江苏沿海滩涂农田高降渍保证率暗管排水系统布局

陈 诚，罗 纨※，贾忠华，李 山，孙少江



江苏沿海滩涂农田高降渍保证率暗管排水系统布局

陈 诚1，罗 纨1※，贾忠华1，李 山2，孙少江1

（1. 扬州大学水利与能源动力工程学院，扬州 225009；2. 西安理工大学水利水电学院，西安 710048）

为确定适于江苏沿海滩涂地区农田高标准降渍要求的暗管排水系统布置方案，该文根据江苏东台1953−2015年的逐日气象资料，以棉花为例，雨后3 d内将地下水埋深降至地表以下80 cm为排水降渍指标，运用DRAINMOD模型模拟了降渍保证率为95%的暗管排水系统布置方案，并在此基础上分析了相应的田间水文效应，以及补充灌溉对产量的作用。结果表明：在满足95%保证率的高标准降渍要求下，棉田的最大暗管间距与暗管埋深的模拟值大致呈对数函数关系；8月进行补充性灌溉后，满足降渍指标的暗管排水布局可获得的棉花多年平均相对产量为84.3%～86.3%；随着暗管埋深的增大，总排水量模拟值逐渐升高，生育期地下水埋深下降明显，花铃期受渍期间地下水埋深小于30 cm的累计值逐渐降低。综合考虑研究区除涝降渍、排水洗盐、作物产量、环境保护和经济效益等多重目标，推荐埋深120～150 cm、间距15～20 m为研究区适宜的暗管排水系统布置参数。研究成果可为沿海地区滩涂农业综合开发及生态环境保护提供理论依据。

暗管排水；布局；棉花；降渍；保证率；DRAINMOD；模拟；沿海地区

0 引 言

江苏省是中国海岸滩涂资源最丰富的省份，其沿海大开发已被列为国家战略之一。《江苏省沿海开发总体规划》明确农业是江苏沿海滩涂主要的开发利用方向。然而，新围垦的滩涂土壤盐分含量较高，不适于作物生长，需要通过土壤改良措施使其逐步成为良田。农田排水是盐渍土改良的一项重要措施。沿海盐碱地与内陆干旱区盐碱地排水改良的主要区别在于，干旱区农田土壤盐分主要是经灌溉水输入，排水系统一般在灌溉淋洗盐分期间发挥作用，输出洗盐排水；而沿海地区降雨丰富，土壤中原生的盐分可以在较为集中且大量的降雨淋洗作用下，经排水系统离开农田，改良后期适当控制地下水位就可以避免盐分累计对作物的危害。因此，沿海地区农田排水系统的设计目标是除涝降渍兼顾盐分控制。

暗管排水工程具有不占用耕地、便于田间机械化作业等优点[1]，是现代化农业区首选的基础水利设施。对于开发面积大、而土壤结构性差的江苏沿海滩涂区，暗管排水具有特别的优势。目前已经开展的一些试验研究结果表明，在沿海滩涂盐渍化农田中布设暗管排水设施，能够有效降低地下水位[2]，减少涝渍灾害的发生；同时，在灌溉或降雨作用下，通过暗管排水系统能排出土壤中的易溶盐分[2-6]，降低土壤含盐量，为作物生长创造有利的环境[7]。但是，沿海地区土壤与气象条件的时空变异性较大，采用统一的设计标准往往很难兼顾不同的影响因素。如果暗管布设不当，可能造成排水不畅，作物受到渍害；而过度排水则会对下游形成水体污染，或因农田地下水位过低导致作物受旱减产[8]。对于沿海地区，地下水位过低还会增加海水入侵的威胁[9-10]。因此，现代农业区排水系统设计需要综合考虑工程建设对农业生产和生态环境的影响问题。

基于除涝降渍、排水洗盐、作物产量、环境保护和经济效益等多目标农田排水暗管的适宜埋深和间距的计算较为复杂[8]，目前主要采取田间试验法[11-14]、经验系数法[15]、理论计算法[16-18]和计算机模型模拟[19]等方法。其中，针对农田排水水文过程模拟的DRAINMOD模型以其应用灵活、简便且预测准确等优点在国际上得到广泛应用[20-22]，近年来在中国也有一些应用研究[23-25]。DRAINMOD模型可以充分考虑不同气象、土壤和种植结构条件下，排水系统设计方案对于田间水文过程以及作物产量变化的影响，非常适合于降雨以及土壤情况多变的沿海地区的农田排水系统设计。

棉花是一种相对耐盐的旱作物，江苏沿海滩涂开发区发展棉花生产具有较大潜力和诸多优势[26]。以江苏东 台为例，2014年东台市棉花种植面积为0.459万hm2，总产量为7 137 t，单产1 555 kg/hm2，高于全省平均的1 210 kg/hm2。针对近年来江苏沿海滩涂开发区农田排水的实际要求，本文根据江苏省东台市1953−2015年的逐日气象资料，以棉花作物为例，采用田间水文模型− DRAINMOD模拟研究了适于江苏沿海滩涂地区农田高标准降渍要求（降渍保证率95%）的暗管排水系统布置方案及其田间水文效应，以期为江苏沿海滩涂农业开发和生态环境保护提供技术支撑。

1 研究方法

1.1 研究区概况

《江苏沿海滩涂围垦开发利用规划》明确：2010−2020年，江苏沿海滩涂规划建设21个垦区，围垦总面积18万hm2，而东台就占其中的6.7万hm2，堪称江苏第一围。东台市地处北亚热带北缘，海洋性季风气候特征明显。杨延春等[27]于2013年7月在该地区开展了水稻秸秆暗沟排水试验，排水深度为0.90 m，排水间距分别为6、10和17 m，当7月20−21日遇58 mm暴雨后，雨后3 d平均地下埋深降至0.85 m。该研究成果可用于检验DRAINMOD模型的适宜性，率定相关土壤参数。

研究区的多年平均降雨量为1 052.0 mm，年内降雨主要集中在6−9月，约占全年降水总量的50%～80%；区内多年平均气温为14.8 ℃，“雨热同期”现象明显，月平均降水量及月平均气温分布如图1所示。沿海滩涂开发区土壤因成陆过程中受海水浸渍，土体含盐量较高。根据江苏省沿海水利科学研究所2002年在东台市东川垦区的测定结果，该围垦区0～100 cm土壤含盐量为2.2～4.8 g/kg，且土层越深含盐量越低，经过2～3 a的自然降雨淋洗作用，土壤含盐量降至棉花苗期的耐盐能力参考值[15]以下。研究区土质多为砂壤土，粉细砂含量高，结构较差。对于棉花等旱作物种植，每逢7、8月主汛期，作物受涝渍影响严重；但因降雨的年际变化以及7、8月作物生长旺季耗水量较大，部分年份仍需补充灌溉来保证产量。

图1 东台地区多年平均月降水量及气温

1.2 DRAINMOD模型原理

DRAINMOD模型是一个准二维的田间水量平衡计算模型，它根据输入的气象、土壤、作物、以及排水系统设计参数，逐日、逐时计算排水农田2条平行排水沟、管中间点的入渗量、蒸发蒸腾量、地表径流量、地下排水量、以及地下水埋深的变化。模型还包括地面灌溉、控制排水、作物产量以及湿地水文等模块，可用于分析不同水管理方案对田间水文和生态水文的影响。

在Δ时段内，DRAINMOD模型地表水量平衡方程[28]可表示为：

式中P为降雨量，cm；为灌溉水量，cm；Δ为地表的储水量变化，cm；为地表径流量，cm；为地表入渗量，cm。

在Δ时段内，地下水量平衡方程[28]为：

式中Δ为土壤水分变化量，cm；为侧向排水量，cm；ET为蒸发蒸腾量，cm；D为深层渗漏量，cm。

DRAINMOD模型[28]采用Green-Ampt公式计算地表入渗量；地下排水量采用Hooghoudt公式计算，地表积水时则改用Kirkham公式计算。模型还通过设置地面平整度与田埂高度来计算每日地表径流量，即地表排水量。DRAINMOD模型在逐日计算作物实际腾发量（actual evapotranspiration，AET）时，比较土壤供水能力（即潜水上升通量）与潜在腾发量（potential evapotranspiration，PET）的大小，取二者中较小的一个值作为每日AET；也就是说，当土壤较为湿润时，AET = PET；否则AET < PET，其值大小取决于土壤向上的供水能力。DRAINMOD模型中对PET的计算可采用默认的Hargreaves气温法，或输入用其他方法计算的日PET值。本文根据1953−2015年间较为完整的气象资料，采用FAO 56 Penman-Monteith法计算出PET后输入模型。

假设作物生长期间，不受涝、旱盐害影响、能够按时播种收割的理想状况下得到的产量为最高产量，相对产量即为作物实际产量与该产量的比值。DRAINMOD模型预测不同水分管理条件下的作物产量时，考虑涝渍、干旱、种植日期推迟以及盐分4个影响因素来计算相对产量，如式（3）所示：

式中Y为总相对产量，%；Y为考虑涝渍影响时的相对产量，%；Y为考虑干旱影响时的相对产量，%；Y为考虑种植推迟影响时的相对产量，%；Y为考虑盐分影响时的相对产量，%。鉴于前述研究区大量降水量对耕层土壤盐分的淋洗作用，本文重点讨论排水系统布局对涝渍灾害的调控作用，暂不考虑盐分胁迫对棉花产量的影响，取Y=100%。

在作物生长季节（或生长阶段），由于多次降雨或连续降雨导致地下水埋深持续较高时, 作物生长将受到抑制而减产，因此作物产量与地下水埋深及其持续时间有密切关系。在计算分析期内，DRAINMOD模型统计地下水埋深≤30 cm的天数及地下水埋深超标累计值（sum of excess soil water，SEW30），并据此计算涝渍胁迫对作物产量的影响。

1.3 DRAINMOD灌溉模块介绍及研究区棉花灌溉制度制定

DRAINMOD模型中的灌溉模块根据预设的灌溉制度，输入具体的灌溉时间与灌溉量，进行田间水量平衡计算。模型在执行灌溉时，检查当日降雨以及土壤墒情，若土壤较湿润（表现为地下水位较高），或有中到大雨发生，则不需灌溉，推迟到下一次进行。DRAINMOD模型输入的灌溉量为实际可进入土壤的净水量。

棉花从现蕾到结铃，由营养生长为主逐步转向生殖生长为主，这一时期棉花的生长、干物质积累达到旺盛阶段，同时需水也达到了高峰。根据研究区的降雨情况及棉花耕作经验，花铃盛期8月的干旱机率为一年中最大，期间降雨量不及7月充足，但气温较高、蒸发强烈，伏旱现象时有发生，若能及时灌溉，则可达到促进蕾铃增长和减少蕾铃脱落的效果，提高棉花的产量和品质。为了分析棉花生育期灌溉对其相对产量的影响，拟在7、8月进行补充灌溉。由于研究区棉花生长季的降水量较大，在总量上基本满足棉花的需水要求，仅是辅助性的抗旱补水。根据研究区的棉花种植经验，宜采用少量多灌的方式，在灌溉方式上提倡喷灌、发展沟灌、避免漫灌，同时应特别注意避免灌溉与降雨同时发生。以仅在8月进行灌溉为例，根据DRAINMOD模型中灌溉模块的设置，输入灌溉参数：灌水周期为5 d，1次的净灌水定额为25 mm（相当于一场中到大雨），如果日降雨大于10 mm或地下水埋深<120 cm，模型则取消灌溉，待下一个灌水周期再执行。模型这种根据土壤的水分状况判断是否需要灌溉的方法，适用于研究区7、8月既易涝又易旱棉田的水文过程模拟。

1.4 模型主要输入参数

本文中，DRAINMOD模型输入参数主要包括4大部分：

1）气象资料：本文所采用的气象数据为国家气象信息中心公布的中国地面气候资料日值数据集江苏省东台市58251号台站（32°52N，120°19E，海拔4.3 m）1953−2015年的逐日气象资料，包括日最平均气温、平均相对湿度、平均风速、日照时数和平均气压等。

2）土壤资料：根据现有文献[29]中对江苏沿海地区土壤及水文地质的研究结果，整理得到砂壤土的水分特征曲线、土壤入渗和蒸发特性参数，主要土壤参数见表1。

3）排水系统参数：根据江苏省沿海地区农田排水系统的一般布局，研究区的排水暗管埋深取80～200 cm，由降渍指标确定暗管埋深一定时的暗管间距。根据研究区的田间实测数据，暗管有效半径R取2 cm，相对不透水层深度为300 cm，排水模数为2.5 cm/d，初始地下水埋深取80 cm。地面平整状况较好，最大地表积水深度S=1 cm，Kirkham积水深度S=0.5cm。计算土层取0～20、>20～60、>60～200和>200～300 cm，相应的侧向饱和导水率分别为8、5、2和0.5 cm/h。

表1 DRAINMOD模型主要土壤输入参数

4）作物参数：以耐盐度较高的棉花作物为例，利用DRAINMOD模型模拟研究区适宜的暗管排水布局。根据研究区的棉花实际种植情况，种植和收获日期分别为每年的5月1日和10月31日；苗期、蕾期、花铃期和吐絮期4个生长阶段分别为种植后的1～25、26～61、62～117和118～184 d，期间的有效根深分别为3、35～59.5、60和59.6～20 cm；水分胁迫函数截距为109、斜率为0.51。涝渍和干旱敏感因子具体见表2。

表2 DRAINMOD模型作物输入参数

2 结果与分析

2.1 模型验证

根据杨延春等[27]在东台东川农场开展的秸秆暗沟排水试验结果，当暗沟埋深为90 cm，暗沟间距分别为6、10和17 m时，当2013年7月20−21日遇58 mm暴雨后，雨后3 d平均地下水埋深降至0.85 m。根据DRAINMOD模型对研究区排水农田水量平衡的计算结果，雨后3 d平均地下水埋深降至0.81 m，该模拟值与试验结果非常接近，相对误差仅为4.7%。因此，认为DRAINMOD模型可用于研究区暗管排水效果模拟，可以通过设置不同的设计参数寻求该地区的暗管排水系统的最佳布局。

2.2 基于DRAINMOD模型模拟不同灌溉条件下暗管布设对棉花产量的影响

2.2.1 暗管布设对棉花产量的影响

当暗管埋深分别为120 cm和150 cm，暗管间距为10～50 m时，全年不灌溉、7月、8月以及7−8月灌溉这4种灌溉条件下棉花的相对产量如图2a和图2b所示。相比于不灌溉和7月灌溉，8月灌溉能够明显提高棉花的相对产量。当暗管埋深为120 cm或150 cm、暗管间距为10～20 m时，棉花总相对产量均较高，达83.7%～85.2%；当暗管间距大于20 m时，棉花相对产量随着暗管间距的增大下降较快。在农田地表平整状况良好的前提下，DRAINMOD模型的模拟结果显示，在不灌溉、7月灌溉、8月灌溉和7−8月灌溉这4种灌溉条件下，考虑推迟种植影响的产量Y≥99.5%（未列图），其对棉花相对产量的影响可以忽略不计。图2c～图2f显示了不同排水暗管布置形式和灌溉条件下，干旱和涝渍因素对棉花相对产量的影响。在干旱条件下不同灌溉条件对相对产量的影响差异较大，当暗管间距为10～20 m时基本不受涝渍影响。7−8月灌溉在小幅缓解旱情的同时，增加了涝渍灾害的风险，而提高产量的效果较仅8月灌溉并不明显。相比于7月灌溉，在8月（花铃后期）对棉花进行补充灌溉，对提高棉花的增产效益更加明显，可较好地缓解棉花生长旺季伏旱对产量的影响。当暗管间距大于20 m 时，随着间距增大，Y增大但增幅较小，Y迅速降低，说明由于暗管布置间距过大，排水能力有限，地下水不能及时排出，作物因涝渍灾害而减产，这与景卫华等[8]研究的淮北平原砂姜黑土区的适宜暗管排水间距较为接近。可见，暗管布设及灌溉条件均对产量有较大影响。为稳定作物产量，减少胁迫对产量的影响，有必要确定合适的暗管布设参数及灌溉条件。

图2 不同灌溉条件下棉花相对产量随暗管布局的变化

如图3所示，根据拟定的灌溉制度，7月、8月以及7− 8月进行补充灌溉的多年平均灌溉水量分别为45～98 mm（450～980 m3/hm2）、71～129 mm（710～1 290 m3/hm2）和106～224 mm（1 060～2 240 m3/hm2）。模型模拟结果显示，7−8月灌溉所需水量占7、8月分别灌溉所需总水量的91.4%～98.7%，灌水量较多而产量提高并不明显。图1显示，8月的降雨量小于7月，但8月正值作物生长旺季，耗水量非常大，故容易发生伏旱现象，选择在8月进行灌溉可以更好地补充作物需水，通过较少的灌溉水量更大幅度地提高棉花产量，更为合理。

图3 不同灌溉条件下的多年平均灌溉水量

2.2.2 农田排水途径

农田地表排水主要受控于地表平整度。因此，以研究区布设埋深150 cm、间距20 m的暗管排水系统为例，改变DRAINMOD模型中的地表排水参数，将最大积水深度S分别设置为1、2、3、4和5 cm，Kirkham积水深度S均取为S的1/2，其他参数不变，模拟相应的地下和地表排水量的变化（图4）。如图4所示，随着S逐渐增大，地下排水量由44.81 cm增至48.71 cm，增幅为8.7%；地表径流量由6.51 cm降至2.46 cm，下降62.2%；总排水量介于51.32～51.17 cm之间，变化很小。当S=1 cm、S= 0.5 cm，地表平整度较好时，降雨后地表积水时间较短，地表径流量最大，此时地下排水量占总排水量的比例最低，但仍达到87.3%，表明在研究区仅通过地表排水难以满足作物的除涝降渍要求，必须通过布置暗管排水系统来加快田间土壤排水以避免涝渍灾害的发生。

注：暗管埋深为150 cm、暗管间距为20 m。

2.3 满足95%降渍保证率的暗管排水系统优化布局模拟结果

2.3.1 暗管间距与埋深之间的关系

结合现有文献中关于棉花排水系统的设计指标[15,30-31]，确定研究区基于降渍要求的排水标准为雨后3 d内将地下水埋深降至地表以下80 cm。由于在棉花生育期（每年5−10月）内降水量比较大（占全年的76.1%以上），降雨淋洗作用较强，可认为排水系统在满足降渍标准的前提下能够有效避免土壤“返盐”现象的发生，故在计算棉花相对产量时暂不考虑盐分对棉花产量的影响。排水暗管的埋深一般大于作物的耐渍深度，取模拟暗管埋深为80～200 cm（以5 cm为步长）。利用DRAINMOD模型对研究区1953−2015年的农田地下水埋深进行模拟，63 a间最多仅允许3 a棉花生育期不能满足上述降渍标准，确定能够满足95%降渍保证率的最大的排水暗管间距（3.84～25.46 m），由此获得的暗管埋深与间距的关系曲线如图5所示。由图5可知，满足同等降渍要求的排水系统布局中，随着暗管间距的增大，暗管埋深亦逐渐增大，但增加幅度逐渐减小，两者大致呈对数函数关系。当已知暗管埋深时，可根据图5中关系式快速判断暗管间距是否满足降渍要求，便于研究区暗管排水系统设计参考。从经济效益考虑，在满足降渍要求的前提下，应尽量采用间距较大或埋深较小的暗管排水布局。根据图5，随着暗管埋深的增大，能够满足同一降渍指标的最大暗管间距增大幅度逐渐减小，说明“深宽型”暗管布局的经济效益并不显著。

图5 DRAINMOD模型模拟的研究区满足95%降渍保证率的暗管间距和埋深

2.3.2 暗管布设对地表径流和地下排水及地下水埋深的影响

为满足95%降渍保证率，排水暗管埋深80～200 cm时，对应间距为3.84～25.46 m，假定8月进行补充灌溉，灌溉制度同前文所述，其他参数不变，运用DRAINMOD模型模拟暗管埋深80～200 cm时的多年平均地表径流量和地下排水量，结果如图6a所示。由图6a可知，随着暗管埋深的增大，地表径流量从9.7 cm平缓降至5.5 cm，变幅为−43.3%；地下排水量从33.4 cm增至48.7 cm，变幅为45.8%；总排水量从43.1 cm增至54.2 cm，变幅为25.8%。可见，满足同等降渍要求的“深宽型”暗管排水系统的排水强度要高于“浅密型”暗管排水系统。当暗管埋深在80～120 cm之间时，排水强度随埋深增加增幅较大；当暗管埋深大于150 cm之后，随着暗管埋深和间距的继续增大，排水总量增加不明显，说明当暗管埋深小于150 cm时，暗管埋深对排水效果的影响更大。由于“浅密型”布局的排水强度较小且更不经济，故暗管埋深不宜小于120 cm。

模拟期1953−2015年的63 a间，较为湿润的1965年（年降水量1 416.3 mm）的8月21日降雨为最大1 d暴雨（雨量314.2 mm，当日形成地表积水），1965年8月20−22日降雨为最大3 d暴雨（雨量369.9 mm），8月23日−28日均无降雨。根据图5中的关系式，当暗管埋深分别为100、120、150和200 cm时，满足95%降渍标准的最大暗管间距分别为10.60、14.81、19.79和25.46 m，在此布置形式下8月21−28日的地下水埋深如图6b所示，4种布置形式均在8月20−22日暴雨后的第3天将地下水埋深降至85 cm左右（84.7～85.2 cm），满足本文的降渍要求。8月21日暴雨后田间形成地表积水，“浅密型”暗管布局降低地下水位的速度更快，原因是其渗流路径较短，水力梯度较大，且暗管铺设密度较“深宽型”更大，能够形成更多的排水通道将农田土壤水分排出。待地下水下位降位到一定深度后，其优势不再明显，“深宽型”排水系统能够将地下水位降到更深的位置。根据图6b，发生短历时高强度暴雨时，应更加注重短时期内的排水，而“浅密型”排水系统的排水效果好于“深宽型”，故从发生暴雨后迅速降低地下水位的角度不推荐采用埋深过深的暗管排水布局。

图6 暗管埋深对地表径流、地下排水及地下水埋深的影响

2.3.3 不同灌溉条件下暗管埋深对棉花产量的影响

利用DRAINMOD模型对研究区进行无任何排水措施下的田间水文效应模拟，得到棉花多年平均相对产量仅为14.9%，受涝渍影响时相对产量Y仅为18.5%，表明作物因受到涝渍灾害的严重影响而大幅减产。如图7所示，当8月进行补充灌溉，按本文降渍标准布置暗管排水系统，棉花的相对产量均较高，达84.3%～86.3%，变化不大，平均比不灌溉时高15%左右。钱龙等[32]研究指出，棉花各生育期发生涝渍胁迫时，花铃期内减产效应最为显著。根据朱建强等[33]的试验结论，棉花的相对产量与地下水埋深小于30 cm的累计值（SEW30）之间存在显著的线性关系，以作物减产10%～15%为可接受的尺度，推荐持续受渍胁迫下棉花花铃期的排水控制指标SEW30应取80～120 cm∙d。根据模拟结果，无排水措施下棉花生育期多年平均SEW30达1 038.1 cm∙d。根据模型模拟结果各暗管排水布局的棉花全生育期多年平均SEW30为27.15～47.49 cm∙d，仅1991年的棉花花铃期SEW30值超过120 cm∙d（119.9～140.4 cm∙d）。由此可见，基于本文降渍要求模拟得出的暗管排水布置形式能很好地满足SEW30指标。在各种灌溉制度下，不同暗管排水布局所获得的相对产量变化不大，当埋深小于120 cm时虽然产量略高，但由于暗管铺设更密，工程上不经济，故不推荐埋深过浅的“浅密型”布局。

图7 不同灌溉条件下暗管埋深对棉花相对产量的影响

2.3.4 排水系统对生态环境的影响分析

图8显示了不同排水系统布局下模拟期7−10月平均地下水埋深的模拟结果，可见，“深宽型”排水布置的平均月地下水埋深要低于“浅密型”排水布置。“深宽型”排水布局能够更好地满足除涝降渍要求，且暗管间距较大，工程一次性投资及后期维护费用相对更小。然而，农田地下排水量及地表径流量是影响氮磷流失的主要因素之一[34]。根据图6，在满足同等降渍要求的前提下，“深宽型”暗管排水系统的排水强度明显大于“浅密型”暗管排水系统，采用“深宽型”布置形式将使更多的土壤水分以及氮磷污染物排出，降低农业水资源利用效率，且加重排水污染。因此，出于生态环境保护的角度，不宜选用“深宽型”暗管排水布置形式。另外，沿海地区排水沟深度过大，会增加排水期对外河水位控制的要求。

图8 不同排水系统布置形式下7−10月平均地下水埋深

选取2种与图5较为接近的典型布置形式：1）暗管埋深150 cm，间距20 m；2）暗管埋深200 cm，间距25 m，后者地下水埋深全年平均下降29.9 cm。现有研究指出，沿海地区在不考虑潮汐、风暴潮等影响下，当地下水埋深下降0.299 m时，对应地点的海平面以下的淡水水深会减少11.96 m，即盐淡水界面会上升11.96 m，增加海水入侵的威胁[35]。考虑到海水入侵对生态环境影响的问题，亦不宜选用“深宽型”排水布置形式。

综合考虑除涝降渍、排水洗盐、作物产量、环境保护和经济效益等多重目标，推荐较为适中的埋深120～150 cm、间距15～20 m作为江苏沿海地区滩涂农业开发中暗管排水工程适宜的布置参数，这与刘永等[2]基于降渍脱盐要求推荐的暗管布置形式（埋深140 cm，间距15 m）较为接近。

3 结 论

本文应用DRAINMOD模型，根据江苏沿海地区的棉花排水与灌溉要求，基于长序列气象资料资料以及研究区较为普遍的土壤类型参数，模拟研究了基于降渍要求的农田暗管排水布局及其田间水文效应，得到以下主要结论：

1）根据雨后3 d内将地下水埋深降至地表以下80 cm的降渍指标，满足95%降渍保证率的最大暗管间距与暗管埋深基本呈对数函数关系分布。基于上述降渍指标模拟得到的不同暗管排水系统布置形式下，在7、8月，尤其是在8月适当补充灌溉，可显著提高棉花产量。

2）与“浅密型”暗管布置形式相比，“深宽型”的排水强度更大，常年平均地下水埋深较大，这不利于雨水资源的利用，而且可能加重农业非点源污染，增大海水入侵的风险。对于次暴雨，“浅密型”布置的暗管可以在短时间内更加迅速地降低地下水位。

3）模拟结果显示，研究区单纯依靠地表排水，很难满足棉花的除涝降渍要求；增加地下排水系统可以有效调控农田土壤水分，提高作物生产。在综合考虑除涝降渍、排水洗盐、作物产量、环境保护和经济效益等因素后，推荐埋深120～150 cm、间距15～20 m为适于研究区的暗管排水系统布置参数。

本文中采用了较高的降渍设计保证率，所建议的排水暗管间距相对较小，综合工程投资的经济效益，实际过程中可在本文推荐的参数基础上适当增加暗管间距。本文模拟分析了基于研究区较为普遍的土壤参数，今后研究还需考虑暗管排水设计参数对不同土壤参数的敏感性，以及满足同等降渍标准的暗管排水系统对土壤盐分的淋洗效果。

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Subsurface drainage system layout to meet high assurance rate of waterlogging control in coastal mud-flat farmlands in Jiangsu

Chen Cheng1, Luo Wan1※, Jia Zhonghua1, Li Shan2, Sun Shaojiang1

(1.225009,; 2.710048,)

Modern agricultural development in the coastal mud-flat area of Jiangsu, China faces the challenges of poor drainage water management; the existing open ditch systems cannot meet the drainage requirement for water table control and waterlogging prevention due to the concentrated rainfall during the crop growing seasons. In order to examine the subsurface drainage system layout plans based on the high probability of waterlogging prevention in the farmlands, a model simulation study using the field hydrology model-DRAINMOD was conducted for cotton growing condition in Dongtai, Jiangsu, China. The applicability of DRAINMOD was tested with reported data of water table drawdown from a locally conducted subsurface drainage experiment. Long term simulations were subsequently conducted based on daily weather data from 1953 to 2015 in the study area, and the soil drainage and crop factors. The waterlogging control objective was based on lowering water table depth to 80 cm below soil surface in 3 days after rainfall events, and DRAINMOD simulation results for different subsurface drainage system layout plans were evaluated on the assurance rate of 95%. In addition, the effect of supplemental irrigation on crop yields were examined through simulations of crop yields with different irrigation strategies. The simulation results showed that: 1) DRAINMOD could predict water table depths reasonably well for the study area and the relative error between simulated and measured water table depths was 4.7%; to meet the high assurance rate of 95% for cotton, the required subsurface pipe spacing presented a logarithmic relationship with the subsurface pipe depth that ranged from 80 to 200 cm (<0.01); when supplemental irrigation was applied in August, the predicted average relative yields of cotton were in the range of 84.3% to 86.3% under the proposed drainage system layout. 2) For the optimum design of subsurface drain depth at 150 cm and spacing at 20 m, with good surface drainage condition, the simulated subsurface drainage accounted for 87.3% of the total drainage, the surface drainage alone could not meet the drainage requirement for waterlogging reduction in the study area. 3) DRAINMOD predicted values of the soil excess water index (SEW30) in the flowering and boll-forming stage of cotton were in the range of 27.15 to 47.49 cm∙d, which were much lower than the values that would lead to 10% to 15% reduction of the cotton yield based on existing studies. 4) For a severe 3-day storm event that produced 369.9 mm rainfall in 3 days in the simulated period, DRAINMOD simulation results showed that shallow and narrowly placed drains could lower water table more effectively during the early days of drainage, while the deep and wider drains could lower water table to a greater depth during the later time period. 5) For the coastal area, lowering water table depth from 150 cm to 200cm may result in salt water surface rise of 11.96 m, posing a potential threat of saltwater intrusion. Because lowering water table to an excessive depth may lead to high soil moisture and nutrient losses, the subsurface drainage pipes should be placed as shallow as necessary to achieve the desired water table control level from both the economical and the environmental perspective. Considering multiple objectives of waterlogging reduction, salinity control, maximum crop yields, environmental protection and economic benefits, the authors recommend the drain depths of between 120 cm and 150 cm and the spacing between 15 m and 20 m as the appropriate design parameters for the study area. Findings from this study may provide technical reference for agricultural drainage system installation in the coastal mud-flat area.

subsurface drainage; layout; cotton; waterlogging control; assurance rate; DRAINMOD; simulation; coastal area

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.016

S276.3

A

1002-6819(2017)-12-0122-08

2016-12-13

2017-05-10

国家自然科学基金（51279159）；江苏高校优势学科建设工程资助项目（PAPD）

陈 诚，男，江苏扬州人，主要从事农业水资源管理与环境保护研究。扬州 扬州大学水利与能源动力工程学院，225009。 Email：ydslcc@163.com

罗 纨，女，新疆霍城人，教授，博士生导师，主要从事农业水资源与环境保护研究。扬州 扬州大学水利与能源动力工程学院，225009。Email：luowan@yzu.edu.cn

陈 诚，罗 纨，贾忠华，李 山，孙少江．江苏沿海滩涂农田高降渍保证率暗管排水系统布局[J]. 农业工程学报，2017，33(12)：122－129. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.016 http://www.tcsae.org

Chen Cheng, Luo Wan, Jia Zhonghua, Li Shan, Sun Shaojiang. Subsurface drainage system layout to meet high assurance rate of waterlogging control in coastal mud-flat farmlands in Jiangsu[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(12): 122－129. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.016 http://www.tcsae.org