安徽淮北地區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砂礓黑土區域，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物質流失之間函數關系，建立相應軟件模型識別控制排水程度對排水過程和營養物質流失的機理，進而定量化得出控制排水在調節農田水分，減少營養物流失具體影響效果。

關鍵詞：淮北地區;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業氣象災害，我國有3027萬hm²耕地受澇漬威脅。淮北地區易澇（漬）區占該區總耕地總面積83.1%。目前現有的排水工程，主要通過60年代開展的大規模排水實驗為基本研究手段，確定了合理的排灌系統。

農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，但農田排出的澇水攜帶的化肥?農藥及其他污染物，通過排水系統進入地表和地下水體，成為農業面源污染的重要途徑之一，加重了對水環境的面源污染，也降低了水資源的利用率，農田排水研究的重心已從曾經純粹保證農業生產，逐漸轉變到兼顧農業生產和環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，以上實驗均發現，控制排水有調節農田水分，減少營養物流失，節約灌溉用水，增加雨水資源利用等多重目的。

淮北地區砂姜黑土區作為安徽省傳統的旱作區，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，也是皖北地區容易出現澇漬的一個原因。目前該區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，由調節田間水分循環的田間排水系統?擔負澇漬水輸送的骨干排水系統組成。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控制結合在一起。本區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。此外由于農田排水能非點源污染等原因，該區主要淮河主要支流水質均為V類水及以下。針對以上問題的措施是：通過農溝（深溝）排水或暗管排水來控制地下水位，防止漬害的產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物質流失之間函數關系，建立相應軟件模型識別控制排水程度對排水過程和營養物質流失的機理，進而定量化得出控制排水在調節農田水分，減少營養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農田排水工程不同規格提供基礎試驗數據，還幫助決策者從不同層面選取適合淮北平原砂礓黑土區的有效排水優化組合，此外對淮北地區以及全國其它類似條件的灌區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，結合國內外有關農田控制排水研究前沿，以實體模型試驗觀測數據為關鍵支撐，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物質流失響應關系，最后通過設計持續試驗結果進行驗證。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Ⅱ區共取A、B、C、D 4塊排水實驗區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測;利用自動稱重式蒸滲儀監測土壤蒸發量、土壤深層滲漏量監測;在其中B、D塊實驗區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淮北地區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樣品，進行實驗室化驗，測算營養物質N濃度。同時從降雨開始時利用機械流量計人工監測排水溝流量。

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，分別是Ⅰ區和Ⅱ區，Ⅰ區面積為0.4km²，小溝深0.5m和1.0m，溝距100m，溝長1000m。Ⅱ區面積為0.8km²，小溝深1.0m和1.5m，溝距200m，溝長1000m。

（1）選取Ⅰ區1.0m旱地兩塊A和B，大小一致，Ⅱ區小溝深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，降雨產生徑流時，根據淮北地區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，按小時監測記錄數據，持續3～5天。監測的實時數據保存在CR200數據采集器中，用筆記本電腦從CR200下載，進行數據處理。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樣品，進行實驗室化驗，測算營養物質N濃度。同時從降雨開始時利用明渠流量計人工監測排水溝流量。

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

3實驗內容及結果分析

為了識別砂礓黑土澇漬災害區如何通過排水系統的控制來實現農業生產的穩步發展和生態環境的良性循環關系，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，通過實驗數據識別控制排水程度與排水水分消退和營養物質響應函數關系;（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物質流失的關系;（3）從不同層面選取適合淮北平原砂礓黑土區的排水優化組合。針對以上內容可從實驗中分析得到具體以下內容：

內容一：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物質流失響應函數關系

（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作為試驗研究對象，在排水區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、土壤含水量監測探頭。

（2）開展不同排水組合排水程度控制試驗，參數包括排水溝（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物質N。

（3）識別控制排水程度與排水水分消退和營養物質流失響應函數關系。

內容二：建立相應軟件模型模擬農田控制排水對排水工程中營養物質流失的關系

（1）運用DRAINMOD構建農田控制排水優化模型，模擬田間控制排水過程。

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

內容三：從不同層面選取適合淮北平原砂礓黑土區的排水優化組合

（1）建立控制性試驗與模型模擬直接對應關系，優化模型相關參數。

（2）根據建立的優化模型，在不同層面（經濟效益層面、環境層面、社會層面）提出選取適合淮北平原砂礓黑土區的排水優化組合。

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物質流失響應函數關系，同時根據實驗各參數建立相應軟件模型模擬農田控制排水對土壤水分消退和營養物質流失的關系。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、室內實驗相結合，定量化分析控制排水對排澇降漬，營養物質運移等一系列作用，可分析得到三者之間響應關系。

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

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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.合肥市環境監測中心站）