江蘇沿海灘涂農(nóng)田高降漬保證率暗管排水系統(tǒng)布局

陳 誠，羅 紈※，賈忠華，李 山，孫少江

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江蘇沿海灘涂農(nóng)田高降漬保證率暗管排水系統(tǒng)布局

陳 誠1，羅 紈1※，賈忠華1，李 山2，孫少江1

（1. 揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，揚(yáng)州 225009；2. 西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院，西安 710048）

為確定適于江蘇沿海灘涂地區(qū)農(nóng)田高標(biāo)準(zhǔn)降漬要求的暗管排水系統(tǒng)布置方案，該文根據(jù)江蘇東臺1953?2015年的逐日氣象資料，以棉花為例，雨后3 d內(nèi)將地下水埋深降至地表以下80 cm為排水降漬指標(biāo)，運(yùn)用DRAINMOD模型模擬了降漬保證率為95%的暗管排水系統(tǒng)布置方案，并在此基礎(chǔ)上分析了相應(yīng)的田間水文效應(yīng)，以及補(bǔ)充灌溉對產(chǎn)量的作用。結(jié)果表明：在滿足95%保證率的高標(biāo)準(zhǔn)降漬要求下，棉田的最大暗管間距與暗管埋深的模擬值大致呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系；8月進(jìn)行補(bǔ)充性灌溉后，滿足降漬指標(biāo)的暗管排水布局可獲得的棉花多年平均相對產(chǎn)量為84.3%～86.3%；隨著暗管埋深的增大，總排水量模擬值逐漸升高，生育期地下水埋深下降明顯，花鈴期受漬期間地下水埋深小于30 cm的累計(jì)值逐漸降低。綜合考慮研究區(qū)除澇降漬、排水洗鹽、作物產(chǎn)量、環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)效益等多重目標(biāo)，推薦埋深120～150 cm、間距15～20 m為研究區(qū)適宜的暗管排水系統(tǒng)布置參數(shù)。研究成果可為沿海地區(qū)灘涂農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)及生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供理論依據(jù)。

暗管排水；布局；棉花；降漬；保證率；DRAINMOD；模擬；沿海地區(qū)

0 引 言

江蘇省是中國海岸灘涂資源最豐富的省份，其沿海大開發(fā)已被列為國家戰(zhàn)略之一?！督K省沿海開發(fā)總體規(guī)劃》明確農(nóng)業(yè)是江蘇沿海灘涂主要的開發(fā)利用方向。然而，新圍墾的灘涂土壤鹽分含量較高，不適于作物生長，需要通過土壤改良措施使其逐步成為良田。農(nóng)田排水是鹽漬土改良的一項(xiàng)重要措施。沿海鹽堿地與內(nèi)陸干旱區(qū)鹽堿地排水改良的主要區(qū)別在于，干旱區(qū)農(nóng)田土壤鹽分主要是經(jīng)灌溉水輸入，排水系統(tǒng)一般在灌溉淋洗鹽分期間發(fā)揮作用，輸出洗鹽排水；而沿海地區(qū)降雨豐富，土壤中原生的鹽分可以在較為集中且大量的降雨淋洗作用下，經(jīng)排水系統(tǒng)離開農(nóng)田，改良后期適當(dāng)控制地下水位就可以避免鹽分累計(jì)對作物的危害。因此，沿海地區(qū)農(nóng)田排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是除澇降漬兼顧鹽分控制。

暗管排水工程具有不占用耕地、便于田間機(jī)械化作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)[1]，是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)區(qū)首選的基礎(chǔ)水利設(shè)施。對于開發(fā)面積大、而土壤結(jié)構(gòu)性差的江蘇沿海灘涂區(qū)，暗管排水具有特別的優(yōu)勢。目前已經(jīng)開展的一些試驗(yàn)研究結(jié)果表明，在沿海灘涂鹽漬化農(nóng)田中布設(shè)暗管排水設(shè)施，能夠有效降低地下水位[2]，減少澇漬災(zāi)害的發(fā)生；同時(shí)，在灌溉或降雨作用下，通過暗管排水系統(tǒng)能排出土壤中的易溶鹽分[2-6]，降低土壤含鹽量，為作物生長創(chuàng)造有利的環(huán)境[7]。但是，沿海地區(qū)土壤與氣象條件的時(shí)空變異性較大，采用統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)往往很難兼顧不同的影響因素。如果暗管布設(shè)不當(dāng)，可能造成排水不暢，作物受到漬害；而過度排水則會(huì)對下游形成水體污染，或因農(nóng)田地下水位過低導(dǎo)致作物受旱減產(chǎn)[8]。對于沿海地區(qū)，地下水位過低還會(huì)增加海水入侵的威脅[9-10]。因此，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)區(qū)排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要綜合考慮工程建設(shè)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境的影響問題。

基于除澇降漬、排水洗鹽、作物產(chǎn)量、環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)效益等多目標(biāo)農(nóng)田排水暗管的適宜埋深和間距的計(jì)算較為復(fù)雜[8]，目前主要采取田間試驗(yàn)法[11-14]、經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法[15]、理論計(jì)算法[16-18]和計(jì)算機(jī)模型模擬[19]等方法。其中，針對農(nóng)田排水水文過程模擬的DRAINMOD模型以其應(yīng)用靈活、簡便且預(yù)測準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)在國際上得到廣泛應(yīng)用[20-22]，近年來在中國也有一些應(yīng)用研究[23-25]。DRAINMOD模型可以充分考慮不同氣象、土壤和種植結(jié)構(gòu)條件下，排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案對于田間水文過程以及作物產(chǎn)量變化的影響，非常適合于降雨以及土壤情況多變的沿海地區(qū)的農(nóng)田排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

棉花是一種相對耐鹽的旱作物，江蘇沿海灘涂開發(fā)區(qū)發(fā)展棉花生產(chǎn)具有較大潛力和諸多優(yōu)勢[26]。以江蘇東 臺為例，2014年東臺市棉花種植面積為0.459萬hm2，總產(chǎn)量為7 137 t，單產(chǎn)1 555 kg/hm2，高于全省平均的1 210 kg/hm2。針對近年來江蘇沿海灘涂開發(fā)區(qū)農(nóng)田排水的實(shí)際要求，本文根據(jù)江蘇省東臺市1953?2015年的逐日氣象資料，以棉花作物為例，采用田間水文模型? DRAINMOD模擬研究了適于江蘇沿海灘涂地區(qū)農(nóng)田高標(biāo)準(zhǔn)降漬要求（降漬保證率95%）的暗管排水系統(tǒng)布置方案及其田間水文效應(yīng)，以期為江蘇沿海灘涂農(nóng)業(yè)開發(fā)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供技術(shù)支撐。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

《江蘇沿海灘涂圍墾開發(fā)利用規(guī)劃》明確：2010?2020年，江蘇沿海灘涂規(guī)劃建設(shè)21個(gè)墾區(qū)，圍墾總面積18萬hm2，而東臺就占其中的6.7萬hm2，堪稱江蘇第一圍。東臺市地處北亞熱帶北緣，海洋性季風(fēng)氣候特征明顯。楊延春等[27]于2013年7月在該地區(qū)開展了水稻秸稈暗溝排水試驗(yàn)，排水深度為0.90 m，排水間距分別為6、10和17 m，當(dāng)7月20?21日遇58 mm暴雨后，雨后3 d平均地下埋深降至0.85 m。該研究成果可用于檢驗(yàn)DRAINMOD模型的適宜性，率定相關(guān)土壤參數(shù)。

研究區(qū)的多年平均降雨量為1 052.0 mm，年內(nèi)降雨主要集中在6?9月，約占全年降水總量的50%～80%；區(qū)內(nèi)多年平均氣溫為14.8 ℃，“雨熱同期”現(xiàn)象明顯，月平均降水量及月平均氣溫分布如圖1所示。沿海灘涂開發(fā)區(qū)土壤因成陸過程中受海水浸漬，土體含鹽量較高。根據(jù)江蘇省沿海水利科學(xué)研究所2002年在東臺市東川墾區(qū)的測定結(jié)果，該圍墾區(qū)0～100 cm土壤含鹽量為2.2～4.8 g/kg，且土層越深含鹽量越低，經(jīng)過2～3 a的自然降雨淋洗作用，土壤含鹽量降至棉花苗期的耐鹽能力參考值[15]以下。研究區(qū)土質(zhì)多為砂壤土，粉細(xì)砂含量高，結(jié)構(gòu)較差。對于棉花等旱作物種植，每逢7、8月主汛期，作物受澇漬影響嚴(yán)重；但因降雨的年際變化以及7、8月作物生長旺季耗水量較大，部分年份仍需補(bǔ)充灌溉來保證產(chǎn)量。

圖1 東臺地區(qū)多年平均月降水量及氣溫

1.2 DRAINMOD模型原理

DRAINMOD模型是一個(gè)準(zhǔn)二維的田間水量平衡計(jì)算模型，它根據(jù)輸入的氣象、土壤、作物、以及排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)，逐日、逐時(shí)計(jì)算排水農(nóng)田2條平行排水溝、管中間點(diǎn)的入滲量、蒸發(fā)蒸騰量、地表徑流量、地下排水量、以及地下水埋深的變化。模型還包括地面灌溉、控制排水、作物產(chǎn)量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生態(tài)水文的影響。

在Δ時(shí)段內(nèi)，DRAINMOD模型地表水量平衡方程[28]可表示為：

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

在Δ時(shí)段內(nèi)，地下水量平衡方程[28]為：

式中Δ為土壤水分變化量，cm；為側(cè)向排水量，cm；ET為蒸發(fā)蒸騰量，cm；D為深層滲漏量，cm。

DRAINMOD模型[28]采用Green-Ampt公式計(jì)算地表入滲量；地下排水量采用Hooghoudt公式計(jì)算，地表積水時(shí)則改用Kirkham公式計(jì)算。模型還通過設(shè)置地面平整度與田埂高度來計(jì)算每日地表徑流量，即地表排水量。DRAINMOD模型在逐日計(jì)算作物實(shí)際騰發(fā)量（actual evapotranspiration，AET）時(shí)，比較土壤供水能力（即潛水上升通量）與潛在騰發(fā)量（potential evapotranspiration，PET）的大小，取二者中較小的一個(gè)值作為每日AET；也就是說，當(dāng)土壤較為濕潤時(shí)，AET = PET；否則AET < PET，其值大小取決于土壤向上的供水能力。DRAINMOD模型中對PET的計(jì)算可采用默認(rèn)的Hargreaves氣溫法，或輸入用其他方法計(jì)算的日PET值。本文根據(jù)1953?2015年間較為完整的氣象資料，采用FAO 56 Penman-Monteith法計(jì)算出PET后輸入模型。

假設(shè)作物生長期間，不受澇、旱鹽害影響、能夠按時(shí)播種收割的理想狀況下得到的產(chǎn)量為最高產(chǎn)量，相對產(chǎn)量即為作物實(shí)際產(chǎn)量與該產(chǎn)量的比值。DRAINMOD模型預(yù)測不同水分管理?xiàng)l件下的作物產(chǎn)量時(shí)，考慮澇漬、干旱、種植日期推遲以及鹽分4個(gè)影響因素來計(jì)算相對產(chǎn)量，如式（3）所示：

式中Y為總相對產(chǎn)量，%；Y為考慮澇漬影響時(shí)的相對產(chǎn)量，%；Y為考慮干旱影響時(shí)的相對產(chǎn)量，%；Y為考慮種植推遲影響時(shí)的相對產(chǎn)量，%；Y為考慮鹽分影響時(shí)的相對產(chǎn)量，%。鑒于前述研究區(qū)大量降水量對耕層土壤鹽分的淋洗作用，本文重點(diǎn)討論排水系統(tǒng)布局對澇漬災(zāi)害的調(diào)控作用，暫不考慮鹽分脅迫對棉花產(chǎn)量的影響，取Y=100%。

在作物生長季節(jié)（或生長階段），由于多次降雨或連續(xù)降雨導(dǎo)致地下水埋深持續(xù)較高時(shí), 作物生長將受到抑制而減產(chǎn)，因此作物產(chǎn)量與地下水埋深及其持續(xù)時(shí)間有密切關(guān)系。在計(jì)算分析期內(nèi)，DRAINMOD模型統(tǒng)計(jì)地下水埋深≤30 cm的天數(shù)及地下水埋深超標(biāo)累計(jì)值（sum of excess soil water，SEW30），并據(jù)此計(jì)算澇漬脅迫對作物產(chǎn)量的影響。

1.3 DRAINMOD灌溉模塊介紹及研究區(qū)棉花灌溉制度制定

DRAINMOD模型中的灌溉模塊根據(jù)預(yù)設(shè)的灌溉制度，輸入具體的灌溉時(shí)間與灌溉量，進(jìn)行田間水量平衡計(jì)算。模型在執(zhí)行灌溉時(shí)，檢查當(dāng)日降雨以及土壤墑情，若土壤較濕潤（表現(xiàn)為地下水位較高），或有中到大雨發(fā)生，則不需灌溉，推遲到下一次進(jìn)行。DRAINMOD模型輸入的灌溉量為實(shí)際可進(jìn)入土壤的凈水量。

棉花從現(xiàn)蕾到結(jié)鈴，由營養(yǎng)生長為主逐步轉(zhuǎn)向生殖生長為主，這一時(shí)期棉花的生長、干物質(zhì)積累達(dá)到旺盛階段，同時(shí)需水也達(dá)到了高峰。根據(jù)研究區(qū)的降雨情況及棉花耕作經(jīng)驗(yàn)，花鈴盛期8月的干旱機(jī)率為一年中最大，期間降雨量不及7月充足，但氣溫較高、蒸發(fā)強(qiáng)烈，伏旱現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，若能及時(shí)灌溉，則可達(dá)到促進(jìn)蕾鈴增長和減少蕾鈴脫落的效果，提高棉花的產(chǎn)量和品質(zhì)。為了分析棉花生育期灌溉對其相對產(chǎn)量的影響，擬在7、8月進(jìn)行補(bǔ)充灌溉。由于研究區(qū)棉花生長季的降水量較大，在總量上基本滿足棉花的需水要求，僅是輔助性的抗旱補(bǔ)水。根據(jù)研究區(qū)的棉花種植經(jīng)驗(yàn)，宜采用少量多灌的方式，在灌溉方式上提倡噴灌、發(fā)展溝灌、避免漫灌，同時(shí)應(yīng)特別注意避免灌溉與降雨同時(shí)發(fā)生。以僅在8月進(jìn)行灌溉為例，根據(jù)DRAINMOD模型中灌溉模塊的設(shè)置，輸入灌溉參數(shù)：灌水周期為5 d，1次的凈灌水定額為25 mm（相當(dāng)于一場中到大雨），如果日降雨大于10 mm或地下水埋深<120 cm，模型則取消灌溉，待下一個(gè)灌水周期再執(zhí)行。模型這種根據(jù)土壤的水分狀況判斷是否需要灌溉的方法，適用于研究區(qū)7、8月既易澇又易旱棉田的水文過程模擬。

1.4 模型主要輸入?yún)?shù)

本文中，DRAINMOD模型輸入?yún)?shù)主要包括4大部分：

1）氣象資料：本文所采用的氣象數(shù)據(jù)為國家氣象信息中心公布的中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集江蘇省東臺市58251號臺站（32°52N，120°19E，海拔4.3 m）1953?2015年的逐日氣象資料，包括日最平均氣溫、平均相對濕度、平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)和平均氣壓等。

2）土壤資料：根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)[29]中對江蘇沿海地區(qū)土壤及水文地質(zhì)的研究結(jié)果，整理得到砂壤土的水分特征曲線、土壤入滲和蒸發(fā)特性參數(shù)，主要土壤參數(shù)見表1。

3）排水系統(tǒng)參數(shù)：根據(jù)江蘇省沿海地區(qū)農(nóng)田排水系統(tǒng)的一般布局，研究區(qū)的排水暗管埋深取80～200 cm，由降漬指標(biāo)確定暗管埋深一定時(shí)的暗管間距。根據(jù)研究區(qū)的田間實(shí)測數(shù)據(jù)，暗管有效半徑R取2 cm，相對不透水層深度為300 cm，排水模數(shù)為2.5 cm/d，初始地下水埋深取80 cm。地面平整狀況較好，最大地表積水深度S=1 cm，Kirkham積水深度S=0.5cm。計(jì)算土層取0～20、>20～60、>60～200和>200～300 cm，相應(yīng)的側(cè)向飽和導(dǎo)水率分別為8、5、2和0.5 cm/h。

表1 DRAINMOD模型主要土壤輸入?yún)?shù)

4）作物參數(shù)：以耐鹽度較高的棉花作物為例，利用DRAINMOD模型模擬研究區(qū)適宜的暗管排水布局。根據(jù)研究區(qū)的棉花實(shí)際種植情況，種植和收獲日期分別為每年的5月1日和10月31日；苗期、蕾期、花鈴期和吐絮期4個(gè)生長階段分別為種植后的1～25、26～61、62～117和118～184 d，期間的有效根深分別為3、35～59.5、60和59.6～20 cm；水分脅迫函數(shù)截距為109、斜率為0.51。澇漬和干旱敏感因子具體見表2。

表2 DRAINMOD模型作物輸入?yún)?shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 模型驗(yàn)證

根據(jù)楊延春等[27]在東臺東川農(nóng)場開展的秸稈暗溝排水試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)暗溝埋深為90 cm，暗溝間距分別為6、10和17 m時(shí)，當(dāng)2013年7月20?21日遇58 mm暴雨后，雨后3 d平均地下水埋深降至0.85 m。根據(jù)DRAINMOD模型對研究區(qū)排水農(nóng)田水量平衡的計(jì)算結(jié)果，雨后3 d平均地下水埋深降至0.81 m，該模擬值與試驗(yàn)結(jié)果非常接近，相對誤差僅為4.7%。因此，認(rèn)為DRAINMOD模型可用于研究區(qū)暗管排水效果模擬，可以通過設(shè)置不同的設(shè)計(jì)參數(shù)尋求該地區(qū)的暗管排水系統(tǒng)的最佳布局。

2.2 基于DRAINMOD模型模擬不同灌溉條件下暗管布設(shè)對棉花產(chǎn)量的影響

2.2.1 暗管布設(shè)對棉花產(chǎn)量的影響

當(dāng)暗管埋深分別為120 cm和150 cm，暗管間距為10～50 m時(shí)，全年不灌溉、7月、8月以及7?8月灌溉這4種灌溉條件下棉花的相對產(chǎn)量如圖2a和圖2b所示。相比于不灌溉和7月灌溉，8月灌溉能夠明顯提高棉花的相對產(chǎn)量。當(dāng)暗管埋深為120 cm或150 cm、暗管間距為10～20 m時(shí)，棉花總相對產(chǎn)量均較高，達(dá)83.7%～85.2%；當(dāng)暗管間距大于20 m時(shí)，棉花相對產(chǎn)量隨著暗管間距的增大下降較快。在農(nóng)田地表平整狀況良好的前提下，DRAINMOD模型的模擬結(jié)果顯示，在不灌溉、7月灌溉、8月灌溉和7?8月灌溉這4種灌溉條件下，考慮推遲種植影響的產(chǎn)量Y≥99.5%（未列圖），其對棉花相對產(chǎn)量的影響可以忽略不計(jì)。圖2c～圖2f顯示了不同排水暗管布置形式和灌溉條件下，干旱和澇漬因素對棉花相對產(chǎn)量的影響。在干旱條件下不同灌溉條件對相對產(chǎn)量的影響差異較大，當(dāng)暗管間距為10～20 m時(shí)基本不受澇漬影響。7?8月灌溉在小幅緩解旱情的同時(shí)，增加了澇漬災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)，而提高產(chǎn)量的效果較僅8月灌溉并不明顯。相比于7月灌溉，在8月（花鈴后期）對棉花進(jìn)行補(bǔ)充灌溉，對提高棉花的增產(chǎn)效益更加明顯，可較好地緩解棉花生長旺季伏旱對產(chǎn)量的影響。當(dāng)暗管間距大于20 m 時(shí)，隨著間距增大，Y增大但增幅較小，Y迅速降低，說明由于暗管布置間距過大，排水能力有限，地下水不能及時(shí)排出，作物因澇漬災(zāi)害而減產(chǎn)，這與景衛(wèi)華等[8]研究的淮北平原砂姜黑土區(qū)的適宜暗管排水間距較為接近?？梢姡倒懿荚O(shè)及灌溉條件均對產(chǎn)量有較大影響。為穩(wěn)定作物產(chǎn)量，減少脅迫對產(chǎn)量的影響，有必要確定合適的暗管布設(shè)參數(shù)及灌溉條件。

圖2 不同灌溉條件下棉花相對產(chǎn)量隨暗管布局的變化

如圖3所示，根據(jù)擬定的灌溉制度，7月、8月以及7? 8月進(jìn)行補(bǔ)充灌溉的多年平均灌溉水量分別為45～98 mm（450～980 m3/hm2）、71～129 mm（710～1 290 m3/hm2）和106～224 mm（1 060～2 240 m3/hm2）。模型模擬結(jié)果顯示，7?8月灌溉所需水量占7、8月分別灌溉所需總水量的91.4%～98.7%，灌水量較多而產(chǎn)量提高并不明顯。圖1顯示，8月的降雨量小于7月，但8月正值作物生長旺季，耗水量非常大，故容易發(fā)生伏旱現(xiàn)象，選擇在8月進(jìn)行灌溉可以更好地補(bǔ)充作物需水，通過較少的灌溉水量更大幅度地提高棉花產(chǎn)量，更為合理。

圖3 不同灌溉條件下的多年平均灌溉水量

2.2.2 農(nóng)田排水途徑

農(nóng)田地表排水主要受控于地表平整度。因此，以研究區(qū)布設(shè)埋深150 cm、間距20 m的暗管排水系統(tǒng)為例，改變DRAINMOD模型中的地表排水參數(shù)，將最大積水深度S分別設(shè)置為1、2、3、4和5 cm，Kirkham積水深度S均取為S的1/2，其他參數(shù)不變，模擬相應(yīng)的地下和地表排水量的變化（圖4）。如圖4所示，隨著S逐漸增大，地下排水量由44.81 cm增至48.71 cm，增幅為8.7%；地表徑流量由6.51 cm降至2.46 cm，下降62.2%；總排水量介于51.32～51.17 cm之間，變化很小。當(dāng)S=1 cm、S= 0.5 cm，地表平整度較好時(shí)，降雨后地表積水時(shí)間較短，地表徑流量最大，此時(shí)地下排水量占總排水量的比例最低，但仍達(dá)到87.3%，表明在研究區(qū)僅通過地表排水難以滿足作物的除澇降漬要求，必須通過布置暗管排水系統(tǒng)來加快田間土壤排水以避免澇漬災(zāi)害的發(fā)生。

注：暗管埋深為150 cm、暗管間距為20 m。

2.3 滿足95%降漬保證率的暗管排水系統(tǒng)優(yōu)化布局模擬結(jié)果

2.3.1 暗管間距與埋深之間的關(guān)系

結(jié)合現(xiàn)有文獻(xiàn)中關(guān)于棉花排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)[15,30-31]，確定研究區(qū)基于降漬要求的排水標(biāo)準(zhǔn)為雨后3 d內(nèi)將地下水埋深降至地表以下80 cm。由于在棉花生育期（每年5?10月）內(nèi)降水量比較大（占全年的76.1%以上），降雨淋洗作用較強(qiáng)，可認(rèn)為排水系統(tǒng)在滿足降漬標(biāo)準(zhǔn)的前提下能夠有效避免土壤“返鹽”現(xiàn)象的發(fā)生，故在計(jì)算棉花相對產(chǎn)量時(shí)暫不考慮鹽分對棉花產(chǎn)量的影響。排水暗管的埋深一般大于作物的耐漬深度，取模擬暗管埋深為80～200 cm（以5 cm為步長）。利用DRAINMOD模型對研究區(qū)1953?2015年的農(nóng)田地下水埋深進(jìn)行模擬，63 a間最多僅允許3 a棉花生育期不能滿足上述降漬標(biāo)準(zhǔn)，確定能夠滿足95%降漬保證率的最大的排水暗管間距（3.84～25.46 m），由此獲得的暗管埋深與間距的關(guān)系曲線如圖5所示。由圖5可知，滿足同等降漬要求的排水系統(tǒng)布局中，隨著暗管間距的增大，暗管埋深亦逐漸增大，但增加幅度逐漸減小，兩者大致呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系。當(dāng)已知暗管埋深時(shí)，可根據(jù)圖5中關(guān)系式快速判斷暗管間距是否滿足降漬要求，便于研究區(qū)暗管排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)參考。從經(jīng)濟(jì)效益考慮，在滿足降漬要求的前提下，應(yīng)盡量采用間距較大或埋深較小的暗管排水布局。根據(jù)圖5，隨著暗管埋深的增大，能夠滿足同一降漬指標(biāo)的最大暗管間距增大幅度逐漸減小，說明“深寬型”暗管布局的經(jīng)濟(jì)效益并不顯著。

圖5 DRAINMOD模型模擬的研究區(qū)滿足95%降漬保證率的暗管間距和埋深

2.3.2 暗管布設(shè)對地表徑流和地下排水及地下水埋深的影響

為滿足95%降漬保證率，排水暗管埋深80～200 cm時(shí)，對應(yīng)間距為3.84～25.46 m，假定8月進(jìn)行補(bǔ)充灌溉，灌溉制度同前文所述，其他參數(shù)不變，運(yùn)用DRAINMOD模型模擬暗管埋深80～200 cm時(shí)的多年平均地表徑流量和地下排水量，結(jié)果如圖6a所示。由圖6a可知，隨著暗管埋深的增大，地表徑流量從9.7 cm平緩降至5.5 cm，變幅為?43.3%；地下排水量從33.4 cm增至48.7 cm，變幅為45.8%；總排水量從43.1 cm增至54.2 cm，變幅為25.8%?？梢?，滿足同等降漬要求的“深寬型”暗管排水系統(tǒng)的排水強(qiáng)度要高于“淺密型”暗管排水系統(tǒng)。當(dāng)暗管埋深在80～120 cm之間時(shí)，排水強(qiáng)度隨埋深增加增幅較大；當(dāng)暗管埋深大于150 cm之后，隨著暗管埋深和間距的繼續(xù)增大，排水總量增加不明顯，說明當(dāng)暗管埋深小于150 cm時(shí)，暗管埋深對排水效果的影響更大。由于“淺密型”布局的排水強(qiáng)度較小且更不經(jīng)濟(jì)，故暗管埋深不宜小于120 cm。

模擬期1953?2015年的63 a間，較為濕潤的1965年（年降水量1 416.3 mm）的8月21日降雨為最大1 d暴雨（雨量314.2 mm，當(dāng)日形成地表積水），1965年8月20?22日降雨為最大3 d暴雨（雨量369.9 mm），8月23日?28日均無降雨。根據(jù)圖5中的關(guān)系式，當(dāng)暗管埋深分別為100、120、150和200 cm時(shí)，滿足95%降漬標(biāo)準(zhǔn)的最大暗管間距分別為10.60、14.81、19.79和25.46 m，在此布置形式下8月21?28日的地下水埋深如圖6b所示，4種布置形式均在8月20?22日暴雨后的第3天將地下水埋深降至85 cm左右（84.7～85.2 cm），滿足本文的降漬要求。8月21日暴雨后田間形成地表積水，“淺密型”暗管布局降低地下水位的速度更快，原因是其滲流路徑較短，水力梯度較大，且暗管鋪設(shè)密度較“深寬型”更大，能夠形成更多的排水通道將農(nóng)田土壤水分排出。待地下水下位降位到一定深度后，其優(yōu)勢不再明顯，“深寬型”排水系統(tǒng)能夠?qū)⒌叵滤唤档礁畹奈恢谩８鶕?jù)圖6b，發(fā)生短歷時(shí)高強(qiáng)度暴雨時(shí)，應(yīng)更加注重短時(shí)期內(nèi)的排水，而“淺密型”排水系統(tǒng)的排水效果好于“深寬型”，故從發(fā)生暴雨后迅速降低地下水位的角度不推薦采用埋深過深的暗管排水布局。

圖6 暗管埋深對地表徑流、地下排水及地下水埋深的影響

2.3.3 不同灌溉條件下暗管埋深對棉花產(chǎn)量的影響

利用DRAINMOD模型對研究區(qū)進(jìn)行無任何排水措施下的田間水文效應(yīng)模擬，得到棉花多年平均相對產(chǎn)量僅為14.9%，受澇漬影響時(shí)相對產(chǎn)量Y僅為18.5%，表明作物因受到澇漬災(zāi)害的嚴(yán)重影響而大幅減產(chǎn)。如圖7所示，當(dāng)8月進(jìn)行補(bǔ)充灌溉，按本文降漬標(biāo)準(zhǔn)布置暗管排水系統(tǒng)，棉花的相對產(chǎn)量均較高，達(dá)84.3%～86.3%，變化不大，平均比不灌溉時(shí)高15%左右。錢龍等[32]研究指出，棉花各生育期發(fā)生澇漬脅迫時(shí)，花鈴期內(nèi)減產(chǎn)效應(yīng)最為顯著。根據(jù)朱建強(qiáng)等[33]的試驗(yàn)結(jié)論，棉花的相對產(chǎn)量與地下水埋深小于30 cm的累計(jì)值（SEW30）之間存在顯著的線性關(guān)系，以作物減產(chǎn)10%～15%為可接受的尺度，推薦持續(xù)受漬脅迫下棉花花鈴期的排水控制指標(biāo)SEW30應(yīng)取80～120 cm?d。根據(jù)模擬結(jié)果，無排水措施下棉花生育期多年平均SEW30達(dá)1 038.1 cm?d。根據(jù)模型模擬結(jié)果各暗管排水布局的棉花全生育期多年平均SEW30為27.15～47.49 cm?d，僅1991年的棉花花鈴期SEW30值超過120 cm?d（119.9～140.4 cm?d）。由此可見，基于本文降漬要求模擬得出的暗管排水布置形式能很好地滿足SEW30指標(biāo)。在各種灌溉制度下，不同暗管排水布局所獲得的相對產(chǎn)量變化不大，當(dāng)埋深小于120 cm時(shí)雖然產(chǎn)量略高，但由于暗管鋪設(shè)更密，工程上不經(jīng)濟(jì)，故不推薦埋深過淺的“淺密型”布局。

圖7 不同灌溉條件下暗管埋深對棉花相對產(chǎn)量的影響

2.3.4 排水系統(tǒng)對生態(tài)環(huán)境的影響分析

圖8顯示了不同排水系統(tǒng)布局下模擬期7?10月平均地下水埋深的模擬結(jié)果，可見，“深寬型”排水布置的平均月地下水埋深要低于“淺密型”排水布置?！吧顚捫汀迸潘季帜軌蚋玫貪M足除澇降漬要求，且暗管間距較大，工程一次性投資及后期維護(hù)費(fèi)用相對更小。然而，農(nóng)田地下排水量及地表徑流量是影響氮磷流失的主要因素之一[34]。根據(jù)圖6，在滿足同等降漬要求的前提下，“深寬型”暗管排水系統(tǒng)的排水強(qiáng)度明顯大于“淺密型”暗管排水系統(tǒng)，采用“深寬型”布置形式將使更多的土壤水分以及氮磷污染物排出，降低農(nóng)業(yè)水資源利用效率，且加重排水污染。因此，出于生態(tài)環(huán)境保護(hù)的角度，不宜選用“深寬型”暗管排水布置形式。另外，沿海地區(qū)排水溝深度過大，會(huì)增加排水期對外河水位控制的要求。

圖8 不同排水系統(tǒng)布置形式下7?10月平均地下水埋深

選取2種與圖5較為接近的典型布置形式：1）暗管埋深150 cm，間距20 m；2）暗管埋深200 cm，間距25 m，后者地下水埋深全年平均下降29.9 cm。現(xiàn)有研究指出，沿海地區(qū)在不考慮潮汐、風(fēng)暴潮等影響下，當(dāng)?shù)叵滤裆钕陆?.299 m時(shí)，對應(yīng)地點(diǎn)的海平面以下的淡水水深會(huì)減少11.96 m，即鹽淡水界面會(huì)上升11.96 m，增加海水入侵的威脅[35]。考慮到海水入侵對生態(tài)環(huán)境影響的問題，亦不宜選用“深寬型”排水布置形式。

綜合考慮除澇降漬、排水洗鹽、作物產(chǎn)量、環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)效益等多重目標(biāo)，推薦較為適中的埋深120～150 cm、間距15～20 m作為江蘇沿海地區(qū)灘涂農(nóng)業(yè)開發(fā)中暗管排水工程適宜的布置參數(shù)，這與劉永等[2]基于降漬脫鹽要求推薦的暗管布置形式（埋深140 cm，間距15 m）較為接近。

3 結(jié) 論

本文應(yīng)用DRAINMOD模型，根據(jù)江蘇沿海地區(qū)的棉花排水與灌溉要求，基于長序列氣象資料資料以及研究區(qū)較為普遍的土壤類型參數(shù)，模擬研究了基于降漬要求的農(nóng)田暗管排水布局及其田間水文效應(yīng)，得到以下主要結(jié)論：

1）根據(jù)雨后3 d內(nèi)將地下水埋深降至地表以下80 cm的降漬指標(biāo)，滿足95%降漬保證率的最大暗管間距與暗管埋深基本呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系分布。基于上述降漬指標(biāo)模擬得到的不同暗管排水系統(tǒng)布置形式下，在7、8月，尤其是在8月適當(dāng)補(bǔ)充灌溉，可顯著提高棉花產(chǎn)量。

2）與“淺密型”暗管布置形式相比，“深寬型”的排水強(qiáng)度更大，常年平均地下水埋深較大，這不利于雨水資源的利用，而且可能加重農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染，增大海水入侵的風(fēng)險(xiǎn)。對于次暴雨，“淺密型”布置的暗管可以在短時(shí)間內(nèi)更加迅速地降低地下水位。

3）模擬結(jié)果顯示，研究區(qū)單純依靠地表排水，很難滿足棉花的除澇降漬要求；增加地下排水系統(tǒng)可以有效調(diào)控農(nóng)田土壤水分，提高作物生產(chǎn)。在綜合考慮除澇降漬、排水洗鹽、作物產(chǎn)量、環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)效益等因素后，推薦埋深120～150 cm、間距15～20 m為適于研究區(qū)的暗管排水系統(tǒng)布置參數(shù)。

本文中采用了較高的降漬設(shè)計(jì)保證率，所建議的排水暗管間距相對較小，綜合工程投資的經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)際過程中可在本文推薦的參數(shù)基礎(chǔ)上適當(dāng)增加暗管間距。本文模擬分析了基于研究區(qū)較為普遍的土壤參數(shù)，今后研究還需考慮暗管排水設(shè)計(jì)參數(shù)對不同土壤參數(shù)的敏感性，以及滿足同等降漬標(biāo)準(zhǔn)的暗管排水系統(tǒng)對土壤鹽分的淋洗效果。

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Subsurface drainage system layout to meet high assurance rate of waterlogging control in coastal mud-flat farmlands in Jiangsu

Chen Cheng1, Luo Wan1※, Jia Zhonghua1, Li Shan2, Sun Shaojiang1

(1.225009,; 2.710048,)

Modern agricultural development in the coastal mud-flat area of Jiangsu, China faces the challenges of poor drainage water management; the existing open ditch systems cannot meet the drainage requirement for water table control and waterlogging prevention due to the concentrated rainfall during the crop growing seasons. In order to examine the subsurface drainage system layout plans based on the high probability of waterlogging prevention in the farmlands, a model simulation study using the field hydrology model-DRAINMOD was conducted for cotton growing condition in Dongtai, Jiangsu, China. The applicability of DRAINMOD was tested with reported data of water table drawdown from a locally conducted subsurface drainage experiment. Long term simulations were subsequently conducted based on daily weather data from 1953 to 2015 in the study area, and the soil drainage and crop factors. The waterlogging control objective was based on lowering water table depth to 80 cm below soil surface in 3 days after rainfall events, and DRAINMOD simulation results for different subsurface drainage system layout plans were evaluated on the assurance rate of 95%. In addition, the effect of supplemental irrigation on crop yields were examined through simulations of crop yields with different irrigation strategies. The simulation results showed that: 1) DRAINMOD could predict water table depths reasonably well for the study area and the relative error between simulated and measured water table depths was 4.7%; to meet the high assurance rate of 95% for cotton, the required subsurface pipe spacing presented a logarithmic relationship with the subsurface pipe depth that ranged from 80 to 200 cm (<0.01); when supplemental irrigation was applied in August, the predicted average relative yields of cotton were in the range of 84.3% to 86.3% under the proposed drainage system layout. 2) For the optimum design of subsurface drain depth at 150 cm and spacing at 20 m, with good surface drainage condition, the simulated subsurface drainage accounted for 87.3% of the total drainage, the surface drainage alone could not meet the drainage requirement for waterlogging reduction in the study area. 3) DRAINMOD predicted values of the soil excess water index (SEW30) in the flowering and boll-forming stage of cotton were in the range of 27.15 to 47.49 cm?d, which were much lower than the values that would lead to 10% to 15% reduction of the cotton yield based on existing studies. 4) For a severe 3-day storm event that produced 369.9 mm rainfall in 3 days in the simulated period, DRAINMOD simulation results showed that shallow and narrowly placed drains could lower water table more effectively during the early days of drainage, while the deep and wider drains could lower water table to a greater depth during the later time period. 5) For the coastal area, lowering water table depth from 150 cm to 200cm may result in salt water surface rise of 11.96 m, posing a potential threat of saltwater intrusion. Because lowering water table to an excessive depth may lead to high soil moisture and nutrient losses, the subsurface drainage pipes should be placed as shallow as necessary to achieve the desired water table control level from both the economical and the environmental perspective. Considering multiple objectives of waterlogging reduction, salinity control, maximum crop yields, environmental protection and economic benefits, the authors recommend the drain depths of between 120 cm and 150 cm and the spacing between 15 m and 20 m as the appropriate design parameters for the study area. Findings from this study may provide technical reference for agricultural drainage system installation in the coastal mud-flat area.

subsurface drainage; layout; cotton; waterlogging control; assurance rate; DRAINMOD; simulation; coastal area

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.016

S276.3

A

1002-6819(2017)-12-0122-08

2016-12-13

2017-05-10

國家自然科學(xué)基金（51279159）；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目（PAPD）

陳 誠，男，江蘇揚(yáng)州人，主要從事農(nóng)業(yè)水資源管理與環(huán)境保護(hù)研究。揚(yáng)州 揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，225009。 Email：ydslcc@163.com

羅 紈，女，新疆霍城人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)水資源與環(huán)境保護(hù)研究。揚(yáng)州 揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院，225009。Email：luowan@yzu.edu.cn

陳 誠，羅 紈，賈忠華，李 山，孫少江．江蘇沿海灘涂農(nóng)田高降漬保證率暗管排水系統(tǒng)布局[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(12)：122－129. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.016 http://www.tcsae.org

Chen Cheng, Luo Wan, Jia Zhonghua, Li Shan, Sun Shaojiang. Subsurface drainage system layout to meet high assurance rate of waterlogging control in coastal mud-flat farmlands in Jiangsu[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(12): 122－129. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.016 http://www.tcsae.org