安徽淮北地区土壤控制排水实验设计

许一 许承娟

摘要：该实验设计拟在安徽省淮北地区砂礓黑土区域，通过设置控制性试验进行分析研究，确定控制排水程度与排水水分消退和营养物质流失之间函数关系，建立相应软件模型识别控制排水程度对排水过程和营养物质流失的机理，进而定量化得出控制排水在调节农田水分，减少营养物流失具体影响效果。

关键词：淮北地区;控制排水;实验设计

中图分类号：S213.9      文献标识码：A

1概述

涝渍害是世界上许多国家的重大农业气象灾害，我国有3027万hm²耕地受涝渍威胁。淮北地区易涝（渍）区占该区总耕地总面积83.1%。目前现有的排水工程，主要通过60年代开展的大规模排水实验为基本研究手段，确定了合理的排灌系统。

农田排水可以排除过多的地表水?加大渗漏强度?降低过高的地下水位，但农田排出的涝水携带的化肥?农药及其他污染物，通过排水系统进入地表和地下水体，成为农业面源污染的重要途径之一，加重了对水环境的面源污染，也降低了水资源的利用率，农田排水研究的重心已从曾经纯粹保证农业生产，逐渐转变到兼顾农业生产和环境保护双重目标阶段。人们逐步认识到了这一点，从而开始关注排水的控制问题。自20世纪70年代控制排水技术问世以来，已经在美国?荷兰?日本本等国家得到广泛的应用，被认为是最好的水管理技术之一。近年来，国内也开展了控制排水实验，殷国玺在南方稻田应用不同工程与生物措施控制地表排水，罗纨在宁夏银南灌区稻田控制排水对排水量及盐分影响的试验研究，王友贞等大沟控制排水对地下水水位影响研究，以上实验均发现，控制排水有调节农田水分，减少营养物流失，节约灌溉用水，增加雨水资源利用等多重目的。

淮北地区砂姜黑土区作为安徽省传统的旱作区，午季以小麦为主，秋季以大豆?玉米等旱作为主，旱作物耐涝耐渍性能很弱，也是皖北地區容易出现涝渍的一个原因。目前该区均采用单一的明沟排水，主要是通过修建三级排水沟，局部低洼地采用4级，由调节田间水分循环的田间排水系统?担负涝渍水输送的骨干排水系统组成。其标准仅能抗御3?5年一遇降雨，而治渍工程仅为试验性工程，没有与涝渍兼治连续控制结合在一起。本区通常采用的单一明沟排水，基本上达到了排涝要求，但距雨后3日内将地下水降至0.5的防渍标准还相差较大，若要达到防渍要求，必须通过加密或加深排水沟，才能满足以上要求。同时砂姜黑土的地下水降低1m时，潜水蒸发量接近于零，说明此时地下水对耕层的补给接近停止，因此对砂姜黑土的排水不宜过甚，一般控制在1-1.5米为宜，做到排蓄结合。此外由于农田排水能非点源污染等原因，该区主要淮河主要支流水质均为V类水及以下。针对以上问题的措施是：通过农沟（深沟）排水或暗管排水来控制地下水位，防止渍害的产生和非点源污染的进一步加剧。本项目拟在淮北平原砂礓黑土区通过设置控制性试验进行分析研究，确定控制排水程度与排水水分消退和营养物质流失之间函数关系，建立相应软件模型识别控制排水程度对排水过程和营养物质流失的机理，进而定量化得出控制排水在调节农田水分，减少营养物流失具体影响效果。该研究不仅能够为淮北平原砂姜黑土区农田排水工程不同规格提供基础试验数据，还帮助决策者从不同层面选取适合淮北平原砂礓黑土区的有效排水优化组合，此外对淮北地区以及全国其它类似条件的灌区水资源利用方式选择都具有积极意义。

2具体试验设计

本研究围绕地下水水文学、农田水利学、土壤水分动力学等多学科理论与技术的新进展，结合国内外有关农田控制排水研究前沿，以实体模型试验观测数据为关键支撑，采用定性与定量相结合、试验与模型分析相结合的手段，建立排水程度与排水水分消退和营养物质流失响应关系，最后通过设计持续试验结果进行验证。按照“控制性试验-机理分析--方程构建”的总体思路予以完成。

2.1实验设计与控制：

实验装置采用五道沟径流试验场Ⅰ区Ⅱ区共取A、B、C、D 4块排水实验区以及与大田相连接的自动称重式蒸渗仪一个，

在4块试验排水区布置土壤水势、土壤含水量探头，其中B、D布设排水暗管。在每次降雨地表径流消退后，开展土体剖面不同层位土壤水势和土壤含水量监测;利用自动称重式蒸渗仪监测土壤蒸发量、土壤深层渗漏量监测;在其中B、D块实验区排水出口砖砌挡水墙，在降雨之后田间地表积水排干后根据淮北地区砂礓黑土排涝降渍标准，相机用沙袋封堵，模拟控制排水程度，同时在A、B、C、D四组排水沟出口处按小时抽取水质样品，进行实验室化验，测算营养物质N浓度。同时从降雨开始时利用机械流量计人工监测排水沟流量。

2.2主要技术与方法

具体实验布置与处理设计如下：

试验田概况：依据淮北平原种植制度，每年播种典型作物选取冬小麦和夏玉米。土壤类型砂礓黑土;五道沟径流实验场设有两个排水区，分别是Ⅰ区和Ⅱ区，Ⅰ区面积为0.4km²，小沟深0.5m和1.0m，沟距100m，沟长1000m。Ⅱ区面积为0.8km²，小沟深1.0m和1.5m，沟距200m，沟长1000m。

（1）选取Ⅰ区1.0m旱地两块A和B，大小一致，Ⅱ区小沟深1.5m的旱地两块，种植同样作物小麦C和D，大小一致。共设置四组。示意图见图3。

其中B和D布设暗管排水处理，B暗管埋设深度0.7m，D暗管埋设深度0.7m。分别选择不同的田间沟、管布置组合（田间排水沟管必须垂直布置），B间隔15m布置一条暗管，D间隔30m布置一条暗管。

（2）在其中B和D地块排水沟下游出口处，布设砖砌挡水墙，底口留孔。平时空出，降雨产生径流时，根据淮北地区砂礓黑土排涝降渍标准，相机用沙袋封堵，模拟控制排水程度。

（3）在每个排水小区取中间垂直排水沟横截面处土体剖面每隔50cm布设有土壤水势、土壤含水量探头。在每个土体剖面，沟深1m布置4个，沟深1.5m布置6个，此为一组探头。在土体剖面中心以及排水沟壁处土体各布置一组。4块排水区共布置8组探头。

（4）从一次降雨地表径流消退时开始，按小时监测记录数据，持续3～5天。监测的实时数据保存在CR200数据采集器中，用笔记本电脑从CR200下载，进行数据处理。在降雨之后田间地表积水排干后，开始模拟B、D地块的控制排水，同时在A、B、C、D四组排水沟出口处按小时抽取水质样品，进行实验室化验，测算营养物质N浓度。同时从降雨开始时利用明渠流量计人工监测排水沟流量。

（5）利用自动称重式蒸渗仪与排水区同时开始，实施监测土壤蒸发量、土壤深层渗漏量监测。次降雨后监测时间持续3～5天。

3实验内容及结果分析

为了识别砂礓黑土涝渍灾害区如何通过排水系统的控制来实现农业生产的稳步发展和生态环境的良性循环关系，本项目拟设三个方面研究：（1）开展基于砂姜黑土不同排水工程组合下的控制性试验，通过实验数据识别控制排水程度与排水水分消退和营养物质响应函数关系;（2）建立相应软件模型模拟控制排水对土壤水分消退和营养物质流失的关系;（3）从不同层面选取适合淮北平原砂礓黑土区的排水优化组合。针对以上内容可从实验中分析得到具体以下内容：

内容一：开展不同排水组合的控制性试验，识别控制排水程度与排水水分消退和营养物质流失响应函数关系

（1）选取五道沟水文水资源实验站砂礓黑土径流实验场的两个排水区作为试验研究对象，在排水区田间设置不同的排水组合（沟管结合），排水沟出口控制出流。土體剖面不同层位布设有土壤水势、土壤含水量监测探头。

（2）开展不同排水组合排水程度控制试验，参数包括排水沟（管）流量、土壤实时含水量、土壤水势以及实时土壤和田头沟中的营养物质N。

（3）识别控制排水程度与排水水分消退和营养物质流失响应函数关系。

内容二：建立相应软件模型模拟农田控制排水对排水工程中营养物质流失的关系

（1）运用DRAINMOD构建农田控制排水优化模型，模拟田间控制排水过程。

（2）进一步运用DRAINMOD-NII进一步完善农田控制排水优化模型，识别农田排水程度与排水过程中营养物质N流失的关系。

内容三：从不同层面选取适合淮北平原砂礓黑土区的排水优化组合

（1）建立控制性试验与模型模拟直接对应关系，优化模型相关参数。

（2）根据建立的优化模型，在不同层面（经济效益层面、环境层面、社会层面）提出选取适合淮北平原砂礓黑土区的排水优化组合。

4实验设计意义

通过一定控制性实验研究揭示控制排水程度与排水水分消退和营养物质流失响应函数关系，同时根据实验各参数建立相应软件模型模拟农田控制排水对土壤水分消退和营养物质流失的关系。主要解决二个关键科学问题：

（1）由于控制排水效果涉及到土壤类型、作物类型、排水标准、气候等多因子影响，实验需要结合野外试验、室内实验相结合，定量化分析控制排水对排涝降渍，营养物质运移等一系列作用，可分析得到三者之间响应关系。

（2）该实验可在不同层面（经济效益层面、环境层面、社会层面）定量化提出适应不同层面的排水优化组合方案。

参考文献：

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作者简介：

许一（1984―）男，汉，安徽宿州，硕士，工程师，主要从事水文水资源方面研究

（作者单位：1.安徽省水利部淮河水利委员会水利科学研究院，安徽省水利水资源重点实验室;2.合肥市环境监测中心站）