基于优先流特征引导渗流的排水暗管装置的制备方法与流程

本发明属于农田排水技术领域，具体涉及一种基于优先流特征引导渗流的排水暗管装置的制备方法。

背景技术：

农田暗管排水技术是土地排水、防止灌溉土地盐碱化和改造中低产田的有效措施。与明沟排水相比，暗管排水具有排水效果好、有效控制地下水位、节省土地、减少维护费用等特点。

随着暗管铺设方法和排水材料的改进，该技术已经取得了显著进展。由于挖沟铺管机械的发展，波纹塑料排水管已得到广泛应用。波纹塑料管具有重量轻、运输和铺设中损耗小、耐腐蚀、整体性好、施工方便、易保证施工质量等特点，特别适合于采用挖沟铺管机等先进施工技术，铺设效率很高。

现有技术中存在的主要问题和缺陷包括：

农田现行的暗管排水技术与理论主要基于土壤饱和流条件下的排水和淋洗功能。在工程设计中，通常假设暗管埋设于地下水位的临界值以下。但是农田当中的地下水位受气象、水文和灌排因素的影响，在年际和月际之间常处于波动状态。当地下水位埋深在暗管以下或暗管上部剩余水头不足时，会导致暗管处于非饱和状态。对于一些采用滴灌的灌区，土壤湿润深度较浅，也很难促使暗管上部形成饱和区域，从而导致按照传统理论设计的暗管排水工程出现暗管排水困难，甚至不排水的问题。

暗管排水管道结构(包括暗管和滤层)和排水系统规格(埋深、间距)是影响农田暗管排水效果的主要因素。设计合理的管道排水结构才能保证暗管排水管道保持较好的水利性能，才能保证排水系统规划设计参数(埋深、间距)的准确性和合理性。本项目通过试验发现：在土壤水饱和状态下和非饱和状态下，管道排水结构对暗管排水效率影响很大。传统排水结构在土壤水饱和状态下能正常排水；而非饱和状态下，非饱和土壤水会在暗管周围形成扰流而难以排入暗管，甚至不排入暗管，从而使暗管排水功能降低或失去排水功能。除此以外，传统暗管排水结构没有考虑土壤中的滞留气体对暗管排水过程的影响，对暗管排水效率有一定影响。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述问题和缺陷，本发明提供了一种基于优先流特征引导渗流的排水暗管装置的制备方法，目的在于提供一种能够抑制非饱和土壤水在暗管周围的扰流、促进土壤排气、引导土壤水流进入暗管的排水装置；该装置工艺简单、原材料易获取、生产成本低，能满足暗管在农田灌溉不同时期的暗管排水需求。

为此，本发明采用了以下技术方案：

一种基于优先流特征引导渗流的排水暗管装置的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，制作排水暗管；

步骤二，制作不出地排气管；

步骤三，制作出地排气管；

步骤四，分别连接排水暗管和不出地排气管、出地排气管；

步骤五，制作排水暗管上部的滤层。

优选地，步骤一中，将pvc多孔波纹管的外周包裹上透水工业无纺布作为过滤层，在排水暗管上每隔3-5米间距打上安装孔，用于连接不出地排气管。

优选地，步骤二中，不出地排气管采用upvc管材，埋深40厘米处至三通连接处开孔，沿着排水暗管每隔3-5米设置；不出地排气管的顶部通过排气管堵头堵住；不出地排气管顶部埋深大于作物耕作层深度5-10cm且大于机械耕作深度。机械耕作深度通常不大于40cm。

进一步地，所述不出地排气管的开孔率为15-20％，孔径3-6毫米；在不出地排气管的管道外壁包裹上透水工业无纺布。

优选地，步骤三中，出地排气管采用upvc管材，伸出地表10厘米，沿着排水暗管每隔100-200米铺设；出地排气管的顶部通过排气管堵头堵住；所述出地排气管的管道在排气管堵头以下2厘米处设置有一圈出气孔，在出地排气管埋深40厘米处至三通连接处开孔。

进一步地，所述出地排气管的开孔率为15-20％，孔径3-6毫米；在出地排气管的管道外壁包裹上透水工业无纺布。

优选地，步骤四中，所述不出地排气管、出地排气管与排水暗管之间均通过三通连接。

优选地，步骤五中，所述排水暗管上部的滤层包括三种，分别是第一滤层、第二滤层和第三滤层，所述第一滤层和第二滤层铺设在排水暗管周围，所述第三滤层铺设在不出地排气管和出地排气管的管道周围。

进一步地，所述第一滤层的滤料粒径为2-5毫米，厚度为5-10厘米；所述第二滤层的滤料粒径为6-10毫米，第二滤层位于第一滤层的上方；所述第三滤层的滤料粒径为1-3厘米，厚度为5-10厘米。

进一步地，以排水暗管的中心轴线与边壁交点为起点，向上45°斜铺5-10厘米的第一滤层，再在第一滤层上方铺设第二滤层，第二滤层的高度以与两侧的第一滤层的高度在水平方向一致为准，并夯实第二滤层。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明原材料易获取，工艺简单，生产成本低。

(2)传统暗管结构在土壤非饱和状态下不能排水，利用本发明生产出来的暗管排水装置，能使暗管在非饱和土壤中实现排水。

(3)传统暗管结构未考虑土壤中滞留气体对入渗过程的影响，导致土壤水入渗到一定深度，入渗速度很慢，影响暗管排水效率。本发明设置的排气管为土壤中的气体提供运移通道，可加速土壤水向暗管的运移速度。

(4)利用本发明方法制造的暗管排水结构，可在暗管上部滤层中形成漏斗流和壤中流等优先流，引导土壤水流入暗管；同时考虑到土壤中气体对入渗过程的影响，暗管上部安装的排气管提高了暗管效率。

附图说明

图1是本发明新型滤层结构的工作原理示意图。

图2是本发明所提供一种基于优先流特征引导渗流的排水暗管装置的结构示意图。

图3是排水暗管连接不出地排气管的结构示意图。

图4是排水暗管连接出地排气管的结构示意图。

图5是排水暗管与不出地排气管的连接示意图。

图6是排水暗管与出地排气管的连接示意图。

附图标记说明：1、排水暗管；2、不出地排气管；3、排气管堵头；4、第一滤层；5、第二滤层；6、第三滤层；7、出地排气管；8、三通。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，其中的具体实施例以及说明仅用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

本发明公开了一种基于优先流特征引导渗流的排水暗管装置的制备方法，包括以下工艺步骤：

(1)排水暗管1的制作：将pvc多孔波纹管的外周包裹上透水工业无纺布和10cm厚度；

(2)不出地排气管2的制作：不出地排气管2采用upvc管材，埋深40cm处至三通连接处开孔。开孔率为15-20％，孔径3-6mm。在管道外壁包裹上透水率较高的工业无纺布，在无纺布外层包裹厚度5-10cm，粒径1-2cm的滤料作为过滤层；

(3)出地排气管7的制作：出地排气管7采用upvc管材，伸出地表10cm。在排气管堵头3以下2cm处设置一排出气孔；在出地排气管7埋深40cm处至三通连接处开孔。开孔率为15-20％，孔径3-6mm。在管道外壁包裹上透水率较高的工业无纺布，在无纺布外层包裹厚度5-10cm，粒径1-2cm的滤料作为过滤层；

(4)排水暗管1和排气管的连接：沿着排水暗管1长度方向上，每隔3-5米，设置一道排气管，排水暗管1与排气管道的连接用三通8进行粘接；

(5)排水暗管1上部滤层的制作：排水暗管1滤层主要有两种滤料，其中第一滤层4滤料粒径应为2-5mm，厚度10cm；第二滤层5滤料粒径应为6-8mm时能形成较好的漏斗流效果。

本发明工作原理：

传统暗管排水工作原理是土壤水在重力势和压力势的作用下排入暗管。在非饱和土壤当中，土壤水主要受基质势和气压势的作用，重力势和压力势非常小，土壤水往往在滤层中形成指流并绕流到暗管底部，很难主动流入暗管。为了抑制指流快速运移到暗管底部，可以改变滤层结构，将滤层结构设计成层状漏斗型，在不同滤层之间可以形成漏斗流，滤层与土壤之间形成壤中流，这两种流态都是优先流的流态形式，具有横向流的特征，能够抑制指流的垂向运动，引导土壤水流向暗管。如图1所示。

另外，在入渗过程中，非饱和土壤孔隙中的气体会从土壤表面逸出或被土壤水不断的排到湿润锋以下。当湿润锋未达到暗管之前，附近的气体积聚到一定程度，将会抑制土壤水的入渗速度，降低土壤水向暗管排入的速度，影响暗管排水效率。而在土壤和滤层之间，由于空气在不同多孔介质里的运移速度不同，导致气体在滤层上部积聚，影响土壤水通过滤层排入暗管。因此，在暗管上部设置一道排气管，将有利于土壤中气体的排出，加速土壤水向暗管汇集的速度，有利于暗管排水。出地排气管更有利于土壤排气，但是会影响农田机械耕作。为了减少出地排气管对农田机械耕作的影响，设置不出地排气排气管与暗管连接，增加土壤内部的管道内的排气容积，然后通过出地排气管将不出地排气管和排水暗管管道内的气体集中排出。如图2、图3和图4所示。

其中，暗管与排气管道的连接，通过三通来进行连接，如图5和图6所示。

漏斗流和壤中流理论的理论国外研究较多，国内研究较少，技术应用范围更是有限，目前在我国主要应用于黄土窑洞的防渗设计、垃圾掩埋场和危险废物场所的的掩盖，但是因为应用条件和目的不同，导致相关理论和技术并不具有通用性，也就不能应用于暗管排水工程。国内外关于滞留气体对土壤水入渗影响，理论研究成果较多，但是在工程中应用中较少。

本发明就是根据优先流中指流、漏斗流、壤中流的不同流态特点及非饱和土壤中气体的运移特点，设计的一种新型暗管排水结构的制备方法。利用该方法制造的暗管排水结构，可避免传统滤层结构中扰流的显著影响，并在暗管上部滤层中形成漏斗流和壤中流，引导土壤水流入暗管；同时考虑到土壤中气体对入渗过程的影响，暗管上部安装的排气管提高暗管效率。

实施例

参照图2—图6，为本发明实施例中获得的产品结构示意图，本实施例是一种基于优先流特征引导渗流的排水暗管装置的制备方法，包括以下工艺步骤：

(1)排水暗管1的制作：将pvc多孔波纹管的四周包裹上透水工业无纺布作为过滤层，在排水暗管1上每隔3-5m间距打上安装孔用来连接排气管；

(2)不出地排气管2的制作安装：不出地排气管2采用upvc管材，埋深40cm处至三通连接处开孔，沿着排水暗管1每隔3-5米设置。该排气管开孔率为15-20％，孔径3-6mm。在管道外壁包裹上透水率较高的工业无纺布，在无纺布外层包裹厚度5-10cm，粒径1-2cm的滤料作为过滤层；

(3)出地排气管7的制作：出地排气管7采用upvc管材，伸出地表10cm，沿着排水暗管1每隔100-200米铺设。该管道在排气管堵头3以下2cm处设置一圈排气孔，排气孔间距3-5cm，孔径3-6mm；在排气管埋深40cm处至三通连接处开孔。开孔率为15-20％，孔径3-6mm。在管道外壁包裹上透水率较高的工业无纺布，在无纺布外层包裹厚度5-10cm，粒径1-2cm的滤料作为过滤层；

(4)排水暗管1和排气管的连接：沿着排水暗管1长度方向上，每隔3-5米，设置一道不出地排气管2，排水暗管1与排气管道的连接用三通8进行粘接；

(5)滤层的铺设：在排水暗管1安装位置，开挖铺设滤层的基槽，将滤层按照图3和图4中铺装顺序和铺装角度进行填压夯实。

基于优先流特征引导渗流的排水暗管装置，其整体结构包括排水暗管1，所述排水暗管1上按照每隔3-5米的间距设置一个不出地排气管2；排气管顶用排气管堵头3将排气管末端堵住；所述排水暗管1上按照每隔100-200米的间距设置一根出地排气管7，该排气管顶用排气管堵头3将排气管末端堵住；排水暗管1与不出地排气管2、出地排气管7之间均通过三通8来连接；上述排气管均包裹工业无纺布和5-10cm厚、1-3cm粒径的第三滤层6；以排水暗管1中心轴线与暗管边壁交点为起点，向上45°斜铺5-10cm第一滤层4，再在所述第一滤层4上铺设第二滤层5并夯实。

2019年3月至2019年11月，在石河子大学水利建筑工程学院做了本发明的实验验证。相同埋深、土质以及灌水量条件下，与传统暗管排水结构的排水效果相比较，本发明的排水效果较好。在灌水量同为56.7升、暗管埋深60cm的条件下，本发明能将19.21％的灌水量排出；而传统的排水暗管始终没有排出水来，排水率为0％。

本发明的暗管滤层主要有三种滤层。其中，第一滤层4和第二滤层5主要铺设在排水暗管1周围；第三滤层6铺设在排气管道周围。第一滤层4滤料粒径应为2-5mm，厚度10cm；第二滤层5滤料粒径应为6-10mm时能形成较好的漏斗流效果，厚度按照图3和图4中铺设角度铺设。第三滤层6粒径可选用1-3cm的粗滤料，厚度10cm。

本发明的排气管为upvc管材，也可选与暗管管径一致的波纹管。在排水暗管1和排气管周围都要设置一透水无纺布，以避免细粒土壤进入管道。

排气管和暗管的接头可以用三通来连接。

与现有技术相比，本发明就是根据优先流中指流、漏斗流、壤中流的不同流态特点及非饱和土壤中气体的运移特点，设计的一种新型暗管排水结构的制备方法。利用该方法制造的暗管排水结构，可在暗管上部滤层中形成漏斗流和壤中流等优先流，引导土壤水流入暗管；同时考虑到土壤中气体对入渗过程的影响，暗管上部安装的排气管提高了暗管效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围之内所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。