滿足機(jī)械收割農(nóng)藝條件下稻田排水暗管布局DRAINMOD模型模擬

陳 誠，羅 紈※，唐雙成，賈忠華，孫少江，張志秀，朱衛(wèi)彬

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滿足機(jī)械收割農(nóng)藝條件下稻田排水暗管布局DRAINMOD模型模擬

陳 誠1，羅 紈1※，唐雙成1，賈忠華1，孫少江1，張志秀2，朱衛(wèi)彬3

（1. 揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動力工程學(xué)院，揚(yáng)州 225009；2. 揚(yáng)州市江都區(qū)昭關(guān)灌區(qū)管理處，揚(yáng)州 225261；3. 揚(yáng)州市江都區(qū)河道管理處，揚(yáng)州 225200）

在長江中下游稻麥輪作區(qū)，水稻秋收期陰雨連綿現(xiàn)象時有發(fā)生，收割機(jī)械因農(nóng)田土壤過濕而無法及時下田收割。如果建設(shè)暗管排水系統(tǒng)，則可及時降低地下水埋深，保證機(jī)械收割的順利進(jìn)行。該文以江蘇省揚(yáng)州市江都區(qū)昭關(guān)灌區(qū)為例，以地下水埋深降至60～80 cm作為適于一般機(jī)械收割的田間排水要求，運(yùn)用田間水文模型-DRAINMOD模擬了滿足1～5 d機(jī)械下田條件的暗管排水布局，并分析了相應(yīng)的田間水文效應(yīng)以及模型主要輸入?yún)?shù)的敏感性。根據(jù)研究區(qū)1954?2016年逐日氣象數(shù)據(jù)（包含降雨、氣溫、濕度、風(fēng)速和日照時數(shù)等）的模擬結(jié)果顯示：考慮大型機(jī)械收割要求（地下水埋深大于80 cm），當(dāng)暗管埋深為90～150 cm時，滿足98%、95%和90%保證率的最大暗管間距分別為7.42～18.74 m、13.01～26.20 m和15.27～28.72 m；滿足小型機(jī)械收割要求（地下水埋深大于60 cm）的暗管布置間距則可更大，滿足98%、95%和90%保證率的最大暗管間距分別為10.36～19.59 m、18.17～30.90 m和22.88～33.02 m。多年平均機(jī)械收割天數(shù)對側(cè)向飽和導(dǎo)水率、不透水層深度、土壤蒸發(fā)蒸騰量、潛水上升通量和土壤可排空體積5類參數(shù)最為敏感。研究成果可為類似水稻種植區(qū)基于機(jī)械收割要求的農(nóng)田暗管排水系統(tǒng)設(shè)計提供理論依據(jù)。

模型；管道安裝；排水；機(jī)械化；收割天數(shù)；DRAINMOD；保證率

0 引 言

隨著中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展與城市化進(jìn)程的加速，農(nóng)村勞動力不斷減少，農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平不斷提高。自2004年起中國連續(xù)12 a實現(xiàn)糧食增產(chǎn)，但2016年出現(xiàn)減產(chǎn)，尤其是長江中下游水稻種植區(qū)，因收獲季節(jié)降雨頻繁，農(nóng)田排水不利，機(jī)械無法下田作業(yè)而導(dǎo)致水稻當(dāng)年“豐產(chǎn)不豐收”的現(xiàn)象。近幾十年來全球氣候變化導(dǎo)致區(qū)域氣象條件異常現(xiàn)象頻發(fā)，特別是降雨規(guī)律的變化對糧食生產(chǎn)安全造成了一定的隱患。Chen等[1]研究發(fā)現(xiàn)，1961?2010年氣候變暖趨勢使中國的雙季稻平均減產(chǎn)1.9%。Liu等[2]研究表明，1980?2010年中國東南部浙江、福建等8省的早稻、晚稻產(chǎn)量受降雨影響表現(xiàn)為減產(chǎn)。周曙東等[3]研究認(rèn)為，未來氣候變化情景對南方水稻產(chǎn)量的影響以減產(chǎn)為主。

目前，在水稻生產(chǎn)的全過程中，包括育秧、插秧、移栽、播種、施肥、收割以及土地深松等在內(nèi)的各個環(huán)節(jié)均可實現(xiàn)機(jī)械化作業(yè)[4-8]。與傳統(tǒng)人工生產(chǎn)相比，機(jī)械作業(yè)對于田間水分調(diào)控的要求更高，尤其是在收獲季節(jié)。水稻適宜的收獲期時間短暫，機(jī)械作業(yè)要求田間的表層和淺層土壤相對干燥；對于隨機(jī)發(fā)生的降雨事件，需要通過田間排水工程迅速降低地下水埋深，疏干土壤，以滿足機(jī)械作業(yè)要求。目前，南方水稻種植區(qū)大多為明溝排水，不僅排水效率較低，而且不利于大面積農(nóng)田的統(tǒng)一機(jī)械化耕作；隨著土地流轉(zhuǎn)和規(guī)?；?jīng)營，農(nóng)田排水需要適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展的要求。暗管排水具有不占用耕地和便于機(jī)械化作業(yè)的優(yōu)點，而且可借助控制排水措施實時調(diào)整土壤排水強(qiáng)度[9-10]，滿足不同作物的排水要求，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必要措施。水稻作為一種喜水耐淹作物，其生長期對排水的要求很低，但收獲期機(jī)械下田作業(yè)要求將地下水埋深降低到一定深度。作為水稻生產(chǎn)大國的日本自20世紀(jì)60年代起，為推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化，在稻區(qū)大面積發(fā)展暗管排水，極大地提高了水稻生產(chǎn)效率[11]。在對排水要求較低的水稻生長期，可通過對暗管出口的控制，調(diào)整排水強(qiáng)度，做到不排或少排。

對于暗管排水系統(tǒng)設(shè)計，現(xiàn)有研究大多是基于農(nóng)田排澇降漬[12-14]、土壤改良[15-16]、鹽分淋洗[17-19]及控制化肥和農(nóng)藥污染物淋失[20-22]等目的，專門針對水稻收獲期排水要求開展的研究尚不多見。對于南方稻麥輪作區(qū)，王桂民等[23]研究發(fā)現(xiàn)，水稻宜在最佳收獲日左右5 d內(nèi)進(jìn)行機(jī)械收割，此時水稻的機(jī)收總損失最小。水稻收獲期稻田暗管排水的主要目的是在稻田落干之后及時將地下水埋深降至一定深度，使收割機(jī)能夠在較為干燥的土壤環(huán)境下進(jìn)行作業(yè)，減少對農(nóng)田土壤結(jié)構(gòu)的破壞。而土壤過濕會降低機(jī)械收割的效率，增加燃油消耗[24]，乃至收割機(jī)無法下田作業(yè)造成糧食欠收。決定暗管排水效果的2個重要參數(shù)是暗管埋深和布置間距；一般來說，埋深越大、間距越小，則排水強(qiáng)度越高，地下水埋深下降得越快。朱建強(qiáng)等[25]研究指出，考慮機(jī)械作業(yè)的地下水埋深應(yīng)控制在地表以下0.6～0.8 m，而一味地通過減小暗管間距來增大排水強(qiáng)度，會增加不必要的工程投資和管理維護(hù)費(fèi)用。

大田試驗是觀測暗管排水效果的重要手段，但其時間周期較長，難以綜合考慮氣象、土壤等變化因素長期的作用效果。為此，可以借助計算機(jī)模型，基于長序列的氣象數(shù)據(jù)，結(jié)合土壤、農(nóng)作以及農(nóng)業(yè)水管理措施進(jìn)行模擬分析，預(yù)測暗管排水系統(tǒng)設(shè)計方案變化對其運(yùn)行效果的影響，以確定最為合理的排水布局。本文針對近年江蘇省水稻收割季節(jié)陰雨天氣導(dǎo)致機(jī)械無法下田作業(yè)的問題，以江蘇省揚(yáng)州市江都區(qū)昭關(guān)灌區(qū)為例，考慮稻田機(jī)械化收割對地下水埋深的要求，輸入1954?2016年逐日氣象數(shù)據(jù)，運(yùn)用DRAINMOD模型模擬研究不同設(shè)計保證率下的暗管排水布局，并對其田間水文效應(yīng)進(jìn)行分析，以期為研究區(qū)及類似地區(qū)的農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展及糧食增產(chǎn)增收提供技術(shù)支撐。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況及監(jiān)測數(shù)據(jù)

研究區(qū)位于揚(yáng)州市江都區(qū)昭關(guān)灌區(qū)的農(nóng)田水利科學(xué)研究站（119°30￠E，32°33￠N），屬于北亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，年平均降水量為1 020.1 mm，年平均氣溫為15.6 ℃，無霜期221.7 d；土壤以水稻土和潮土為主，土壤肥沃。灌區(qū)內(nèi)廣泛采用稻麥輪作種植制度，水稻生育期參見文獻(xiàn)[26-27]，其中黃熟期為9月26日?10月15日，宜在水稻收割前7~10 d落干。根據(jù)文獻(xiàn)[23]的研究結(jié)論，本文選取每年的10月13?17日作為水稻適宜的收獲期（遇閏年均提前1 d），每年的9月末進(jìn)行最后1次灌溉，之后開始落干直至收割。

為了觀測現(xiàn)有排水條件下農(nóng)田地下水埋深變化情況，在試驗站開展現(xiàn)場觀測研究。試驗站農(nóng)田為昭關(guān)灌區(qū)的一部分，試驗區(qū)現(xiàn)有的明溝排水系統(tǒng)沿100 m′100 m的田塊四周分布，農(nóng)溝深度不足60 cm，支溝深度約為100 cm，在田間布置了地下水埋深監(jiān)測井，記錄作物生長季田間水位變化情況，用于模型參數(shù)率定。

1.2 DRAINMOD模型介紹

DRAINMOD是美國農(nóng)業(yè)部自然資源保護(hù)局推薦的一個準(zhǔn)二維的田間水文預(yù)測模型，可以根據(jù)輸入的氣象、土壤、作物以及排水系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)，逐時、逐日計算2條平行排水管（或溝）中間點的水量平衡，包括入滲量、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。模型包括常規(guī)排水、控制排水、地面灌溉、氮素運(yùn)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(yùn)移的影響。在計算時段內(nèi)，DRAINMOD模型進(jìn)行地表水量平衡計算的方程可表 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。

在相同計算時段內(nèi)，地下水量平衡方程為：

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

DRAINMOD模型逐日、逐時進(jìn)行上述水量平衡計算，其中，入滲量采用Green-Ampt公式計算；側(cè)向排水量采用Hooghout公式計算，若地表積水，則轉(zhuǎn)用Kirkham公式計算；深層滲漏根據(jù)達(dá)西公式進(jìn)行計算，若底部存在不透水層則可忽略不計。DRAINMOD模型對于作物實際騰發(fā)量（actual evapotranspiration，AET）的計算分為2步：當(dāng)土壤表層濕潤，其供水能力（即潛水上升通量）大于或等于潛在騰發(fā)量（potential evapotranspiration，PET）時，AET=PET；否則，AET等于土壤供水能力。模型中對潛在騰發(fā)量的計算可采用默認(rèn)的Thornthwaite經(jīng)驗公式法，或采用其他方法計算后將結(jié)果輸入模型。

DRAINMOD模型目標(biāo)函數(shù)之一是排水滿足機(jī)耕條件；模型可以根據(jù)作物機(jī)械收割對土壤排水要求、所需收割天數(shù)以及臨時降雨影響進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，計算出每年滿足機(jī)械收割條件的可收割天數(shù)（harvesting days），并統(tǒng)計長序列模擬期內(nèi)滿足條件的年數(shù)。本文利用研究區(qū)的氣象、土壤資料模擬分析了適于大型（質(zhì)量>1 t）和小型（質(zhì)量<1 t）機(jī)械收割、且滿足90%～98%機(jī)械收割條件保證率的稻田暗管排水布局。

1.3 模型主要輸入?yún)?shù)

1）氣象數(shù)據(jù)：本文所采用的氣象數(shù)據(jù)為中國氣象局氣象數(shù)據(jù)中心公布的中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集江蘇省揚(yáng)州高郵市58241號氣象站（119°27￠E，32°48￠N，海拔5.4 m）1954?2016年的逐日數(shù)據(jù)，包括逐日最高氣溫、最低氣溫、風(fēng)速、日照時數(shù)、相對濕度和降雨量等。PET運(yùn)用Penman-Monteith公式逐日計算后，再由FAO-56[28]推薦的通用方法對每年水稻不同生長階段的作物系數(shù)K進(jìn)行修正，并將最終生成的AET文件輸入到模型當(dāng)中。

2）灌溉制度參數(shù)：DRAINMOD模型在模擬灌溉過程時，根據(jù)輸入的灌溉制度，檢查土壤水分狀況，如果滿足灌溉條件，便將灌溉量以降雨的形式加入水量平衡計算，并在輸出結(jié)果中列出實際灌溉量和日期。研究區(qū)實行稻麥輪作，水稻和小麥的生長階段具體見表1。研究區(qū)水稻種植期蓄水灌溉，小麥種植期除了特別干旱的年份，一般不灌溉。根據(jù)研究區(qū)的水稻灌溉制度，灌溉期為每年的6月11日?7月28日以及8月6日?9月30日，7月29日?8月5日為曬田期不灌溉；灌水周期設(shè)為5 d，每逢灌溉日，如果地表尚有積水或日降雨2 cm以上，則推遲灌溉； 6?9月的灌水定額分別設(shè)為3、5、5、2 cm/d，每次灌溉的持續(xù)時間為5 h。

表1 研究區(qū)水稻和小麥生育期生長階段

3）土壤資料：主要包括不同土層深度處的側(cè)向飽和導(dǎo)水率、土壤水分特征曲線、以及土壤入滲和蒸發(fā)特性參數(shù)。用襯片式土壤采樣器（0415SB型，荷蘭）在研究區(qū)鉆孔，采用鉆孔提水法實地測定側(cè)向飽和導(dǎo)水率；分層取土后采用高速恒溫冷凍離心機(jī)（CR21N型，日本）測定土壤水分特征曲線。主要土壤輸入?yún)?shù)見表2。

4）排水系統(tǒng)參數(shù)：根據(jù)研究區(qū)的實際情況，確定了地表排水、相對不透水層深度等模型參數(shù)。排水系統(tǒng)設(shè)計的主要輸入?yún)?shù)見表2。根據(jù)機(jī)械作業(yè)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60～150 cm之間（考慮到麥作期小麥的降漬要求，暗管埋深不宜過淺[29]），不同暗管布置間距條件下水稻收獲期地下水埋深的變化情況。考慮到水稻生長期間田面蓄水要求，利用DRAINMOD模型中控制排水模塊設(shè)定控制排水的堰深，模型以暗管埋深和堰深中的較小值作為實際排水深度，具體參數(shù)設(shè)置見表2。

需要說明的是，研究區(qū)斗溝和農(nóng)溝都比較淺，暗管埋深不宜太深；如果排水期外河水位較高，則需及時抽排降低水位，為暗管出流提供條件。本文將暗管埋深最大值設(shè)為150 cm，主要是為了分析“深寬型”暗管排水布局所能達(dá)到的排水效果。

表2 DRAINMOD模型主要輸入?yún)?shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 DRAINMOD模型驗證

根據(jù)研究區(qū)排水系統(tǒng)布置現(xiàn)狀，運(yùn)用DRAINMOD模擬了排水溝深100 cm、間距50 m田塊中間點地下水埋深變化，并將模擬結(jié)果與實測值進(jìn)行了比較。2016年9月16日研究區(qū)發(fā)生強(qiáng)降雨，雨量為14.0 cm，之后對地下水埋深進(jìn)行觀測，將其與模型模擬值進(jìn)行比較。如圖1所示，6次實測值與模擬值的平均相對誤差為3.05%、均方根誤差為3.00 cm，2組數(shù)據(jù)的決定系數(shù)達(dá)0.91（< 0.01），說明本文輸入的模型參數(shù)能夠較好地反映研究區(qū)稻田的實際排水過程，可運(yùn)用DRAINMOD模型準(zhǔn)確模擬研究區(qū)適宜的暗管排水布局及其水文效應(yīng)。

圖1 地下水埋深實測值與模擬值對比

2.2 機(jī)械收割保證率受暗管埋深和暗管間距的影響

2.2.1 不同地下水埋深控制目標(biāo)下排水暗管的適宜埋深

根據(jù)前文所述，在水稻適宜收獲期，若某日的地下水埋深范圍在60～80 cm，則認(rèn)為當(dāng)日滿足機(jī)械下田收割要求，以下簡稱水稻收獲期稻田地下水控制埋深l為60、70、80 cm。以排水較差的黏壤土地區(qū)常見的暗管間距20 m為例，當(dāng)?shù)叵滤刂坡裆罘謩e為60、70和80 cm時，利用DRAINMOD模擬了收獲期（10月13日?10月17日）滿足機(jī)械下田至少1、2、3、4、5 d的保證率（即達(dá)到要求的年份在模擬期中出現(xiàn)的頻率）受暗管埋深變化的影響，結(jié)果如圖2所示。隨著暗管埋深的增大，滿足機(jī)械下田收割的保證率提高；但當(dāng)暗管埋深<l+20 cm時，≥1 d、≥2 d下田收割保證率相對較低。雖然暗管間距是決定暗管排水工程成本的主要因素，但研究區(qū)汛期外河水位較高，需要通過強(qiáng)排才能保證暗管出流。所以，一味地通過加大排水間距、增加暗管埋深來提高機(jī)械收割保證率的做法是不可取的。根據(jù)圖2中的模擬結(jié)果，可取暗管埋深≥l+20 cm為適宜的暗管埋深。以圖2a為例，當(dāng)?shù)叵滤刂坡裆顬?0 cm時，暗管埋深80 cm和100 cm所對應(yīng)的≥1 d下田收割保證率相等，均為96.83%；當(dāng)?shù)叵滤刂坡裆顬?0 cm時，暗管埋深90 cm對應(yīng)的≥1 d下田收割保證率為92.06%；當(dāng)?shù)叵滤刂坡裆顬?0 cm時，暗管埋深100 cm對應(yīng)的≥1 d下田收割保證率為85.71%。當(dāng)暗管埋深=l+20 cm，圖2中滿足至少1 d比滿足至少5 d機(jī)械下田收割的保證率分別高20.64%、17.46%和20.63%。

圖2 暗管間距為20 m時不同地下水控制埋深與暗管埋深條件下機(jī)械下地收割保證率的DRAINMOD預(yù)測值

2.2.2 暗管埋深一定時暗管間距對機(jī)械下田收割保證率的影響

當(dāng)?shù)叵滤刂坡裆?i>l=60、70和80 cm時，取暗管埋深=l+20 cm、用DRAINMOD模型模擬了暗管間距為5～50 m時滿足不同機(jī)械下田收割的保證率，結(jié)果如圖3所示?？梢?，不同地下水控制埋深及暗管布局下，各類保證率的變化趨勢較為一致。l=60、70和80 cm時，暗管間距=5～25 m時所對應(yīng)的≥1 d收割天數(shù)的平均保證率均較高，分別為95.24%、92.86%和89.29%，基本滿足十年一遇的標(biāo)準(zhǔn)。隨著地下水控制埋深的增大，保證率呈遞減趨勢；暗管間距=30～50 m時對應(yīng)的≥1 d收割天數(shù)的平均保證率則為57.78%、40.32%和24.76%，保證率很低，尚難滿足兩年一遇的標(biāo)準(zhǔn)，且變幅較大。說明在研究區(qū)或類似地區(qū)，當(dāng)暗管間距30 m時，取暗管埋深=l+20 cm的排水布局均能較好地滿足稻田機(jī)械收割要求，且隨著l的提高，暗管埋深可適當(dāng)加大；但當(dāng)暗管間距≥30 m時，機(jī)械收割保證率迅速下降，且地下水控制埋深越大，機(jī)械收割保證率越低。

圖3 不同地下水控制埋深及暗管埋深條件下機(jī)械下地收割保證率隨暗管間距的變化

2.3 滿足一定機(jī)械收割保證率的排水暗管埋深與間距組合

為了更加直觀地展示機(jī)械收割保證率與不同排水布局的對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)DRAINMOD模擬結(jié)果繪制了滿足一定保證率的最大暗管間距與暗管埋深的關(guān)系曲線，如圖4所示。例如，圖4a中坐標(biāo)為（100 cm，15 m）的點位于機(jī)械收割保證率為95%和98%的2條曲線之間，表明在該暗管布局下，研究期63 a中有95%～98%的年份機(jī)械能夠在水稻收獲期下田收割≥1 d；即適宜收獲期的5 d內(nèi)，至少有1 d的地下水埋深大于80 cm。在進(jìn)行農(nóng)田排水規(guī)劃時，可以根據(jù)規(guī)劃設(shè)計要求的保證率，并結(jié)合現(xiàn)有機(jī)械的收割能力及操作人員素質(zhì)確定機(jī)械需要下田收割的天數(shù)，進(jìn)而根據(jù)圖4快速確定暗管排水布局。對于小型收割機(jī)，收割速度較慢，因而收割持續(xù)時間較長，但質(zhì)量較小，受地下水埋深的影響較??；大型機(jī)械則反之。因此分別針對大型和小型收割機(jī)械制定了2類標(biāo)準(zhǔn)：I. 滿足80 cm地下水埋深要求，至少下田1 d；II. 滿足60 cm地下水埋深要求，至少下田2 d。

圖4 滿足一定機(jī)械收割保證率的暗管排水布局的DRAINMOD預(yù)測值

根據(jù)圖4，當(dāng)暗管埋深=90～150 cm，基于大型機(jī)械收割要求（第I類標(biāo)準(zhǔn)）、滿足98%、95%和90%保證率的最大暗管間距分別為：7.42～18.74 m（五十年一遇）、13.01～26.20 m（二十年一遇）和15.27～28.72 m（十年一遇）；當(dāng)暗管埋深=90～150 cm，基于小型機(jī)械收割要求（第II類標(biāo)準(zhǔn)）、滿足98%、95%和90%保證率的最大暗管間距分別為：10.36～19.59 m（五十年一遇）、18.17～30.90 m（二十年一遇）和22.88～33.02 m（十年一遇）?？芍?，當(dāng)暗管埋深一定，滿足第I類標(biāo)準(zhǔn)的最大暗管間距小于第II類標(biāo)準(zhǔn)，所需的排水強(qiáng)度更大，說明暗管布局和設(shè)計保證率受地下水控制埋深影響更大。工程中在基于稻田機(jī)械收割要求確定暗管排水布局時，應(yīng)首先根據(jù)的收割機(jī)的性能和土壤特性，合理確定適宜的地下水控制埋深。

隨著暗管埋深的增加，滿足同等保證率的暗管間距增速減緩，其關(guān)系曲線大致呈現(xiàn)對數(shù)函數(shù)曲線，暗管間距較大的“深寬型”布局在暗管埋深增加到一定程度之后，其經(jīng)濟(jì)效益將不再明顯，以圖4a中的對應(yīng)95%保證率的曲線為例，當(dāng)暗管埋深從120 cm增至150 cm，暗管間距僅增加4.71 m（不足5 m），說明一味地通過增大暗管埋深以降低暗管工程投資成本的做法是不可取的。暗管排水只有在出口水位低于暗管埋深時才能發(fā)揮作用；暗管埋設(shè)得越深，外河排澇泵站抽水的能耗就越高。而在研究區(qū)所代表的南方平原河網(wǎng)地區(qū)，水稻收獲期陰雨天氣時有發(fā)生，排澇泵站抽水壓力往往比較大，所以，需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況，權(quán)衡暗管排水的工程投資和外河排澇泵站的運(yùn)行費(fèi)用，合理確定暗管埋深。

2.4 水稻收獲期地下水埋深受暗管排水布局的影響

工程實際中，排水暗管埋深一般取5 cm的整數(shù)倍，間距取5 m的整數(shù)倍。因此，暗管埋深-間距組合為（85 cm，10 m）、（95 cm，15 m）、（115 cm，20 m）和（140 cm，25 m）。這些排水布局與圖4a中對應(yīng)95%保證率的曲線中的點均較為接近（暗管間距的最大相對誤差不超過±7%），上述4類布局均能滿足80 cm地下水控制埋深、1 d下田收割、95%保證率（二十年一遇）的排水要求。模擬期1954年6月—2016年10月間，2014年（年降水量1 108.4 mm，為平水年）和2016年（年降水量1 553.0 mm，為濕潤年）在水稻適宜收獲期10月13日?10月17日期間的降水量分別為0和21.2 mm，選取這2個年份在水稻黃熟落干至最終收獲期間的地下水埋深下降情況進(jìn)行分析，如圖5所示。

圖5a中，2014年9月28日、29日分別降雨1.84 cm、2.61 cm，之后直至10月17日未有降雨產(chǎn)生，稻田土壤一直處于自然落干狀態(tài)。上述4類排水布局分別在9月29日降雨之后的6、7、7和8 d內(nèi)將地下水埋深降至地表以下80 cm，“淺密型”排水布局在短期內(nèi)地下水埋深較淺時更快地降低地下水埋深。但當(dāng)?shù)叵滤裆畲笥?0 cm之后，“淺密型”排水布局下水位下降速度迅速降低，暗管埋深越深，水位下降速度越快。以埋深85 cm、間距10 m的排水布局為例，10月5日?10月17日地下水埋深由80.87 cm降至86.98 cm，13 d僅下降6.11 cm；埋深140 cm、間距25 m的排水布局在同一時期內(nèi)地下水埋深下降32.91 cm，水位下降速度為埋深85 cm排水布局的5倍多。

圖5b中，2016年10月為典型的連陰雨天氣，12 d內(nèi)有6 d發(fā)生降雨，降雨量達(dá)5.35 cm，地下水埋深在大部分時間內(nèi)均小于80 cm，期間最大的2場降雨為10月7日的3.12 cm（大雨）和10月15日的1.75 cm（中雨）。通過對比上述2場降雨不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)降雨量較大時，“淺密型”排水布局的優(yōu)勢明顯，埋深85、95、115和140 cm的暗管排水布局在10月8日?10月10日的平均地下水埋深分別為68.9、62.3、58.3和57.47 cm，“淺密型”排水布局下田下水位更低。但當(dāng)降雨量較小時，“淺密型”和“深寬型”排水布局下，地下水埋深較為接近，排水效果差異不大。綜上所述，在滿足同等保證率的前提下，“淺密型”排水布局能夠在發(fā)生較大降雨時發(fā)揮更好的排水效益；要求地下水埋深較大時，“深寬型”暗管排水布局的效果更好。

圖5 不同排水布局下稻田落干收獲期的地下水埋深DRAINMOD預(yù)測值

2.5 暗管布局對各類輸入?yún)?shù)的敏感性分析

考慮到模型參數(shù)確定過程可能存在一定的誤差，可對DRAINMOD主要輸入?yún)?shù)進(jìn)行敏感性分析[30-31]，以便于對模擬結(jié)果可能存在的誤差進(jìn)行定量評估，并進(jìn)一步驗證模型的可靠性。擬采用局部敏感性分析方法，以前文所述的參數(shù)取值作為初值，對某個單一參數(shù)取變幅為?90%～200%（以10%為間隔），其他參數(shù)取值不變，以埋深100 cm、間距25 m的暗管排水布局為例，運(yùn)用DRAINMOD模型模擬每年10月13日?10月17日的多年平均機(jī)械收割天數(shù)。根據(jù)模擬結(jié)果，最敏感的參數(shù)包括如下5類：側(cè)向飽和導(dǎo)水率、不透水層深度、潛在蒸發(fā)蒸騰量、潛水上升通量和土壤可排空體積，計算結(jié)果見圖6。當(dāng)各類參數(shù)均不變時（橫坐標(biāo)為0），收割天數(shù)為3.21 d。當(dāng)上述5類參數(shù)取值分別增大30%，收割天數(shù)增幅分別為15.35%、10.40%、4.46%、1.49%和?29.70%；當(dāng)上述5類參數(shù)取值分別減小30%，收割天數(shù)減幅分別為?41.58%、?59.41%、?7.92%、?1.49%和15.84%。當(dāng)參數(shù)取值大于初值時，收割天數(shù)模擬值對土壤可排空體積和側(cè)向飽和導(dǎo)水率最為敏感。當(dāng)參數(shù)取值小于初值時，收割天數(shù)模擬值對不透水層深度和側(cè)向飽和導(dǎo)水率最為敏感，不透水層深度取值越接近暗管埋深對收割天數(shù)影響越大。在運(yùn)用DRAINMOD模型進(jìn)行基于機(jī)械下田要求的稻田暗管排水布局模擬時，需著重選取不透水層深度、土壤側(cè)向飽和導(dǎo)水率和土壤水分特征曲線（模型中可由此推得土壤可排空體積和潛水上升通量）這3類參數(shù)重點進(jìn)行較為精確的測量，以提高模擬結(jié)果的可靠性。

圖6 多年平均收割天數(shù)的參數(shù)敏感性分析

3 結(jié) 論

本文針對長江中下游水稻收獲期降雨影響機(jī)械收割而造成糧食減產(chǎn)甚至欠收的不利現(xiàn)象，基于研究區(qū)長序列氣象數(shù)據(jù)以及土壤和作物的實際情況，運(yùn)用DRAINMOD模型模擬研究了滿足一定機(jī)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(jié)論如下：

1）當(dāng)?shù)叵滤刂坡裆顬?0～80 cm時，暗管埋深為80～100 cm能夠滿足1 d以上機(jī)械收割時間90%保證率的適宜暗管間距應(yīng)小于30 m；

2）當(dāng)暗管埋深為90～150 cm，考慮大型機(jī)械收割要求、滿足98%、95%和90%保證率的最大暗管間距分別為：7.42～18.74 m、13.01～26.20 m和15.27～28.72 m；考慮小型機(jī)械收割要求、滿足上述保證率的最大暗管間距分別為：10.36～19.59 m、18.17～30.90 m和22.88～33.02 m；

3）暴雨期間，“淺密型”暗管排水布局能夠更快地排除農(nóng)田土壤積水與漬水，及時降低地下水埋深；“深寬型”暗管排水布局更有利于將地下水位控制在較低位置；

4）DRAINMOD模型輸入?yún)?shù)的局部敏感性分析結(jié)果表明，多年平均機(jī)械收割天數(shù)對側(cè)向飽和導(dǎo)水率、不透水層深度、潛在蒸發(fā)蒸騰量、潛水上升通量和土壤可排空體積這5類參數(shù)最為敏感。

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Drainage layout in paddy fields meeting machinery harvest requirement based on DRAINMOD model

Chen Cheng1, Luo Wan1※, Tang Shuangcheng1, Jia Zhonghua1, Sun Shaojiang1, Zhang Zhixiu2, Zhu Weibin3

(1.225009,; 2.225261,; 3.225200,)

In the rice and wheat rotation area in the middle and lower reaches of Yangtze River, consecutive rainfall events occur during the rice harvesting period, leading to poor trafficability for agricultural machinery in the excessively wet soils. This may result in low or no crop yield due to delayed harvest. Subsurface drainage is known for its quick drawdown of water table to enable trafficability of machinery. In order to determine the proper layout of subsurface drainage system for improved trafficability of rice harvesters, this paper presents a simulation study using the field hydrology model-DRAINMOD based on long term weather record in the Zhaoguan Irrigation District in Yangzhou, China. With a simple model testing, DRAINMOD simulations were conducted to examine the probability of achieving different harvesting days by lowering water table to 60-80 cm below soil surface. Two drainage criteria were examined: 1) lowering water table depth to 80 cm below soil surface for at least 1 d to facilitate large rice harvesters; 2) lowering water table depth to 60 cm below soil surface for at least 2 d to facilitate small rice harvesters. According to the long term daily weather data from 1954 to 2016 in the study area, DRAINMOD was applied to simulate subsurface drainage layout meeting required work days of both small and large rice harvesters; Simulation results were presented for probability of 98%, 95% and 90% corresponding to 50-, 20- and 10-year recurrence intervals for predicted harvesting days from 1 to 5 days. The simulation results showed that: 1) DRAINMOD can predict water table depths reasonably well for the study area; the average relative error and RMSE between simulated and measured water table depths for model testing were 3.05% and 3.00 cm, respectively; 2) when the water table control depth ranged from 60 to 80 cm, the subsurface pipe depth should be 20 cm deeper than the required depth to achieve at least 1 harvesting day for probabilities between 96.83% and 85.71%; 3) for the water table control depth above, the predicted subsurface pipe spacing ranged from 10 to 25 m, and the probability for obtaining at least 1 harvesting day ranged from 95.24% to 89.29%; 4) when subsurface pipe depths ranged from 90 to 150 cm, the predicted subsurface pipe spacing was in the ranges of 7.42-18.74 m, 13.01-26.20 m and 15.27-28.72 m, respectively to meet probability of 98%, 95% and 90% for different machinery trafficability. The simulation results also showed that, shallow and narrow layouts of subsurface drainage systems are more effective in removing field water during heavy rainfall events, while the deep and wide systems can lower water table more effectively out of the rainy period. Sensitivity analysis on DRAINMOD input parameters showed that the predicted harvesting days were mostly sensitive to the lateral hydraulic conductivity, depth to impermeable layer, potential evapotranspiration, upward flux and soil volume drained in the drained fields; for subsurface pipe depth at 100 cm and subsurface pipe spacing at 25 m, ±30% variations in lateral saturated hydraulic conductivity and depth from surface to the impermeable layer resulted in variation of the predicted harvesting days in the range of ?41.58%-15.35% and ?59.41%-10.40%, respectively. Findings from this research may provide valuable information for subsurface drainage system design considering variability of rainfall pattern and soil properties in regions similar to our areas.

models; pipe layout; drainage; mechanization; harvesting day; DRAINMOD; probability

陳 誠，羅 紈，唐雙成，賈忠華，孫少江，張志秀，朱衛(wèi)彬. 滿足機(jī)械收割農(nóng)藝條件下稻田排水暗管布局DRAINMOD模型模擬[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34(14)：86－93. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.14.011 http://www.tcsae.org

Chen Cheng, Luo Wan, Tang Shuangcheng, Jia Zhonghua, Sun Shaojiang, Zhang Zhixiu, Zhu Weibin. Drainage layout in paddy fields meeting machinery harvest requirement based on DRAINMOD model[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(14): 86－93. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.14.011 http://www.tcsae.org

2018-02-09

2018-06-01

國家重點研發(fā)計劃“水資源高效開發(fā)利用”重點專項（2017YFC0403205）；江蘇省水利科技項目（2017052）；揚(yáng)州大學(xué)大學(xué)生學(xué)術(shù)科技創(chuàng)新基金（x20180411）

陳 誠，江蘇揚(yáng)州人，博士生，主要從事農(nóng)業(yè)水資源管理與環(huán)境保護(hù)研究。Email：ydslcc@163.com

羅 紈，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。Email：luowan@yzu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.14.011

S276.3; S276.7+3

A

1002-6819(2018)-14-0086-08