新型雨水集蓄利用技術的旱地改水田灌排系統

汪 躍 宏(浙江省杭州市富陽區水利水電局，浙江 富陽 311400)

土地資源同水資源一樣，都是人類活動必不可少又極其有限的自然資源。近些年來，中國在加速工業化和城市化的進程中，損壞和侵占耕地的情況屢屢發生。人口增長也作為土地利用和覆蓋變化的主要驅動力，和經濟增長一起導致了森林砍伐、耕地占用以及生物多樣性的損害[1]。據統計，從1996年到2006年間，中國耕地面積從1.30億hm2減少到1.22億hm2，已逼近1.20億hm2的紅線，人均耕地面積不足世界的40%[2]。而且，東部沿海經濟發達地區“人多耕地少”的用地矛盾尤為嚴重[3]。以浙江省為例，2000-2008年間，浙江省耕地變化劇烈，耕地主要流向城鄉工礦居民用地。非農人口比例，房地產開發投資、城市綠化面積和果園面積成為浙江省乃至整個東部發達地區耕地減少的主要驅動力[4]。盡管國家出臺的“耕地占補平衡”政策的實施在一定程度上保證了耕地面積在數量上的動態平衡，但補充的耕地多為坡耕地，與占用的耕地之間缺乏針對性比較，質量難以保證。分析表明，補充耕地不能達到被占耕地糧食生產能力的主要原因是補充耕地一般為分散的坡耕地，水土流失較嚴重，保肥性差，沒有可靠的灌溉系統。

盡管中國通過“坡改梯”綜合整治工程正在加緊改造水土流失嚴重的坡耕地，而且采用工程技術進行坡改梯后，土壤經營和管理趨于科學化，土壤質量向良性方向發展[5]，但由于缺少可靠穩定的灌溉系統，糧食產量仍舊不能得到保證，且很多改造的坡耕地只能用來種植果林。正是基于以上這些問題，本文提出了一種新型的基于雨水集蓄循環利用技術的旱地改水田灌溉系統，并在浙江省丘陵緩坡地上進行了試驗研究。結果顯示，經過該方案改造的坡耕地可達到與平原耕地幾乎相同的糧食生產力，遠遠優于一般的梯田工程。

1 系統結構及工作原理

1.1 試驗區域

試驗田位于浙江省富陽市新登鎮長蘭村的丘陵緩坡地上(東經119°40′29″，北緯30°01′05″，海拔81 m)，處于亞熱帶季風性濕潤氣候區，一年中有兩個明顯雨期和兩個相對干期，降雨年變化呈雙峰型。該區多年平均降雨量為1 461 mm，多年平均氣溫16.9 ℃，多年平均日照時數為1 666.9 h，多年平均蒸發量為1 263 mm，適宜作物生長發育。

1.2 系統結構

新型旱地改水田灌溉系統主要由種植區(耕作層，也是集雨面)、蓄水池、沉砂池以及灌溉排水系統構成(圖1)。

1-蓄水池；2-電磁閥；3-排水渠；4-孔蓋；5-水泵；6-沉砂池； 7-出水管Ⅱ；8-溢水口；9-截滲膜層；10-空心磚層；11-灌溉水管；12-種植區； 13-細砂層；14-土壤層；15-多孔出水管Ⅰ；16-控制開關；17-外部電腦； 18-農機入口；19-水位感應器；20-混凝土底板；21-鋼筋混凝土蓋板圖1 新型旱地改水田灌溉系統Fig.1 Layout diagram of new reformed slope farmland system

種植區底部及四周鋪設截滲膜層，即采用三面防滲處理；底部截滲膜層上鋪設細砂層和土壤層，四周田埂的截滲膜層內側設置空心磚層。種植區一側截滲膜及空心磚層上固定設置電磁閥，電磁閥上連接多孔出水管Ⅰ，多孔出水管Ⅰ一端伸入砂層中導水或向種植區供水，另一端伸入蓄水池內為蓄水池供水。種植區位于蓄水池土方的一側田埂上設置溢水口，溢水口通過出水管Ⅱ為蓄水池供水。

新型旱地改水田灌溉系統的蓄水池位于種植區的地表下方，內設水泵，水泵上連接灌溉水管，灌溉水管的另一端伸入種植區中為種植區供水。種植區的截滲膜層上連接設置水位控制器，水位控制器連接控制開關，控制開關連接電磁閥和水泵(所選水泵為交流或直流微型潛水泵)。電磁閥與水泵由設置在種植區中的水位控制器控制，水位控制器由外部電腦信號控制。蓄水池為封閉的腔體結構，蓄水池超過種植區的一端上設有工作孔，工作孔中設有孔蓋。蓄水池頂部與排水渠/管道相連。蓄水池的內壁設置截滲膜。

1.3 工作原理

新型旱地改水田灌溉系統是一種小尺度的水文循環，其對水循環的影響主要體現在兩個方面：第一個方面是截斷了土壤的滲漏，田面不再產生深層滲漏，無論是在作物生長季節，還是在作物非生育期，田間水分消耗的唯一途徑就是田間蒸發蒸騰，包括作物生長季節的植株蒸騰和棵間蒸發，作物非生育期的田面蒸發。第二個方面，田間水分匯流的過程有兩個，一是從田面通過溢水口進入蓄水池，二是從底部通過多孔排水管Ⅰ進入蓄水池(當蓄水池蓄滿時，多余水量外排)。

(1)當發生降水時，扣除蒸發蒸騰外，主要分為3個部分，即地表出流、土壤出流和蓄存在耕作田的水量，如圖1所示。

(2)當天然降水較大時，田間水位超過作物各生育階段允許最高蓄水深度且達到地表水匯入口(溢水口)高程時，產生地表出流，并通過出水管Ⅱ流入蓄水池；當田間水位超過作物各生育階段允許最高蓄水位深度、但并未達到地表水匯入口(溢水口)高程時，水分可以通過砂層中的多孔排水管Ⅰ進入蓄水池，即產生土壤出流，水分可通過土壤入滲和空心磚通道兩種途徑進入砂層中的多孔排水管排出耕作層。水分運輸途徑如圖2所示。

1-水層；2-土層；3-砂層；4-防滲膜；5-多孔排水管；6-空心磚層圖2 多孔排水管排水過程示意圖Fig.2 The drainage process on perforated outlet pipe

(3)蓄存在田間的水量(指天然降水和灌溉水量，扣除蒸發蒸騰和地表出流之后的水量)在重力作用下向下層土壤中按照入滲強度緩慢入滲，并引起土壤含水層蓄水量的變化。當下層土壤飽和時，由于耕作層底部鋪設了防滲膜，雨水入滲強度為0。

(4)蓄存在土壤中的水分排出途徑有兩個：一是產生毛管上升水，補充地表水和淺層土壤水分不足；二是通過砂層中的多孔排水管Ⅰ排入蓄水池。

(5)蓄水池中的水體(超過蓄水池蓄水能力的水量排入天然河道)和砂層蓄含的水用作灌溉水源。

(6)當田間水層消耗到作物適宜含水率或水層下限時，啟動水泵，通過灌溉系統抽取蓄水池集蓄的雨水向種植區田塊供水。

2 蓄水池容積與試驗田灌溉保證率分析

新型旱地改水田灌溉系統關鍵技術之一是蓄水池容積優選。試點工程的試驗田種植作物為單季稻，品種為甬優12號，故本次容積優選以滿足當地典型單季稻灌溉需水為原則。其容積優選需滿足兩個基本要求，即：①滿足設計灌溉保證率要求；②滿足容積最小(造價最低)要求。蓄水池水量計算基于水稻生育期灌排模擬和兩個水量平衡(種植區田間水量平衡和蓄水池水量平衡)進行聯合調蓄計算。

調蓄計算分為非水稻生育期調蓄計算和水稻生育期調蓄計算兩部分。在不種植水稻期間，田面無需建立水層，采用Hydrus-1D模型進行田塊土壤水分動態及降雨后地表排水進入蓄水池的逐日調節計算，此時不考慮從蓄水池抽水灌溉。水稻生育期間，田面建立水層，需要從蓄水池抽水灌溉，此時，利用Penman-Monteith公式逐日計算作物需水量，在設定的蓄水池初始蓄水量的基礎上，利用水量平衡進行調蓄計算。非水稻生育期主要考慮從3月1日到單季稻生育期開始這一時段，并假設3月1日田塊土壤表層初始含水量為田間持水量，蓄水池初始蓄水量為死庫容。

經調蓄計算，利用此技術改造的坡耕地不同蓄水池容積的灌溉保證率如圖3所示。

圖3 不同灌溉保證率下的蓄水池容積Fig.3 Reservoir volumes under different irrigation reliability rate

根據國土資源部出臺的《高標準基本農田建設規范(試行)》要求濕潤地區和水資源豐富地區在地面灌溉條件下種植作物為水稻時灌溉保證率不得低于80%。因此，當蓄水池容積V=114 m3(對應灌溉保證率為80%)時，即可滿足要求。隨蓄水池容積的增大，灌溉保證率提高，但提高的幅度逐漸減小，當V=120 m3時的灌溉保證率達到82.46%；V=150 m3的灌溉保證率可達到89.47%，蓄水池容積V>180 m3時，灌溉保證率隨蓄水池容積的進一步提高的潛力已不大。

3 系統實施效果分析

選取與試驗田地理位置較近且同在丘陵緩坡區的浙江省永康灌溉試驗站的試驗田(以下簡稱對比田)結果進行對比分析。與對比田比較可知(表1)，本系統試驗田(簡稱試驗田)水稻日均需水量在各生育階段均略小。這可能是因為試驗田耕作層四周由于田埂的存在減小了風速對水稻蒸發蒸騰的影響。總體來看，其水稻日均需水量變化規律一致。

測產結果(表2)表明：種植甬優12號水稻品種情況下，試驗田的產量略低于對比田，實測產量低5.9%。但是考慮到試驗田水稻鮮谷含水量較對比田低，折算后干物質產量僅比對比田低0.4%。這充分說明，新型旱地改水田灌溉系統完全具備與成熟水稻田相同的糧食生產能力。

表2 試驗田和對比田水稻產量及構成對比結果(品種：甬優12號)Tab.2 The comparison between test field and contrast field on rice yields and composition

新型旱地改水田灌溉系統通過循環利用雨水，徹底改變了傳統稻田灌溉排水方式，水稻生育期內向系統外部排水極少，因此，連帶隨水遷移的N、P等養分物質也實現了蓄水池和耕作田的循環利用。根據試驗觀測和計算所得的試驗田和對比田的農業面源污染排放情況見表3。水稻生育期內試驗田僅向 系統外排水一次，發生在2012年6月23日，排水量為379.5m3/hm2，而對比田外排6次，排水量為2854.5m3/hm2，試驗田排水量減少86.6%，降雨利用率提高30%，達到95.4%。試驗田CODcr排放量為7798.5g/hm2，比對比田減排86.3%；試驗田TN排放量為577.5kg/hm2，比對比田減排87.9%；試驗田TP排放量為57g/hm2，比對比田減排74.3%。從排水量和面源污染排放量上可以看出，新型旱地改水田灌溉系統能有效減少稻田排放量，從而大大降低了各種面源污染物的排放量。

表3 試驗田和對比田農業面源污染排放量Tab.3 The comparison between test field and contrast field on agricultural non-point pollution emission amount

4 結 語

本研究提出并建立了基于雨水集蓄循環利用技術的旱地改水田灌溉系統。系統通過“降水-田面集水-蓄水池蓄水-灌溉供水”過程實現了雨水資源的高效循環利用，從而解決了坡耕旱地與其他遠離灌溉水源的分散農田的灌溉問題，為提高旱地改水田灌溉的綜合生產能力提供了有效途徑。

(1)新型旱地改水田灌溉系統與常規農田相比，單季水稻灌溉定額減少100 m3/畝，相當于具有犁底層的成熟水稻田整個生育期的滲漏量，這說明采用防滲技術的新型旱地改水田灌溉系統節水性能優越。

(2)試驗田水稻實際產量僅比對比田低0.4%，說明新型旱地改水田灌溉系統具備與常規水稻田相同的糧食生產能力。

(3)新型旱地改水田灌溉系統在排水量和面源污染排放量都遠小于常規稻田，節肥減排綜合效益顯著。

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[3] 楊桂山. 長江三角洲近50年耕地數量變化的過程與驅動機制研究[J]. 自然資源學報,2001,(2):121-127.

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