沿海地區(qū)地下灌排技術(shù)研究與評(píng)價(jià)

管偉李麗李道遠(yuǎn)王彥東

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

前言

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，大量耕地被轉(zhuǎn)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(chǎn)能的重要手段[1]。地下灌排工程技術(shù)是目前土地整治過程中灌排體系建設(shè)的新嘗試，包括取水樞紐工程、輸配水系統(tǒng)、田間調(diào)節(jié)系統(tǒng)等。其中，暗管排水技術(shù)能夠有效控制地下水位，達(dá)到農(nóng)田降漬和快速脫鹽目標(biāo)，具有占地少、見效快等優(yōu)點(diǎn)[2]，成為地下灌排技術(shù)中最廣泛使用的技術(shù)[3]。另外，暗管灌溉是地下輸配水系統(tǒng)中重要組成部分，其能有效減少水分蒸發(fā)，提高輸水效率和土地利用率[4]。

江蘇省沿海地區(qū)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(shè)施能夠充分利用當(dāng)?shù)氐挠晁偷贷}，是有效的節(jié)地節(jié)水方式[6]。但目前沿海地區(qū)采用的明溝明渠面臨著占地面積大，邊坡侵蝕嚴(yán)重，排水脫鹽效果差，耕地破碎等問題。而地下灌排技術(shù)具有占地面積小，方便機(jī)械化作業(yè)且維護(hù)作用低的優(yōu)點(diǎn)[7，8]。隨著沿海區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和美麗鄉(xiāng)村與生態(tài)文明建設(shè)的要求，在沿海地區(qū)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(qū)的土壤狀況與生態(tài)環(huán)境。

基于此，本研究以江蘇省鹽城市射陽縣臨海農(nóng)場為研究對(duì)象，構(gòu)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(jié)合經(jīng)濟(jì)效益和質(zhì)量指標(biāo)建立地下灌排工程的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，提出最優(yōu)組合方式，以期為沿海新型地下灌排工程的建設(shè)提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)區(qū)位于江蘇鹽城市射陽縣臨海農(nóng)場，瀕臨黃海，地勢較低，海拔約2.10m。地下灌排試驗(yàn)在項(xiàng)目區(qū)的暗管試驗(yàn)區(qū)內(nèi)進(jìn)行，項(xiàng)目區(qū)均采用暗管灌溉。針對(duì)江蘇沿海地區(qū)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(shí)際問題，本研究構(gòu)建了4種不同的節(jié)地優(yōu)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(duì)照組“明溝排水”布局模式。試驗(yàn)條田設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)參數(shù)見表1、表2，斷面設(shè)計(jì)圖見圖1。每個(gè)試驗(yàn)條田長度為750m，寬度為50m。

圖1 淺溝、農(nóng)溝、暗管設(shè)計(jì)斷面圖

表1 試驗(yàn)條田設(shè)計(jì)表

表2 地下灌排技術(shù)設(shè)計(jì)參數(shù)表

2019年6月—2020年5月在臨海農(nóng)場開展為期1年的田間觀測試驗(yàn)。在試驗(yàn)開始前后于每個(gè)小區(qū)采集上層0～100cm土樣混合，采用雷磁DDS-308A電導(dǎo)率儀測定土壤的初始電導(dǎo)率和1年試驗(yàn)后的電導(dǎo)率，計(jì)算電導(dǎo)率的增/降幅。為研究地下灌排工程的排水效果，在每個(gè)小區(qū)挖設(shè)1個(gè)地下水觀測井，并以7月20日灌水試驗(yàn)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(gè)試驗(yàn)小區(qū)選擇3個(gè)面積為1m2試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行測產(chǎn)。

1.2 評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

建立合理的指標(biāo)體系是進(jìn)行地下灌排效果評(píng)價(jià)的關(guān)鍵。采用理論分析法和專家咨詢法相結(jié)合，建立地下灌排技術(shù)的一般指標(biāo)體系，分為3個(gè)層次，目標(biāo)層(A)、準(zhǔn)則層(B)和指標(biāo)層(R)，見圖2。經(jīng)濟(jì)內(nèi)部收益率(EIRR)和經(jīng)濟(jì)效益費(fèi)用比(EBCR)參照《水利建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)規(guī)范》(SL-2013)計(jì)算；電導(dǎo)率降幅采用試驗(yàn)前后電導(dǎo)率相對(duì)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(chǎn)量增幅采用測產(chǎn)結(jié)果。

圖2 地下灌排效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

評(píng)價(jià)方法采用投影尋蹤分類模型(PPC)，該方法能夠?qū)⒃u(píng)價(jià)的多維數(shù)據(jù)降為一維，得到直觀的評(píng)價(jià)結(jié)果[9]。建模過程如下。

1.2.1 步驟1：評(píng)價(jià)指標(biāo)集的歸一化處理

設(shè)暗管排水評(píng)價(jià)指標(biāo)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(gè)樣本第j個(gè)指標(biāo)值；n、p分別為樣本的個(gè)數(shù)和評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)目。由于各指標(biāo)的量綱和變化范圍不一樣，需要對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理。

對(duì)于越大越優(yōu)的指標(biāo)：

(1)

對(duì)于越小越優(yōu)的指標(biāo)：

(2)

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

1.2.2 步驟2：構(gòu)造投影指標(biāo)函數(shù)Q(a)

PPC方法就是把p維數(shù)據(jù){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(jù){z(i)|i=1，2，…，n}的一維散布圖進(jìn)行分類，投影值要求呈現(xiàn)局部凝聚和整體分散的特征。因此，投影指標(biāo)函數(shù)表達(dá)式：

Q(a)=SzDz

(4)

式中，Sz為投影值z(mì)(i)的標(biāo)準(zhǔn)差；Dz為投影值z(mì)(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(shù)，當(dāng)t≥0時(shí)，其值為1，當(dāng)t<0時(shí)其函數(shù)值為0。

1.2.3 步驟3：優(yōu)化投影指標(biāo)函數(shù)

這是一個(gè)以a={a(1)，a(2)，a(3)，…，a(p)}為優(yōu)化變量的復(fù)雜非線性優(yōu)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(yōu)化問題的規(guī)律，能夠解決復(fù)雜的非線性優(yōu)化問題，尋找最優(yōu)解。因此，本研究采用遺傳算法投影指標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值。

1.2.4 步驟4：分類與優(yōu)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(diǎn)的投影值z(mì)(i)。z(i)越大代表評(píng)價(jià)結(jié)果越優(yōu)；越小表示評(píng)價(jià)結(jié)果越差。本研究采用Python軟件編譯GA-PPC算法。

2 結(jié)果

2.1 試驗(yàn)小區(qū)土壤性質(zhì)變化分析

試驗(yàn)實(shí)施前后各小區(qū)土壤電導(dǎo)率變化見表3。由表3可知，Q4處理試驗(yàn)前電導(dǎo)率最高，達(dá)到了7.58mS·cm-1，Q3處理試驗(yàn)后電導(dǎo)率最低，為4.75mS·cm-1。在試驗(yàn)結(jié)束后，4個(gè)處理表層土壤電導(dǎo)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(yàn)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(huì)更優(yōu)。

表3 試驗(yàn)前后土壤電導(dǎo)率變化表

2.2 試驗(yàn)小區(qū)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(gè)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(dá)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(nóng)田使用，在承接農(nóng)田排水的同時(shí)，亦可種植水生作物，大幅度節(jié)約了田間基礎(chǔ)設(shè)施占地率[10]。項(xiàng)目區(qū)淺溝面積約為1.4hm2，項(xiàng)目區(qū)采用生態(tài)淺溝的排水方式可增加1.7%的耕地面積，這對(duì)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(jié)束和降雨結(jié)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(yàn)小區(qū)地下水水位變化

2.3 試驗(yàn)小區(qū)水稻產(chǎn)量分析

不同試驗(yàn)小區(qū)的水稻產(chǎn)量如表4所示。由表4可知，Q3水稻產(chǎn)量最大，達(dá)到了7800kg·hm-2，較Q4產(chǎn)量增幅達(dá)到了13.87%；Q2處理水稻產(chǎn)量僅次于Q3處理，達(dá)到了7580kg·hm-2，與暗管排水降鹽結(jié)論一致。這可能是因?yàn)檠睾５貐^(qū)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(chǎn)量的增加。

表4 不同處理水稻產(chǎn)量變化

2.4 不同地下灌排模式綜合評(píng)價(jià)

依據(jù)構(gòu)建的地下灌排效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，確定采用4個(gè)不同處理、5項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，結(jié)果見表5。依據(jù)建立的GA-PPC模型，進(jìn)行求解，算法尋求最優(yōu)解時(shí)適應(yīng)度隨進(jìn)化次數(shù)的進(jìn)化曲線見圖4。

圖4 最優(yōu)個(gè)體適應(yīng)度的進(jìn)化過程

表5 評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化處理結(jié)果

由圖4可知，遺傳算法計(jì)算進(jìn)度較快，迭代次數(shù)137次擬合誤差已降低，得到最終結(jié)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(gè)指標(biāo)影響程度從大到小依次為地下水位下降速度、產(chǎn)量增幅、電導(dǎo)率降幅、EBCR和EIRR。說明在地下灌排綜合技術(shù)評(píng)價(jià)中，地下水位下降速度最重要，水稻產(chǎn)量指標(biāo)次之。

將a*代入，得到地下灌排技術(shù)方案評(píng)價(jià)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(shù)方案降漬脫鹽越好，由此可以看出，各個(gè)綜合技術(shù)方案的優(yōu)劣排序，處理Q3綜合評(píng)價(jià)結(jié)果最好，處理Q2次之，處理Q4最差。在地下灌排技術(shù)方案中，“明溝排水+橫向暗管排水”的試驗(yàn)方案排水脫鹽效果最優(yōu)，“淺溝排水+縱向暗管排水”的試驗(yàn)方案次之。

表6 地下灌排技術(shù)方案評(píng)價(jià)樣本的投影值及其排序

3 討論

本研究結(jié)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(dá)吾提等[11]研究是一致的。這是因?yàn)榘倒芘潘芙饬送寥乐械柠}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?yàn)樵摬季帜Ｊ较滤鳚B流路徑較短，水力梯度較大，能夠形成更多的排水通道將農(nóng)田水分排出[12]。但是待地下水位下降到一定的深度后，其優(yōu)勢不再明顯。根據(jù)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(shè)大量暗管，可能造成工程量大，成本較高，不利于機(jī)械化等問題。

在這種情況下，生態(tài)淺溝對(duì)農(nóng)田排水溝進(jìn)行生態(tài)化改造，兼顧農(nóng)田排水及污染物截留功能。陸宏鑫[13]發(fā)現(xiàn)，生態(tài)淺溝能夠構(gòu)建與濕地類似的水力條件和適宜的生物棲息環(huán)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(jī)制共同作用，有效控制面源污染。生態(tài)淺溝與暗管排水結(jié)合是地下灌排中的一種新模式，本研究發(fā)現(xiàn)，“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(duì)原有的溝渠和農(nóng)田破壞小，工程量較小，成本較低。但是目前針對(duì)生態(tài)淺溝的研究更多集中于其削減面源污染的方面[14]，結(jié)合暗管排水方式保障生態(tài)淺溝排水降漬的研究較少，后期將進(jìn)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(shè)參數(shù)。

4 結(jié)論

本研究以江蘇省鹽城市臨海農(nóng)場為例，開展了4種不同地下灌排組合技術(shù)的試驗(yàn)研究，分析了4種組合的排水脫鹽效果和產(chǎn)量變化，結(jié)合GA-PPC方法構(gòu)建了地下灌排效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，確定了最優(yōu)的灌排組合。本文得出主要結(jié)論如下。

“明溝排水+橫向暗管排水”排水脫鹽效果最好，電導(dǎo)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(dá)到了0.149cm·d-1和0.147cm·d-1，該處理的水稻產(chǎn)量最高達(dá)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(dǎo)率降幅為28.18%，水稻產(chǎn)量為7580kg·hm-2。該布局模式淺溝不易淤積，且能夠增加項(xiàng)目區(qū)約1.7%的耕地面積。