淮北農作物生長適宜地下水位與調控技術措施體系研究

顧雨田 劉 猛

淮北農作物生長適宜地下水位與調控技術措施體系研究

顧雨田 劉 猛

一、區域概況

安徽省淮北平原地區地勢平坦，耕地率高，地表水資源攔蓄能力不足，地下水資源相對豐富。農業供水水源以淺層地下水為主，城市生活和工業用水目前主要依賴中深層地下水。本區多年平均降水量為868mm，多年平均地表水資源量為68.5億m3，地表水可利用量為28.5億m3；多年平均地下水資源量為68.9億m3，多年平均地下水可開采量為36.2億m3。2010年，沿淮淮北地區供用水總量81.3億m3，其中，地表水、地下水和其他水源供水量分別占總供水量的73.1%、26.7%和0.3%；農業灌溉、林牧漁業、工業、城鎮公共、居民生活和生態環境用水分別 占 49.9% 、3.6% 、33.3% 、1.6% 、10.8%和0.7%。本區以全省約20%的水資源量，支撐了全省約50%的耕地和約43%人口的用水需求，水資源問題特別是地下水開發利用問題在淮河流域平原地區具有代表性和典型性。

淮北平原淺層地下水直接接受大氣降水和地表水入滲補給，地下水位動態變化與水文氣象關系密切，對降水反應靈敏，豐枯年型和季節性變化明顯。根據安徽淮北平原區180個淺層地下水長觀井的資料分析，多年平均淺層地下水區域平均埋深值為2.48m，最淺埋深值為1.02m，最深埋深值為4.26m，變幅為3.24m，絕大多數站點在4.0m以淺；枯水年淺層地下水平均埋深為4.26m，豐水年淺層地下水平均埋深一般都在1.0m以淺。淺層地下水采補周期平均2.6年，大部分是1～2年，個別時段采補周期較長，超過5.5年。大氣降水入滲補給量占淺層地下水總補給量的85%以上。

二、典型作物適宜地下水位實驗研究

地下水埋深較淺，地下水位過高，土壤經常處于飽和狀態，土壤含氧量少，造成作物根系老化，葉片早衰而減產。地下水位過低，不利于作物吸收地下水，易產生干旱，若不適時灌水，就會影響產量。對于作物來說，地下水位控制不合理會影響產量。因此，在淮河平原區，合理地控制地下水位可以起到改善作物生態環境，協調水、肥、氣、熱狀況，促進作物的生長發育，提高作物產量的作用。

在地下水淺埋區，大氣水、植物水、土壤水和潛水一起構成一個完整的農田水分系統。已有的研究成果表明，潛水對SPAC（土壤—植物—大氣）系統的作用是不可低估的。土壤水動態變化和地下水動態變化是相互作用、相互影響的，土壤水分狀況會誘發作物從形態到生理許多方面的反應，可影響到作物生育全過程和各個方面；同時，作物生育狀況會改變自身水分消耗，反過來影響到土壤水分狀況。因此，潛水的存在必將會影響作物的生長發育過程。

根據五道溝實驗站作物適宜地下水埋深專項實驗成果，對比分析大田作物產量與地下水埋深關系調查成果，得出作物生長的適宜地下水埋深。

1.主要作物生長實驗

實驗站測筒農作物產量與地下水埋深關系實驗結果如下：

（1）小麥

結合五道溝小麥根系下扎觀測實驗與作物生長控制地下水埋深實驗，從作物根系的發育過程來看，冬小麥根系在整個生育過程中呈現出快—慢—快—慢的增長趨勢，播種至出苗前和拔節后至灌漿這段時期屬于較快的生長階段，結合蒸滲儀測筒實驗小麥長勢觀察，砂礓黑土中，播種至苗期，地下水埋深宜控制在0.4m以內，然后適宜地下水埋深逐漸下移，以0.5～0.8m為宜，拔節期后，地下水埋深宜控制在0.8～1.5m，較為有利于小麥對水分的吸收。黃潮土比砂礓黑土適宜地下水埋深平均下移0.4～0.6m，適宜地下水埋深為1.2～1.6m。

（2）大豆

根系的生長大致經歷4個時期：砂礓黑土中，播種后20天以內，根系干重增長緩慢，長度增至0.2m左右，播種后1～2個月，根系干重呈指數增長，根長從0.2m增至1.3m；播種后2～2.5個月，根系干重的增長由快變慢，維持在1.4m以內。從根系的發育過程來看，大豆分枝后，地下水埋深控制在0.8～1.2m，利于大豆吸收水分。黃潮土平均比砂礓黑土適宜地下水埋深下移0.4～0.8m，適宜地下水埋深為1.2～1.8m。

（3）玉米

砂礓黑土土壤，玉米根系的生長過程呈現慢—快—慢的增長趨勢，根系最長可達2.07m。由于玉米的根系吸水多集中在上層，因此從根系的生長過程來看，地下水埋深控制在0.8～1.2m，最利于玉米的生長。黃潮土比砂礓黑土適宜地下水埋深平均下移0.5～1.0m，適宜地下水埋深為1.3～1.6m。

2.大田作物產量與地下水埋深關系調查分析

（1）固鎮實驗區

根據淮北平原中南部的固鎮縣新馬橋鎮韋店鄉實驗區調查資料（1962～1987系列），統計分析歷年小麥和大豆單產與其生長期對應的月平均地下水埋深關系，采用滑動平均值法剔除產量增長的品種、施肥、植保等方面影響，得到豐產年增產量與生長期平均地下水埋深的相關關系，可以找到最大增產區間對應的適宜地下水埋深區間。固鎮實驗區小麥生長期（10月～次年5月）適宜地下水埋深范圍為0.9～1.3m；同樣地，大豆生長期（6～9月）適宜地下水埋深范圍為0.8～1.2m。

（2）臨泉實驗區

選取淮北平原西部臨泉縣為分析對象，通過對1979～2004系列調查資料統計分析，繪制歷年小麥、大豆和玉米單產與對應的地下水埋深關系圖，可以得到臨泉實驗區小麥生長期（10月～次年5月）適宜地下水埋深范圍1.5～2.5m左右，大豆生長期（6～9月）適宜地下水埋深范圍1.5～3.0m左右，玉米生長期（6～9月）適宜地下水埋深范圍1.5～2.0m左右。

三、農田控制排水試驗研究

1.大田原型觀測試驗

為了研究農田控制排水的工程技術措施及效果，安徽省（水利部淮委）水利科學研究院在淮北平原建立A、B兩處大田原型試驗區，開展了連續多年的觀測試驗研究。

試驗區A：總面積160km2，4條排水干溝，其中3條建有節制閘、滾水壩，1條為無控制工程對照區。試驗區B：流域面積58km2，有排水干溝1條，建有滾水壩。

試驗區地形平坦，土壤為砂姜黑土，種植的農作物主要有小麥、玉米、大豆、棉花等旱作物。農田灌溉主要利用淺層地下水進行井灌，干溝沿岸部分農田提取干溝蓄水進行灌溉。農田排水是典型的以干溝為單元的排水系統。

試驗區觀測試驗內容主要是各干溝控制工程在蓄水、排澇過程中對其控制區域內農田排水、降水徑流及地下水位變化所產生的影響，分析有無控制工程和不同控制工程型式（節制閘、滾水壩）對農田地下水位和地下水資源調蓄量的調節作用與效果。

2.控制工程對地下水位變化的影響

排水干溝控制工程主要有閘和壩兩種型式。如果控制工程為閘，可以通過閘的控制運用，調節干溝排水和蓄水功能；如果控制工程為壩，關鍵是在不影響干溝控制范圍排漬標準的前提下合理擬定壩頂蓄水高程。

A、B兩處試驗區觀測資料表明：有控制工程干溝的水位平均要高于同期無控制工程干溝水位0.87～1.5m，最大達1.78～2.55m，年均為1.2～1.4m。A試驗區，汛期平均水位差為0.75m，非汛期平均水位差為0.91m。2007～2008年，A試驗區滾水壩抬高干溝水位0.43～0.47m，節制閘抬高水位1.66～2.17m。2010～2011年，A試驗區節制閘抬高干溝水位值1.29～2.13m。

控制工程上下游水位動態變化與降雨關系密切。在降雨、蒸發及開發利用等綜合因素的作用下，蓄水位發生動態變化，常常在年內形成多次蓄泄變化。一般來說，汛期水位高于非汛期水位，非汛期的上下游水位差常常大于汛期，控制工程在非汛期對地下水的抬升幅度大于汛期，這正是控制工程調蓄的結果，說明控制工程確實能夠起到調節降雨徑流時程分配的作用。在不同的水文年，豐水年對地下水位抬升相對較小，這是因為降雨相對較多，地下水位處于較高狀態，且常常升至地表，產生徑流。

3.控制工程對地下水資源的調控

控制工程對水資源的調蓄包括直接攔蓄的降雨徑流和抬高地下水位增加的地下水資源量兩個方面。控制工程年調蓄水量按工程上下游年平均水位差計算的年均調蓄水量與調蓄次數的乘積計算，調蓄次數根據實測水位動態變化及降雨、灌溉等情況分析確定。B試驗區，年調蓄水量11.2萬～17.9萬m3，偏旱年調蓄水量小于偏豐年份，這主要是因為豐水年復蓄次數高，多年平均復蓄水量15.6萬m3，單位面積年調蓄水量為0.9萬m3/km2。A試驗區，滾水壩年調蓄水量19.0萬～20.8萬m3，節制閘年調蓄水量73.4萬～95.9萬m3，折合單位面積調蓄水量0.8萬～1.4萬m3/km2。

控制工程對地下水資源的調蓄量，按非汛期抬高地下水位最大值所增加的土壤蓄水量進行計算。B試驗區滾水壩年調蓄地下水量33.1萬～74.6萬m3，多年平均51.4萬m3，單位面積調蓄的地下水量約為2.0萬m3/km2；A試驗區滾水壩和節制閘平均年調蓄地下水資源量分別為30萬m3和76萬m3，單位面積調蓄地下水資源量分別為1.5萬m3/km2和 3.7 萬 m3/km2。

四、淺層地下水調控技術措施體系

淮北平原在以往的水旱災害防治實踐中，重視排水除澇，忽視蓄水灌溉，排水干溝普遍缺乏控制工程，地下水排水過度，地表徑流大量流失。利用排水干溝及其控制工程，調節淺層地下水位，充分有效利用農田水資源，需要建立由“工程設施、監測系統、管理制度”三大體系有機組合的農田地下水調控技術措施體系，其運行模式可以概括為“深溝瀝水、筑壩蓄水、建閘控制、聯合調節、監測預報、適時調度”。根據區域大氣降水與水文循環規律、土壤物理特性、補給排泄特點，按照“排、蓄、補、灌”多種功能綜合一體的溝網化模式，合理布局農田溝渠、閘、壩等蓄排工程體系，科學確定關鍵工程參數；配套建設完善的監控系統，對地下水位動態變化實時監測、評估、預報；根據不同季節作物生長適宜地下水埋深，合理調度工程運行，做到“排水有效、蓄補方便、引水通暢、灌溉靈活”，實現農田地下水位的精準調控，達到旱澇均衡治理的目標。

1.控制工程型式及控制蓄水位

淮北平原干溝控制工程主要有節制閘和滾水壩兩種型式，修建最多的是節制閘，其中包括在干溝、小型河道出口處修建的防洪閘；其次是滾水壩（包括混凝土壩、橡膠壩、土壩），從蓄水和排水的效果看，節制閘均優于滾水壩。工程實踐中，往往聯合修建和運用。采用壩為控制工程時，為了既不影響排水，又能有效增加地表徑流攔蓄量，可適當抬高壩頂高程并在壩上設置簡易放水口。無論閘、壩單獨運用或聯合運用，均可有效攔蓄降雨徑流，抬高地下水位，增加地下水資源量。

根據試驗研究成果，結合淮北平原地區降雨與地下水位埋深關系成果和多年控制工程運用實踐，在降水較少的淮北平原北部和西北部地區，閘前控制水位在地面以下1.0m左右為宜，滾水壩壩頂高程應位于地面以下1.2～1.5m；在中部地區，閘、壩蓄水位分別低于田面1.2m和2.0m；在南部和沿淮地區，閘前蓄水位低于田面1.5～2.5m比較合適；閘、壩蓄排水位都應能夠控制農田地下水位處于作物生長適宜的地下水埋深區間。

2.控制運用及管理技術

控制工程能否合理利用，是解決蓄水與排水矛盾、排水是否及時有效、蓄水效益能否充分發揮的關鍵。

對于控制工程為閘的，應在汛前預泄干溝蓄水，汛末及非汛期攔蓄雨水，同時，根據控制區種植的作物種類，在不影響排水的前提下，盡可能多蓄水，以供作物關鍵需水期灌溉用水，如6月上旬玉米、大豆等夏季作物的播種用水，10月下旬小麥播種用水等。節制閘的運用技術相對比較復雜，應視閘的功能、農田地下水位狀況、種植的作物種類、土壤屬性和集水面積情況，擬定運用規則。一般來說，汛期開閘放水，非汛期關閘蓄水。

滾水壩的運用管理技術主要是加強在運行過程中農田排水效果監測。滾水壩加簡易放水口工程型式的控制運用，應做到適時打開放水口預降蓄水和地下水位，及時封堵放水口蓄水。適時打開放水口，應結合天氣預報，盡量在汛前預排干溝蓄水、降低地下水位；及時蓄水，應在汛末及時封堵放水口，攔蓄地表徑流。在汛期可結合天氣預報進行放水口的控制運用，以增加蓄水效益

（作者單位：中水淮河規劃設計研究有限公司 230000安徽省（水利部淮河水利委員會）水利科學研究院 233000）