一种黑土地融雪内涝防治的田间填换方法

1.本发明属于寒区农田灾害防治领域，特别是涉及一种黑土地融雪内涝防治的田间填换方法。


背景技术：

2.多数商品粮食生产地的田间多存在大于120cm的厚冻深土层，农田表层通常覆盖大厚度的积雪，厚积雪及厚冻深土层需要大量时间才能基本融通。强不透水性的冻土层底缘消融历时长，消融雪水及冻土层融水难以下渗排出，易诱发田间内涝。而早熟单季稻的种植时期多处4、5月，未经处理过的水稻种子耐淹性弱，浸泡4-5天便不能发芽成苗。直至水稻分蘖期田间30cm范围的根系层仍为较高含水土体。若灌溉用水过量则会进一步淹涝水稻。即使耐淹品种受4天淹涝胁迫，稻谷产量也会不同程度的降低。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种黑土地融雪内涝防治的田间填换方法，以解决上述现有技术存在的问题。
4.为实现上述目的，本发明提供了一种黑土地融雪内涝防治的田间填换方法，包括：
5.获取填换棒的填换位置，确定填换棒的填换方式；
6.计算田间土体的冻结温度变化值；
7.基于所述冻结温度变化值调控生物炭棒中的生物炭掺量；
8.计算所述田间土体的等效饱和渗透系数，并基于微观原理得出孔径与所述冻结温度、所述等效饱和渗透系数的关系；
9.基于孔径与所述冻结温度、所述饱和渗透系数的关系，确定所述生物炭掺量的范围，并设计生物炭棒的填换结构。
10.可选地，获取填换棒的填换位置的过程包括：
11.对所述田间土体进行水热耦合数值分析和田间工程实测，并结合土体冻结情况，获取所述填换位置，所述填换位置贯通所述田间土体的冻土层和未冻层连接的冻结缘。
12.可选地，确定填换棒的填换方式的过程包括：基于所述田间土体的地层条件及现有工程措施，采用开挖式或非开挖式施工处理；
13.所述开挖式施工采用预先钻孔法埋入式桩进行冻结缘区土体的填换，根据填换深度，采用螺旋钻机、杆式钻机相组合，钻孔同时排土，并从钻头喷出钻进液；控制钻进速度为钻杆圆周速度的1/40～1/20，直至钻进预定土层，回转钻杆并缓慢上拔钻杆，将预制填换棒体插入孔内并锚固在棒端持力层，用钻机的装置棒压入或用锤打入，回填田间原状土；
14.所述非开挖式施工采用夯管施工法，夯管锤的冲击力直接作用于钢管的后端，通过钢管传递到前端的管鞋上切削土体，并克服土层于管体之间的摩擦力使钢管不断进入土层；待钢管全部夯入后，用压气、高压水射流或螺旋钻杆等方法将土排出，将预制填换棒体插入孔内并锚固在棒端持力层，用钻机的装置棒压入或用锤打入，回填田间原状土。
15.可选地，计算田间土体的冻结温度变化值的方法为：
[0016][0017]
其中，t0为水的冻结温度；δh为相变潜热；γ
sl
为固-液界面能；υ为孔隙介质摩尔体积；ξ为未冻水膜与孔径相对距离；s和v分别为孔隙表面积和孔隙体积。
[0018]
可选地，计算田间土体的等效饱和渗透系数的方法包括：
[0019]
田间土体的基质由连通的孔隙形成渗透通道，根据达西定律及流体力学达西公式得出饱和渗透系数与孔径关系，并基于所述田间土体的渗流速度、水力坡度、水头损失计算生物炭棒的饱和渗透系数：
[0020]
基于所述田间土体的渗透流量、等效孔隙面积、土样横截面积计算所述田间土体的饱和土体渗透系数；
[0021]
基于生物炭棒布设总面积、未布设生物炭面积、生物炭棒饱和渗透系数、田间原状土饱和渗透系数计算所述田间土体的等效垂直渗透系数；
[0022]
基于水流连续性及达西定律，将所述田间土体概化为两层土层，基于田间各土层厚度、生物炭棒布设厚度、田间各土层等效饱和渗透系数、田间及改良区饱和渗透系数计算各层损失水头及水力坡降，获得所述田间土体整体的等效饱和渗透系数。
[0023]
可选地，基于孔径与所述冻结温度、所述饱和渗透系数的关系，确定所述生物炭掺量的范围的过程包括：对不同掺量生物炭混合土样进行低温冷浴试验测定土样冻结温度，选择所述土样冻结温度低于所述田间土样的生物炭掺量作为填换材料。
[0024]
可选地，设计生物炭棒的填换结构的过程包括：设定单位面积内布设的生物炭半径，计算满足田间排水系统的生物炭棒高度，结合田间实际土层深度，设计生物炭棒的填换结构。
[0025]
可选地，计算满足田间排水系统的的生物炭棒高度的过程包括：
[0026]
基于生物炭棒饱和渗透系数、田间原状土饱和渗透系数与生物炭半径计算生物炭棒填换层的等效渗透系数；
[0027]
基于所述等效饱和渗透系数、田间原状土饱和渗透系数、生物炭棒填换层的等效渗透系数、田间实际土层深度计算生物炭棒的填换高度。
[0028]
本发明的技术效果为：
[0029]
本发明提出换填冻土层底缘土体、改良冻结缘不透性的主导防治思想。通过修筑能够缩短冻土层融期历时的排水工程系统，控制浅层土体含水不高于田间持水量，从而防止田间淹涝灾害的发生。考虑现研究表明生物炭被誉为寒区田间农田的绿色改良剂。本发明选取生物炭作为换填材料，通过试验调控、优化得出生物炭与田间土壤掺量。根据满足融期换填料的生物炭棒参数，设计出换填的生物炭棒结构尺寸。设计研发的生物炭棒换填部位的冻结温度低，能够提前形成排出融水的渗透通道。加之生物炭渗透性能好，可使换填部位自动形成的优良排水结构。基于现有工程经验及措施，将预制的生物炭棒填换至田间冻结缘位置形成排水结构，能够同时满足缩短融期历时、改善田间浅层高含水的综合效果，有效解决因融水难以下渗排出而诱发田间内涝。同时生物炭棒换填可减少田间土层冻深，有助缓解因“锅盖效应”诱发的田间冻、渍害。
附图说明
[0030]
构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
[0031]
图1为本发明实施例中的孔径与冻结温度、饱和渗透系数关系图；其中a为孔径与冻结温度的关系图，b为孔径与饱和渗透系数的关系图；
[0032]
图2为本发明实施例中的生物炭低温冷浴试验结果图；
[0033]
图3为本发明实施例中的生物炭棒填换系统水热数学模型图；
[0034]
图4为本发明实施例中的采用自由四边形网格中的“超细化”划分网格图；
[0035]
图5为本发明实施例中的监测探针选取位置图；
[0036]
图6为本发明实施例中的土壤温度分布图；
[0037]
图7为本发明实施例中的田间浅层未冻含水量变化图；
[0038]
图8为本发明实施例中的黑土地融雪内涝防治的田间填换方法流程图。
具体实施方式
[0039]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
[0040]
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
[0041]
实施例一
[0042]
如图1、图8所示，本实施例中提供一种黑土地融雪内涝防治的田间填换方法，包括：
[0043]
填换位置确定：考虑田间冻结缘是冻结层冰透镜体与未冻层的分界线，填换位置应贯通冻融层和未冻层并于冻融期在田间温度回升过程中率先融化形成渗透通道，将田间浅层积水及时排除，避免浅层土壤长期持水过高而引起作物根系缺氧腐烂。综合对田间土层进行水热耦合数值分析和田间工程实测相互印证，数值模拟分析具有可靠性，并根据东北农田土层多年冻结情况分析，得出多年平均冻深层厚度为120cm至130cm。综上，确定本系统填换位置位于距农田表层处的田间冻结缘区。
[0044]
填换方式确定：考虑进行的填换深度较深，基于田间地层条件及现有工程措施，可采用开挖式或非开挖式施工处理。开挖式施工采用预先钻孔法埋入式桩进行冻结缘区土体的填换，根据填换深度，成孔可采用螺旋钻机、杆式钻机及两者的组合，钻孔同时排土，并从钻头喷出钻进液以防止孔壁坍塌。控制钻进速度大致为钻杆圆周速度的，直至钻进预定土层，回转钻杆并缓慢上拔钻杆。将预制填换棒体插入孔内并锚固在棒端持力层，用钻机的装置棒压入或用锤轻轻打入，最后回填田间原状土。非开挖式施工采用夯管施工法，施工时，夯管锤的冲击力直接作用在钢管的后端，通过钢管传递到前端的管鞋上切削土体，并克服土层于管体之间的摩擦力使钢管不断进入土层。待钢管全部夯入后，可用压气、高压水射流或螺旋钻杆等方法将土排出，填棒方法同上。由于田间工程换填深度较浅，采用小型设备即可满足换填范围要求，以减少投资成本。
[0045]
填换材料水热特性探究：东北寒区解决内涝的途径是形成早于融期融通的渗透通
道。生物炭优良的持水、保墒的水热特性具有满足换填材料的水热潜力。同时生物炭的多孔性、吸附性强，作为渗透通道组成材料优越性好，故探究基于热力学为决定性指标进行合理的生物炭水力学设计十分必要。本专利根据微观相变潜热及水力原理，结合生物炭微观结构，综合分析生物炭的冻结温度能够满足低于田间土、且渗透系数略高于田间原状土，达到作为填换材料的指标。
[0046]
生物炭棒热力学设计原理及冻结温度优化：田间冻土层底部冻结缘土体孔隙水相变成冰，土体中过高的冰阻抗形成防渗结构难以使融水入渗。因此布设冻结缘处的生物炭棒首先应有较低的冻结(融化)温度，保证提早孔隙冰时间形成渗透通道。多孔介质若孔隙溶质相同，则冻结温度仅与孔径有关。当土体固液化学势相等、温度t＝tf时，根据相变温度理论，未冻水膜厚度相较孔隙半径忽略不计，则冻结温度降低的绝对值δtf随孔径减小而增大。
[0047][0048]
式中：t0为水的冻结温度；δh为相变潜热；γ
sl
为固-液界面能；υ为孔隙介质摩尔体积；ξ为未冻水膜与孔径相对距离；s和v分别为孔隙表面积和体积。
[0049]
由于生物炭多孔性、大比表面积特性，生物炭棒结构中孔隙含量随着生物炭掺量增多而增加，同时部分孔径相对减小、冻结温度衰减值相应增大。调控生物炭掺量，优化冻结温度热力学指标，可实现生物炭棒早于冻结缘融化的目标。
[0050]
生物炭棒水力学设计原理及饱和渗透性优化，生物炭棒渗透性需略高于田间原状土且渗透性量级差别不宜过大，形成渗透通道后才可有效排出田间融水且不引起大量田间灌溉水损失。田间深层土体多接近饱和含水，因此饱和渗透系数可作为生物炭棒水理优化指标。土体基质由连通的孔隙形成渗透通道，根据达西定律及流体力学达西公式可得出饱和渗透系数与孔径关系。单一孔隙通道渗流达西定律为：
[0051][0052]
式中：k为饱和渗透系数；v为渗流速度；j为水力坡度；hw为水头损失，由于渗流速度较慢，沿程水头损失远大于局部损失，可忽略局部水头损失；
[0053]
沿程水头损失其中d为等效孔隙直径，λ为沿程阻力系数，γ和μ分别为水的容重与粘滞系数；l为研究长度。
[0054]
饱和土体渗透系数可由连通单一孔道叠加计算：
[0055][0056]
式中：q为渗透流量；ai为第i个等效孔隙面积；a为分析土样横截面积。
[0057]
饱和渗透系数也与孔径密切相关，调整生物炭掺量可改善生物炭棒孔隙分布，从而优化生物炭棒饱和渗透性、满足生物炭棒在田间整体等效渗透作用。通过成层土的串并联等效渗透系数可计算布设生物炭棒的田间等效饱和渗透系数。，布设生物炭面积s1的冻
结缘层等效垂直渗透系数k2可由下式计算：
[0058][0059]
式中：s1为生物炭棒布设总面积；s2为未布设生物炭面积；ks为生物炭棒饱和渗透系数；k1为田间原状土饱和渗透系数。生物炭棒直径由布设面积计算得出
[0060]
根据水流连续性及达西定律，将田间概化为两层土层，计算各层损失水头及水力坡降，可得田间整体等效饱和渗透系数kv：
[0061][0062]
式中：hi为田间各土层厚度，h1和h2分别田间土体、生物炭棒布设厚度；ki为田间各土层等效饱和渗透系数，k1和k2分别田间及改良区饱和渗透系数。
[0063]
生物炭微观结构：根据微观原理得出孔径与冻结温度、饱和渗透系数关系分别如图1所示。土体孔径与饱和渗透系数之间近似满足二次关系，土体孔径越大，饱和渗透系数越大；土体孔径越小，冻结温度越低。土体孔隙半径是以横向弛豫时间t2为自变量的单值函数，t2值越大，其对应的孔径也越大。采用低场核磁共振技术测试饱和生物炭试样t2谱如图1。随生物炭掺量增大，土样t2谱线先向左移动后向右移动，对应孔径分布先减小后增大。随生物炭掺量增大，土样饱和渗透系数呈现出先降低后增大，冻结温度降低的趋势。
[0064]
从微观角度分析，生物炭掺量0～100％内总能找到合适的掺量生物炭范围，满足混合土样饱和渗透系数略高于田间原状土的同时，冻结温度低于田间原状土。在田间气温回升能提前融化形成渗透通道，排出田间浅层高于田持部分的水分量。为了精确得出适合掺量的生物炭范围，以下列出行生物炭饱和渗透系数与冻结温度的水热特性实验结果。
[0065]
换填结构设计：生物炭作为填换材料首先应满足冻结温度低于田间原状土。对不同掺量生物炭混合土样进行低温冷浴试验测定冻结温度，选择冻结温度低于田间原状土的生物炭掺量作为填换材料，结合水力学原理设计生物炭棒的填换尺寸。将田间换填后系统概化为双层土模型，上层为田间原状土层，下层为生物炭棒填换层。引入生物炭棒填换系统单元体的概念，规定单元体的面积为1m3。田间生物炭棒填换层等效渗透系数k2可由下式计算：
[0066]
k2＝πr2(k
s-k1)+k1[0067]
式中，ks为生物炭棒饱和渗透系数，k1为田间原状土饱和渗透系数，由变水头渗透实验测量，r为生物炭棒半径。
[0068]
对于各不同的工况，已知预期排水时间及浅层与其排水量，可由达西定律推算出田间整体等效饱和渗透系数kv，联立上式可确定生物炭填换高度h2：
[0069][0070]
式中，h1和h2分别田间土体、生物炭棒布设厚度。
[0071]
通过设定单位面积内布设生物炭半径r，结合变水头渗透试验测得的田间原状土与不同掺量生物炭试样饱和渗透系数，可计算出一系列满足田间排水系统的的生物炭棒高
度h2，结合田间实际土层深度，可最终设计出合理的生物炭棒填换系统结构。
[0072]
本发明提出换填冻土层底缘土体、改良冻结缘不透性的主导防治思想。通过修筑能够缩短冻土层融期历时的排水工程系统，控制浅层土体含水不高于田间持水量，从而防止田间淹涝灾害的发生。考虑现研究表明生物炭被誉为寒区田间农田的绿色改良剂。本发明选取生物炭作为换填材料，通过试验调控、优化得出生物炭与田间土壤掺量。根据满足融期换填料的生物炭棒参数，设计出换填的生物炭棒结构尺寸。设计研发的生物炭棒换填部位的冻结温度低，能够提前形成排出融水的渗透通道。加之生物炭渗透性能好，可使换填部位自动形成的优良排水结构。基于现有工程经验及措施，将预制的生物炭棒填换至田间冻结缘位置形成排水结构，能够同时满足缩短融期历时、改善田间浅层高含水的综合效果，有效解决因融水难以下渗排出而诱发田间内涝。同时生物炭棒换填可减少田间土层冻深，有助缓解因“锅盖效应”诱发的田间冻、渍害。
[0073]
实施例二
[0074]
如图2、6、7所示，本实施例中提供一种黑土地融雪内涝防治的田间填换方法的应用实验以及效果分析，包括：
[0075]
针对掺量从0～100％的混合土样，本实例根据变水头渗透实验、低温冷浴试验探究得出的饱和渗透系数、冻结温度的换填生物炭棒水热特性。表 1为不同掺量生物炭土样饱和含水率，饱和含水率随生物炭掺量增加而大幅度增加，高掺量生物炭土样饱和含水率量甚至超过自身重量。一方面是因为随着生物炭产量增加，孔径分布增大，饱和时储水量增加；另一方面因为生物炭自身结构疏松多孔，比颗粒表面积大，对水具有较强的吸附能力，因而变现为良好的持水能力。应用于本系统中既能起到排水作用，又能维持农田作物生长基本持水量。表2为生物炭变水头渗透试验结果。低掺量内，随生物炭掺量的增加，饱和渗透系数与田间原状土接近且略有降低。高掺量条件生物炭，饱和渗透系数随掺量的增加呈现上升趋势，且略高于田间原状土。20％-100％生物炭掺量饱和渗透系数略高于农田土壤，可满足本系统饱和渗透系数略高于田间原状土的要求。
[0076]
表1
[0077]
生物炭掺量0％60％70％80％90％饱和含水率23.45％63.69％73.74％77.64％91.88％
[0078]
表2
[0079]
生物炭掺量0％15％20％30％5d％75％100％渗透系数1.93e-045.83e-051.27e-042.03e-042.86e-051.33e-d48.30e-04
[0080]
表3为在上述相同条件下生物炭混合土样低温冷浴试验结果。对比冻结温度发现：生物炭掺量能明显降低土壤的冻结温度，且随生物炭掺量的增加降低效果越显著，100％生物炭冻结温度是田间原状土约2.3倍。综合理论分析及试验结果，本系统中生物炭掺量在20％-100％土样作为填换材料可同时满足水热特性要求：通过调节使用生物炭掺量来控制提前冻融形成渗透通道的时间，提前将水分排出，避免农田浅层持水量过高引起作物根系坏死。
[0081]
表3
[0082]
生物炭掺量0％20％50％75％100％
冻结温度/℃-0.05-0.11-0.13-0.30-1.16
[0083]
为验证本实施例田间排水系统效益，根据水力、热力学指标设计生物炭结构尺寸如下表4，建立生物炭棒填换系统水热数学模型模拟田间应用过程。
[0084]
表4
[0085]
预期排水时间/d生物炭棒半径/cm生物炭棒高度/cm2.225～4597.74～43.202.417～4077.50～22.922.513～4077.50～12.772.610～2030.93～8.54
[0086]
预设排水量δω＝2.00％
[0087]
温度场控制方程：
[0088][0089]
水分场控制方程：
[0090][0091]
温度场与水分场耦合方程：
[0092][0093][0094]
式中：ρi为冰密度，ρw为水的密度，l为相变潜热，t为土体温度，s 为饱和度，θu、θs、θr分别为土体未冻含水量、饱和含水率和残余含水率，bi为固液比，tf为土体冻结温度。
[0095]
由上述模型所得结构等比例建立几何模型如图3。采用自由四边形网格中的“超细化”划分网格，如图4所示。本模型主要探究浅层30cm处水分含量、生物炭棒设置处温度变化情况，因此监测探针选取位置如图5所示。
[0096]
模型初始温度与实际温度相同为t0＝-3℃。上边界温度条件采用东北沈阳2017年实际气温变化的插值函数，下边界设置为第一类边界条件 t＝2℃模拟地源热量，其余边界设置为零通量。水分场初始饱和度由上节饱和度定义公式计算得s0＝0.2，上边界条件采用插值函数模拟积雪消融后融雪渗流情况其余边界为零通量。其余主要参数如下表5所示。
[0097]
表5
[0098][0099]
如图8为不同生物炭掺量系统土壤温度随时间变化图。使用生物炭填换系统在填换部位同期内温度低于未使用的，但实际温度达到生物炭棒冻结温度，已形成渗透通道。且
随生物炭掺量的增加，形成渗透通道的时间越早，使用50％的系统比未使用系统提前融化约5天左右，使用100％的提前融化20天左右，是使用50％系统效果的4倍。
[0100]
未使用本系统前，田间上覆积雪层消融渗流使田间持水量长期维持在 16％以上，高于作物正常生长所需最高田间持水量15％，使用后相同时段内田间上部持水降低4％以上，基本符合作物播种后所需田间持水量，且使用 100％系统降低效果是使用50％系统的2倍。
[0101]
综上，采用生物炭棒填换系统能够提现形成渗透通道，降低田间持水量，进而防治农田涝害渍害，且使用生物炭掺量越高体系统的优越性越显著。
[0102]
本实施例基于生物炭棒改良的黑土地融雪内涝防治的田间填换工程系统，根据涝害防治的问题所在确定填换位置位于田间冻结缘处，并根据填换深度参考工程实际中考虑田间实地采用预先钻孔法埋入式桩法或夯管施工法，通过调整生物炭棒生物炭掺量，优化生物炭棒的饱和渗透性、低温冻结温度水热两方面特性。以热力参数为决定指标，根据水力计算设计出生物炭棒结构参数。利用低冻结温度、略高田间土体渗透系数的生物炭棒形成融期穿透冻土层底部的排水通道。基于田间土体基本参数结合comsol 数值模拟验证，得出符合预期的生物炭棒填换工程系统。
[0103]
通过水热耦合数值模拟分析及工程实测确定填换位置，通过试验验证生物炭同时满足水热特性，根据comsol数值模拟分析不同工况下的效益以验证可行性，优化填换方案，通过工程措施将优化后的生物炭棒结构布设冻土层底部，使生物炭棒早于冻土层底部其他位置融化；同时利用生物炭棒的渗透性形成穿通不透水冻结缘的渗透通道，缩短温升期融水下渗排出历时。举例应用生物炭棒降低土壤容重1.42的每平方米根系层1％的单位含水。通过忽略冻结影响的预期排水时间反算田间改良区饱和渗透系数范围；结合原状土、生物炭棒的饱和渗透系数，可最终计算求得生物炭棒结构参数。纯生物炭棒水热改良效果最为显著，根据预期排水时间与选择设置的生物炭棒半径不同，可确定纯生物炭棒较为合理规格范围，见表6。
[0104]
表6
[0105]
预期排水时间(d)生物炭棒半径(cm)生物炭棒高度(cm)2.430-4530.90-20.702.520-4530.10-11.612.610-3530.39-4.31
[0106]
以上所述，仅为本技术较佳的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。