丘陵灌區排水循環灌溉模式節水減排效果研究

邵培寅，李亞龍，熊玉江，袁念念，蘇沛蘭

（1.太原理工大學 水利科學與工程學院，太原 030024；2.長江水利委員會長江科學院 農業水利研究所，武漢 430010）

?農田排水?

丘陵灌區排水循環灌溉模式節水減排效果研究

邵培寅1,2，李亞龍2，熊玉江2，袁念念2，蘇沛蘭1*

（1.太原理工大學 水利科學與工程學院，太原 030024；2.長江水利委員會長江科學院 農業水利研究所，武漢 430010）

【目的】揭示丘陵灌區較為普遍的排水循環灌溉過程及其節水減排效果。【方法】針對灌區典型灌排單元，采用原位試驗監測農溝和斗溝中水量和氮磷質量濃度變化，分析回歸率（回歸水量/抽灌水量）、負荷削減量、負荷削減率時空變化規律，并通過相關分析、逐步回歸方法求解負荷削減率的影響因素。【結果】監測到抽灌-回歸過程24次，總回歸率為89.93%。生育期總磷、總氮、硝態氮和氨態氮負荷削減量分別為0.28、3.27、2.35、2.35 kg/hm2。總磷、總氮、氨態氮負荷的削減發生在田間和農溝，硝態氮負荷的削減發生在斗溝。控排措施使得降水后排水負荷中的硝態氮和氨態氮達到了穩定。4種負荷削減率都與其質量濃度之比（回歸質量濃度/抽灌質量濃度）顯著相關，總磷、氨態氮削減率與回歸率顯著相關，總氮、硝態氮削減率與抽灌當天及第2天降水量顯著相關，硝態氮削減率還與溫度顯著相關。【結論】抽灌-回歸-控排灌溉模式在節水、方便農戶灌溉的同時，提高了水肥利用率，降低了排水給下游水體帶來的風險，在灌排單元尺度上節水和控污減排效果良好。

丘陵灌區；循環灌溉；氮磷負荷；水稻；控污減排

0 引 言

【研究意義】灌區灌溉和排水受人為干預較多[1]。丘陵灌區因塘堰、溝渠和水庫眾多，降水徑流、灌溉退水通過塘堰、溝渠等水體受到人為攔蓄進行重復利用現象十分普遍[2]。灌區排水再利用作為一種調蓄雨水、提高灌溉保證率和減少農業面源污染的有效措施[3]，已被較多地區重視并加以采用[4-5]。【研究進展】根據排水再利用的對象，排水再利用可分為2種，一種是排水自流灌溉下級渠道（灌溉回歸水重復利用[6]），另一種是排水依靠水泵回灌本級渠道（循環灌溉[7]），相較而言，循環灌溉由于水肥重復利用，下游受到污染的風險更小。Hama等[8-9]研究發現，循環灌溉能提供作物需氮量的8%～16%，Takeda等[10]匯總了8個灌溉期的監測資料，發現循環灌溉的負荷削減量與田間水停留時間有關。Feng等[7]發現循環灌溉系統在暴雨期間稻田營養流失大幅減少。焦平金等[11]、于穎多等[12]評價了循環灌溉排水量估算模型，發現田面水和滲透水的磷素不受灌溉水中磷素的變化影響。【切入點】然而以上研究大多是針對流域尺度或田間尺度的節水效益及削減效果分析，涉及灌排單元尺度和循環灌溉各環節對于節水及削減效果的影響因素研究少見報道。另外，控制、存蓄排水是循環灌溉中不可缺少的一環。而關于溝渠控制排水的研究[13-15]大多是為調控灌排單元地下水位以增加作物對地下水的利用[16-17]、發揮溝渠濕地效應以截污減排[18-19]，而非為了存蓄水分以供灌溉。涉及農戶自發循環灌溉而促成的控制排水研究少見報道。【擬解決的關鍵問題】本研究針對丘陵灌區典型灌排單元進行原位觀測，將循環灌溉中的水流運動細化為抽灌、回歸和控排3個環節，具體分析抽灌-回歸-控排灌溉模式下各個環節水流和負荷的動態變化及其影響因素，綜合評價灌排單元的節水效果及控污減排機理，為丘陵灌區的排水再利用和非點源污染防控相結合進一步研究和推廣提供借鑒和參考。

1 材料與方法

1.1 研究地點概況

研究區位于漳河灌區三干渠南1.0 km處，灌區主要灌溉水源為10 km外的漳河水庫。灌區配有完備的干、支、斗、農灌排渠系及各種小型水庫、塘堰，灌區地形主要為丘陵與平原結合區，其自然條件在南方丘陵地區具有一定的代表性。灌區中小型水庫300多座，塘堰約8.16萬座，星羅棋布，形成了“長藤結瓜”式灌溉系統。

漳河灌區氣候屬于亞熱帶季風氣候，年平均氣溫16 ℃，多年平均降水量968.9 mm，降水集中在4—9月，此時期降水量約占全年降水量的70%，5—8月為密集降水期。主要農作物為1年2季稻油（麥）輪作。試驗區的水稻田在5月下旬播種，9月上旬收割，水稻生長期近112 d。稻季農民習慣采用底肥加追肥的方式，底肥在水稻移栽前整田施用，追肥在6月下旬施用。

1.2 試驗設計

整個循環灌溉過程可分為抽灌、回歸和控排3個過程。在水稻生長期，研究區內農戶通常用水泵將田塊周邊溝渠中的蓄水抽灌至田間（抽灌），田間水通過田埂側滲或降水后自流進入本級或下級斗溝（回歸），溝渠下游被堵住，用來存蓄雨后田間排水和田埂側向滲漏水（控排）。蓄水供平日抽灌使用，需要灌溉時再抽灌，如此循環往復。

選取循環灌溉典型灌排單元作為研究對象（圖1）。2相鄰田塊中間田埂寬15 cm，田塊1比田塊2低10 cm，田埂處開有缺口，田塊2田間水層超過5 cm時可自流排入田1。田塊1上方田埂寬15 cm，開有缺口，田塊1田間水層超過5 cm時可自流進入相鄰農溝，農溝與斗溝相通，長度分別為20 m和180 m，農溝斷面為底寬0.5 m，深0.5 m的矩形。斗溝斷面為底寬0.7 m、坡比1∶1的梯形，斗溝深1 m。田塊總面積2 440 m2。保持下游涵洞沙袋高度不變，僅當降水發生斗溝水位超過沙袋高度（約0.5 m）時才向下游排水。試驗期間為排除降水外其他水量輸入項，將農溝上游和斗溝上游用麻袋堵住，并定期監測斗溝上游段水位，水位較高時抽灌至下游堰塘，以防上游來水。周邊田塊相對灌排單元一側田埂鋪設防滲土工膜，防止周邊田塊田間水向灌排單元側滲。因此，整個灌排單元可看做封閉區域。本研究為原位試驗，對農戶的田間管理和抽灌行為只做記錄，不做任何干涉。

1.3 試驗觀測與測試方法

1.3.1 水量觀測與分析

本研究對抽灌-回歸-控排灌溉模式中的抽灌水量、回歸水量、排水量和降水量進行監測。

1）抽灌水量為斗溝抽灌至田間的水量。農戶每次抽灌需要4～5 h。根據斗溝每日水位波動及斗溝梯形斷面推求各次抽灌水量，生育期斗溝水位變化及典型抽灌過程曲線見圖2，人工抽灌前后斗溝庫容差即為抽灌水量。

圖1 典型灌排單元及控排抽灌現象Fig.1 Schematic diagram of typical irrigation and drainage unit and phenomenon of pumping irrigation and drainage controlled

圖2 生育期斗溝水位變化及典型抽灌過程曲線Fig.2 Variation of water level in bucket ditch during growth period and typical pumping irrigation process curve

2）回歸水量為抽灌田間水層超過田埂排水口高度自流排出田間的水量與田埂側滲水量之和，回歸水先匯入農溝再排入斗溝，回歸水量即為農溝排水量。農溝出口設有巴歇爾槽，使用HOBO水位計監測每小時水位，對應巴歇爾槽公式[20]求得回歸水量。

3）排水量為斗溝水位高出涵洞沙袋，通過涵洞向下游排水量。在斗溝下游涵洞出口處設置HOBO水位計監測每小時水位，對應圓形斷面自由出流水位流量關系曲線[18]，求得排水量。

4）降水量。通過研究區內設置的HOBO RG3翻斗式自記雨量記錄儀記錄。

1.3.2 水質觀測與分析

在農溝和斗溝上下游分別設置2個取樣點，每次取樣對2種溝別各取上下游混合樣。取樣頻率為3 d 1次，遇降水、施肥則在事件發生第1、第3、第5、第7天加取。另外在生育期取3次降水水樣。2種溝別及雨水樣總計取樣35次，143個。每次取樣200 mL，原狀水樣送實驗室分析。水樣分析指標包括總磷（TP）、總氮（TN）、氨態氮（NH4+-N）和硝態氮（NO3+-N）。分析方法按照《水和廢水監測分析方法》[21]中相關規定進行。

2 結果與分析

本研究循環灌溉模式發生在返青期、分蘗期、拔節孕穗期和抽穗開花期，其他生育期抽灌發生較少。經過篩選，計算分析6月8日—8月8日的抽灌-回歸-控排事件。

2.1 排水量、抽灌量和回歸水量變化

試驗區降水集中發生于6月27日—7月19日，合計降水量為120.8 mm（圖4）。連續降水期間，田間水層較高，不需要灌溉，抽灌事件發生較少。斗溝蓄水超過下游涵洞沙袋高度外排，因此有連續排水事件發生，排水量也較大。而在其他時間，降水較少且農戶多采用濕潤灌溉（間歇淹水），田間水層保持的較低（5 cm）。因此抽灌事件發生較多，而由于控排措施的存在，灌排單元排水量較少。回歸過程一般在抽灌過程結束后1～2 d內完成，一般視田間濕潤情況而定。試驗期間，共計監測排水3 430.17 m3，抽灌回歸過程24次，平均每次抽灌水量77 m3。這與Hama等[9]在日本比瓦湖面流域85.3%的結果相比稍大，原因是本研究的灌排單元尺度與流域尺度相比，從稻田到蓄水點回歸距離較短，蒸發損失更少，且本研究生育期降水量更大。

2.2 灌排單元內氮磷濃度變化特征研究

為分析循環灌溉回歸過程從田間到農溝再到斗溝氮磷污染物質量濃度的變化特征，選用標準差S和標準差率