作用下流动的性能。
根据土壤含水是否饱和分为饱和导水率和非饱和导水率。
Ⅰ.饱和导水率Ks
饱和导水率又称渗透系数,是土壤孔隙中都充满水时的导水率,此时导水率达最大值,且为常量。
饱和导水率采用单孔提水法确定。
具体方法是在选定地段用取土钻打孔到预定深度,待孔内水位稳定后,用提桶提取孔内积水,此时孔内水面迅速降至某一深度,然后逐渐回升,孔内水位回升速率的大小主要取决于孔壁周围土壤的渗透性能。
测定钻孔内水位的恢复过程,利用所记录的回升值和回升间隔时间及钻孔尺寸来推求饱和导水率Ks。
式中△h—地下水位回升值
△t—观测间隔时间
C—几何因素,按恩斯特公式计算:
式中H—钻孔进入饱和土壤的深度,m
r—钻孔半径,m
h—抽水后最大降深与t时刻的剩余降深的平均值,m
Ⅱ.非饱和导水率K(h)
在非饱和土壤中,因土壤孔隙部分充气,导水孔隙相应减少,导水率低于饱和土壤水情况,是含水量(或基质势)的函数,随土壤含水量的变化而呈非线性变化。
一般情况下,当土壤含水量接近凋萎系数时,K(h)接近0,当土壤含水量趋于饱和含水量时,K(h)接近渗透系数Ks。
由于在吸力作用下,土壤水首先从大孔隙中排除,随着吸力增加,水流仅能在小孔隙中流动。
所以土壤从饱和状态转变到非饱和状态时将引起导水率的急剧降低。
由于土壤水分特征曲线有滞后现象,所以,土壤导水率随负压的变化也存在滞后现象。
即在同一负压下,干燥过程中的导水率高于湿润过程中的导水率。
非饱和导水率可在野外用定位通量法确定。
即在试区中选定有代表性的小区,在现场埋设铝管,铝管周围间隔一定深度各埋设张力计,然后小区进行灌水,表面覆盖塑料薄膜,隔绝表土蒸发,灌水后在内排水过程中,每隔几小时分别用中子仪测定土层各处土壤含水量,同时观测相应深度处的张力计读数。
根据实测资料按下式进行拟合:
式中θs—土壤饱和含水量
4给水度的确定
给水度又称排水孔隙率,是饱和土体释放水分的一种能力。
具体计算可通过图解积分法求下图1所示阴影面积Q,由Q除以地下水变幅△h来求得给水度p,即:
式中Q一土壤剖面含水量(体积含水量)变化量
△h—地下水变幅,
图1给水度计算示意图
5腾发量的选用
由彭曼公式确定,即:
式中△—饱和水汽压与绝对温度关系曲线的斜率,
es2—观测高度zz面上的饱和水汽压(mbar)
es0—蒸发面上的水汽压(mbar)
Tz,T0—分别为观测面上和蒸发面上的绝对温度(℃)
γ—湿度计常数(mbar/C)
Ea—干燥力,即蒸发面上温度等于气温时的蒸发量(mm/d),Ea的计算有以下几种方式:
对于自由水面:
对于矮杆植物:
联合国粮农组织推荐:
式中uz一zz高度上风速(m/s)
ez一观测面上量测时的实际水汽压(mbar)
Rn一净辐射,J/(cm2·
d)
L—汽化潜热,J/g
G—增热土壤所消耗的热量,J/(cm2·
6根系吸水率
植物根系吸水率是土壤性质(包括土壤含水量)、植物水分生理特征和大气因子影响下的综合函数。
将植物生理特征反映在吸水函数内。
吸水函数可采用以下形式:
式中ET—植物蒸发、蒸腾强度,cm/d
S—根系吸水速率,d-1
z—相对深度,为实际深度与根层厚度之比,
A,B,C—经验系数,根据植被生长后期实测资料由回归分析求得。
上式适用于无盐渍化地区。
对于根系层土壤含盐情况,根系吸水率应考虑土壤含盐量的修正。
则根系吸水函数为:
式中
—由于土壤含盐而影响植物蒸腾的阻滞系数
7水动力弥散系数
Ⅰ.饱和水动力弥散系数
对于一维饱和流的纵向土壤水动力弥散系数Dsh可用垂直土柱法测定。
根据溶质运移理论,当土柱中入渗峰面没有达到出流边界且Dsh/(vz)<
0.075时,由下式可求得R和Dsh。
式中C—溶质浓度,(g/l)
C0一入渗溶液浓度
R—阻滞因子
z—距离变量,(cm)
v—孔隙平均水流速,(cm/min)
t—时间变量,(min)
erfc—余误差函数,计算公式如下:
Ⅱ.饱和水动力弥散系数
非饱和水动力弥散系数由溶质运移方程进行计算,由于土壤孔隙水平均流速很小,因此假定水动力弥散系数Dsh仅为土壤含水量的函数。
式中g(θ)—由下式计算:
2.暗管排水条件下绿地水盐模型的模拟技术路线
在搜集基本资料的基础上,应用水盐运移模型模拟各时段的土壤剖面含水量及溶液浓度,求得排水条件下绿地土壤水盐的变化过程。
水盐运移模型计算框图如图2、图3所示:
图2水分运移模型计算框图
图3盐分运移模型计算框图
2.滨海地区盐碱地排盐暗管布局的优化研究
排水暗管的埋深和间距之间有着非常密切的关系,相互影响,相互制约,共同调控地下水位。
合理地分析确定暗管埋深和间距,达到脱盐降渍要求是绿地暗管排水脱盐系统规划设计的关键。
应根据当地的气候条件、水文地质、土壤特性、盐渍化种类及程度、作物种类,综合当地的技术经济条件和已有灌排设施情况,并结合绿化和管理要求进行规划布置。
2.1暗管埋深的确定
暗管的埋深深度一般是根据绿化植物正常生长对地下水埋深的要求或防治盐碱地的需要,结合土质情况,考虑暗管埋设时的边坡稳定和施工难易等初步确定暗管埋深,再确定相应的间距。
排盐暗管的埋深通过下式计算:
D=ΔH+Δh+s
式中D一暗管埋深,m
ΔH一植物要求的地下水埋深,可根据防盐的要求及土质条件等进行确定(为防盐的临界深度),m
Δh一两暗管之间的中间点地下水埋深为△H时,中间点的地下水位与管中水位的差值,m;
s一排地下水时,排水暗管中的日常水深,一般认为是管子的外半径,m
在上式中,ΔH值对暗管埋深的影响最大,暗管排盐效果和经济合理性主要取决于△H值的合理选用。
不同种类植物要求的塑料暗管埋深不同,其中轻质土取较大值,粘质土取较小值。
2.2暗管间距的确定
1试验法
选择盐渍害成因、土壤及水文地质条件、绿化技术措施等方面有代表性的地段做为试区,设计不同埋深和间距组合,通过现场跟踪观测不同时
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- 暗管 条件下 绿地 次生 盐渍化 调控 技术 节水 技术研究