本發(fā)明涉及土壤改良技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種農(nóng)田非飽和條件下的暗管排水裝置以及鋪設(shè)方法。

背景技術(shù)：

新疆鹽堿地農(nóng)田使用多年滴灌后，土壤中的鹽分易在下部根系層(40～60cm)濕潤峰處積累，導(dǎo)致次生鹽漬化的風(fēng)險增加，嚴重影響農(nóng)田可持續(xù)利用。如何排除長期滴灌農(nóng)田作物根區(qū)附近累積的鹽分，成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展敕待解決的重要問題。

在土壤改良工程技術(shù)中，暗管以其占地面積小、施工方便、快捷等優(yōu)勢，被應(yīng)用于滴灌鹽堿地改良中。但傳統(tǒng)的暗管技術(shù)主要將暗管埋設(shè)于地下水以下，用以排除埋深較淺的地下水，抑制農(nóng)田土壤鹽分積累。對于地下水位埋深較大、地表鹽分含量較高的滴灌農(nóng)田，有學(xué)者、農(nóng)田管理者提出將暗管埋設(shè)于60cm以下的非飽和根系層土壤中，以有效排走40～60cm土層累積的鹽分。但滴灌農(nóng)田暗管位于60cm以下時，土壤多處于非飽和狀態(tài)，采用傳統(tǒng)暗管排水形式，常出現(xiàn)土壤水繞過暗管，在暗管底部積聚，難以排入暗管的現(xiàn)象。究其原因，與暗管濾層結(jié)構(gòu)及其運行條件密切相關(guān)。

現(xiàn)有技術(shù)中提供的排水裝置的濾層結(jié)構(gòu)如圖1所示，暗管3埋在土壤1內(nèi)，過濾砂層2完全包裹在暗管3的外側(cè)。該排水裝置位于地下水面時，可充分利用地下水產(chǎn)生的壓力勢和中砂墊層進氣值低，導(dǎo)水性強的特點，促進暗管排水。而在非飽和條件下，暗管周圍的非飽和土壤水壓強小于大氣壓，不具備排出暗管的能態(tài)梯度，所以出現(xiàn)暗管繞流的現(xiàn)象?；诖朔治?，本發(fā)明設(shè)計了一種新型暗管排水裝置以改善非飽和土條件下暗管周圍土壤水分布，促進暗管排水，提高排水效率，為暗管排水工程發(fā)揮其功能提供新的途徑。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種農(nóng)田非飽和條件下的暗管排水裝置以及鋪設(shè)方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中土壤水分在非飽和狀態(tài)下水難以排入暗管的問題。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種農(nóng)田非飽和條件下的暗管排水裝置，排水裝置包括：暗管，暗管水平設(shè)置在土壤內(nèi)，暗管上具有排水孔；過濾砂層，設(shè)置在土壤內(nèi)，過濾砂層部分包裹暗管，且過濾砂層位于暗管的上方。

進一步地，過濾砂層包括第一過濾砂層，暗管以暗管的軸線分為上管壁和下管壁，第一過濾砂層包裹在暗管的上管壁。

進一步地，過濾砂層還包括第二過濾砂層，第二過濾砂層由頂端至底端傾斜設(shè)置在土壤內(nèi)，第二過濾砂層的底端與第一過濾砂層連接，第二過濾砂層為漏斗型，第二過濾砂層的開口較大的一側(cè)朝遠離暗管的一側(cè)設(shè)置，第二過濾砂層的開口較小的一側(cè)與第一過濾砂層連接。

進一步地，第一過濾砂層的厚度和/或第二過濾砂層的厚度為5至8cm，第二過濾砂層與水平面的夾角在30°至60°之間。

進一步地，排水裝置還包括：土壤分界層，水平設(shè)置在土壤內(nèi)，土壤分界層用于將土壤分為容重不同的第一土壤層和第二土壤層，第一土壤層的容重小于第二土壤層等容重，暗管以及過濾砂層均位于第二土壤層內(nèi)，第二過濾砂層的頂端與土壤分界層連接。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種暗管排水裝置的鋪設(shè)方法，鋪設(shè)方法包括：將暗管水平鋪設(shè)在土壤內(nèi)；將過濾砂層部分包裹在暗管上，且過濾砂層位于暗管的上方。

進一步地，過濾砂層包括第一過濾砂層，將過濾砂層部分包裹在暗管上，具體包括：將第一過濾砂層水平設(shè)置在土壤內(nèi)，且第一過濾砂層部分包裹在暗管上。

進一步地，過濾砂層還包括第二過濾砂層，將第一過濾砂層水平設(shè)置在土壤內(nèi)后，將第二過濾砂層傾斜設(shè)置在土壤內(nèi)，且第二過濾砂層的底端與第一過濾砂層連接。

進一步地，在將暗管水平鋪設(shè)在土壤內(nèi)之前，鋪設(shè)方法還包括：將預(yù)設(shè)深度土壤分為第一土壤層和第二土壤層，第一土壤層的深度小于第二土壤層的深度；對第一土壤層進行翻耕，以使第二土壤層的容重大于第一土壤層的容重，暗管和過濾砂層均位于第二土壤層內(nèi)。

進一步地，預(yù)設(shè)深度的土壤的容重在1.2g/cm³至1.35g/cm³范圍內(nèi)。

應(yīng)用本發(fā)明的技術(shù)方案，將暗管埋在土壤內(nèi)，將過濾砂層部分包裹在暗管上且位于暗管的上方。當(dāng)暗管周圍土壤整體處于非飽和狀態(tài)時，土壤水要脫離土壤孔隙而進入排水暗管時需要克服較大的基質(zhì)吸力和進氣值。通過在暗管上部設(shè)置過濾砂層，由于過濾砂層與土壤的導(dǎo)水率存在差異，土壤中的水容易匯集在過濾砂層，并通過過濾砂層引流至暗管處，如此可保證排水的正常進行。并且，在該裝置中，將過濾砂層部分包裹在暗管上，且位于暗管上方，這樣能夠保證水匯集在暗管上方，使暗管上方產(chǎn)生局部飽和區(qū)域，迫使水分通過暗管上留有的排水孔進入暗管內(nèi)，進而能夠提高暗管的排水效率。

附圖說明

構(gòu)成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中：

圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)中暗管排水裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2示出了本發(fā)明提供的暗管排水裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

其中，上述附圖包括以下附圖標記：

1、土壤層；2、過濾砂層；3、暗管；10、暗管；20、過濾砂層；21、第一過濾砂層；22、第二過濾砂層；30、土壤分界層。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。以下對至少一個示例性實施例的描述實際上僅僅是說明性的，決不作為對本發(fā)明及其應(yīng)用或使用的任何限制?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

如圖2所示，本發(fā)明實施例提供了一種農(nóng)田非飽和條件下的暗管排水裝置，該排水裝置包括暗管10和過濾砂層20。其中，暗管10水平設(shè)置在土壤內(nèi)，暗管10上具有排水孔，土壤中的水分通過排水孔進入暗管10內(nèi)，并通過暗管10將水分排出，進而能夠?qū)⑺兴柠}堿帶出土壤。過濾砂層20設(shè)置在土壤內(nèi)，將過濾砂層20部分包裹在暗管10上，并且過濾砂層20位于暗管10的上方。具體的，暗管10的開孔率設(shè)置在15％以上，以保證暗管10的排水率。

應(yīng)用本實施例提供的排水裝置，將暗管10埋在土壤內(nèi)，將過濾砂層20部分包裹在暗管10上且位于暗管10的上方。當(dāng)暗管10周圍土壤整體處于非飽和狀態(tài)時，土壤水要脫離土壤孔隙而進入排水暗管時需要克服較大的基質(zhì)吸力和進氣值。通過在暗管10上部設(shè)置過濾砂層20，由于過濾砂層20與土壤的導(dǎo)水率存在差異，土壤中的水容易匯集在過濾砂層20，并通過過濾砂層20引流至暗管10處，如此可保證排水的正常進行。

在本實施例中，若將過濾砂層20完全包裹在暗管10上，則會使水分受重力和過濾砂層20的作用聚集在暗管10的底部，使水分無法進入暗管10內(nèi)，進而會影響暗管10排水。因此，在該裝置中，將過濾砂層20部分包裹在暗管10上，且位于暗管10上方，如此能夠保證水匯集在暗管10上方，使暗管10上方產(chǎn)生局部飽和區(qū)域，迫使水分通過暗管10上留有的排水孔進入暗管10內(nèi)，如此能夠提高暗管的排水效率。

具體的，該過濾砂層20包括第一過濾砂層21，暗管10以暗管10的軸線分為上管壁和下管壁，第一過濾砂層21包裹在暗管10的上管壁上。通過將第一過濾砂層21包裹在暗管10的上半管壁上，利用砂層與土壤的入滲性能差異，形成毛細屏障，進而能夠使土壤水最大限度匯集在暗管10的上方，然后土壤水利用在暗管10上半管壁上的排水孔進入暗管10內(nèi)。通過將第一過濾砂層21包裹在暗管10的上半管壁上，能夠最大限度利用暗管10的排水面積，提高了暗管10的排水效率。

其中，為了保證第一過濾砂層21的匯集土壤水的能力，該第一過濾砂層21的厚度在5至8cm之間。

如圖2所示，在本發(fā)明提供的實施例中，該過濾砂層20還包括第二過濾砂層22，第二過濾砂層22頂端至底端傾斜設(shè)置在土壤內(nèi)，第二過濾砂層22的底端與第一過濾砂層21連接。通過將第二過濾砂層22傾斜設(shè)置在土壤內(nèi)，能夠增加第二過濾砂層22與土壤層的接觸面積，提高第二過濾砂層22匯集土壤水的能力。

具體的，在本實施例中，該第二過濾砂層22為漏斗型，第二過濾砂層22的開口較大的一側(cè)朝遠離暗管10的一側(cè)設(shè)置，第二過濾砂層22的開口較小的一側(cè)與第一過濾砂層21連接。通過將第二過濾砂層22設(shè)置為漏斗型，如此能夠增加過濾砂層20與土壤的接觸面積，提高匯集土壤水的能力，保證土壤水在非飽和狀態(tài)下，依舊能夠?qū)⑼寥浪畯耐寥乐忻撾x并匯集至第一過濾砂層21，然后通過第一過濾砂層21進入暗管10內(nèi)。

其中，為了保證第二過濾砂層22的匯集土壤水的能力，將第二過濾砂層22的厚度設(shè)置在5至8cm。并且，可以將第二過濾砂層22與水平面的夾角θ設(shè)置在30°至60°的范圍內(nèi)，以兼顧暗管埋深、管溝開挖寬度、鋪設(shè)施工難度以及排水效率等因素。

在本實施例中，該排水裝置還包括土壤分界層30，土壤分界層30水平設(shè)置在土壤內(nèi)，通過土壤分界層30以將土壤分為容重不同的第一土壤層和第二土壤層。具體的，該第一土壤層的容重小于第二土壤層等容重，暗管10以及過濾砂層20均位于第二土壤層內(nèi)。

具體地，將第一土壤層的容重設(shè)置在1.2g/cm³至1.35g/cm³范圍內(nèi)。以在保證農(nóng)作物正常生長的同時提高土壤的入滲特性。

通過設(shè)置土壤分界層30將土壤分層后，第一土壤層的容重小，大孔隙較多，使得第一土壤層的滲透速率大；第二土壤層的容重大，大孔隙較少，使得第二土壤層的滲透速率小。由于上下兩層土壤的滲透速率不一致，第二土壤層將對第一土壤層水分向下傳導(dǎo)起到抑制作用，在土壤分界層30處會更容易積聚水分，進而能夠進一步提高過濾砂層20的引流效率。

具體的，該排水裝置還包括透水無紡布，將透水無紡布纏繞在暗管10上，利用透水無紡布防止暗管10的排水孔封堵，可降低裝置成本，并且能夠便于工作人員進行操作。

為了驗證該排水裝置的排水效果，將現(xiàn)有技術(shù)中的排水裝置與本發(fā)明實施例提供的暗管排水裝置進行對比。

試驗用土為農(nóng)場天然鹽堿土，土壤所含鹽分類型以硫酸鹽為主，初始含鹽量為1.7％-1.9％，為中鹽漬土。實驗分2個處理，T1為現(xiàn)有技術(shù)中的暗管排水裝置，如圖1所示，暗管1埋在土壤1內(nèi)，過濾砂層全部包裹在暗管3的周圍；T2為本發(fā)明實施例提供的暗管排水裝置，暗管10上設(shè)置有第一過濾砂層21和第二過濾砂層22。試驗中的排水裝置均設(shè)置在60cm深處。本試驗從灌水量、排水量、排鹽量、達到穩(wěn)定排水所需歷時、單位時間脫鹽效率五方面進行對比，實驗效果如下表1：

表1.不同處理下暗管排水效果對比

從表1可以看出暗管發(fā)揮排水作用所需歷時，T1>T2；暗管發(fā)揮排水作用所需灌水量T1>T2；暗管穩(wěn)定流量值，T2>T1；排出水鹽總量，T2>T1；暗管排水效果綜合評價來看，T2>T1。從上述數(shù)據(jù)得知，本發(fā)明提供的排水裝置排水速率塊，排鹽效率高，排水持續(xù)性高。

因為各處理淋洗時間不同，還須從單位時間含鹽量相對變化率來分析土壤脫鹽狀況。如表2所示：

表2.含鹽量沿深度方向上的變化率(％)

根據(jù)表2可以看出：在0-40cm以上，各處理脫鹽效率依次是T2>T1。T2處理單位時間脫鹽效率接近于T1處理的兩倍，T2處理脫鹽效率優(yōu)于T1處理。在40cm-50cm處，T2處理有微弱的脫鹽現(xiàn)象，T1處理開始積鹽。在50cm以下，各處理均出現(xiàn)積鹽現(xiàn)象，積鹽速率是T1>T2。雖然T2積鹽速率小于T1，但差異不顯著，這與改進后的濾層鋪設(shè)方式有關(guān)。T2處理中的暗管均為管內(nèi)上部排水，管內(nèi)下部排水微弱。因此，對暗管底部土層中的鹽分分布影響較小，導(dǎo)致暗管以下土壤積鹽速率接近。但整體來講，T2脫鹽效率優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)。從上述試驗數(shù)據(jù)中可以看出，在暗管10上方同時設(shè)置第一過濾砂層21和第二過濾砂層22的排水效果最好。

現(xiàn)有技術(shù)中采用通過過濾砂層全包圍暗管的結(jié)構(gòu)形式，在土壤水處于飽和狀態(tài)時，暗管周圍濾層及土壤在重力勢和壓力勢作用下很快飽和，土壤水無滯后效應(yīng)，可充分利用地下水產(chǎn)生的壓力勢和中砂墊層進氣值低，導(dǎo)水性強的特點，能夠促進暗管排水。但在暗管周圍土體整體處于非飽和狀態(tài)時，中砂墊層的水分滯后效應(yīng)顯著，土壤水要脫離毛管孔隙而進入排水暗管時需要克服較大的基質(zhì)吸力和進氣值，如沒有特殊處理，暗管周圍的土壤水很容易繞流到暗管底部，而無法進入暗管，使暗管失去吸聚水分的能力，從而導(dǎo)致暗管排水很困難。而通過本發(fā)明中采用只在暗管上半部設(shè)置過濾砂層的方式，利用第二過濾砂層與粘壤土之間的導(dǎo)水率差異，減緩?fù)寥浪虬倒艿撞康睦@流速率，控制水分繞流現(xiàn)象，使暗管上部產(chǎn)生局部飽和區(qū)，進而能夠迫使土壤水分進入暗管，提高暗管排水效率。如此可解決土壤水在非飽和條件下傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)無法排水的問題。

在本發(fā)明的又一實施例中，提供了一種排水裝置的鋪設(shè)方法，該鋪設(shè)方法包括：

步驟一，將暗管水平鋪設(shè)在土壤內(nèi)；

步驟二，將過濾砂層部分包裹在暗管上，且過濾砂層位于暗管的上方。

將暗管埋在土壤內(nèi)，將過濾砂層部分包裹在暗管上且位于暗管的上方。當(dāng)暗管周圍土壤整體處于非飽和狀態(tài)時，土壤水要脫離土壤孔隙而進入排水暗管時需要克服較大的基質(zhì)吸力和進氣值。通過在暗管上部設(shè)置過濾砂層，由于過濾砂層與土壤的導(dǎo)水率存在差異，土壤中的水容易匯集在過濾砂層，并通過過濾砂層引流至暗管處，如此可保證排水的正常進行。

在本實施例中，該過濾砂層包括第一過濾砂層，將過濾砂層部分包裹在暗管上的步驟具體包括：將第一過濾砂層水平設(shè)置在土壤內(nèi)，且第一過濾砂層部分包裹在暗管上。具體的，可在暗管上鋪設(shè)5至8cm的第一過濾砂層，以保證第一過濾砂層能夠匯集土壤中的水分。

在本實施例中，該過濾砂層還包括第二過濾砂層，將第一過濾砂層水平設(shè)置在土壤內(nèi)后，將第二過濾砂層傾斜設(shè)置在土壤內(nèi)，且第二過濾砂層的底端與第一過濾砂層連接。具體的，將第二過濾砂層頂端至底端傾斜設(shè)置在土壤內(nèi)，第二過濾砂層的底端與第一過濾砂層連接。通過將第二過濾砂層傾斜設(shè)置在土壤內(nèi)，能夠增加第二過濾砂層與土壤層的接觸面積，提高第二過濾砂層匯集土壤水的能力。

具體的，在本實施例中，該第二過濾砂層為漏斗型，第二過濾砂層的開口較大的一側(cè)朝遠離暗管的一側(cè)設(shè)置，第二過濾砂層的開口較小的一側(cè)與第一過濾砂層連接。通過將第二過濾砂層設(shè)置為漏斗型，如此能夠增加過濾砂層與土壤的接觸面積，提高匯集土壤水的能力，保證土壤水在非飽和狀態(tài)下，依舊能夠?qū)⑼寥浪畯耐寥乐忻撾x并匯集至第一過濾砂層，然后通過第一過濾砂層進入暗管內(nèi)。

其中，為了保證第二過濾砂層的匯集土壤水的能力，將第二過濾砂層的厚度設(shè)置在5至8cm。

在本實施例中，在將暗管水平鋪設(shè)在土壤內(nèi)之前，該鋪設(shè)方法還包括：對預(yù)設(shè)深度的土壤進行翻耕，以使大于預(yù)設(shè)深度的土壤的容重大于預(yù)設(shè)深度土壤的容重，暗管和過濾砂層均位于大于預(yù)設(shè)深度的土壤內(nèi)。在本實施例中，對于預(yù)設(shè)深度在60cm范圍內(nèi)的土壤進行翻耕，并將暗管埋在70cm至90cm處。

具體的，將預(yù)設(shè)深度的土壤的容重設(shè)置在1.2g/cm³至1.35g/cm³范圍內(nèi)。

將土壤分層后，預(yù)設(shè)深度的容重小，大孔隙較多，使得預(yù)設(shè)深度土壤層的滲透速率大；預(yù)設(shè)深度以下的土壤層的容重大，大孔隙較少，使得預(yù)設(shè)深度以下土壤層的滲透速率小。由于上下兩層土壤的滲透速率不一致，預(yù)設(shè)深度以下土壤層將對預(yù)設(shè)深度土壤層水分向下傳導(dǎo)起到抑制作用，在土壤分界層處會更容易積聚水分，進而能夠進一步提高過濾砂層的引流效率。

通過采用本實施例提供的排水裝置的鋪設(shè)方法，能夠在土壤水處于非飽和狀態(tài)時，依然能夠?qū)⑼寥浪畢R集在暗管處，并從暗管內(nèi)排出，保證暗管排水的正常進行，并且通過設(shè)置第一過濾砂層和第二過濾砂層能夠進一步提高砂層的引流效果，從而能夠提高暗管的排水效率。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。