沿海地區地下灌排技術研究與評價

管偉李麗李道遠王彥東

(1.江蘇省臨海農場有限公司，江蘇 射陽 224353；2.江蘇農墾土地資源開發有限公司，江蘇 南京 211000；3.宿遷市節約用水管理服務中心，江蘇 宿遷 223800)

前言

隨著我國城市化進程的加快，大量耕地被轉作他用，土地供需矛盾日益突出。土地整治是增加耕地面積和提高土地產能的重要手段[1]。地下灌排工程技術是目前土地整治過程中灌排體系建設的新嘗試，包括取水樞紐工程、輸配水系統、田間調節系統等。其中，暗管排水技術能夠有效控制地下水位，達到農田降漬和快速脫鹽目標，具有占地少、見效快等優點[2]，成為地下灌排技術中最廣泛使用的技術[3]。另外，暗管灌溉是地下輸配水系統中重要組成部分，其能有效減少水分蒸發，提高輸水效率和土地利用率[4]。

江蘇省沿海地區地勢低，地下水位高，其作物易受到鹽漬的危害[5]。完善的灌排設施能夠充分利用當地的雨水和淡水洗鹽，是有效的節地節水方式[6]。但目前沿海地區采用的明溝明渠面臨著占地面積大，邊坡侵蝕嚴重，排水脫鹽效果差，耕地破碎等問題。而地下灌排技術具有占地面積小，方便機械化作業且維護作用低的優點[7，8]。隨著沿海區域經濟的發展和美麗鄉村與生態文明建設的要求，在沿海地區開展地下灌排工程不僅能提高供水保證率，增加耕地面積，還將改善沿海地區的土壤狀況與生態環境。

基于此，本研究以江蘇省鹽城市射陽縣臨海農場為研究對象，構建4種不同模式的地下灌排組合，觀測不同組合的土壤降漬脫鹽效果；結合經濟效益和質量指標建立地下灌排工程的評價指標體系，提出最優組合方式，以期為沿海新型地下灌排工程的建設提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗區位于江蘇鹽城市射陽縣臨海農場，瀕臨黃海，地勢較低，海拔約2.10m。地下灌排試驗在項目區的暗管試驗區內進行，項目區均采用暗管灌溉。針對江蘇沿海地區灌排與土壤改良面臨的地下水水位高，水體含鹽量高，土壤返鹽重等實際問題，本研究構建了4種不同的節地優化灌排布局模式：“明溝排水+縱向暗管排水”布局模式，“淺溝排水+縱向暗管排水”布局模式，“明溝排水+橫向排水暗管排水”布局模式，對照組“明溝排水”布局模式。試驗條田設計和設計參數見表1、表2，斷面設計圖見圖1。每個試驗條田長度為750m，寬度為50m。

圖1 淺溝、農溝、暗管設計斷面圖

表1 試驗條田設計表

表2 地下灌排技術設計參數表

2019年6月—2020年5月在臨海農場開展為期1年的田間觀測試驗。在試驗開始前后于每個小區采集上層0～100cm土樣混合，采用雷磁DDS-308A電導率儀測定土壤的初始電導率和1年試驗后的電導率，計算電導率的增/降幅。為研究地下灌排工程的排水效果，在每個小區挖設1個地下水觀測井，并以7月20日灌水試驗和8月14日降雨為例，測定灌排水周期和降雨周期地下水位變化情況。此外，在10月水稻成熟后，在每個試驗小區選擇3個面積為1m2試驗點進行測產。

1.2 評價模型構建

建立合理的指標體系是進行地下灌排效果評價的關鍵。采用理論分析法和專家咨詢法相結合，建立地下灌排技術的一般指標體系，分為3個層次，目標層(A)、準則層(B)和指標層(R)，見圖2。經濟內部收益率(EIRR)和經濟效益費用比(EBCR)參照《水利建設項目經濟評價規范》(SL-2013)計算；電導率降幅采用試驗前后電導率相對降幅；地下水位下降速度采用灌溉和降雨事件中地下水位下降速度平均值；產量增幅采用測產結果。

圖2 地下灌排效應評價指標體系

評價方法采用投影尋蹤分類模型(PPC)，該方法能夠將評價的多維數據降為一維，得到直觀的評價結果[9]。建模過程如下。

1.2.1 步驟1：評價指標集的歸一化處理

設暗管排水評價指標的樣本集為{x*(i，j)|i=1，2，3，…，n；j=1，2，3，…，p}；x*(i，j)為第i個樣本第j個指標值；n、p分別為樣本的個數和評價指標的數目。由于各指標的量綱和變化范圍不一樣，需要對評價指標進行歸一化處理。

對于越大越優的指標：

(1)

對于越小越優的指標：

(2)

式中，xmax(j)、xmin(j)分別為第j個指標值的最大值和最小值；x(i，j)為指標特征值歸一化的序列。

1.2.2 步驟2：構造投影指標函數Q(a)

PPC方法就是把p維數據{x*(i，j)|i=1，2，3，…，n；j=1，2，3，…，p}綜合成以a={a(1)，a(2)，a(3)，…，a(p)}為投影方向的一維投影值。

(3)

式中，a為單位長度向量。

然后根據{z(i)|i=1，2，…，n}的一維散布圖進行分類，投影值要求呈現局部凝聚和整體分散的特征。因此，投影指標函數表達式：

Q(a)=SzDz

(4)

式中，Sz為投影值z(i)的標準差；Dz為投影值z(i)的局部密度。

(5)

(6)

式中，E(z)為序列{z(i)|i=1，2，…，n}的平均值；R為局部密度的窗口半徑，一般可取值為0.1Sz；r(i，j)表示樣本之間的距離，r(i，j)=|z(i)-z(j)|；u(t)為一單位階躍函數，當t≥0時，其值為1，當t<0時其函數值為0。

1.2.3 步驟3：優化投影指標函數

這是一個以a={a(1)，a(2)，a(3)，…，a(p)}為優化變量的復雜非線性優化問題，而遺傳算法(GA)以概率選擇為主要手段，不需要考慮優化問題的規律，能夠解決復雜的非線性優化問題，尋找最優解。因此，本研究采用遺傳算法投影指標函數的最優值。

1.2.4 步驟4：分類與優序排列

把由步驟3求得的最佳投影方向代入后可得各樣本點的投影值z(i)。z(i)越大代表評價結果越優；越小表示評價結果越差。本研究采用Python軟件編譯GA-PPC算法。

2 結果

2.1 試驗小區土壤性質變化分析

試驗實施前后各小區土壤電導率變化見表3。由表3可知，Q4處理試驗前電導率最高，達到了7.58mS·cm-1，Q3處理試驗后電導率最低，為4.75mS·cm-1。在試驗結束后，4個處理表層土壤電導率降幅分別為24.02%、28.18%、31.83%和8.55%。表明“明溝排水+橫向降漬暗管排水”的試驗處理土壤脫鹽效果最好，“淺溝排水+縱向暗管排水”模式脫鹽效果次之。此外，在采用淺溝排水模式中，淺溝不易淤積，脫鹽效果可能會更優。

表3 試驗前后土壤電導率變化表

2.2 試驗小區排水效果分析

不同地下灌排組合地下水位的下降深度和速度不同。灌排水周期和降雨排水周期不同處理的地下水位變化圖見圖3。由圖3可知，在排水前期地下水下降較慢，而在排水后期地下水降落速度很快。在4個不同的處理中，Q3的地下水位下降速度最大，灌排水周期和降雨周期地下水位下降速度分別達到了0.149cm·d-1和0.147cm·d-1，Q2次之，Q4處理地下水下降速度最慢，較Q1分別降低了30.10%和40.78%。由此可知，“明溝排水+橫向暗管排水”排水效果最好，“淺溝排水+縱向暗管排水”模式排水效果次之。此外，由于淺溝作農田使用，在承接農田排水的同時，亦可種植水生作物，大幅度節約了田間基礎設施占地率[10]。項目區淺溝面積約為1.4hm2，項目區采用生態淺溝的排水方式可增加1.7%的耕地面積，這對耕地緊張的江蘇省而言具有特別的意義。

注：水位的測量第1次是在灌排結束和降雨結束的第2天8：00，以后每24h測量1次。圖3 灌排周期和降雨周期不同試驗小區地下水水位變化

2.3 試驗小區水稻產量分析

不同試驗小區的水稻產量如表4所示。由表4可知，Q3水稻產量最大，達到了7800kg·hm-2，較Q4產量增幅達到了13.87%；Q2處理水稻產量僅次于Q3處理，達到了7580kg·hm-2，與暗管排水降鹽結論一致。這可能是因為沿海地區采用暗管排水脫鹽后，土壤排水條件改善，土壤中含鹽量顯著降低，土壤更適宜作物的生長，從而能夠保障水稻產量的增加。

表4 不同處理水稻產量變化

2.4 不同地下灌排模式綜合評價

依據構建的地下灌排效應評價指標體系，確定采用4個不同處理、5項指標進行評價，對指標進行標準化處理，結果見表5。依據建立的GA-PPC模型，進行求解，算法尋求最優解時適應度隨進化次數的進化曲線見圖4。

圖4 最優個體適應度的進化過程

表5 評價指標標準化處理結果

由圖4可知，遺傳算法計算進度較快，迭代次數137次擬合誤差已降低，得到最終結果，最大投影特征值為0.15308，最佳投影方向a*=[0.0000，0.0937，0.3418，0.8572，0.3749]。由最佳投影方向值可以看出，5個指標影響程度從大到小依次為地下水位下降速度、產量增幅、電導率降幅、EBCR和EIRR。說明在地下灌排綜合技術評價中，地下水位下降速度最重要，水稻產量指標次之。

將a*代入，得到地下灌排技術方案評價樣本的投影值。將投影值從大到小排列，見表6。由表6可知，樣本的投影值越大，表示該技術方案降漬脫鹽越好，由此可以看出，各個綜合技術方案的優劣排序，處理Q3綜合評價結果最好，處理Q2次之，處理Q4最差。在地下灌排技術方案中，“明溝排水+橫向暗管排水”的試驗方案排水脫鹽效果最優，“淺溝排水+縱向暗管排水”的試驗方案次之。

表6 地下灌排技術方案評價樣本的投影值及其排序

3 討論

本研究結果表明，“明溝排水+橫向暗管排水”排水脫鹽效果最好，這與塔吉姑麗·達吾提等[11]研究是一致的。這是因為暗管排水溶解了土壤中的鹽分，土壤鹽分隨暗管水排出，有利于洗鹽、降低土壤鹽分，橫向降漬暗管間距越小，排水脫鹽效果越好。該處理的暗管排水處理的地下水下降速度更快，因為該布局模式下水流滲流路徑較短，水力梯度較大，能夠形成更多的排水通道將農田水分排出[12]。但是待地下水位下降到一定的深度后，其優勢不再明顯。根據圖4，在降雨4d后，該布局模式地下水下降速度低于Q2。此外，該布局模式需要在田間布設大量暗管，可能造成工程量大，成本較高，不利于機械化等問題。

在這種情況下，生態淺溝對農田排水溝進行生態化改造，兼顧農田排水及污染物截留功能。陸宏鑫[13]發現，生態淺溝能夠構建與濕地類似的水力條件和適宜的生物棲息環境，形成截留降解途徑，通過底泥截留吸附，植物吸收，微生物降解凈化等多種機制共同作用，有效控制面源污染。生態淺溝與暗管排水結合是地下灌排中的一種新模式，本研究發現，“暗管灌溉+淺溝排水+縱向暗管排水”的排水脫鹽效果僅次于“暗管灌溉+明溝排水+橫向降漬暗管排水”，且該方案對原有的溝渠和農田破壞小，工程量較小，成本較低。但是目前針對生態淺溝的研究更多集中于其削減面源污染的方面[14]，結合暗管排水方式保障生態淺溝排水降漬的研究較少，后期將進一步深入研究“暗管灌溉+淺溝排水+縱向暗管排水”的工程建設參數。

4 結論

本研究以江蘇省鹽城市臨海農場為例，開展了4種不同地下灌排組合技術的試驗研究，分析了4種組合的排水脫鹽效果和產量變化，結合GA-PPC方法構建了地下灌排效應評價指標體系，確定了最優的灌排組合。本文得出主要結論如下。

“明溝排水+橫向暗管排水”排水脫鹽效果最好，電導率降幅為31.83%，灌排水周期和降雨周期地下水位下降速度達到了0.149cm·d-1和0.147cm·d-1，該處理的水稻產量最高達到了7800kg·hm-2。

“淺溝排水+縱向暗管排水”模式排水脫鹽效果次之，電導率降幅為28.18%，水稻產量為7580kg·hm-2。該布局模式淺溝不易淤積，且能夠增加項目區約1.7%的耕地面積。