Page 6 - 水利学报2021年第52卷第11期

地表径流，并影响地表侵蚀及污染物的排放过程，改进型暗排（带砾石暗管、砾石鼠道）的排水性能
更好。Holden 等 ［11］ 针对芬兰南部短期强降雨增加、土壤透水性弱的特点，研究了浅埋深常规鼠道及
砾石鼠道（鼠道内充填 0.2 m 高的砾石）的排水性能，发现浅埋鼠道可以加速雨水入渗、减缓地下水位
上 升 ， 其 中 砾 石 鼠 道 对 降 雨 的 反 应 能 力 最 快 ， 排 水 开 始 时 间 早 ， 排 水 总 量 大 。 Melesse 等 ［12］ 采 用
WEPP 模型对美国 Le Sueur 流域不同暗管排水流量和耕作措施条件下暗管排水对地表侵蚀率影响进行
了模拟评价，结果表明，暗管排水在加大地表水入渗、减少地表径流的同时也影响土壤侵蚀过程。
Okwany 等 ［13］ 在孟加拉国库尔纳县研究了暗管埋深为 30 cm、间距为 8 m 的浅层暗管排水性能，结果表
明浅层暗管排水有利于减轻季风性降雨危害，增加作物产量，冬季向日葵种植时间可提前 1.5 个月。
Tao 等 ［14］ 通过田间试验，研究了分层砂石反滤体、混合砂石反滤体、卵石反滤体和秸秆反滤体 4 种介
质的改进暗排排水效果，发现改进暗排排水流量明显大于常规暗排，改进暗排可以大大提高暗管排
水能力。
与中埋和深埋相比，浅埋暗管可以缩短地表积水入渗情况下的排水渗径，加快地表积水入渗速
度的作用明显，且浅埋暗管施工成本较低廉，但由于受埋藏深度浅的制约，即使在出口处呈自由出
流的情况下，其排水流量也有限，不能满足除涝前期快速排降地表积水的要求。关于如何在保持浅
埋暗管优势条件下，增强其辅助明沟排除地表积水的能力方面此前尚未见有所报道，本文分析了暗
管排水工作原理及其影响因素，提出在不增加浅埋暗管成本基础上提高排水流量的方法，并通过室
内砂槽试验进行了验证，该研究成果可为涝渍灾害易发地区建设高效除涝降渍减灾工程提供新途径。

2 暗管排水理论及影响因素分析

暗管所依据的工作原理，是渗流理论中关于流量和水头（水位）的关系要服从达西定律和伯努里
定律。根据达西定律，恒定运动情况下地表积水入渗条件的常规暗管排水单长排水渗流量的理论公
式为 ［15］ ：
K (H - H )
Q = qL = d （1）
Φ
式中：K 为排水地段含水层的平均渗透系数，m/d；q 为非均匀积水入渗补给的平均强度，m/d；L 为
相邻两平行暗管之间的距离，m；H-H 为作用水头，即田面积水层表面高程 H 与出流部位水流表面
d
水位高程 H 之差，m。在自由出流情况下，H-H =h +ΔH，h 为暗管埋深，m，ΔH 为田面积水层深
d
d
d
d
度，m；Φ为排水地段的渗流阻抗系数，由排水地段的各项几何参数确定，反映暗管周边水流受空间
的约束，流束急剧收缩，而产生局部水头损失，其通用式为Φ=F（h ，d，L，T），其中 d 为暗管直
d
径，m，T 为含水层平均厚度，m，即不透水层表面至地面的距离。
不同研究者推出的具体表达式结构形式各不相同，位吉尼可夫（以下简称位氏）和努美罗夫（以下
简称努氏）给出如下Φ的计算式。
当含水层较厚时，即 L≤2T，渗流阻抗系数Φ可表示为：
位氏：

æ π(h - r ) ö 1 2
d
ç th 0 ÷
Φ = 1 arth ç ç L ÷ ÷ （2）
π ç ç π(h + r ÷ ) ÷
ç th d 0 ÷
è L ø
努氏：
π(h - r )
d
th L 0
Φ = 1 arth （3）
π πh d
th
L
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