暗管埋深與控制排水對農田地下水埋深及排水量的影響

孫仕軍，蘇慧，焦平金，沈濤

?農田排水?

暗管埋深與控制排水對農田地下水埋深及排水量的影響

孫仕軍1，蘇慧1，焦平金2*，沈濤3

（1.沈陽農業大學 水利學院，沈陽 110866；2.中國水利水電科學研究院 水利研究所，北京 100048；3.安徽省（水利部淮河水利委員會）水利科學研究院，安徽 蚌埠 233000）

【目的】加強農田排水調控管理，協同治理農業澇漬和干旱災害，量化淺埋暗管、定水位和動水位控制對地下水埋深和排水量變化的影響。【方法】在亳州市利辛排水試驗區埋設3根長200 m、間距30 m的暗管，每個暗管出口連接集水井，集水井內暗管排水量用電子水表計量，在暗管中間的地下水觀測井中測定地下水埋深。在上述試驗的基礎上采用DRAINMOD模型模擬淮北平原汛期的田間排水過程。【結果】淺埋暗管和定水位控制在減小地下水埋深和減少排水量上效果接近。動水位和定水位控制在夏季作物生育前期和后期均減小了地下水埋深和減少了地下排水量；作物生育中期前者的地下水埋深較后者明顯增加，日地下排水量明顯高于后者，如在豐水年常規暗管布局下，動水位控制的地下水埋深較定水位控制平均增加了13.9 cm，地下排水量較后者增加了2.1倍。動水位控制對地下水埋深和排水量的調節存在時滯效應，常規和深疏暗管布局下改變暗管出口控制高度后仍分別需7 d和12 d才可達預期效果。【結論】適時適量進行動水位控制排水可及時改變地下水埋深和排水量以緩解水旱脅迫。

控制排水；淺埋暗管；定水位；動水位；地下水埋深；排水量

0 引言

【研究意義】農田澇漬和干旱災害作為我國主要的農業自然災害，長期制約國家糧食生產安全和鄉村生態環境發展。澇漬災害覆蓋了我國2/3的國土面積，尤以長江中下游和黃淮平原最為嚴重，造成了不同程度的作物減產和經濟損失。澇漬與干旱交替出現的新態勢隨全球氣候變化加劇，對我國糧食作物高產穩產形成嚴重威脅[1-2]。農田暗管排水在防御澇漬災害、促進農作物正常生長、改善田間耕作管理等方面作用顯著[3]。然而，快速排除大量農田澇漬水的傳統自由排水方式易導致排水過度，在滲透性較好的沙壤土或水旱交替發生區加劇了作物因后期缺水導致的干旱脅迫。

【研究進展】適度減小地下水埋深和減少排水量是緩解干旱脅迫和提高水分利用效率的重要手段之一。淺埋暗管可減少排水量和地下水埋深降落程度，然而暗管埋深一旦確定則無法根據不同作物生長需求進行自由調整，難以滿足適時適量的排水需求[4-5]。在暗管出口設置水位控制裝置，則可依據作物不同生育階段水分響應特征進行適時、適量的出口水位調控[6]。與自由排水相比，控制排水可顯著減少地下排水量和減小地下水埋深，其中地下排水量減少率介于8%～85%之間[7-9]。地下水埋深與排水量的改變主要受水位調控高度、溝管間距與埋深的影響，此外也隨氣候與土壤屬性而變化[10-13]。根據氣候和作物生長的變化，合理進行淺埋暗管或出口水位控制可協同應對農業澇漬和干旱危害。

減小田間地下水埋深雖然緩解了干旱脅迫，卻增加了澇漬脅迫風險。針對我國南方地區水旱急轉的氣候變化特性，有學者采用DRAINMOD等模型模擬不同水文年或長系列氣候影響下的地下水埋深，以確定控制排水的適宜出口調控方式[14]。【切入點】淺埋暗管或控制排水均可減少地下排水量和減小地下水埋深[15]，卻少見針對控制排水下暗管出口高度距地表深度與淺埋暗管埋深相等條件下的對比研究。控制排水多見作物生育期的定水位控制，對于動水位控制，尤其是針對水旱交替發生特征進行暗管出口高度動態調控的研究尚不多見。【擬解決的關鍵問題】為此，本文采用DRAINMOD模型模擬分析淺埋暗管、定水位和動水位控制對地下水埋深和排水量的影響，以期為協同治理水旱災害提供農田排水調控解決方案。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況與數據獲取

試驗區位于安徽省亳州市利辛排水試驗區（33°17′17′′，116°9′52′′），地處黃淮海平原南端，海拔18 m，屬半濕潤氣候，多年平均降水量為933.9 mm，年均降水時間82.5 d。降水量年內分布不均，主要集中在6—9月汛期，汛期雨量約占全年總量的63.2%。地下水埋深1～2 m，暴雨后可快速升至地表。試驗區土質為砂姜黑土，這種土質占安徽省淮北地區耕地面積一半以上。砂姜黑土調節水分能力較差，加之極端天氣的增加使該地區水旱災害交替頻發。

暗管排水試驗觀測于2020年和2021年的6—9月玉米生育期內開展。試驗區由3根暗管組成，單管長200 m，管徑7.5 cm，管材為PVC波紋管，外包料為土工布；暗管埋深均為80 cm，2個暗管之間間距為30 m，暗管的埋設坡度為0.1%。每個暗管出口分別連接進入田邊排水溝的集水井，集水井內暗管的排水量用電子水表計量。在暗管間距1/2處的地下水觀測井中采用自記水位計測定地下水埋深。降水量等氣象數據由便攜式氣象站測定（圖1）。

圖1 2020—2021年作物生育期降水量

1.2 DRAINMOD模型原理

DRAINMOD模型是一個準二維的田間水量平衡計算模型，通過輸入的氣象、土壤、作物以及排水系統設計參數，逐日計算農田2條平行排水溝（管）中間點的入滲量、蒸發蒸騰量、地表徑流量、地下排水量以及地下水埋深的變化。

?r?， ? （1）

式中：r為降水量（cm）；為灌溉水量（cm）；?為地表儲水量變化（cm）；為地表徑流量（cm）；為地表入滲量（cm）。

??s， ? （2）

式中：?為土壤水分變化量（cm）；為側向排水量（cm）；為蒸發蒸騰量（cm）；s為深層滲漏量（cm）。

DRAINMOD模型[16]采用Green-Ampt公式計算地表入滲量；地下排水量采用Hooghoudt公式計算，地表積水時則改用Kirkham公式計算。模型通過設置地面平整度與田埂高度計算地表徑流量。DRAINMOD模型在計算逐日作物實際騰發量（）時，通過比較土壤供水能力（即潛水上升通量）與潛在騰發量（）的大小，取二者中較小值作為日。DRAINMOD模型中的可采用默認的Hargreaves氣溫法計算，也可以采用其他方法計算。本研究根據1954—2021年間氣象資料，采用FAO 56 Penman-Monteith法計算出后輸入模型。

1.3 DRAINMOD模型率定與驗證

為評價DRAINMOD模型模擬暗管排水下田間地下水埋深和排水量的效果，選用2020年7月11日—9月2日期間的地下水埋深和暗管排水量對模型參數進行率定。選用2021年6月10日—9月25日期間的地下水埋深和暗管排水量對模型參數進行驗證。將模擬值與實際觀測值進行對照，并采用統計參數對DRAINMOD模型模擬效果進行評價。統計參數包括納什系數（）、平均相對誤差（）和確定系數（2），其計算式為：

，（3）

根據2020年模型參數率定發現，地下水埋深模擬值與觀測值變化趨勢基本一致（圖2），經計算，納什系數為0.89，平均相對誤差為9.81%，確定系數2為0.93。暗管排水量模擬值與觀測值變化趨勢基本一致（圖3），經計算，納什系數為0.70，平均相對誤差為-9.39%，確定系數2為0.73。模型相關參數率定值如表1所示。

圖2 2020年地下水埋深觀測值與模擬值

圖3 2020年地下排水量觀測值與模擬值

表1 DRAINMOD模型主要參數率定結果

1.4 情景設置

為探究淺埋暗管及控制排水出口高度調控對地下水埋深和排水量的影響，選取了埋深為1.2 m和1.8 m這2種典型暗管自由排水做對照。根據《農田排水工程技術規范》，以48 h內將地下水埋深從田面降至0.6 m以下為降漬標準[18]，確定1.2 m和1.8 m埋深的相應間距分別為30 m和35 m。據此，在埋深1.2 m與間距30 m（以下統稱常規型）、埋深1.8 m與間距35 m（以下統稱深疏型）2種暗管布局下探討淺埋暗管、定水位和動水位控制影響的地下水埋深與排水量變化。淺埋暗管是指把常規和深疏2種布局的間距不變條件下暗管埋深分別抬升至0.8 m和1.2 m，定水位控制指通過在暗管出口安裝0.4 m和0.6 m高的水位控制裝置[8]使暗管出口高度距離地表為0.8 m和1.2 m（圖6和圖7）。

圖4 2021年地下水埋深觀測值與模擬值

圖5 2021年地下排水量觀測值與模擬值

圖6 常規型條件下淺埋暗管與控制排水調控深度

與定水位控制不同，動水位控制需考慮作物需水特性和地區氣象水文特性，根據作物生長進程對暗管出口控制深度進行調整。針對淮北地區汛期降水發生頻次和作物生長特點（圖8），確定了在夏季作物生育前期（6月中下旬）和后期（9月）分別抬升暗管出口控制高度，在作物生育中期（7—8月）暗管出口高度下降至與對照組一致的動態調控策略。常規型和深疏型暗管埋設下動水位控制在作物生育前期、中期和后期的暗管出口控制高度分別為0.8、0、0.4 m和1.0、0、0.6 m（圖6和圖7）。為進一步明確不同水文年變化對排水調控的影響，通過對1954—2020年作物生育期的降水量進行排頻計算，選取=25%、50%、75%所對應的降水量值作為豐水年、平水年和枯水年的設計值，篩選出豐水年（1989年）、平水年（1955年）和枯水年（1992年）3個典型水文年的氣象數據以評價不同水文年對淺埋暗管和控制排水下水分運動的影響。

圖7 深疏型條件下淺埋暗管與控制排水調控深度

圖8 1954—2020年夏季作物生長期的日降水量均值及發生頻次

2 結果與分析

2.1 淺埋暗管與定水位控制對比

2.1.1 地下水埋深

常規型暗管布局條件下豐水年的地下水埋深變化如圖9（a）所示。在作物全生育期，淺埋暗管條件下地下水埋深均淺于對照組的地下水埋深，這種現象在作物生育中期和后期較為明顯，淺埋暗管在作物全生育期的地下水埋深平均減小了14.6 cm。定水位控制和淺埋暗管下地下水埋深變化規律一致，比對照組平均減小了13.9 cm。淺埋暗管和定水位控制下的地下水埋深減小幅度在作物全生育期基本一致，二者控制下的地下水埋深平均差值僅為0.7 cm。平水年條件下（圖9（b）），在作物全生育期降水量均較少，淺埋暗管和定水位控制下地下水埋深變化規律基本一致，比對照組平均減小了3.8 cm。枯水年條件下（圖9（c）），在作物全生育期降水量更少，淺埋暗管和定水位控制下的地下水埋深變化幅度一致，相較于對照組均無明顯減小。

圖9 常規型條件下淺埋暗管與控制排水的地下水埋深變化

從整個作物生育期地下水埋深變化來看，常規型暗管布局下，除枯水年外淺埋暗管和定水位控制下地下水埋深無明顯差異，且均淺于對照組。在不同水文年間，淺埋暗管和定水位控制下的地下水埋深減小幅度隨著作物生育階段的不同而有所變動，但二者之間無顯著差異。

深疏型暗管布局條件下各水文年的地下水埋深變化如圖10所示。在作物全生育期，淺埋暗管和定水位控制下的地下水埋深均與常規型條件變化規律一致，但深疏型的地下水埋深減小幅度明顯大于常規條件。如在豐水年，淺埋暗管和定水位控制下的地下水埋深相較于對照組分別平均減小了34.4 cm和32.7 cm；在平水年，二者相較于對照組分別平均減小了27.7 cm和27.3 cm；在枯水年，二者相較于對照組的減小幅度一致，平均為9.3 cm。

圖10 深疏型條件下淺埋暗管與控制排水的地下水埋深變化

2.1.2 地下排水量

常規型暗管布局條件下豐水年的日地下排水量如圖11（a）所示。在作物全生育期，淺埋暗管和定水位控制下的日地下排水量無明顯差異，且均小于對照組，淺埋暗管和定水位控制的作物生育期內排水總量分別比對照組減少了57.8%和54.2%。平水年條件下（圖11（b）），在作物全生育期降水量均較少，淺埋暗管和定水位控制下均無地下排水。在枯水年作物全生育期，不同暗管埋設條件下也均無地下排水。

圖11 常規型條件下淺埋暗管與控制排水的日地下排水量變化

深疏型暗管布局條件下各水文年的日地下排水量如圖12所示。在豐水年和枯水年作物全生育期，淺埋暗管和定水位控制下的日地下排水量變化規律均與常規條件一致。例如豐水年二者相較于對照組減少的地下排水總量分別為50.3%和46.0%，深疏型條件下地下排水減少總量大于常規條件，但由于對照組地下排水總量的差異，深疏型條件下的減少比例小于常規條件。在平水年條件下，淺埋暗管和定水位控制下有地下排水，二者相較于對照組減少的地下排水總量分別為95.4%和95.1%。

圖12 深疏型條件下淺埋暗管與控制排水的日地下排水量變化

為對比作物生育期地下排水總量的變化，圖13（a）給出了常規型暗管埋設下1954—2020年作物生育期地下排水總量。由圖可見，淺埋暗管和定水位控制下的地下排水總量無明顯差異，且均明顯小于對照組，年均減少量分別為48.7%和45.2%。深疏型埋設條件下淺埋暗管與定水位控制對地下排水總量的影響規律與常規型基本一致，年均排水減少量分別達到47.3%和43.8%（圖13（b））。

圖13 1954—2020年全生育期下淺埋暗管與控制排水的地下排水總量變化

2.1.3 地表排水量

常規型暗管布局條件下豐水年的日地表排水量由圖14所示。在作物生育后期2次降水峰值時，淺埋暗管和定水位控制下日地表排水量無明顯差異，且均大于對照組，淺埋暗管和定水位控制的排水總量比對照組均高了約4.5 cm。除此之外，作物全生育期均無地表排水，平水年和枯水年下作物全生育期也無地表排水。

深疏型暗管布局條件下，各水文年作物全生育期淺埋暗管和定水位控制的日地表排水量均與常規條件下變化規律一致，僅豐水年發生排水時二者排水總量較對照組均增加了約6.3 cm（圖15）。

圖14 常規型條件下淺埋暗管與控制排水的豐水年日地表排水量變化

圖15 深疏型條件下淺埋暗管與控制排水的豐水年日地表排水量變化

為對比作物生育期地表排水總量的變化，圖16（a）給出了常規型埋設下1954—2020年的作物生育期地表排水總量。由圖16（a）可知，歷年來淺埋暗管和定水位控制下的地表排水總量均明顯大于對照組，年均增加量分別為1.8 cm和1.6 cm。深疏型埋設條件下淺埋暗管與定水位控制對地表排水總量的影響規律與常規型變化一致，年均增加量分別為1.8 cm和1.6 cm（圖16（b））。

2.2 定水位與動水位控制對比

2.2.1 地下水埋深

動水位控制下的地下水埋深變化規律不同于定水位。常規型暗管布局條件下豐水年的地下水埋深變化由圖9（a）所示。在作物生育前期降水量較少，動水位和定水位控制相較于對照組均未明顯減小地下水埋深；在作物生育中期，動水位控制下暗管出口高度降至與對照組一致，動水位控制的地下水埋深增加至與對照組一致，而定水位控制仍減小地下水埋深，相較于動水位控制減小幅度平均為13.9 cm；在作物生育后期，動水位條件下暗管出口高度上調至與定水位一致，因此動水位和定水位控制下的地下水埋深均淺于對照組，且二者減小幅度基本一致，平均為18.1 cm。平水年條件下（圖9（b）），在作物全生育期動水位和定水位控制相較于對照組均略微減小了地下水埋深，二者減小幅度基本一致。枯水年條件下（圖9（c）），在作物全生育期動水位和定水位控制下地下水埋深相較于對照組未有明顯減小。

圖16 1954—2020年全生育期淺埋暗管與控制排水的地表排水總量變化

深疏型暗管布局條件下各水文年的地下水埋深變化由圖10所示。作物全生育期內動水位和定水位控制下深疏型的地下水埋深與常規型變化規律基本一致，但由于深疏型動水位控制的出口抬升幅度更大，深疏型條件下的地下水埋深減小幅度明顯大于常規型。地下水埋深減小效應在豐水年和平水年等降水量較大年份更為明顯，豐水年動水位和定水位控制相較于對照組減小的地下水埋深平均值分別為12.1 cm和32.7 cm。

動水位控制下的地下水埋深變化存在時滯效應。常規型暗管布局下在豐水年的作物生育后期抬升出口高度至與定水位控制一致，但直至第7天后地下水埋深才與定水位控制基本一致（圖9（a））。在豐水年作物生育前期，平水年和枯水年作物全生育期降水均很少，動水位控制并未起到明顯作用，也沒有顯現時滯效應（圖9）。

深疏型暗管布局下在豐水年的作物生育前期，動水位控制的地下水埋深明顯小于對照組，盡管作物生育中期使出口控制高度降至與對照組一致，但直至第12天后地下水埋深才增加至與對照組基本一致；當作物生育后期抬升暗管出口高度至與定水位控制一致后，第12天后地下水埋深才與定水位控制基本一致（圖10（a））。在平水年條件下，作物生育中期降低出口高度也出現地下水埋深響應滯后現象，滯后約12 d；但在作物生育后期由于降水較少，此階段雖然抬升了暗管出口高度，動水位控制下的地下水埋深依舊與對照組保持一致（圖10（b））。在枯水年，由于降水較少，動水位控制并未起到明顯作用，未顯現時滯效應（圖10（c））。

2.2.2 地下排水量

動水位控制下的日地下排水量變化規律區別于定水位控制。常規型暗管布局條件下豐水年的日地下排水量由圖11（a）所示。由圖可見，在作物生育前期動水位和定水位控制下均無地下排水；在作物生育中期的第6天開始排水，動水位控制下的地下排水量大于定水位控制，排水總量增加了2.1倍；在作物生育后期動水位控制下暗管出口高度上調至與定水位一致，故動水位和定水位控制下的日地下排水量均小于對照組，且二者幅度基本一致，相較于對照組的排水總量減少了約72.5%；在作物全生育期動水位控制的地下排水總量較定水位控制增加了85.5%。平水年條件下（圖11（b）），在作物生育中期2次降水峰值時，動水位控制和對照組才出現地下排水，且二者值相近。枯水年條件下，在作物全生育期對照組、動水位和定水位控制下均無地下排水。

深疏型暗管布局條件下各水文年的日地下排水量如圖12所示。深疏型條件下動水位和定水位控制的日地下排水量與常規型條件下變化規律基本一致。在豐水年作物全生育期，動水位控制的地下排水總量較定水位控制增加了56.4%。但平水年條件下（圖12（b）），在作物生育前期和后期，只有對照組有地下排水；在作物生育中期，定水位控制下的日地下排水量小于對照組，排水總量減少了94.2%。平水年動水位控制下的日地下排水量在作物生育中期一直不低于對照組，排水總量增加了31.8%。枯水年條件下（圖12（c）），在作物生育后期降水峰值時，僅對照組有地下排水出現。

為對比作物生育期地下排水總量的變化，圖13（a）給出了常規型埋設下1954—2020年的作物生育期內地下排水總量。由圖可見，動水位和定水位控制下的地下排水總量均明顯小于對照組，年均減少量分別為11.0%和45.2%。深疏型埋設條件下動水位和定水位控制對地下排水總量的影響規律與常規條件下基本一致，年均減少量分別為10.8%和43.8%（圖13（b））。

動水位控制下的日地下排水量變化也存在時滯效應。在豐水年作物生育前期，常規型暗管布局下動水位控制和對照組條件下的地下水埋深并無明顯差異（圖9（a）），而深疏型布局下動水位控制下的地下水埋深明顯淺于對照組（圖10（a））。為此作物生育中期，動水位控制降低暗管出口高度至與對照組一致時，常規型布局下未顯現時滯效應（圖11（a）），而深疏型布局下時滯效應明顯，約需12 d動水位控制下的日地下排水量才與對照組降為一致（圖12（a））。在作物生育后期，動水位控制上調出口高度至與定水位控制一致，暗管排水量瞬時下降，不存在時滯效應。在平水年作物生育中期，動水位控制降低暗管出口高度至與對照組一致時，常規型布局下由于降水量較少，動水位控制并未起到明顯作用，未顯現時滯效應（圖11（b）），而深疏型布局下存在時滯效應，約需12 d動水位控制的日地下排水量才與對照組降為一致（圖12（b））。在枯水年作物全生育期降水均較少，動水位控制未起明顯作用，常規型和深疏型布局下均未顯現時滯效應（圖12（c））。

2.2.3 地表排水量

常規型暗管布局條件下豐水年的日地表排水量由圖14所示。在作物生育后期2次降水峰值時，動水位控制相較于對照組并未增大地表排水總量，而定水位控制下的地表排水總量較對照組增加了4.4 cm。除此之外，作物全生育期均無地表排水。平水年和枯水年的作物全生育期均無地表排水。深疏型暗管布局條件下也是僅在豐水年產生地表排水，動水位控制相較于對照組并未增大地表排水總量，而定水位控制下的地表排水總量較對照組增加了5.9 cm（圖15）。

為對比作物生育期地表排水總量的變化，圖16（a）給出了常規型埋設下1954—2020年的作物生育期內地表排水總量。由圖所示，動水位和定水位控制下的地表排水總量均明顯大于對照組，年均增加量分別為0.3 cm和1.6 cm。深疏型埋設條件下動水位和定水位控制相較于對照組，年均地表排水總量的增加量分別為0.5 cm和1.6 cm（圖16（b））。

3 討論

3.1 淺埋暗管和定水位控制對地下水埋深和排水量的影響

淺埋暗管或抬升暗管出口控制高度均可減小作物生育期的地下水埋深和減少地下排水量。淺埋暗管和控制排水對地下排水的影響主要取決于當地的氣象水文條件，來自北卡羅來納州和伊利諾伊州等不同地區的研究[11,19-20]均指出，淺埋暗管和控制排水可使地下排水量減少25%～44%。Singh等[15]在美國愛荷華州的相關試驗也得到了相同的結果，即控制排水和淺埋暗管分別減少了18%和15%的地下排水量。不同暗管埋深和間距會改變排水強度，以往研究少有針對定水位出口控制高度距地表深度與淺埋暗管埋深相等且二者暗管間距也相等條件下的對比分析。為探究二者對排水影響的差異性，本研究通過使控制排水的暗管出口控制深度與淺埋暗管埋深一致且二者暗管間距也保持一致。模擬發現，二者在地下水埋深和排水量上的影響規律基本一致。淺埋暗管雖然能夠在作物生育期經歷干旱脅迫時為作物提供更多可供利用的水分[15]，但淺埋暗管也容易造成澇漬時的排水不足。而控制排水可以通過改變暗管出口控制高度靈活的應對不同氣象條件的排水需求，因此，在適應不同水文年作物生育期內降水規律和不同作物需水規律變化上控制排水優于淺埋暗管。

3.2 定水位和動水位控制對地下水埋深和排水量的影響

定水位控制和動水位控制在作物生育前期和后期均可減小地下水埋深和減少地下排水量，而在降水量較大且頻繁的作物生育中期動水位控制將暗管出口控制高度下調到與對照組一致，因此動水位控制下的地下水埋深和地下排水量與對照組相近，而定水位控制仍減小地下水埋深和減少地下排水量，故動水位控制的作物全生育期地下排水總量高于定水位控制，其中豐水年常規型與深疏型布局下前者較后者增加了85.5%和56.4%。袁念念等[21]在定水位控制與自由排水的對比研究中，所得研究結果與本文基本一致。錢爭等[22]根據氣象降水條件劃分的動水位控制相較于自由排水減小了地下水埋深且減少了地下排水量；楊琳等[23]進一步對定水位控制和動水位控制進行對比并分析田間水分變化，而其動水位控制是根據作物不同生育階段來調整暗管出口控制高度的，并未考慮氣象條件影響。本研究為探究適應作物需水規律及氣象條件的暗管控制方式，設置了定水位控制和根據降水氣象條件調整暗管出口控制高度的動水位控制。定水位控制在整個作物生育期暗管出口控制高度均不變，盡管在降水較少的作物生育階段有效減小了地下水埋深和減少了地下排水量，但在降水較多的生育階段易造成澇漬脅迫。而動水位控制則彌補了這一缺點，在降水較多的作物生育中期降低出口控制高度，能更有效地適應作物生育期內氣象條件變化和作物需水規律，如在豐水年作物生育中期常規型布局下動水位控制的地下水埋深較定水位控制平均增加13.9 cm，地下排水量前者較后者增加2.1倍，因此，動水位控制優于定水位控制。

3.3 動水位控制排水的時滯效應

分析動水位控制對作物生育期內地下水埋深和排水量的影響發現，在作物生育中期將動水位控制的出口高度下調至與對照組一致，若此時動水位控制的地下水埋深與對照組有差異，則地下排水量立刻增加，且在一段時間內地下排水量均大于對照組，如深疏型布局條件下直到作物生育中期的第12天動水位控制的日地下排水量才與對照組接近。地下排水無法快速完成主要受到暗管排水流速和地下水降落速度等限制因素的影響，在本研究條件下控制地下水降落速度的土壤入滲性能是造成地下排水無法短時間內完成的主要限制因素，如在深疏型布局條件下直到作物生育中期的第12天動水位控制的地下水埋深才與對照組接近。在作物生育后期動水位控制將暗管出口高度上調至與定水位控制一致時，地下排水量立刻減小，地下水埋深卻未能立刻與定水位控制一致，如在豐水年深疏型布局條件下直到作物生育后期的第12天動水位控制的地下水埋深才與定水位控制接近，在平水年深疏型布局條件下作物生育后期動水位控制的地下水埋深均大于定水位控制。在作物生育后期動水位控制抬高暗管出口高度至與定水位控制一致，以期使動水位控制下的地下水埋深能與定水位一致，從而緩解生育后期降水較少導致的作物干旱。但在作物生育后期動水位控制能否有效減小地下水埋深主要取決于抬高暗管出口控制高度時的地下水埋深，若此時地下水埋深小于出口控制高度，則在作物生育后期動水位控制的地下水埋深能與定水位控制一致，有效緩解作物干旱，而若此時動水位控制的地下水埋深大于出口控制高度且無降水補充地下水，則動水位控制抬高暗管出口控制高度無法有效緩解作物干旱。常規型埋設條件下的滯后時間要小于深疏型埋設，這是因為常規型埋設條件下的暗管出口控制高度變化幅度較小。若要達到預期的調控效果，應根據降水等氣象條件變化來適當提前進行動水位控制，充分考慮時滯效應的影響。

盡管本研究發現動水位控制能夠在降水較少時有效地減小地下水埋深，適時適量進行排水輸出，既緩解了干旱時作物受旱脅迫又可避免澇漬脅迫，有助于提高農業用水效率和作物產量。需要指出的是由于本研究尚未充分考慮動水位控制下地下水埋深和排水變化響應的滯后時長，所以仍需結合田間試驗進一步探尋動水位控制下的時滯效應與水旱脅迫影響。

4 結論

1）定水位控制與淺埋暗管對排水影響的效應一致，二者均減小了地下水埋深和減少了地下排水量，尤其在年降水量較大和暗管埋深較大時愈加明顯。

2）動水位和定水位控制在作物生育前期和后期均減小了地下水埋深和減少了地下排水量，作物生育中期前者的地下水埋深較后者明顯增加，且日地下排水量明顯高于后者，其中豐水年常規型布局下前者的地下水埋深較后者平均增加13.9 cm，地下排水量較后者增加2.1倍。動水位控制下的作物全生育期地下排水總量高于定水位控制，其中豐水年常規型與深疏型布局下前者較后者增加了85.5%和56.4%。

3）動水位控制對地下水埋深和排水量的調節存在時滯效應。常規型和深疏型布局下改變暗管出口控制高度后，還需7 d和12 d左右才能使地下水埋深與排水量達到預期效果。

綜上，定水位控制與淺埋暗管排水在減少排水量和減小地下水埋深上的效應等價。動水位控制能夠根據氣象條件合理調控地下水位，但需注意的是動水位調控存在滯后效應。

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Effect of Buried Depth and Exit Control of Subsurface Tile on Drainage and Groundwater Depth

SUN Shijun1, SU Hui1, JIAO Pingjin2*, SHEN Tao3

(1. College of Water Conservancy, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China;2.Department of Irrigation and Drainage, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100048, China;3. Anhui and Huaihe River Institute of Hydraulic Research, Bengbu 233000, China)

【Objective】Subsurface tile is a conventional drainage technology to prevent groundwater table from exceeding critical depths and causing waterlogging and soil salinization. In this paper, the effect of buried depth and exit control of the tile on drainage and groundwater depth was examined through field experiment.【Method】The experiment was conducted in the Lixin Drainage Test Area in Bozhou City, Anhui province. The tile length was 200 m and the space between adjacent tiles was 30 m. The exit of each tile was connected to a well with its position either kept at a constant elevation (CWTR) or dynamically controlled (DWTR). Drainage from each tile was measured using an electronic water meter, and change in groundwater depth was measured from a borehole drilled in the middle of the tiles. Groundwater flow in the drainage system was simulated using the DRAINMOD model.【Result】Shallow-burying the tile and CWTR control of the tile exit had similar effect in controlling groundwater depth and reducing drainage. The DWTR and CWTR were both able to reduce the groundwater table dropping and drainage in the early and late crop growth stages. In the middle growth stage, the groundwater depth under DWTR was significantly lower than that under CWTR, and the daily drainage from the former was significantly higher than that from the latter. For the conventional tile layout, the average groundwater depth under DWTR in a wet year was 13.9 cm lower than that under CWTR, and the drainage of the former was 2.1 times as that of the latter. Changes in the elevation of the tile exit in DWTR altered groundwater flow, and it took 7 to 12 days, depending on the tile space, for groundwater flow to reach a new steady state.【Conclusion】Dynamic control of the elevation of the tile exit in subsurface drainage systems can be an effective means to regulate groundwater flow, preventing waterlogging during flood seasons and ensuring sufficient soil moisture during dry seasons.

controlled drainage; shallow buried tile; constant water table; dynamic water table; groundwater depth; drainage volume

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S27；P333

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022473

1672 - 3317（2023）05 - 0135 - 10

2022-08-26

遼寧省應用基礎研究計劃項目（2023JH2/101300123）；國家自然科學基金項目（52179054）；國家重點研發計劃項目（2018YFC1508304）

孫仕軍（1969-），男，遼寧莊河人。教授，博士生導師，主要從事作物高效用水和水資源綜合利用研究。E-mail: sunshijun2000@syau.edu.cn

焦平金（1980-），男，安徽蒙城人。正高級工程師，主要從事農田排水與水旱災害防御研究。E-mail: jiaopj@iwhr.com

責任編輯：趙宇龍