暗管埋深与控制排水对农田地下水埋深及排水量的影响

孙仕军，苏慧，焦平金，沈涛

▪农田排水▪

暗管埋深与控制排水对农田地下水埋深及排水量的影响

孙仕军1，苏慧1，焦平金2*，沈涛3

（1.沈阳农业大学 水利学院，沈阳 110866；2.中国水利水电科学研究院 水利研究所，北京 100048；3.安徽省（水利部淮河水利委员会）水利科学研究院，安徽 蚌埠 233000）

【目的】加强农田排水调控管理，协同治理农业涝渍和干旱灾害，量化浅埋暗管、定水位和动水位控制对地下水埋深和排水量变化的影响。【方法】在亳州市利辛排水试验区埋设3根长200 m、间距30 m的暗管，每个暗管出口连接集水井，集水井内暗管排水量用电子水表计量，在暗管中间的地下水观测井中测定地下水埋深。在上述试验的基础上采用DRAINMOD模型模拟淮北平原汛期的田间排水过程。【结果】浅埋暗管和定水位控制在减小地下水埋深和减少排水量上效果接近。动水位和定水位控制在夏季作物生育前期和后期均减小了地下水埋深和减少了地下排水量；作物生育中期前者的地下水埋深较后者明显增加，日地下排水量明显高于后者，如在丰水年常规暗管布局下，动水位控制的地下水埋深较定水位控制平均增加了13.9 cm，地下排水量较后者增加了2.1倍。动水位控制对地下水埋深和排水量的调节存在时滞效应，常规和深疏暗管布局下改变暗管出口控制高度后仍分别需7 d和12 d才可达预期效果。【结论】适时适量进行动水位控制排水可及时改变地下水埋深和排水量以缓解水旱胁迫。

控制排水；浅埋暗管；定水位；动水位；地下水埋深；排水量

0 引言

【研究意义】农田涝渍和干旱灾害作为我国主要的农业自然灾害，长期制约国家粮食生产安全和乡村生态环境发展。涝渍灾害覆盖了我国2/3的国土面积，尤以长江中下游和黄淮平原最为严重，造成了不同程度的作物减产和经济损失。涝渍与干旱交替出现的新态势随全球气候变化加剧，对我国粮食作物高产稳产形成严重威胁[1-2]。农田暗管排水在防御涝渍灾害、促进农作物正常生长、改善田间耕作管理等方面作用显著[3]。然而，快速排除大量农田涝渍水的传统自由排水方式易导致排水过度，在渗透性较好的沙壤土或水旱交替发生区加剧了作物因后期缺水导致的干旱胁迫。

【研究进展】适度减小地下水埋深和减少排水量是缓解干旱胁迫和提高水分利用效率的重要手段之一。浅埋暗管可减少排水量和地下水埋深降落程度，然而暗管埋深一旦确定则无法根据不同作物生长需求进行自由调整，难以满足适时适量的排水需求[4-5]。在暗管出口设置水位控制装置，则可依据作物不同生育阶段水分响应特征进行适时、适量的出口水位调控[6]。与自由排水相比，控制排水可显著减少地下排水量和减小地下水埋深，其中地下排水量减少率介于8%～85%之间[7-9]。地下水埋深与排水量的改变主要受水位调控高度、沟管间距与埋深的影响，此外也随气候与土壤属性而变化[10-13]。根据气候和作物生长的变化，合理进行浅埋暗管或出口水位控制可协同应对农业涝渍和干旱危害。

减小田间地下水埋深虽然缓解了干旱胁迫，却增加了涝渍胁迫风险。针对我国南方地区水旱急转的气候变化特性，有学者采用DRAINMOD等模型模拟不同水文年或长系列气候影响下的地下水埋深，以确定控制排水的适宜出口调控方式[14]。【切入点】浅埋暗管或控制排水均可减少地下排水量和减小地下水埋深[15]，却少见针对控制排水下暗管出口高度距地表深度与浅埋暗管埋深相等条件下的对比研究。控制排水多见作物生育期的定水位控制，对于动水位控制，尤其是针对水旱交替发生特征进行暗管出口高度动态调控的研究尚不多见。【拟解决的关键问题】为此，本文采用DRAINMOD模型模拟分析浅埋暗管、定水位和动水位控制对地下水埋深和排水量的影响，以期为协同治理水旱灾害提供农田排水调控解决方案。

1 材料与方法

1.1 试验区概况与数据获取

试验区位于安徽省亳州市利辛排水试验区（33°17′17′′，116°9′52′′），地处黄淮海平原南端，海拔18 m，属半湿润气候，多年平均降水量为933.9 mm，年均降水时间82.5 d。降水量年内分布不均，主要集中在6—9月汛期，汛期雨量约占全年总量的63.2%。地下水埋深1～2 m，暴雨后可快速升至地表。试验区土质为砂姜黑土，这种土质占安徽省淮北地区耕地面积一半以上。砂姜黑土调节水分能力较差，加之极端天气的增加使该地区水旱灾害交替频发。

暗管排水试验观测于2020年和2021年的6—9月玉米生育期内开展。试验区由3根暗管组成，单管长200 m，管径7.5 cm，管材为PVC波纹管，外包料为土工布；暗管埋深均为80 cm，2个暗管之间间距为30 m，暗管的埋设坡度为0.1%。每个暗管出口分别连接进入田边排水沟的集水井，集水井内暗管的排水量用电子水表计量。在暗管间距1/2处的地下水观测井中采用自记水位计测定地下水埋深。降水量等气象数据由便携式气象站测定（图1）。

图1 2020—2021年作物生育期降水量

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，通过输入的气象、土壤、作物以及排水系统设计参数，逐日计算农田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。

r∆，  （1）

式中：r为降水量（cm）；为灌溉水量（cm）；∆为地表储水量变化（cm）；为地表径流量（cm）；为地表入渗量（cm）。

∆s，  （2）

式中：∆为土壤水分变化量（cm）；为侧向排水量（cm）；为蒸发蒸腾量（cm）；s为深层渗漏量（cm）。

DRAINMOD模型[16]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。模型通过设置地面平整度与田埂高度计算地表径流量。DRAINMOD模型在计算逐日作物实际腾发量（）时，通过比较土壤供水能力（即潜水上升通量）与潜在腾发量（）的大小，取二者中较小值作为日。DRAINMOD模型中的可采用默认的Hargreaves气温法计算，也可以采用其他方法计算。本研究根据1954—2021年间气象资料，采用FAO 56 Penman-Monteith法计算出后输入模型。

1.3 DRAINMOD模型率定与验证

为评价DRAINMOD模型模拟暗管排水下田间地下水埋深和排水量的效果，选用2020年7月11日—9月2日期间的地下水埋深和暗管排水量对模型参数进行率定。选用2021年6月10日—9月25日期间的地下水埋深和暗管排水量对模型参数进行验证。将模拟值与实际观测值进行对照，并采用统计参数对DRAINMOD模型模拟效果进行评价。统计参数包括纳什系数（）、平均相对误差（）和确定系数（2），其计算式为：

，（3）

根据2020年模型参数率定发现，地下水埋深模拟值与观测值变化趋势基本一致（图2），经计算，纳什系数为0.89，平均相对误差为9.81%，确定系数2为0.93。暗管排水量模拟值与观测值变化趋势基本一致（图3），经计算，纳什系数为0.70，平均相对误差为-9.39%，确定系数2为0.73。模型相关参数率定值如表1所示。

图2 2020年地下水埋深观测值与模拟值

图3 2020年地下排水量观测值与模拟值

表1 DRAINMOD模型主要参数率定结果

1.4 情景设置

为探究浅埋暗管及控制排水出口高度调控对地下水埋深和排水量的影响，选取了埋深为1.2 m和1.8 m这2种典型暗管自由排水做对照。根据《农田排水工程技术规范》，以48 h内将地下水埋深从田面降至0.6 m以下为降渍标准[18]，确定1.2 m和1.8 m埋深的相应间距分别为30 m和35 m。据此，在埋深1.2 m与间距30 m（以下统称常规型）、埋深1.8 m与间距35 m（以下统称深疏型）2种暗管布局下探讨浅埋暗管、定水位和动水位控制影响的地下水埋深与排水量变化。浅埋暗管是指把常规和深疏2种布局的间距不变条件下暗管埋深分别抬升至0.8 m和1.2 m，定水位控制指通过在暗管出口安装0.4 m和0.6 m高的水位控制装置[8]使暗管出口高度距离地表为0.8 m和1.2 m（图6和图7）。

图4 2021年地下水埋深观测值与模拟值

图5 2021年地下排水量观测值与模拟值

图6 常规型条件下浅埋暗管与控制排水调控深度

与定水位控制不同，动水位控制需考虑作物需水特性和地区气象水文特性，根据作物生长进程对暗管出口控制深度进行调整。针对淮北地区汛期降水发生频次和作物生长特点（图8），确定了在夏季作物生育前期（6月中下旬）和后期（9月）分别抬升暗管出口控制高度，在作物生育中期（7—8月）暗管出口高度下降至与对照组一致的动态调控策略。常规型和深疏型暗管埋设下动水位控制在作物生育前期、中期和后期的暗管出口控制高度分别为0.8、0、0.4 m和1.0、0、0.6 m（图6和图7）。为进一步明确不同水文年变化对排水调控的影响，通过对1954—2020年作物生育期的降水量进行排频计算，选取=25%、50%、75%所对应的降水量值作为丰水年、平水年和枯水年的设计值，筛选出丰水年（1989年）、平水年（1955年）和枯水年（1992年）3个典型水文年的气象数据以评价不同水文年对浅埋暗管和控制排水下水分运动的影响。

图7 深疏型条件下浅埋暗管与控制排水调控深度

图8 1954—2020年夏季作物生长期的日降水量均值及发生频次

2 结果与分析

2.1 浅埋暗管与定水位控制对比

2.1.1 地下水埋深

常规型暗管布局条件下丰水年的地下水埋深变化如图9（a）所示。在作物全生育期，浅埋暗管条件下地下水埋深均浅于对照组的地下水埋深，这种现象在作物生育中期和后期较为明显，浅埋暗管在作物全生育期的地下水埋深平均减小了14.6 cm。定水位控制和浅埋暗管下地下水埋深变化规律一致，比对照组平均减小了13.9 cm。浅埋暗管和定水位控制下的地下水埋深减小幅度在作物全生育期基本一致，二者控制下的地下水埋深平均差值仅为0.7 cm。平水年条件下（图9（b）），在作物全生育期降水量均较少，浅埋暗管和定水位控制下地下水埋深变化规律基本一致，比对照组平均减小了3.8 cm。枯水年条件下（图9（c）），在作物全生育期降水量更少，浅埋暗管和定水位控制下的地下水埋深变化幅度一致，相较于对照组均无明显减小。

图9 常规型条件下浅埋暗管与控制排水的地下水埋深变化

从整个作物生育期地下水埋深变化来看，常规型暗管布局下，除枯水年外浅埋暗管和定水位控制下地下水埋深无明显差异，且均浅于对照组。在不同水文年间，浅埋暗管和定水位控制下的地下水埋深减小幅度随着作物生育阶段的不同而有所变动，但二者之间无显著差异。

深疏型暗管布局条件下各水文年的地下水埋深变化如图10所示。在作物全生育期，浅埋暗管和定水位控制下的地下水埋深均与常规型条件变化规律一致，但深疏型的地下水埋深减小幅度明显大于常规条件。如在丰水年，浅埋暗管和定水位控制下的地下水埋深相较于对照组分别平均减小了34.4 cm和32.7 cm；在平水年，二者相较于对照组分别平均减小了27.7 cm和27.3 cm；在枯水年，二者相较于对照组的减小幅度一致，平均为9.3 cm。

图10 深疏型条件下浅埋暗管与控制排水的地下水埋深变化

2.1.2 地下排水量

常规型暗管布局条件下丰水年的日地下排水量如图11（a）所示。在作物全生育期，浅埋暗管和定水位控制下的日地下排水量无明显差异，且均小于对照组，浅埋暗管和定水位控制的作物生育期内排水总量分别比对照组减少了57.8%和54.2%。平水年条件下（图11（b）），在作物全生育期降水量均较少，浅埋暗管和定水位控制下均无地下排水。在枯水年作物全生育期，不同暗管埋设条件下也均无地下排水。

图11 常规型条件下浅埋暗管与控制排水的日地下排水量变化

深疏型暗管布局条件下各水文年的日地下排水量如图12所示。在丰水年和枯水年作物全生育期，浅埋暗管和定水位控制下的日地下排水量变化规律均与常规条件一致。例如丰水年二者相较于对照组减少的地下排水总量分别为50.3%和46.0%，深疏型条件下地下排水减少总量大于常规条件，但由于对照组地下排水总量的差异，深疏型条件下的减少比例小于常规条件。在平水年条件下，浅埋暗管和定水位控制下有地下排水，二者相较于对照组减少的地下排水总量分别为95.4%和95.1%。

图12 深疏型条件下浅埋暗管与控制排水的日地下排水量变化

为对比作物生育期地下排水总量的变化，图13（a）给出了常规型暗管埋设下1954—2020年作物生育期地下排水总量。由图可见，浅埋暗管和定水位控制下的地下排水总量无明显差异，且均明显小于对照组，年均减少量分别为48.7%和45.2%。深疏型埋设条件下浅埋暗管与定水位控制对地下排水总量的影响规律与常规型基本一致，年均排水减少量分别达到47.3%和43.8%（图13（b））。

图13 1954—2020年全生育期下浅埋暗管与控制排水的地下排水总量变化

2.1.3 地表排水量

常规型暗管布局条件下丰水年的日地表排水量由图14所示。在作物生育后期2次降水峰值时，浅埋暗管和定水位控制下日地表排水量无明显差异，且均大于对照组，浅埋暗管和定水位控制的排水总量比对照组均高了约4.5 cm。除此之外，作物全生育期均无地表排水，平水年和枯水年下作物全生育期也无地表排水。

深疏型暗管布局条件下，各水文年作物全生育期浅埋暗管和定水位控制的日地表排水量均与常规条件下变化规律一致，仅丰水年发生排水时二者排水总量较对照组均增加了约6.3 cm（图15）。

图14 常规型条件下浅埋暗管与控制排水的丰水年日地表排水量变化

图15 深疏型条件下浅埋暗管与控制排水的丰水年日地表排水量变化

为对比作物生育期地表排水总量的变化，图16（a）给出了常规型埋设下1954—2020年的作物生育期地表排水总量。由图16（a）可知，历年来浅埋暗管和定水位控制下的地表排水总量均明显大于对照组，年均增加量分别为1.8 cm和1.6 cm。深疏型埋设条件下浅埋暗管与定水位控制对地表排水总量的影响规律与常规型变化一致，年均增加量分别为1.8 cm和1.6 cm（图16（b））。

2.2 定水位与动水位控制对比

2.2.1 地下水埋深

动水位控制下的地下水埋深变化规律不同于定水位。常规型暗管布局条件下丰水年的地下水埋深变化由图9（a）所示。在作物生育前期降水量较少，动水位和定水位控制相较于对照组均未明显减小地下水埋深；在作物生育中期，动水位控制下暗管出口高度降至与对照组一致，动水位控制的地下水埋深增加至与对照组一致，而定水位控制仍减小地下水埋深，相较于动水位控制减小幅度平均为13.9 cm；在作物生育后期，动水位条件下暗管出口高度上调至与定水位一致，因此动水位和定水位控制下的地下水埋深均浅于对照组，且二者减小幅度基本一致，平均为18.1 cm。平水年条件下（图9（b）），在作物全生育期动水位和定水位控制相较于对照组均略微减小了地下水埋深，二者减小幅度基本一致。枯水年条件下（图9（c）），在作物全生育期动水位和定水位控制下地下水埋深相较于对照组未有明显减小。

图16 1954—2020年全生育期浅埋暗管与控制排水的地表排水总量变化

深疏型暗管布局条件下各水文年的地下水埋深变化由图10所示。作物全生育期内动水位和定水位控制下深疏型的地下水埋深与常规型变化规律基本一致，但由于深疏型动水位控制的出口抬升幅度更大，深疏型条件下的地下水埋深减小幅度明显大于常规型。地下水埋深减小效应在丰水年和平水年等降水量较大年份更为明显，丰水年动水位和定水位控制相较于对照组减小的地下水埋深平均值分别为12.1 cm和32.7 cm。

动水位控制下的地下水埋深变化存在时滞效应。常规型暗管布局下在丰水年的作物生育后期抬升出口高度至与定水位控制一致，但直至第7天后地下水埋深才与定水位控制基本一致（图9（a））。在丰水年作物生育前期，平水年和枯水年作物全生育期降水均很少，动水位控制并未起到明显作用，也没有显现时滞效应（图9）。

深疏型暗管布局下在丰水年的作物生育前期，动水位控制的地下水埋深明显小于对照组，尽管作物生育中期使出口控制高度降至与对照组一致，但直至第12天后地下水埋深才增加至与对照组基本一致；当作物生育后期抬升暗管出口高度至与定水位控制一致后，第12天后地下水埋深才与定水位控制基本一致（图10（a））。在平水年条件下，作物生育中期降低出口高度也出现地下水埋深响应滞后现象，滞后约12 d；但在作物生育后期由于降水较少，此阶段虽然抬升了暗管出口高度，动水位控制下的地下水埋深依旧与对照组保持一致（图10（b））。在枯水年，由于降水较少，动水位控制并未起到明显作用，未显现时滞效应（图10（c））。

2.2.2 地下排水量

动水位控制下的日地下排水量变化规律区别于定水位控制。常规型暗管布局条件下丰水年的日地下排水量由图11（a）所示。由图可见，在作物生育前期动水位和定水位控制下均无地下排水；在作物生育中期的第6天开始排水，动水位控制下的地下排水量大于定水位控制，排水总量增加了2.1倍；在作物生育后期动水位控制下暗管出口高度上调至与定水位一致，故动水位和定水位控制下的日地下排水量均小于对照组，且二者幅度基本一致，相较于对照组的排水总量减少了约72.5%；在作物全生育期动水位控制的地下排水总量较定水位控制增加了85.5%。平水年条件下（图11（b）），在作物生育中期2次降水峰值时，动水位控制和对照组才出现地下排水，且二者值相近。枯水年条件下，在作物全生育期对照组、动水位和定水位控制下均无地下排水。

深疏型暗管布局条件下各水文年的日地下排水量如图12所示。深疏型条件下动水位和定水位控制的日地下排水量与常规型条件下变化规律基本一致。在丰水年作物全生育期，动水位控制的地下排水总量较定水位控制增加了56.4%。但平水年条件下（图12（b）），在作物生育前期和后期，只有对照组有地下排水；在作物生育中期，定水位控制下的日地下排水量小于对照组，排水总量减少了94.2%。平水年动水位控制下的日地下排水量在作物生育中期一直不低于对照组，排水总量增加了31.8%。枯水年条件下（图12（c）），在作物生育后期降水峰值时，仅对照组有地下排水出现。

为对比作物生育期地下排水总量的变化，图13（a）给出了常规型埋设下1954—2020年的作物生育期内地下排水总量。由图可见，动水位和定水位控制下的地下排水总量均明显小于对照组，年均减少量分别为11.0%和45.2%。深疏型埋设条件下动水位和定水位控制对地下排水总量的影响规律与常规条件下基本一致，年均减少量分别为10.8%和43.8%（图13（b））。

动水位控制下的日地下排水量变化也存在时滞效应。在丰水年作物生育前期，常规型暗管布局下动水位控制和对照组条件下的地下水埋深并无明显差异（图9（a）），而深疏型布局下动水位控制下的地下水埋深明显浅于对照组（图10（a））。为此作物生育中期，动水位控制降低暗管出口高度至与对照组一致时，常规型布局下未显现时滞效应（图11（a）），而深疏型布局下时滞效应明显，约需12 d动水位控制下的日地下排水量才与对照组降为一致（图12（a））。在作物生育后期，动水位控制上调出口高度至与定水位控制一致，暗管排水量瞬时下降，不存在时滞效应。在平水年作物生育中期，动水位控制降低暗管出口高度至与对照组一致时，常规型布局下由于降水量较少，动水位控制并未起到明显作用，未显现时滞效应（图11（b）），而深疏型布局下存在时滞效应，约需12 d动水位控制的日地下排水量才与对照组降为一致（图12（b））。在枯水年作物全生育期降水均较少，动水位控制未起明显作用，常规型和深疏型布局下均未显现时滞效应（图12（c））。

2.2.3 地表排水量

常规型暗管布局条件下丰水年的日地表排水量由图14所示。在作物生育后期2次降水峰值时，动水位控制相较于对照组并未增大地表排水总量，而定水位控制下的地表排水总量较对照组增加了4.4 cm。除此之外，作物全生育期均无地表排水。平水年和枯水年的作物全生育期均无地表排水。深疏型暗管布局条件下也是仅在丰水年产生地表排水，动水位控制相较于对照组并未增大地表排水总量，而定水位控制下的地表排水总量较对照组增加了5.9 cm（图15）。

为对比作物生育期地表排水总量的变化，图16（a）给出了常规型埋设下1954—2020年的作物生育期内地表排水总量。由图所示，动水位和定水位控制下的地表排水总量均明显大于对照组，年均增加量分别为0.3 cm和1.6 cm。深疏型埋设条件下动水位和定水位控制相较于对照组，年均地表排水总量的增加量分别为0.5 cm和1.6 cm（图16（b））。

3 讨论

3.1 浅埋暗管和定水位控制对地下水埋深和排水量的影响

浅埋暗管或抬升暗管出口控制高度均可减小作物生育期的地下水埋深和减少地下排水量。浅埋暗管和控制排水对地下排水的影响主要取决于当地的气象水文条件，来自北卡罗来纳州和伊利诺伊州等不同地区的研究[11,19-20]均指出，浅埋暗管和控制排水可使地下排水量减少25%～44%。Singh等[15]在美国爱荷华州的相关试验也得到了相同的结果，即控制排水和浅埋暗管分别减少了18%和15%的地下排水量。不同暗管埋深和间距会改变排水强度，以往研究少有针对定水位出口控制高度距地表深度与浅埋暗管埋深相等且二者暗管间距也相等条件下的对比分析。为探究二者对排水影响的差异性，本研究通过使控制排水的暗管出口控制深度与浅埋暗管埋深一致且二者暗管间距也保持一致。模拟发现，二者在地下水埋深和排水量上的影响规律基本一致。浅埋暗管虽然能够在作物生育期经历干旱胁迫时为作物提供更多可供利用的水分[15]，但浅埋暗管也容易造成涝渍时的排水不足。而控制排水可以通过改变暗管出口控制高度灵活的应对不同气象条件的排水需求，因此，在适应不同水文年作物生育期内降水规律和不同作物需水规律变化上控制排水优于浅埋暗管。

3.2 定水位和动水位控制对地下水埋深和排水量的影响

定水位控制和动水位控制在作物生育前期和后期均可减小地下水埋深和减少地下排水量，而在降水量较大且频繁的作物生育中期动水位控制将暗管出口控制高度下调到与对照组一致，因此动水位控制下的地下水埋深和地下排水量与对照组相近，而定水位控制仍减小地下水埋深和减少地下排水量，故动水位控制的作物全生育期地下排水总量高于定水位控制，其中丰水年常规型与深疏型布局下前者较后者增加了85.5%和56.4%。袁念念等[21]在定水位控制与自由排水的对比研究中，所得研究结果与本文基本一致。钱争等[22]根据气象降水条件划分的动水位控制相较于自由排水减小了地下水埋深且减少了地下排水量；杨琳等[23]进一步对定水位控制和动水位控制进行对比并分析田间水分变化，而其动水位控制是根据作物不同生育阶段来调整暗管出口控制高度的，并未考虑气象条件影响。本研究为探究适应作物需水规律及气象条件的暗管控制方式，设置了定水位控制和根据降水气象条件调整暗管出口控制高度的动水位控制。定水位控制在整个作物生育期暗管出口控制高度均不变，尽管在降水较少的作物生育阶段有效减小了地下水埋深和减少了地下排水量，但在降水较多的生育阶段易造成涝渍胁迫。而动水位控制则弥补了这一缺点，在降水较多的作物生育中期降低出口控制高度，能更有效地适应作物生育期内气象条件变化和作物需水规律，如在丰水年作物生育中期常规型布局下动水位控制的地下水埋深较定水位控制平均增加13.9 cm，地下排水量前者较后者增加2.1倍，因此，动水位控制优于定水位控制。

3.3 动水位控制排水的时滞效应

分析动水位控制对作物生育期内地下水埋深和排水量的影响发现，在作物生育中期将动水位控制的出口高度下调至与对照组一致，若此时动水位控制的地下水埋深与对照组有差异，则地下排水量立刻增加，且在一段时间内地下排水量均大于对照组，如深疏型布局条件下直到作物生育中期的第12天动水位控制的日地下排水量才与对照组接近。地下排水无法快速完成主要受到暗管排水流速和地下水降落速度等限制因素的影响，在本研究条件下控制地下水降落速度的土壤入渗性能是造成地下排水无法短时间内完成的主要限制因素，如在深疏型布局条件下直到作物生育中期的第12天动水位控制的地下水埋深才与对照组接近。在作物生育后期动水位控制将暗管出口高度上调至与定水位控制一致时，地下排水量立刻减小，地下水埋深却未能立刻与定水位控制一致，如在丰水年深疏型布局条件下直到作物生育后期的第12天动水位控制的地下水埋深才与定水位控制接近，在平水年深疏型布局条件下作物生育后期动水位控制的地下水埋深均大于定水位控制。在作物生育后期动水位控制抬高暗管出口高度至与定水位控制一致，以期使动水位控制下的地下水埋深能与定水位一致，从而缓解生育后期降水较少导致的作物干旱。但在作物生育后期动水位控制能否有效减小地下水埋深主要取决于抬高暗管出口控制高度时的地下水埋深，若此时地下水埋深小于出口控制高度，则在作物生育后期动水位控制的地下水埋深能与定水位控制一致，有效缓解作物干旱，而若此时动水位控制的地下水埋深大于出口控制高度且无降水补充地下水，则动水位控制抬高暗管出口控制高度无法有效缓解作物干旱。常规型埋设条件下的滞后时间要小于深疏型埋设，这是因为常规型埋设条件下的暗管出口控制高度变化幅度较小。若要达到预期的调控效果，应根据降水等气象条件变化来适当提前进行动水位控制，充分考虑时滞效应的影响。

尽管本研究发现动水位控制能够在降水较少时有效地减小地下水埋深，适时适量进行排水输出，既缓解了干旱时作物受旱胁迫又可避免涝渍胁迫，有助于提高农业用水效率和作物产量。需要指出的是由于本研究尚未充分考虑动水位控制下地下水埋深和排水变化响应的滞后时长，所以仍需结合田间试验进一步探寻动水位控制下的时滞效应与水旱胁迫影响。

4 结论

1）定水位控制与浅埋暗管对排水影响的效应一致，二者均减小了地下水埋深和减少了地下排水量，尤其在年降水量较大和暗管埋深较大时愈加明显。

2）动水位和定水位控制在作物生育前期和后期均减小了地下水埋深和减少了地下排水量，作物生育中期前者的地下水埋深较后者明显增加，且日地下排水量明显高于后者，其中丰水年常规型布局下前者的地下水埋深较后者平均增加13.9 cm，地下排水量较后者增加2.1倍。动水位控制下的作物全生育期地下排水总量高于定水位控制，其中丰水年常规型与深疏型布局下前者较后者增加了85.5%和56.4%。

3）动水位控制对地下水埋深和排水量的调节存在时滞效应。常规型和深疏型布局下改变暗管出口控制高度后，还需7 d和12 d左右才能使地下水埋深与排水量达到预期效果。

综上，定水位控制与浅埋暗管排水在减少排水量和减小地下水埋深上的效应等价。动水位控制能够根据气象条件合理调控地下水位，但需注意的是动水位调控存在滞后效应。

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Effect of Buried Depth and Exit Control of Subsurface Tile on Drainage and Groundwater Depth

SUN Shijun1, SU Hui1, JIAO Pingjin2*, SHEN Tao3

(1. College of Water Conservancy, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China;2.Department of Irrigation and Drainage, China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100048, China;3. Anhui and Huaihe River Institute of Hydraulic Research, Bengbu 233000, China)

【Objective】Subsurface tile is a conventional drainage technology to prevent groundwater table from exceeding critical depths and causing waterlogging and soil salinization. In this paper, the effect of buried depth and exit control of the tile on drainage and groundwater depth was examined through field experiment.【Method】The experiment was conducted in the Lixin Drainage Test Area in Bozhou City, Anhui province. The tile length was 200 m and the space between adjacent tiles was 30 m. The exit of each tile was connected to a well with its position either kept at a constant elevation (CWTR) or dynamically controlled (DWTR). Drainage from each tile was measured using an electronic water meter, and change in groundwater depth was measured from a borehole drilled in the middle of the tiles. Groundwater flow in the drainage system was simulated using the DRAINMOD model.【Result】Shallow-burying the tile and CWTR control of the tile exit had similar effect in controlling groundwater depth and reducing drainage. The DWTR and CWTR were both able to reduce the groundwater table dropping and drainage in the early and late crop growth stages. In the middle growth stage, the groundwater depth under DWTR was significantly lower than that under CWTR, and the daily drainage from the former was significantly higher than that from the latter. For the conventional tile layout, the average groundwater depth under DWTR in a wet year was 13.9 cm lower than that under CWTR, and the drainage of the former was 2.1 times as that of the latter. Changes in the elevation of the tile exit in DWTR altered groundwater flow, and it took 7 to 12 days, depending on the tile space, for groundwater flow to reach a new steady state.【Conclusion】Dynamic control of the elevation of the tile exit in subsurface drainage systems can be an effective means to regulate groundwater flow, preventing waterlogging during flood seasons and ensuring sufficient soil moisture during dry seasons.

controlled drainage; shallow buried tile; constant water table; dynamic water table; groundwater depth; drainage volume

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S27；P333

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022473

1672 - 3317（2023）05 - 0135 - 10

2022-08-26

辽宁省应用基础研究计划项目（2023JH2/101300123）；国家自然科学基金项目（52179054）；国家重点研发计划项目（2018YFC1508304）

孙仕军（1969-），男，辽宁庄河人。教授，博士生导师，主要从事作物高效用水和水资源综合利用研究。E-mail: sunshijun2000@syau.edu.cn

焦平金（1980-），男，安徽蒙城人。正高级工程师，主要从事农田排水与水旱灾害防御研究。E-mail: jiaopj@iwhr.com

责任编辑：赵宇龙