基于機械收割要求的稻麥輪作農田暗管排水布局模擬

鄒家榮，羅 紈，馬 勇，陳 誠，張志秀，巫 旺，洪建權

(1.揚州大學水利與能源動力工程學院，江蘇 揚州 225009；2.揚州市江都區昭關灌區管理處，江蘇 揚州 225261)

0 引 言

長江中下游平原稻麥輪作區降雨量豐沛，但其年際分配和年內分配都存在較大的變異，經常會因為降水過于集中或持續時間過長而造成危害。在作物生長季內，除了暴雨或連陰雨造成的農田內澇會影響作物正常生長外，在作物收獲或播種時期也會因為降水過多而妨礙機械下田耕作，從而造成播種不及時或豐產不豐收的現象[1]。因此，做好農田排水工作對保證糧食豐產豐收都具有重要意義。

農田排水能改善土壤的水、肥、氣、熱環境，有利于作物生長[2]。近年來隨著農業機械化的迅速發展，對農田排水提出了更高的要求。目前，南方水稻種植區大多采用明溝排水，常因淤積嚴重造成實際排水能力低下，并且溝道的分布也不利于大面積農田的統一機械化作業。隨著土地流轉和規模化經營的不斷深入，農田排水適應現代農業機械化發展的要求愈加迫切。

為了提高農業生產效率，日本的水稻種植區在20世紀70年代進行了大規模的農田排水系統改造[3]，使用暗管排水來替代明溝，擴大了連片農田的面積，極大地提高了機械化作業效率，減少了勞動力的使用。而且，安裝了暗管排水系統的稻田，還可根據種植結構調整要求，靈活改種其他旱作物。采用暗管排水除了避免明溝對機械通行的不利影響外，還可明顯提高土地利用率[4]。經過合理布置的暗管排水系統，可以有效控制地下水位、調節土壤水分狀況、改善土壤理化特性提、提高作物水肥利用效率，是現代農業發展的必要措施[5,6]。

暗管排水系統設計受到氣象、土壤以及作物生長規律等因素影響，不同地區的設計參數需要考慮具體情況以及設計保證率來確定。對某一特定地區而言，影響暗管排水的兩個重要參數是暗管埋深和布置間距；埋深和間距的不同組合對應的是不同的排水強度，埋深大、間距小，排水強度較高，反之則排水強度較低。排水強度越高，土壤中水分排出的越迅速，地下水位下降得越快[7-8]。作物收獲期，農田排水的主要目的是及時將地下水降至一定深度，使收割機械能夠及時下田進行作業，并減少機械壓實對農田土壤結構的破壞。單位面積的暗管埋設成本與布置間距成正比，與埋深關系不太大；從經濟的角度考慮，在滿足排水需求的前提下，應盡量加大排水暗管間距，減少工程投資。在南方平原河網地區，排水出口高程受到河網水位的限制，大多數情況下要通過抽排來滿足出口水位要求，這就意味著排水暗管的埋深不宜過大，滿足田間水位控制要求即可。朱建強等[9]研究指出，為滿足機械作業要求，應將農田地下水埋深控制在地表0.6～0.8 m以下。一般情況下，短期內排水作用可使兩條暗管中間點水位埋深降至暗管深度以上20 cm處[1]，這就要求暗管埋深至少應在0.8～1.0 m。上述滿足機械作業要求的水位埋深大于生長季一般農作物除澇降漬要求[10]，所以依據機械下田作業要求來確定的暗管排水強度可同時滿足其他階段的排水要求。

為了研究長江中下游平原區稻麥輪作農田滿足機器下田收割要求所需的暗管排水強度，本文以江蘇省揚州市江都區農田水利科學研究站為例，利用排水模型-DRAINMOD進行了模擬分析；首先根據研究區部分實測的地下水位資料，進行了模型參數率定及合理性驗證，在此基礎上，分別針對小麥和水稻兩種作物各自收獲期對土壤排水的要求，利用長序列歷史氣象資料模擬了機械下田作業天數受不同排水暗管布局的影響。研究成果可為類似地區暗管排水工程系統的規劃建設提供參考依據。

1 研究方法

1.1 研究區概況

江蘇省揚州市江都區農田水利科學研究站位于江蘇省揚州市江都區內京杭大運河東側的昭關灌區(119°30′E，32°33′N)，屬于北亞熱帶季風濕潤氣候區，區內地勢平坦，土壤質地黏重；年平均溫度15.6 ℃，降雨量約1 000 mm，生長季218 d左右；研究區內普遍實行水稻與冬小麥輪作，水稻和小麥生育期見表1[11,12]。根據王桂民等[13]的研究結果，本文選取每年6月2-8日作為小麥適宜的收獲期；每年10月13-20日作為水稻適宜的收獲期。試驗區現有的排水系統為沿100 m×100 m試驗田四周分布的農溝，最終在西北角匯集排入支溝。其中農溝深度約60 cm，支溝深度約100 cm。2018年春季在試驗田內布置的地下水監測井，實時記錄作物生長季田間地下水位埋深的變化情況，數據用于模型參數率定。試驗站內安裝有自動記錄降雨、溫度、濕度、風速等氣象數據的小型自動氣象站，數據用于分析田間水文變化情況。

表1 研究區冬小麥與水稻的生育期時間表Tab.1 Time of growth stages for winter wheat and rice in the study area

1.2 DRAINMOD 模型介紹

DRAINMOD 是20世紀70年代末由美國北卡羅納州立大學生物及農業工程系R W Skaggs博士開發的一個田間水文模型[14]，它以日為單位進行兩個排水溝/管中點的水量平衡計算，水量平衡項包括入滲、蒸發蒸騰量、地表徑流、地下排水量和深層滲漏。其基本功能是模擬不同排水設計及水管理方案下農田排水的水文過程，可以較為準確的預測地表排水量、地下排水量、田間地下水位以及作物產量等。模型包括常規排水、控制排水、地面灌溉、氮素運移以及濕地水文等模塊，可用于分析不同水管理方案對田間水文和污染物運移的影響。

在計算時段內，DRAINMOD模型進行地表水量平衡計算的方程可表示為：

P+I=F+ΔS+R

(1)

式中：P為降雨量，cm；I為灌溉水量，cm；F為地表入滲量，cm；ΔS為地表的儲水量變化，cm；R為地表徑流量，cm。

在相同計算時段內，土壤剖面中水量平衡計算方程為：

ΔV=D+ET+Ds-F

(2)

式中：ΔV為土壤水分變化量，cm；D為側向的暗管排水量，cm；ET為蒸發蒸騰量，cm；Ds深層滲漏量，cm。

DRAINMOD模型在進行水量平衡計算時，入滲量采用Green-Ampt公式計算；側向排水量采用Hooghout公式計算，若地表出現積水，則采用Kirkham公式計算；深層滲漏根據達西公式進行計算。DRAINMOD模型對于作物實際騰發量(AET)的計算采用當日潛在蒸發量(PET)與土壤供水能力兩者相比的較小值。

本文利用DRAINMOD 模型模擬的目標函數是統計收割期暗管排水農田地下水位能夠滿足機械下田作業條件的天數。模型在每日水量平衡計算的基礎上，得出可滿足機械收割條件的作業天數-工作日，其依據是地下水位埋深，大于設定值則滿足要求，否則作業時間后推，直至滿足要求。在遇到當日有降雨發生時，模型根據設定的雨量進行判斷是否可作業，不行則推遲到下一天或兩天后(用戶根據土壤排水條件自行設定)。本文利用研究區長序列降雨等氣象數據，結合土壤參數測定，模擬分析了分別適于大型和小型機械收割且滿足保證率為90%和95%機械收割條件的暗管排水布局。

1.3 DRAINMOD模型主要輸入參數及其率定

(1)氣象數據：試驗站安裝的自動氣象站記錄的2018年氣象數據用于模型檢驗。長序列模擬分析采用了距離試驗站約25 km的國家氣象信息中心江蘇省高郵58241號氣象站(119°27′E，32°48′N，海拔5.4 m)1955-2016年的逐日氣象數據，包括降雨量、最高氣溫、最低氣溫、相對濕度、風速、風向和日照時數等。潛在騰發量(PET)運用Penman-Monteith公式計算得到參考作物騰發量，再由FAO-56[15]推薦的方法乘上不同時段的作物系數進行修正后輸入模型。

(2)土壤資料：主要包括不同土層深度的側向飽和導水率、土壤水分特征曲線，以及土壤入滲和蒸發特性參數。主要土壤輸入參數見表2。

(3)排水系統參數：根據研究區的實際情況，確定田埂高度、地表平整度、排水模數、相對不透水層深度等模型參數。排水系統設計的主要輸入參數見表2。根據機械作業對地下水埋深控制要求(在地表以下0.6～0.8 m)，本文模擬分析了暗管埋深為80～120 cm之間，不同暗管布置間距條件下水稻和小麥收獲期內地下水位埋深的變化情況。考慮到水稻生長期蓄水要求，利用DRAINMOD模型中控制排水模塊設置了不同時段的控制排水堰深，列于表2。

表2 DRAINMOD模型主要輸入參數Tab.2 Main input parameters for DRAINMOD simulation

1.4 模型率定及不同機械通行對田間降漬要求的模擬

運用模型模擬雖然方便、快捷，但一款模型能否用來模擬分析實際存在的問題，需要通過比較模型模擬值與實測值的差別，對模型進行率定和驗證。本文將DRAINMOD模型預測的地下水位埋深與實測值進行了比較，以此驗證模型的適用性。在模型率定過程中，將模型預測的地下水位埋深與實測值進行比較，如兩者的匹配效果較差，則調整部分土壤參數，使兩者從變化趨勢和變化幅度兩個方面盡量接近。模型預測的準確性，主要根據田間地下水位的實測值與模擬值圖形直觀比較和統計參數進行評價，對模擬結果評價的統計指標主要有相關系數、平均偏差和平均絕對偏差[16]。

不同荷載的機械下田作業對農田降漬要求不一。大型機械收割速度快，但自身質量重，要求土壤干燥度較高，即田間地下水埋深較大；小型機械收割速度慢，但其自身質量較輕，對降低地下水位的要求也較低，因此，本文分別針對大型和小型機械下田作業要求，模擬暗管排水條件下，滿足以下兩類排水要求：

(1)大型收割機械：要求將地下水位降至80 cm及以下，考慮到機械工作效率，要求滿足機械下田作業時間為總收獲期的1/4，即2 d；

(2)小型收割機械：要求將地下水位降至60 cm及以下，要求滿足機械下田作業時間為總收獲期的1/2，即4 d。

2 結果與分析

2.1 DRAINMOD模型檢驗結果

本文首先利用研究區2018年5月的地下水位埋深觀測值進行了模型率定，然后利用2018年6-8月的地下水位進行了模型驗證，結果如圖1所示。在模型率定期，DRAINMOD模擬值與實測地下水埋深的變化范圍及變化趨勢基本一致，二者相關系數為0.86；在模型驗證期，模擬值與實測值的變化趨勢仍然保持一致，但變幅差距較大，相關系數為0.76，平均偏差為11.57 cm，平均絕對偏差10.37 cm。這些結果說明，DRAINMOD模型能夠較好地模擬研究區農田地下水位變化情況。值得一提的是，模型率定期為小麥生長期，而模型驗證期則為水稻種植期，同一塊農田在兩個階段的土壤特性有一定的差別，即田間土壤參數發生了部分變化，而模型現有版本無法兼顧。但進行長序列模擬時，這一誤差因素的影響是有限的。

圖1 DRAINMOD模型率定與驗證期模擬值與實測值對比圖Fig.1 Measured and DRAINMOD simulated water table depth during model calibration and verification period

此外，2018年小麥收獲時氣象條件較好，未受到降雨影響。水稻收獲期則降雨較多。由于試驗站目前僅有深度為60 cm，間距為100 m的排水明溝，地下水位降落較慢，2018年水稻實際收割日期被推遲至11月底。

在上述模型檢驗的基礎上，利用DRAINMOD模型模擬研究了稻麥輪作農田降漬效果受不同暗管排水布局的影響，根據不同機械通行對農田降漬要求，分析了滿足不同機械收割要求的暗管排水布局。在水稻和小麥適宜收獲期，若DRAINMOD模型預測的某日地下水位埋深等于或大于60 cm或80 cm，則認為當日滿足小型或大型機械下田收割要求。利用 DRAINMOD 分別模擬了小麥收獲期(6月2-8日)和水稻收獲期(10月13-20日)在暗管埋深為80～120 cm、排水間距為10～100 m時，在保證率為90%和95%時可滿足的機械作業天數受暗管間距和埋深變化的影響。當發生降雨時，降雨量超過10 mm，模型則自動將收獲日期推遲1 d。

2.2 小麥收獲期不同條件下機械作業天數隨暗管間距的變化

DRAINMOD模擬結果顯示，在小麥收獲期(6月2-8日)在同一目標水位不同保證率條件下，小麥收獲期最低可滿足的機械作業天數受暗管排水強度的影響：隨著暗管間距的增大，機械作業天數逐漸減小；暗管間距不變時，暗管埋深越淺，機械可作業天數越少。在目標水位為60 cm、90%保證率下，暗管埋深為1.0 m，排水間距為30 m時，此時機械作業天數為6 d(實際為5.6 d，但由于天數一般為整數，所以本文中采取四舍五入方法取整數，下同)，當排水間距增大到40 m時，機械作業天數減小為4 d。另外當暗管間距小于60 m時，機械作業天數隨著間距減小的速度較快；間距大于60 m時，機械作業天數趨于穩定，說明排水系統的作用微乎其微。相對于暗管埋深，暗管間距對機械作業天數的影響較大，特別在間距較小時，當間距每增加10 m，其機械作業天數最大減小了2 d；但當暗管埋深每增加0.2 m，其機械作業天數變化最大不超過1 d。對比兩種不同保證率的情況，在相同排水強度下，95%保證率可獲得的機械作業天數小于90%保證率情況，兩種保證率下的機械作業天數均相差1 d左右，且均在間距為40 m左右時，相差最大。

在相同保證率、不同目標水位條件下，小麥收獲期機械作業天數在兩種不同目標水位時的變化趨勢基本一致，均隨著暗管間距的增大和埋深的減小逐漸減小。在相同排水強度時，目標水位埋深為80 cm比60 cm時的機械作業天數小，大多數情況下，相差1 d左右，但在間距為30 m時，機械作業天數相差達到2 d。在排水強度較大時，不同目標水位條件下的機械作業天數相差不大，在間距為10 m時，兩種不同目標水位下的機械作業天數基本一致；當排水強度逐漸減弱時，不同目標水位條件下的機械作業天數均趨于穩定，差值為1 d左右。對比相同保證率、不同目標水位時的機械作業天數發現，當排水強度較大時，95%保證率時的機械作業天數變化幅度較快；當排水強度較小時，90%保證率時的機械作業天數變化幅度較快，但其變化幅度均在1 d以內。當目標水位埋深較大時，機械作業天數受暗管埋深的影響較大。以暗管間距30 m為例，在目標水位埋深為60 cm時，當暗管埋深為1.0 m，機械作業天數為5 d，當暗管埋深減小至0.8 m，機械作業天數接近5 d；而目標水位為80 cm時，當暗管埋深為1.0 m，機械作業天數為4 d，當埋深減小至0.8 m，機械作業天數為3 d，減小了1 d，相對變化較大。

2.3 水稻收獲期不同條件下機械作業天數隨暗管間距的變化

在水稻收獲期(10月13-20日)同一目標水位、不同保證率條件下，DRAINMOD模擬的機械作業天數隨著暗管排水強度的減小逐漸減小。不同保證率下，機械作業天數受暗管埋深的影響先增大后減小，影響最大情況為目標水位60 cm、90%保證率、間距30 m，當暗管埋深從0.8m增加到1.0 m時，機械作業天數增加了2 d；隨著暗管間距的增大，機械作業天數的變化幅度先增大后減小，在間距為20～30 m時，對機械作業天數的影響最大，影響最大情況為目標水位60 cm、95%保證率、埋深0.8 m，當間距從20 m增加到30 m時，機械作業天數減小了3 d。對比目標水位為60 cm、兩不同保證率條件下機械作業天數的變化可知，95%保證率時的機械作業天數對暗管埋深較敏感；另外此種情況下當間距增大至60 m時，暗管排水系統就不能滿足機械下田的要求。在水稻收獲期不同保證率下，隨著暗管間距的增大，排水強度逐漸減小，當小于一定值時，則不能保證機械下田收割，所以就水稻而言，暗管間距不能布設過大。

圖3 水稻收獲期不同目標水位下分別滿足90%和95%保證率的機械作業天數隨暗管埋深與間距的變化Fig.3 DRAINMOD simulated working days change with drain spacing and depth for machine harvest of rice in different target water level meeting 90% and 95% probability

對比相同保證率、不同目標水位條件下，水稻收獲期機械作業天數受排水強度的影響可發現，在90%保證率時，不同目標水位條件下的暗管埋深為1.0 m和1.2 m時機械作業天數相差不大，但和0.8 m時的相差較大，說明當同一暗管間距下，90%保證率時，當暗管埋深從0.8 m增加到1.0 m比暗管埋深從1.0 m增加到1.2 m對機械作業天數影響更大。另外相對于目標水位較淺，目標水位較深時的暗管埋深對機械作業天數影響更大，在目標水位埋深為60 cm時，暗管間距為20 m，埋深為1.2 m時，機械作業天數為6 d，當埋深減小至0.8 m時，機械作業天數為5 d，均保持在收獲期(8 d)一半以上的天數；但在目標水位為80 cm，暗管間距為20 m，埋深為1.2 m時，機械作業天數為6 d，此時當埋深減小至0.8 m時，機械作業天數為3 d，僅為總收獲期天數的1/3左右。在不同目標水位條件下，機械作業天數受間距的影響也較大，在30～40 m時，影響最為顯著，最大影響天數為4 d。在水稻收獲期相同保證率情況下，不同目標水位對機械下田作業達到最少天數(1 d)時的間距影響也較大，例如，在90%保證率時，目標水位為60 cm情況，間距達到70 m，機械仍能下田作業，但當目標水位增大至80 cm時，間距達到50 m，就不能滿足機械下田作業。所以為滿足機械下田作業要求，暗管間距應相對較小。

2.4 滿足機械作業天數要求的暗管埋深與間距組合

根據DRAINMOD模型對水稻和小麥收獲期不同保證率和不同地下水位埋深的模擬結果，下面對比水稻和小麥收獲期，機械作業天數模擬結果的變化規律。

小麥和水稻收獲期機械下田作業天數受排水強度的影響變化趨勢是一致的，均隨著排水間距的增大逐漸減小，并且在暗管間距較小時，減小幅度較大，隨著暗管間距的增大，均趨于穩定或不變，并且小麥和水稻收獲期機械下田作業天數受間距影響最大的區間，均為20～40 m。在小麥收獲期機械下田作業主要是受暗管間距的影響，暗管埋深對其影響較小，而在水稻收獲期，暗管間距和暗管埋深對其影響均較大；并且在相同保證率和同一地下水埋深，小麥受排水強度的影響比水稻小，小麥收獲期的機械作業天數均比水稻要大，所以滿足水稻機械收割的暗管排水強度即能滿足小麥收獲期的排水要求；在模擬暗管排水間距和埋深范圍內，小麥收獲期機械均能下田作業，但在水稻收獲期，當排水強度小于某一范圍時，則不能保證機器下田收割。

為確定滿足目標機械作業天數的暗管埋深與間距組合，在水稻收獲期，針對大型和小型機械的兩類標準，通過DRAINMOD模型模擬暗管埋深在80～100 cm時，暗管的最優間距。結果顯示，基于大型機械收割要求，當暗管埋深為80～100 cm，滿足 90%、95%保證率的最大暗管間距分別為：26.0～32.0 m、14.0～21.0 m；基于小型機械收割要求，當暗管埋深為80～100 cm，滿足 90%、95%保證率的最大暗管間距分別為：26.5～33.5 m、18.0～23.0 m。

我國現有暗管排水標準的研究中，一般針對旱作物生長季除澇降漬要求制定。1990年版《農田排水技術規程(南方農田暗管排水部分)》[17]中對于砂壤土地區暗管間距的推薦值為16.0～22.0 m。考慮氣候和土壤的差異，本文推薦的暗管埋深為0.8～1.0 m，基于大型和小型機械下田作業要求，暗管間距為14.0～33.5 m，與上述規范基本一致，可同時滿足排澇降漬標準。

3 結 論

本文運用DRAINMOD 模型，模擬研究了稻麥輪作地區滿足一定機械收割保證率的暗管排水布局及其影響因素，得出的主要結論如下。

(1)作物收獲期機械作業天數受暗管埋深和排水間距的影響，隨著埋深的減小和間距的增大，作業天數逐漸減小。小麥收獲期機械下田作業主要是受暗管間距的影響，而在水稻收獲期，暗管間距和暗管埋深對其影響均較大。

(2)在相同保證率和地下水埋深時，相較于水稻的情況，小麥收獲期的機械作業天數受間距的影響更小，說明水稻收獲期更易受降雨的影響；暗管布置應以滿足水稻收獲期機械下田為設計依據。

(3)在水稻收獲期，基于大型機械收割要求，當暗管埋深為80～100 cm，滿足 90%、95%保證率的最大暗管間距分別為：26.0～32.0 m、14.0～21.0 m；基于小型機械收割

要求，當暗管埋深為80～100 cm，滿足 90%、95%保證率的最大暗管間距分別為：26.5～33.5 m、18.0～23.0 m。

本文利用DRAINMOD模型進行長序列分析時，假設每年作物的最佳收割期為固定時段，實際情況下則會有所調整。但本文基于不同保證率得出的結論具有較好的代表性，成果可為類似地區暗管排水系統設計提供技術參考。

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