滿足機械收割農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，朱衛彬

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滿足機械收割農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，朱衛彬3

（1. 揚州大學水利與能源動力工程學院，揚州 225009；2. 揚州市江都區昭關灌區管理處，揚州 225261；3. 揚州市江都區河道管理處，揚州 225200）

在長江中下游稻麥輪作區，水稻秋收期陰雨連綿現象時有發生，收割機械因農田土壤過濕而無法及時下田收割。如果建設暗管排水系統，則可及時降低地下水埋深，保證機械收割的順利進行。該文以江蘇省揚州市江都區昭關灌區為例，以地下水埋深降至60～80 cm作為適于一般機械收割的田間排水要求，運用田間水文模型-DRAINMOD模擬了滿足1～5 d機械下田條件的暗管排水布局，并分析了相應的田間水文效應以及模型主要輸入參數的敏感性。根據研究區1954?2016年逐日氣象數據（包含降雨、氣溫、濕度、風速和日照時數等）的模擬結果顯示：考慮大型機械收割要求（地下水埋深大于80 cm），當暗管埋深為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。多年平均機械收割天數對側向飽和導水率、不透水層深度、土壤蒸發蒸騰量、潛水上升通量和土壤可排空體積5類參數最為敏感。研究成果可為類似水稻種植區基于機械收割要求的農田暗管排水系統設計提供理論依據。

模型；管道安裝；排水；機械化；收割天數；DRAINMOD；保證率

0 引 言

隨著中國經濟發展與城市化進程的加速，農村勞動力不斷減少，農業機械化水平不斷提高。自2004年起中國連續12 a實現糧食增產，但2016年出現減產，尤其是長江中下游水稻種植區，因收獲季節降雨頻繁，農田排水不利，機械無法下田作業而導致水稻當年“豐產不豐收”的現象。近幾十年來全球氣候變化導致區域氣象條件異常現象頻發，特別是降雨規律的變化對糧食生產安全造成了一定的隱患。Chen等[1]研究發現，1961?2010年氣候變暖趨勢使中國的雙季稻平均減產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、晚稻產量受降雨影響表現為減產。周曙東等[3]研究認為，未來氣候變化情景對南方水稻產量的影響以減產為主。

目前，在水稻生產的全過程中，包括育秧、插秧、移栽、播種、施肥、收割以及土地深松等在內的各個環節均可實現機械化作業[4-8]。與傳統人工生產相比，機械作業對于田間水分調控的要求更高，尤其是在收獲季節。水稻適宜的收獲期時間短暫，機械作業要求田間的表層和淺層土壤相對干燥；對于隨機發生的降雨事件，需要通過田間排水工程迅速降低地下水埋深，疏干土壤，以滿足機械作業要求。目前，南方水稻種植區大多為明溝排水，不僅排水效率較低，而且不利于大面積農田的統一機械化耕作；隨著土地流轉和規模化經營，農田排水需要適應現代農業機械化發展的要求。暗管排水具有不占用耕地和便于機械化作業的優點，而且可借助控制排水措施實時調整土壤排水強度[9-10]，滿足不同作物的排水要求，是現代農業發展的必要措施。水稻作為一種喜水耐淹作物，其生長期對排水的要求很低，但收獲期機械下田作業要求將地下水埋深降低到一定深度。作為水稻生產大國的日本自20世紀60年代起，為推進農業機械化，在稻區大面積發展暗管排水，極大地提高了水稻生產效率[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，調整排水強度，做到不排或少排。

對于暗管排水系統設計，現有研究大多是基于農田排澇降漬[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，王桂民等[23]研究發現，水稻宜在最佳收獲日左右5 d內進行機械收割，此時水稻的機收總損失最小。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，使收割機能夠在較為干燥的土壤環境下進行作業，減少對農田土壤結構的破壞。而土壤過濕會降低機械收割的效率，增加燃油消耗[24]，乃至收割機無法下田作業造成糧食欠收。決定暗管排水效果的2個重要參數是暗管埋深和布置間距；一般來說，埋深越大、間距越小，則排水強度越高，地下水埋深下降得越快。朱建強等[25]研究指出，考慮機械作業的地下水埋深應控制在地表以下0.6～0.8 m，而一味地通過減小暗管間距來增大排水強度，會增加不必要的工程投資和管理維護費用。

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，可以借助計算機模型，基于長序列的氣象數據，結合土壤、農作以及農業水管理措施進行模擬分析，預測暗管排水系統設計方案變化對其運行效果的影響，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陰雨天氣導致機械無法下田作業的問題，以江蘇省揚州市江都區昭關灌區為例，考慮稻田機械化收割對地下水埋深的要求，輸入1954?2016年逐日氣象數據，運用DRAINMOD模型模擬研究不同設計保證率下的暗管排水布局，并對其田間水文效應進行分析，以期為研究區及類似地區的農業機械化發展及糧食增產增收提供技術支撐。

1 研究方法

1.1 研究區概況及監測數據

研究區位于揚州市江都區昭關灌區的農田水利科學研究站（119°30￠E，32°33￠N），屬于北亞熱帶季風濕潤氣候區，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。灌區內廣泛采用稻麥輪作種植制度，水稻生育期參見文獻[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。根據文獻[23]的研究結論，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月末進行最后1次灌溉，之后開始落干直至收割。

為了觀測現有排水條件下農田地下水埋深變化情況，在試驗站開展現場觀測研究。試驗站農田為昭關灌區的一部分，試驗區現有的明溝排水系統沿100 m′100 m的田塊四周分布，農溝深度不足60 cm，支溝深度約為100 cm，在田間布置了地下水埋深監測井，記錄作物生長季田間水位變化情況，用于模型參數率定。

1.2 DRAINMOD模型介紹

DRAINMOD是美國農業部自然資源保護局推薦的一個準二維的田間水文預測模型，可以根據輸入的氣象、土壤、作物以及排水系統設計參數，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。模型包括常規排水、控制排水、地面灌溉、氮素運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移的影響。在計算時段內，DRAINMOD模型進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，地下水量平衡方程為：

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

DRAINMOD模型逐日、逐時進行上述水量平衡計算，其中，入滲量采用Green-Ampt公式計算；側向排水量采用Hooghout公式計算，若地表積水，則轉用Kirkham公式計算；深層滲漏根據達西公式進行計算，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量（actual evapotranspiration，AET）的計算分為2步：當土壤表層濕潤，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。模型中對潛在騰發量的計算可采用默認的Thornthwaite經驗公式法，或采用其他方法計算后將結果輸入模型。

DRAINMOD模型目標函數之一是排水滿足機耕條件；模型可以根據作物機械收割對土壤排水要求、所需收割天數以及臨時降雨影響進行參數設定，計算出每年滿足機械收割條件的可收割天數（harvesting days），并統計長序列模擬期內滿足條件的年數。本文利用研究區的氣象、土壤資料模擬分析了適于大型（質量>1 t）和小型（質量<1 t）機械收割、且滿足90%～98%機械收割條件保證率的稻田暗管排水布局。

1.3 模型主要輸入參數

1）氣象數據：本文所采用的氣象數據為中國氣象局氣象數據中心公布的中國地面氣候資料日值數據集江蘇省揚州高郵市58241號氣象站（119°27￠E，32°48￠N，海拔5.4 m）1954?2016年的逐日數據，包括逐日最高氣溫、最低氣溫、風速、日照時數、相對濕度和降雨量等。PET運用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K進行修正，并將最終生成的AET文件輸入到模型當中。

2）灌溉制度參數：DRAINMOD模型在模擬灌溉過程時，根據輸入的灌溉制度，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，并在輸出結果中列出實際灌溉量和日期。研究區實行稻麥輪作，水稻和小麥的生長階段具體見表1。研究區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。根據研究區的水稻灌溉制度，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為3、5、5、2 cm/d，每次灌溉的持續時間為5 h。

表1 研究區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向飽和導水率、土壤水分特征曲線、以及土壤入滲和蒸發特性參數。用襯片式土壤采樣器（0415SB型，荷蘭）在研究區鉆孔，采用鉆孔提水法實地測定側向飽和導水率；分層取土后采用高速恒溫冷凍離心機（CR21N型，日本）測定土壤水分特征曲線。主要土壤輸入參數見表2。

4）排水系統參數：根據研究區的實際情況，確定了地表排水、相對不透水層深度等模型參數。排水系統設計的主要輸入參數見表2。根據機械作業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，具體參數設置見表2。

需要說明的是，研究區斗溝和農溝都比較淺，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為150 cm，主要是為了分析“深寬型”暗管排水布局所能達到的排水效果。

表2 DRAINMOD模型主要輸入參數

2 結果與分析

2.1 DRAINMOD模型驗證

根據研究區排水系統布置現狀，運用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，并將模擬結果與實測值進行了比較。2016年9月16日研究區發生強降雨，雨量為14.0 cm，之后對地下水埋深進行觀測，將其與模型模擬值進行比較。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組數據的決定系數達0.91（< 0.01），說明本文輸入的模型參數能夠較好地反映研究區稻田的實際排水過程，可運用DRAINMOD模型準確模擬研究區適宜的暗管排水布局及其水文效應。

圖1 地下水埋深實測值與模擬值對比

2.2 機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下排水暗管的適宜埋深

根據前文所述，在水稻適宜收獲期，若某日的地下水埋深范圍在60～80 cm，則認為當日滿足機械下田收割要求，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常見的暗管間距20 m為例，當地下水控制埋深分別為60、70和80 cm時，利用DRAINMOD模擬了收獲期（10月13日?10月17日）滿足機械下田至少1、2、3、4、5 d的保證率（即達到要求的年份在模擬期中出現的頻率）受暗管埋深變化的影響，結果如圖2所示。隨著暗管埋深的增大，滿足機械下田收割的保證率提高；但當暗管埋深<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，但研究區汛期外河水位較高，需要通過強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械收割保證率的做法是不可取的。根據圖2中的模擬結果，可取暗管埋深≥l+20 cm為適宜的暗管埋深。以圖2a為例，當地下水控制埋深為60 cm時，暗管埋深80 cm和100 cm所對應的≥1 d下田收割保證率相等，均為96.83%；當地下水控制埋深為70 cm時，暗管埋深90 cm對應的≥1 d下田收割保證率為92.06%；當地下水控制埋深為80 cm時，暗管埋深100 cm對應的≥1 d下田收割保證率為85.71%。當暗管埋深=l+20 cm，圖2中滿足至少1 d比滿足至少5 d機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械下地收割保證率的DRAINMOD預測值

2.2.2 暗管埋深一定時暗管間距對機械下田收割保證率的影響

當地下水控制埋深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時滿足不同機械下田收割的保證率，結果如圖3所示。可見，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時所對應的≥1 d收割天數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準。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時對應的≥1 d收割天數的平均保證率則為57.78%、40.32%和24.76%，保證率很低，尚難滿足兩年一遇的標準，且變幅較大。說明在研究區或類似地區，當暗管間距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械收割要求，且隨著l的提高，暗管埋深可適當加大；但當暗管間距≥30 m時，機械收割保證率迅速下降，且地下水控制埋深越大，機械收割保證率越低。

圖3 不同地下水控制埋深及暗管埋深條件下機械下地收割保證率隨暗管間距的變化

2.3 滿足一定機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械收割保證率與不同排水布局的對應關系，根據DRAINMOD模擬結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系曲線，如圖4所示。例如，圖4a中坐標為（100 cm，15 m）的點位于機械收割保證率為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，至少有1 d的地下水埋深大于80 cm。在進行農田排水規劃時，可以根據規劃設計要求的保證率，并結合現有機械的收割能力及操作人員素質確定機械需要下田收割的天數，進而根據圖4快速確定暗管排水布局。對于小型收割機，收割速度較慢，因而收割持續時間較長，但質量較小，受地下水埋深的影響較小；大型機械則反之。因此分別針對大型和小型收割機械制定了2類標準：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 滿足一定機械收割保證率的暗管排水布局的DRAINMOD預測值

根據圖4，當暗管埋深=90～150 cm，基于大型機械收割要求（第I類標準）、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）；當暗管埋深=90～150 cm，基于小型機械收割要求（第II類標準）、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）。可知，當暗管埋深一定，滿足第I類標準的最大暗管間距小于第II類標準，所需的排水強度更大，說明暗管布局和設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械收割要求確定暗管排水布局時，應首先根據的收割機的性能和土壤特性，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，其關系曲線大致呈現對數函數曲線，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，其經濟效益將不再明顯，以圖4a中的對應95%保證率的曲線為例，當暗管埋深從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揮作用；暗管埋設得越深，外河排澇泵站抽水的能耗就越高。而在研究區所代表的南方平原河網地區，水稻收獲期陰雨天氣時有發生，排澇泵站抽水壓力往往比較大，所以，需要根據當地的實際情況，權衡暗管排水的工程投資和外河排澇泵站的運行費用，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的整數倍，間距取5 m的整數倍。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日未有降雨產生，稻田土壤一直處于自然落干狀態。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”排水布局在短期內地下水埋深較淺時更快地降低地下水埋深。但當地下水埋深大于80 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內有6 d發生降雨，降雨量達5.35 cm，地下水埋深在大部分時間內均小于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場降雨不難發現，當降雨量較大時，“淺密型”排水布局的優勢明顯，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”排水布局能夠在發生較大降雨時發揮更好的排水效益；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預測值

2.5 暗管布局對各類輸入參數的敏感性分析

考慮到模型參數確定過程可能存在一定的誤差，可對DRAINMOD主要輸入參數進行敏感性分析[30-31]，以便于對模擬結果可能存在的誤差進行定量評估，并進一步驗證模型的可靠性。擬采用局部敏感性分析方法，以前文所述的參數取值作為初值，對某個單一參數取變幅為?90%～200%（以10%為間隔），其他參數取值不變，以埋深100 cm、間距25 m的暗管排水布局為例，運用DRAINMOD模型模擬每年10月13日?10月17日的多年平均機械收割天數。根據模擬結果，最敏感的參數包括如下5類：側向飽和導水率、不透水層深度、潛在蒸發蒸騰量、潛水上升通量和土壤可排空體積，計算結果見圖6。當各類參數均不變時（橫坐標為0），收割天數為3.21 d。當上述5類參數取值分別增大30%，收割天數增幅分別為15.35%、10.40%、4.46%、1.49%和?29.70%；當上述5類參數取值分別減小30%，收割天數減幅分別為?41.58%、?59.41%、?7.92%、?1.49%和15.84%。當參數取值大于初值時，收割天數模擬值對土壤可排空體積和側向飽和導水率最為敏感。當參數取值小于初值時，收割天數模擬值對不透水層深度和側向飽和導水率最為敏感，不透水層深度取值越接近暗管埋深對收割天數影響越大。在運用DRAINMOD模型進行基于機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、土壤側向飽和導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類參數重點進行較為精確的測量，以提高模擬結果的可靠性。

圖6 多年平均收割天數的參數敏感性分析

3 結 論

本文針對長江中下游水稻收獲期降雨影響機械收割而造成糧食減產甚至欠收的不利現象，基于研究區長序列氣象數據以及土壤和作物的實際情況，運用DRAINMOD模型模擬研究了滿足一定機械收割保證率的暗管排水布局及其影響因素，得出的主要結論如下：

1）當地下水控制埋深為60～80 cm時，暗管埋深為80～100 cm能夠滿足1 d以上機械收割時間90%保證率的適宜暗管間距應小于30 m；

2）當暗管埋深為90～150 cm，考慮大型機械收割要求、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模型輸入參數的局部敏感性分析結果表明，多年平均機械收割天數對側向飽和導水率、不透水層深度、潛在蒸發蒸騰量、潛水上升通量和土壤可排空體積這5類參數最為敏感。

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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，朱衛彬. 滿足機械收割農藝條件下稻田排水暗管布局DRAINMOD模型模擬[J]. 農業工程學報，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

國家重點研發計劃“水資源高效開發利用”重點專項（2017YFC0403205）；江蘇省水利科技項目（2017052）；揚州大學大學生學術科技創新基金（x20180411）

陳 誠，江蘇揚州人，博士生，主要從事農業水資源管理與環境保護研究。Email：ydslcc@163.com

羅 紈，新疆霍城人，教授，博士生導師，主要從事農業水資源與環境保護研究。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