丘陵灌区排水循环灌溉模式节水减排效果研究

邵培寅，李亚龙，熊玉江，袁念念，苏沛兰

（1.太原理工大学 水利科学与工程学院，太原 030024；2.长江水利委员会长江科学院 农业水利研究所，武汉 430010）

▪农田排水▪

丘陵灌区排水循环灌溉模式节水减排效果研究

邵培寅1,2，李亚龙2，熊玉江2，袁念念2，苏沛兰1*

（1.太原理工大学 水利科学与工程学院，太原 030024；2.长江水利委员会长江科学院 农业水利研究所，武汉 430010）

【目的】揭示丘陵灌区较为普遍的排水循环灌溉过程及其节水减排效果。【方法】针对灌区典型灌排单元，采用原位试验监测农沟和斗沟中水量和氮磷质量浓度变化，分析回归率（回归水量/抽灌水量）、负荷削减量、负荷削减率时空变化规律，并通过相关分析、逐步回归方法求解负荷削减率的影响因素。【结果】监测到抽灌-回归过程24次，总回归率为89.93%。生育期总磷、总氮、硝态氮和氨态氮负荷削减量分别为0.28、3.27、2.35、2.35 kg/hm2。总磷、总氮、氨态氮负荷的削减发生在田间和农沟，硝态氮负荷的削减发生在斗沟。控排措施使得降水后排水负荷中的硝态氮和氨态氮达到了稳定。4种负荷削减率都与其质量浓度之比（回归质量浓度/抽灌质量浓度）显著相关，总磷、氨态氮削减率与回归率显著相关，总氮、硝态氮削减率与抽灌当天及第2天降水量显著相关，硝态氮削减率还与温度显著相关。【结论】抽灌-回归-控排灌溉模式在节水、方便农户灌溉的同时，提高了水肥利用率，降低了排水给下游水体带来的风险，在灌排单元尺度上节水和控污减排效果良好。

丘陵灌区；循环灌溉；氮磷负荷；水稻；控污减排

0 引 言

【研究意义】灌区灌溉和排水受人为干预较多[1]。丘陵灌区因塘堰、沟渠和水库众多，降水径流、灌溉退水通过塘堰、沟渠等水体受到人为拦蓄进行重复利用现象十分普遍[2]。灌区排水再利用作为一种调蓄雨水、提高灌溉保证率和减少农业面源污染的有效措施[3]，已被较多地区重视并加以采用[4-5]。【研究进展】根据排水再利用的对象，排水再利用可分为2种，一种是排水自流灌溉下级渠道（灌溉回归水重复利用[6]），另一种是排水依靠水泵回灌本级渠道（循环灌溉[7]），相较而言，循环灌溉由于水肥重复利用，下游受到污染的风险更小。Hama等[8-9]研究发现，循环灌溉能提供作物需氮量的8%～16%，Takeda等[10]汇总了8个灌溉期的监测资料，发现循环灌溉的负荷削减量与田间水停留时间有关。Feng等[7]发现循环灌溉系统在暴雨期间稻田营养流失大幅减少。焦平金等[11]、于颖多等[12]评价了循环灌溉排水量估算模型，发现田面水和渗透水的磷素不受灌溉水中磷素的变化影响。【切入点】然而以上研究大多是针对流域尺度或田间尺度的节水效益及削减效果分析，涉及灌排单元尺度和循环灌溉各环节对于节水及削减效果的影响因素研究少见报道。另外，控制、存蓄排水是循环灌溉中不可缺少的一环。而关于沟渠控制排水的研究[13-15]大多是为调控灌排单元地下水位以增加作物对地下水的利用[16-17]、发挥沟渠湿地效应以截污减排[18-19]，而非为了存蓄水分以供灌溉。涉及农户自发循环灌溉而促成的控制排水研究少见报道。【拟解决的关键问题】本研究针对丘陵灌区典型灌排单元进行原位观测，将循环灌溉中的水流运动细化为抽灌、回归和控排3个环节，具体分析抽灌-回归-控排灌溉模式下各个环节水流和负荷的动态变化及其影响因素，综合评价灌排单元的节水效果及控污减排机理，为丘陵灌区的排水再利用和非点源污染防控相结合进一步研究和推广提供借鉴和参考。

1 材料与方法

1.1 研究地点概况

研究区位于漳河灌区三干渠南1.0 km处，灌区主要灌溉水源为10 km外的漳河水库。灌区配有完备的干、支、斗、农灌排渠系及各种小型水库、塘堰，灌区地形主要为丘陵与平原结合区，其自然条件在南方丘陵地区具有一定的代表性。灌区中小型水库300多座，塘堰约8.16万座，星罗棋布，形成了“长藤结瓜”式灌溉系统。

漳河灌区气候属于亚热带季风气候，年平均气温16 ℃，多年平均降水量968.9 mm，降水集中在4—9月，此时期降水量约占全年降水量的70%，5—8月为密集降水期。主要农作物为1年2季稻油（麦）轮作。试验区的水稻田在5月下旬播种，9月上旬收割，水稻生长期近112 d。稻季农民习惯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 试验设计

整个循环灌溉过程可分为抽灌、回归和控排3个过程。在水稻生长期，研究区内农户通常用水泵将田块周边沟渠中的蓄水抽灌至田间（抽灌），田间水通过田埂侧渗或降水后自流进入本级或下级斗沟（回归），沟渠下游被堵住，用来存蓄雨后田间排水和田埂侧向渗漏水（控排）。蓄水供平日抽灌使用，需要灌溉时再抽灌，如此循环往复。

选取循环灌溉典型灌排单元作为研究对象（图1）。2相邻田块中间田埂宽15 cm，田块1比田块2低10 cm，田埂处开有缺口，田块2田间水层超过5 cm时可自流排入田1。田块1上方田埂宽15 cm，开有缺口，田块1田间水层超过5 cm时可自流进入相邻农沟，农沟与斗沟相通，长度分别为20 m和180 m，农沟断面为底宽0.5 m，深0.5 m的矩形。斗沟断面为底宽0.7 m、坡比1∶1的梯形，斗沟深1 m。田块总面积2 440 m2。保持下游涵洞沙袋高度不变，仅当降水发生斗沟水位超过沙袋高度（约0.5 m）时才向下游排水。试验期间为排除降水外其他水量输入项，将农沟上游和斗沟上游用麻袋堵住，并定期监测斗沟上游段水位，水位较高时抽灌至下游堰塘，以防上游来水。周边田块相对灌排单元一侧田埂铺设防渗土工膜，防止周边田块田间水向灌排单元侧渗。因此，整个灌排单元可看做封闭区域。本研究为原位试验，对农户的田间管理和抽灌行为只做记录，不做任何干涉。

1.3 试验观测与测试方法

1.3.1 水量观测与分析

本研究对抽灌-回归-控排灌溉模式中的抽灌水量、回归水量、排水量和降水量进行监测。

1）抽灌水量为斗沟抽灌至田间的水量。农户每次抽灌需要4～5 h。根据斗沟每日水位波动及斗沟梯形断面推求各次抽灌水量，生育期斗沟水位变化及典型抽灌过程曲线见图2，人工抽灌前后斗沟库容差即为抽灌水量。

图1 典型灌排单元及控排抽灌现象Fig.1 Schematic diagram of typical irrigation and drainage unit and phenomenon of pumping irrigation and drainage controlled

图2 生育期斗沟水位变化及典型抽灌过程曲线Fig.2 Variation of water level in bucket ditch during growth period and typical pumping irrigation process curve

2）回归水量为抽灌田间水层超过田埂排水口高度自流排出田间的水量与田埂侧渗水量之和，回归水先汇入农沟再排入斗沟，回归水量即为农沟排水量。农沟出口设有巴歇尔槽，使用HOBO水位计监测每小时水位，对应巴歇尔槽公式[20]求得回归水量。

3）排水量为斗沟水位高出涵洞沙袋，通过涵洞向下游排水量。在斗沟下游涵洞出口处设置HOBO水位计监测每小时水位，对应圆形断面自由出流水位流量关系曲线[18]，求得排水量。

4）降水量。通过研究区内设置的HOBO RG3翻斗式自记雨量记录仪记录。

1.3.2 水质观测与分析

在农沟和斗沟上下游分别设置2个取样点，每次取样对2种沟别各取上下游混合样。取样频率为3 d 1次，遇降水、施肥则在事件发生第1、第3、第5、第7天加取。另外在生育期取3次降水水样。2种沟别及雨水样总计取样35次，143个。每次取样200 mL，原状水样送实验室分析。水样分析指标包括总磷（TP）、总氮（TN）、氨态氮（NH4+-N）和硝态氮（NO3+-N）。分析方法按照《水和废水监测分析方法》[21]中相关规定进行。

2 结果与分析

本研究循环灌溉模式发生在返青期、分蘖期、拔节孕穗期和抽穗开花期，其他生育期抽灌发生较少。经过筛选，计算分析6月8日—8月8日的抽灌-回归-控排事件。

2.1 排水量、抽灌量和回归水量变化

试验区降水集中发生于6月27日—7月19日，合计降水量为120.8 mm（图4）。连续降水期间，田间水层较高，不需要灌溉，抽灌事件发生较少。斗沟蓄水超过下游涵洞沙袋高度外排，因此有连续排水事件发生，排水量也较大。而在其他时间，降水较少且农户多采用湿润灌溉（间歇淹水），田间水层保持的较低（5 cm）。因此抽灌事件发生较多，而由于控排措施的存在，灌排单元排水量较少。回归过程一般在抽灌过程结束后1～2 d内完成，一般视田间湿润情况而定。试验期间，共计监测排水3 430.17 m3，抽灌回归过程24次，平均每次抽灌水量77 m3。这与Hama等[9]在日本比瓦湖面流域85.3%的结果相比稍大，原因是本研究的灌排单元尺度与流域尺度相比，从稻田到蓄水点回归距离较短，蒸发损失更少，且本研究生育期降水量更大。

2.2 灌排单元内氮磷浓度变化特征研究

为分析循环灌溉回归过程从田间到农沟再到斗沟氮磷污染物质量浓度的变化特征，选用标准差S和标准差率