安徽淮北地區(qū)土壤控制排水實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

許一 許承娟

摘要：該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)擬在安徽省淮北地區(qū)砂礓黑土區(qū)域，通過(guò)設(shè)置控制性試驗(yàn)進(jìn)行分析研究，確定控制排水程度與排水水分消退和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)流失之間函數(shù)關(guān)系，建立相應(yīng)軟件模型識(shí)別控制排水程度對(duì)排水過(guò)程和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)流失的機(jī)理，進(jìn)而定量化得出控制排水在調(diào)節(jié)農(nóng)田水分，減少營(yíng)養(yǎng)物流失具體影響效果。

關(guān)鍵詞：淮北地區(qū);控制排水;實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：S213.9???? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1概述

澇漬害是世界上許多國(guó)家的重大農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害，我國(guó)有3027萬(wàn)hm²耕地受澇漬威脅。淮北地區(qū)易澇（漬）區(qū)占該區(qū)總耕地總面積83.1%。目前現(xiàn)有的排水工程，主要通過(guò)60年代開展的大規(guī)模排水實(shí)驗(yàn)為基本研究手段，確定了合理的排灌系統(tǒng)。

農(nóng)田排水可以排除過(guò)多的地表水?加大滲漏強(qiáng)度?降低過(guò)高的地下水位，但農(nóng)田排出的澇水?dāng)y帶的化肥?農(nóng)藥及其他污染物，通過(guò)排水系統(tǒng)進(jìn)入地表和地下水體，成為農(nóng)業(yè)面源污染的重要途徑之一，加重了對(duì)水環(huán)境的面源污染，也降低了水資源的利用率，農(nóng)田排水研究的重心已從曾經(jīng)純粹保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，逐漸轉(zhuǎn)變到兼顧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)雙重目標(biāo)階段。人們逐步認(rèn)識(shí)到了這一點(diǎn)，從而開始關(guān)注排水的控制問(wèn)題。自20世紀(jì)70年代控制排水技術(shù)問(wèn)世以來(lái)，已經(jīng)在美國(guó)?荷蘭?日本本等國(guó)家得到廣泛的應(yīng)用，被認(rèn)為是最好的水管理技術(shù)之一。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)也開展了控制排水實(shí)驗(yàn)，殷國(guó)璽在南方稻田應(yīng)用不同工程與生物措施控制地表排水，羅紈在寧夏銀南灌區(qū)稻田控制排水對(duì)排水量及鹽分影響的試驗(yàn)研究，王友貞等大溝控制排水對(duì)地下水水位影響研究，以上實(shí)驗(yàn)均發(fā)現(xiàn)，控制排水有調(diào)節(jié)農(nóng)田水分，減少營(yíng)養(yǎng)物流失，節(jié)約灌溉用水，增加雨水資源利用等多重目的。

淮北地區(qū)砂姜黑土區(qū)作為安徽省傳統(tǒng)的旱作區(qū)，午季以小麥為主，秋季以大豆?玉米等旱作為主，旱作物耐澇耐漬性能很弱，也是皖北地區(qū)容易出現(xiàn)澇漬的一個(gè)原因。目前該區(qū)均采用單一的明溝排水，主要是通過(guò)修建三級(jí)排水溝，局部低洼地采用4級(jí)，由調(diào)節(jié)田間水分循環(huán)的田間排水系統(tǒng)?擔(dān)負(fù)澇漬水輸送的骨干排水系統(tǒng)組成。其標(biāo)準(zhǔn)僅能抗御3?5年一遇降雨，而治漬工程僅為試驗(yàn)性工程，沒(méi)有與澇漬兼治連續(xù)控制結(jié)合在一起。本區(qū)通常采用的單一明溝排水，基本上達(dá)到了排澇要求，但距雨后3日內(nèi)將地下水降至0.5的防漬標(biāo)準(zhǔn)還相差較大，若要達(dá)到防漬要求，必須通過(guò)加密或加深排水溝，才能滿足以上要求。同時(shí)砂姜黑土的地下水降低1m時(shí)，潛水蒸發(fā)量接近于零，說(shuō)明此時(shí)地下水對(duì)耕層的補(bǔ)給接近停止，因此對(duì)砂姜黑土的排水不宜過(guò)甚，一般控制在1-1.5米為宜，做到排蓄結(jié)合。此外由于農(nóng)田排水能非點(diǎn)源污染等原因，該區(qū)主要淮河主要支流水質(zhì)均為V類水及以下。針對(duì)以上問(wèn)題的措施是：通過(guò)農(nóng)溝（深溝）排水或暗管排水來(lái)控制地下水位，防止?jié)n害的產(chǎn)生和非點(diǎn)源污染的進(jìn)一步加劇。本項(xiàng)目擬在淮北平原砂礓黑土區(qū)通過(guò)設(shè)置控制性試驗(yàn)進(jìn)行分析研究，確定控制排水程度與排水水分消退和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)流失之間函數(shù)關(guān)系，建立相應(yīng)軟件模型識(shí)別控制排水程度對(duì)排水過(guò)程和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)流失的機(jī)理，進(jìn)而定量化得出控制排水在調(diào)節(jié)農(nóng)田水分，減少營(yíng)養(yǎng)物流失具體影響效果。該研究不僅能夠?yàn)榛幢逼皆敖谕羺^(qū)農(nóng)田排水工程不同規(guī)格提供基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，還幫助決策者從不同層面選取適合淮北平原砂礓黑土區(qū)的有效排水優(yōu)化組合，此外對(duì)淮北地區(qū)以及全國(guó)其它類似條件的灌區(qū)水資源利用方式選擇都具有積極意義。

2具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究圍繞地下水水文學(xué)、農(nóng)田水利學(xué)、土壤水分動(dòng)力學(xué)等多學(xué)科理論與技術(shù)的新進(jìn)展，結(jié)合國(guó)內(nèi)外有關(guān)農(nóng)田控制排水研究前沿，以實(shí)體模型試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)為關(guān)鍵支撐，采用定性與定量相結(jié)合、試驗(yàn)與模型分析相結(jié)合的手段，建立排水程度與排水水分消退和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)流失響應(yīng)關(guān)系，最后通過(guò)設(shè)計(jì)持續(xù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。按照“控制性試驗(yàn)-機(jī)理分析--方程構(gòu)建”的總體思路予以完成。

2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與控制：

實(shí)驗(yàn)裝置采用五道溝徑流試驗(yàn)場(chǎng)Ⅰ區(qū)Ⅱ區(qū)共取A、B、C、D 4塊排水實(shí)驗(yàn)區(qū)以及與大田相連接的自動(dòng)稱重式蒸滲儀一個(gè)，

在4塊試驗(yàn)排水區(qū)布置土壤水勢(shì)、土壤含水量探頭，其中B、D布設(shè)排水暗管。在每次降雨地表徑流消退后，開展土體剖面不同層位土壤水勢(shì)和土壤含水量監(jiān)測(cè);利用自動(dòng)稱重式蒸滲儀監(jiān)測(cè)土壤蒸發(fā)量、土壤深層滲漏量監(jiān)測(cè);在其中B、D塊實(shí)驗(yàn)區(qū)排水出口磚砌擋水墻，在降雨之后田間地表積水排干后根據(jù)淮北地區(qū)砂礓黑土排澇降漬標(biāo)準(zhǔn)，相機(jī)用沙袋封堵，模擬控制排水程度，同時(shí)在A、B、C、D四組排水溝出口處按小時(shí)抽取水質(zhì)樣品，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)，測(cè)算營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)N濃度。同時(shí)從降雨開始時(shí)利用機(jī)械流量計(jì)人工監(jiān)測(cè)排水溝流量。

2.2主要技術(shù)與方法

具體實(shí)驗(yàn)布置與處理設(shè)計(jì)如下：

試驗(yàn)田概況：依據(jù)淮北平原種植制度，每年播種典型作物選取冬小麥和夏玉米。土壤類型砂礓黑土;五道溝徑流實(shí)驗(yàn)場(chǎng)設(shè)有兩個(gè)排水區(qū)，分別是Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)，Ⅰ區(qū)面積為0.4km²，小溝深0.5m和1.0m，溝距100m，溝長(zhǎng)1000m。Ⅱ區(qū)面積為0.8km²，小溝深1.0m和1.5m，溝距200m，溝長(zhǎng)1000m。

（1）選取Ⅰ區(qū)1.0m旱地兩塊A和B，大小一致，Ⅱ區(qū)小溝深1.5m的旱地兩塊，種植同樣作物小麥C和D，大小一致。共設(shè)置四組。示意圖見圖3。

其中B和D布設(shè)暗管排水處理，B暗管埋設(shè)深度0.7m，D暗管埋設(shè)深度0.7m。分別選擇不同的田間溝、管布置組合（田間排水溝管必須垂直布置），B間隔15m布置一條暗管，D間隔30m布置一條暗管。

（2）在其中B和D地塊排水溝下游出口處，布設(shè)磚砌擋水墻，底口留孔。平時(shí)空出，降雨產(chǎn)生徑流時(shí)，根據(jù)淮北地區(qū)砂礓黑土排澇降漬標(biāo)準(zhǔn)，相機(jī)用沙袋封堵，模擬控制排水程度。

（3）在每個(gè)排水小區(qū)取中間垂直排水溝橫截面處土體剖面每隔50cm布設(shè)有土壤水勢(shì)、土壤含水量探頭。在每個(gè)土體剖面，溝深1m布置4個(gè)，溝深1.5m布置6個(gè)，此為一組探頭。在土體剖面中心以及排水溝壁處土體各布置一組。4塊排水區(qū)共布置8組探頭。

（4）從一次降雨地表徑流消退時(shí)開始，按小時(shí)監(jiān)測(cè)記錄數(shù)據(jù)，持續(xù)3～5天。監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)保存在CR200數(shù)據(jù)采集器中，用筆記本電腦從CR200下載，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。在降雨之后田間地表積水排干后，開始模擬B、D地塊的控制排水，同時(shí)在A、B、C、D四組排水溝出口處按小時(shí)抽取水質(zhì)樣品，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)，測(cè)算營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)N濃度。同時(shí)從降雨開始時(shí)利用明渠流量計(jì)人工監(jiān)測(cè)排水溝流量。

（5）利用自動(dòng)稱重式蒸滲儀與排水區(qū)同時(shí)開始，實(shí)施監(jiān)測(cè)土壤蒸發(fā)量、土壤深層滲漏量監(jiān)測(cè)。次降雨后監(jiān)測(cè)時(shí)間持續(xù)3～5天。

3實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果分析

為了識(shí)別砂礓黑土澇漬災(zāi)害區(qū)如何通過(guò)排水系統(tǒng)的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)步發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)關(guān)系，本項(xiàng)目擬設(shè)三個(gè)方面研究：（1）開展基于砂姜黑土不同排水工程組合下的控制性試驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)識(shí)別控制排水程度與排水水分消退和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)響應(yīng)函數(shù)關(guān)系;（2）建立相應(yīng)軟件模型模擬控制排水對(duì)土壤水分消退和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)流失的關(guān)系;（3）從不同層面選取適合淮北平原砂礓黑土區(qū)的排水優(yōu)化組合。針對(duì)以上內(nèi)容可從實(shí)驗(yàn)中分析得到具體以下內(nèi)容：

內(nèi)容一：開展不同排水組合的控制性試驗(yàn)，識(shí)別控制排水程度與排水水分消退和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)流失響應(yīng)函數(shù)關(guān)系

（1）選取五道溝水文水資源實(shí)驗(yàn)站砂礓黑土徑流實(shí)驗(yàn)場(chǎng)的兩個(gè)排水區(qū)作為試驗(yàn)研究對(duì)象，在排水區(qū)田間設(shè)置不同的排水組合（溝管結(jié)合），排水溝出口控制出流。土體剖面不同層位布設(shè)有土壤水勢(shì)、土壤含水量監(jiān)測(cè)探頭。

（2）開展不同排水組合排水程度控制試驗(yàn)，參數(shù)包括排水溝（管）流量、土壤實(shí)時(shí)含水量、土壤水勢(shì)以及實(shí)時(shí)土壤和田頭溝中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)N。

（3）識(shí)別控制排水程度與排水水分消退和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)流失響應(yīng)函數(shù)關(guān)系。

內(nèi)容二：建立相應(yīng)軟件模型模擬農(nóng)田控制排水對(duì)排水工程中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)流失的關(guān)系

（1）運(yùn)用DRAINMOD構(gòu)建農(nóng)田控制排水優(yōu)化模型，模擬田間控制排水過(guò)程。

（2）進(jìn)一步運(yùn)用DRAINMOD-NII進(jìn)一步完善農(nóng)田控制排水優(yōu)化模型，識(shí)別農(nóng)田排水程度與排水過(guò)程中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)N流失的關(guān)系。

內(nèi)容三：從不同層面選取適合淮北平原砂礓黑土區(qū)的排水優(yōu)化組合

（1）建立控制性試驗(yàn)與模型模擬直接對(duì)應(yīng)關(guān)系，優(yōu)化模型相關(guān)參數(shù)。

（2）根據(jù)建立的優(yōu)化模型，在不同層面（經(jīng)濟(jì)效益層面、環(huán)境層面、社會(huì)層面）提出選取適合淮北平原砂礓黑土區(qū)的排水優(yōu)化組合。

4實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)意義

通過(guò)一定控制性實(shí)驗(yàn)研究揭示控制排水程度與排水水分消退和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)流失響應(yīng)函數(shù)關(guān)系，同時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)各參數(shù)建立相應(yīng)軟件模型模擬農(nóng)田控制排水對(duì)土壤水分消退和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)流失的關(guān)系。主要解決二個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題：

（1）由于控制排水效果涉及到土壤類型、作物類型、排水標(biāo)準(zhǔn)、氣候等多因子影響，實(shí)驗(yàn)需要結(jié)合野外試驗(yàn)、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，定量化分析控制排水對(duì)排澇降漬，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)運(yùn)移等一系列作用，可分析得到三者之間響應(yīng)關(guān)系。

（2）該實(shí)驗(yàn)可在不同層面（經(jīng)濟(jì)效益層面、環(huán)境層面、社會(huì)層面）定量化提出適應(yīng)不同層面的排水優(yōu)化組合方案。

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作者簡(jiǎn)介：

許一（1984―）男，漢，安徽宿州，碩士，工程師，主要從事水文水資源方面研究

（作者單位：1.安徽省水利部淮河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院，安徽省水利水資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;2.合肥市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站）