安徽淮北地區(qū)土壤控制排水實驗設計

許一 許承娟

摘要：該實驗設計擬在安徽省淮北地區(qū)砂礓黑土區(qū)域，通過設置控制性試驗進行分析研究，確定控制排水程度與排水水分消退和營養(yǎng)物質(zhì)流失之間函數(shù)關系，建立相應軟件模型識別控制排水程度對排水過程和營養(yǎng)物質(zhì)流失的機理，進而定量化得出控制排水在調(diào)節(jié)農(nóng)田水分，減少營養(yǎng)物流失具體影響效果。

關鍵詞：淮北地區(qū);控制排水;實驗設計

中圖分類號：S213.9???? ?文獻標識碼：A

1概述

澇漬害是世界上許多國家的重大農(nóng)業(yè)氣象災害，我國有3027萬hm²耕地受澇漬威脅。淮北地區(qū)易澇（漬）區(qū)占該區(qū)總耕地總面積83.1%。目前現(xiàn)有的排水工程，主要通過60年代開展的大規(guī)模排水實驗為基本研究手段，確定了合理的排灌系統(tǒng)。

農(nóng)田排水可以排除過多的地表水?加大滲漏強度?降低過高的地下水位，但農(nóng)田排出的澇水攜帶的化肥?農(nóng)藥及其他污染物，通過排水系統(tǒng)進入地表和地下水體，成為農(nóng)業(yè)面源污染的重要途徑之一，加重了對水環(huán)境的面源污染，也降低了水資源的利用率，農(nóng)田排水研究的重心已從曾經(jīng)純粹保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，逐漸轉(zhuǎn)變到兼顧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護雙重目標階段。人們逐步認識到了這一點，從而開始關注排水的控制問題。自20世紀70年代控制排水技術問世以來，已經(jīng)在美國?荷蘭?日本本等國家得到廣泛的應用，被認為是最好的水管理技術之一。近年來，國內(nèi)也開展了控制排水實驗，殷國璽在南方稻田應用不同工程與生物措施控制地表排水，羅紈在寧夏銀南灌區(qū)稻田控制排水對排水量及鹽分影響的試驗研究，王友貞等大溝控制排水對地下水水位影響研究，以上實驗均發(fā)現(xiàn)，控制排水有調(diào)節(jié)農(nóng)田水分，減少營養(yǎng)物流失，節(jié)約灌溉用水，增加雨水資源利用等多重目的。

淮北地區(qū)砂姜黑土區(qū)作為安徽省傳統(tǒng)的旱作區(qū)，午季以小麥為主，秋季以大豆?玉米等旱作為主，旱作物耐澇耐漬性能很弱，也是皖北地區(qū)容易出現(xiàn)澇漬的一個原因。目前該區(qū)均采用單一的明溝排水，主要是通過修建三級排水溝，局部低洼地采用4級，由調(diào)節(jié)田間水分循環(huán)的田間排水系統(tǒng)?擔負澇漬水輸送的骨干排水系統(tǒng)組成。其標準僅能抗御3?5年一遇降雨，而治漬工程僅為試驗性工程，沒有與澇漬兼治連續(xù)控制結合在一起。本區(qū)通常采用的單一明溝排水，基本上達到了排澇要求，但距雨后3日內(nèi)將地下水降至0.5的防漬標準還相差較大，若要達到防漬要求，必須通過加密或加深排水溝，才能滿足以上要求。同時砂姜黑土的地下水降低1m時，潛水蒸發(fā)量接近于零，說明此時地下水對耕層的補給接近停止，因此對砂姜黑土的排水不宜過甚，一般控制在1-1.5米為宜，做到排蓄結合。此外由于農(nóng)田排水能非點源污染等原因，該區(qū)主要淮河主要支流水質(zhì)均為V類水及以下。針對以上問題的措施是：通過農(nóng)溝（深溝）排水或暗管排水來控制地下水位，防止?jié)n害的產(chǎn)生和非點源污染的進一步加劇。本項目擬在淮北平原砂礓黑土區(qū)通過設置控制性試驗進行分析研究，確定控制排水程度與排水水分消退和營養(yǎng)物質(zhì)流失之間函數(shù)關系，建立相應軟件模型識別控制排水程度對排水過程和營養(yǎng)物質(zhì)流失的機理，進而定量化得出控制排水在調(diào)節(jié)農(nóng)田水分，減少營養(yǎng)物流失具體影響效果。該研究不僅能夠為淮北平原砂姜黑土區(qū)農(nóng)田排水工程不同規(guī)格提供基礎試驗數(shù)據(jù)，還幫助決策者從不同層面選取適合淮北平原砂礓黑土區(qū)的有效排水優(yōu)化組合，此外對淮北地區(qū)以及全國其它類似條件的灌區(qū)水資源利用方式選擇都具有積極意義。

2具體試驗設計

本研究圍繞地下水水文學、農(nóng)田水利學、土壤水分動力學等多學科理論與技術的新進展，結合國內(nèi)外有關農(nóng)田控制排水研究前沿，以實體模型試驗觀測數(shù)據(jù)為關鍵支撐，采用定性與定量相結合、試驗與模型分析相結合的手段，建立排水程度與排水水分消退和營養(yǎng)物質(zhì)流失響應關系，最后通過設計持續(xù)試驗結果進行驗證。按照“控制性試驗-機理分析--方程構建”的總體思路予以完成。

2.1實驗設計與控制：

實驗裝置采用五道溝徑流試驗場Ⅰ區(qū)Ⅱ區(qū)共取A、B、C、D 4塊排水實驗區(qū)以及與大田相連接的自動稱重式蒸滲儀一個，

在4塊試驗排水區(qū)布置土壤水勢、土壤含水量探頭，其中B、D布設排水暗管。在每次降雨地表徑流消退后，開展土體剖面不同層位土壤水勢和土壤含水量監(jiān)測;利用自動稱重式蒸滲儀監(jiān)測土壤蒸發(fā)量、土壤深層滲漏量監(jiān)測;在其中B、D塊實驗區(qū)排水出口磚砌擋水墻，在降雨之后田間地表積水排干后根據(jù)淮北地區(qū)砂礓黑土排澇降漬標準，相機用沙袋封堵，模擬控制排水程度，同時在A、B、C、D四組排水溝出口處按小時抽取水質(zhì)樣品，進行實驗室化驗，測算營養(yǎng)物質(zhì)N濃度。同時從降雨開始時利用機械流量計人工監(jiān)測排水溝流量。

2.2主要技術與方法

具體實驗布置與處理設計如下：

試驗田概況：依據(jù)淮北平原種植制度，每年播種典型作物選取冬小麥和夏玉米。土壤類型砂礓黑土;五道溝徑流實驗場設有兩個排水區(qū)，分別是Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)，Ⅰ區(qū)面積為0.4km²，小溝深0.5m和1.0m，溝距100m，溝長1000m。Ⅱ區(qū)面積為0.8km²，小溝深1.0m和1.5m，溝距200m，溝長1000m。

（1）選?、駞^(qū)1.0m旱地兩塊A和B，大小一致，Ⅱ區(qū)小溝深1.5m的旱地兩塊，種植同樣作物小麥C和D，大小一致。共設置四組。示意圖見圖3。

其中B和D布設暗管排水處理，B暗管埋設深度0.7m，D暗管埋設深度0.7m。分別選擇不同的田間溝、管布置組合（田間排水溝管必須垂直布置），B間隔15m布置一條暗管，D間隔30m布置一條暗管。

（2）在其中B和D地塊排水溝下游出口處，布設磚砌擋水墻，底口留孔。平時空出，降雨產(chǎn)生徑流時，根據(jù)淮北地區(qū)砂礓黑土排澇降漬標準，相機用沙袋封堵，模擬控制排水程度。

（3）在每個排水小區(qū)取中間垂直排水溝橫截面處土體剖面每隔50cm布設有土壤水勢、土壤含水量探頭。在每個土體剖面，溝深1m布置4個，溝深1.5m布置6個，此為一組探頭。在土體剖面中心以及排水溝壁處土體各布置一組。4塊排水區(qū)共布置8組探頭。

（4）從一次降雨地表徑流消退時開始，按小時監(jiān)測記錄數(shù)據(jù)，持續(xù)3～5天。監(jiān)測的實時數(shù)據(jù)保存在CR200數(shù)據(jù)采集器中，用筆記本電腦從CR200下載，進行數(shù)據(jù)處理。在降雨之后田間地表積水排干后，開始模擬B、D地塊的控制排水，同時在A、B、C、D四組排水溝出口處按小時抽取水質(zhì)樣品，進行實驗室化驗，測算營養(yǎng)物質(zhì)N濃度。同時從降雨開始時利用明渠流量計人工監(jiān)測排水溝流量。

（5）利用自動稱重式蒸滲儀與排水區(qū)同時開始，實施監(jiān)測土壤蒸發(fā)量、土壤深層滲漏量監(jiān)測。次降雨后監(jiān)測時間持續(xù)3～5天。

3實驗內(nèi)容及結果分析

為了識別砂礓黑土澇漬災害區(qū)如何通過排水系統(tǒng)的控制來實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)步發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)關系，本項目擬設三個方面研究：（1）開展基于砂姜黑土不同排水工程組合下的控制性試驗，通過實驗數(shù)據(jù)識別控制排水程度與排水水分消退和營養(yǎng)物質(zhì)響應函數(shù)關系;（2）建立相應軟件模型模擬控制排水對土壤水分消退和營養(yǎng)物質(zhì)流失的關系;（3）從不同層面選取適合淮北平原砂礓黑土區(qū)的排水優(yōu)化組合。針對以上內(nèi)容可從實驗中分析得到具體以下內(nèi)容：

內(nèi)容一：開展不同排水組合的控制性試驗，識別控制排水程度與排水水分消退和營養(yǎng)物質(zhì)流失響應函數(shù)關系

（1）選取五道溝水文水資源實驗站砂礓黑土徑流實驗場的兩個排水區(qū)作為試驗研究對象，在排水區(qū)田間設置不同的排水組合（溝管結合），排水溝出口控制出流。土體剖面不同層位布設有土壤水勢、土壤含水量監(jiān)測探頭。

（2）開展不同排水組合排水程度控制試驗，參數(shù)包括排水溝（管）流量、土壤實時含水量、土壤水勢以及實時土壤和田頭溝中的營養(yǎng)物質(zhì)N。

（3）識別控制排水程度與排水水分消退和營養(yǎng)物質(zhì)流失響應函數(shù)關系。

內(nèi)容二：建立相應軟件模型模擬農(nóng)田控制排水對排水工程中營養(yǎng)物質(zhì)流失的關系

（1）運用DRAINMOD構建農(nóng)田控制排水優(yōu)化模型，模擬田間控制排水過程。

（2）進一步運用DRAINMOD-NII進一步完善農(nóng)田控制排水優(yōu)化模型，識別農(nóng)田排水程度與排水過程中營養(yǎng)物質(zhì)N流失的關系。

內(nèi)容三：從不同層面選取適合淮北平原砂礓黑土區(qū)的排水優(yōu)化組合

（1）建立控制性試驗與模型模擬直接對應關系，優(yōu)化模型相關參數(shù)。

（2）根據(jù)建立的優(yōu)化模型，在不同層面（經(jīng)濟效益層面、環(huán)境層面、社會層面）提出選取適合淮北平原砂礓黑土區(qū)的排水優(yōu)化組合。

4實驗設計意義

通過一定控制性實驗研究揭示控制排水程度與排水水分消退和營養(yǎng)物質(zhì)流失響應函數(shù)關系，同時根據(jù)實驗各參數(shù)建立相應軟件模型模擬農(nóng)田控制排水對土壤水分消退和營養(yǎng)物質(zhì)流失的關系。主要解決二個關鍵科學問題：

（1）由于控制排水效果涉及到土壤類型、作物類型、排水標準、氣候等多因子影響，實驗需要結合野外試驗、室內(nèi)實驗相結合，定量化分析控制排水對排澇降漬，營養(yǎng)物質(zhì)運移等一系列作用，可分析得到三者之間響應關系。

（2）該實驗可在不同層面（經(jīng)濟效益層面、環(huán)境層面、社會層面）定量化提出適應不同層面的排水優(yōu)化組合方案。

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作者簡介：

許一（1984―）男，漢，安徽宿州，碩士，工程師，主要從事水文水資源方面研究

（作者單位：1.安徽省水利部淮河水利委員會水利科學研究院，安徽省水利水資源重點實驗室;2.合肥市環(huán)境監(jiān)測中心站）