農田控制排水問題研究范文

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0引言

中國近年來由于農業非點源污染引起的地表水質污染事件也頻頻發生。這些現象都為農田排水管理敲響了警鐘，迫使相關部門和研究人員盡快尋求切實可行的解決方案。由于過去進行排水系統設計和建設時，主要是以提高農業生產為主要目標，農田排水對環境的負面影響一般不予考慮。為了盡快降低地下水位，排水系統建設往往過于保守，即系統容量過大（具體表現為排水溝較深、斷面較大），以致排水能力過剩，出現過量排水問題。這種現象在加大排水輸出、增加污染物輸出的同時，還造成了農田水分損失過快，灌溉水量增加等不利影響。隨著對排水污染環境問題的重視，通過工程措施對排水強度進行調控的農田控制排水技術應運而生，具體做法就是在農田排水出口處修建控制性建筑物，在不改變排水系統現有布置，保留系統功能的前提下，適時適量減小排水輸出，達到減少污染物排放量的目的；而在干旱年份或季節，被抬高的地下水位還可以供作物利用一部分，達到抗旱增產的效果?？刂婆潘址Q為地下水位管理（watertablemanagement），它所倡導的理念就是按需精量排水，須排則排，多一滴都不排。如何利用這一措施在保證農業生產的同時，盡量降低農業非點源污染是目前具有人工排水系統的灌區和排區共同奮斗的目標。在當前農業生產與生態環境保護之間存在矛盾，氣候變化等因素影響農業水資源利用效率的形勢下，開展控制排水技術的研究對發展生產與保護環境具有重要的理論價值與實際意義。

1農田控制排水發展歷史及存在的主要問題

早在20世紀20年代，美國中西部農業區因為春季澇漬問題突出而夏秋之際又出現干旱，當地科研人員嘗試了抬高排水出口來截留土壤水分損失，減少旱情對作物產量影響的控制排水措施。該做法可以在相對干旱的作物生長期內增蓄雨水、提高土壤墑情，使作物更多地利用一些土壤水或地下水，達到增產的目的。但直到20世紀70年代以后，隨著農業排水對水環境污染問題的認識，控制排水技術才受到重視，并在美國東部率先得到推廣，成為一項環境友好型農田水管理措施。目前，控制排水技術的應用已經遍布美國東部以及中西部平原區，對當地農業非點源污染控制具有良好的效果。此外，加拿大、瑞典以及澳大利亞等地的科研人員也開展了不少控制排水試驗研究，肯定了控制排水在減少排水輸出以及提高水資源利用效率方面的作用。中國知名排水專家張瑜芳與張蔚臻自20世紀90年代起就多次撰文，討論不同作物或同一作物在不同生長階段的排水標準問題，并提出針對不同作物生長以及排水輸出量的水位調控方案，開辟了中國控制排水技術研究的先河。近年來，國內關于農田控制排水的研究不斷深入，研究區從南到北，覆蓋了不同的氣候區以及不同的作物種植形式，為控制排水技術在中國的推廣使用打下了良好的理論基礎。控制排水的根本思想就是“盡可能少排水”，從而減少排水造成的地表水污染。美國東部等地的研究結果表明，控制排水可減少40%的氮輸出量；中國近年來開展的控制排水研究也表明在該技術在減少農業非點源污染方面效果顯著。盡管早期一些研究指出控制排水增加了田間濕度，使反硝化作用增強后，可減少硝態氮的輸出。但是至今只有試驗室土柱研究數據支持此結論，大田試驗結果都表明控制排水減少污染的機理主要是排水總量的減少。這可能與大田土壤處于厭氧狀態的時間較短，以及溫度變化快等因素有關。為了促進反硝化過程，提高對農田排水中氮素的去除效率，近年來出現了一些結合控制排水措施來降低排水中硝態氮濃度的‘生物反應器’（Bioreactor）技術的研究和應用，收到了一些良好的效果。因為控制排水在濕潤地區降低農業非點源污染方面的效果顯著，美國一些州和地區已將控制排水列為農業生產的最佳水管理措施；AgriDrain公司還開發出專門用于農田控制排水的智能控制設備，便于用戶操作管理。但濕潤區降雨過程中的不確定性以及近年來極端氣候現象的增多不斷對控制排水技術提出新的挑戰。如何根據降雨和作物生長規律進行水位的實時調控仍是控制排水技術在濕潤區應用中存在的一個主要問題。干旱、半干旱灌區農田排水的主要目的是淋洗土壤中的積鹽。實施控制排水面臨的挑戰是如何維持田間水鹽平衡；其實施范圍和效果受到作物、土壤及排水水質等因素的影響。盡管如此，現有研究已表明，在有人工排水系統的灌區，通過控制排水措施，抬高灌區地下水位后，作物可以就地利用淺層地下水，減少對灌溉量的需求，達到節約灌溉用水、保證糧食產量以及減少排水輸出的多重目的。但目前對于干旱區控制排水條件下，土壤水鹽動態變化的規律尚不明確，如何根據作物生長特點來進行水位調控，進而實現良性的水鹽平衡還有待進一步研究。

2控制排水對區域水環境的影響

在過去很長一段時間內，農田排水都是單純以除澇排漬、防治土壤鹽堿化和提高農業生產為主要目標。隨著人口膨脹、資源短缺以及生態環境惡化問題的突出，農田排水逐漸演化成為一個多目標函數，成為農業水資源管理中的一個重要組成部分；它所涉及的水污染與生態環境問題是水資源規劃與管理中首先需要考慮的內容。國際上對農業排水的研究重心已從單純促進農業生產轉移到在避免環境負面影響的前提下保證農業生產上來。例如，一貫以排水而著稱的國家-荷蘭，于20世紀90年代末轉變了排水的戰略思想。與盡快排除積水的傳統做法相悖的是，現行政策要求各地盡可能長時間的保留多余的積水，借此彌補由于工業和城市化發展而縮小的生態水面面積。在澳大利亞，農業排水管理已從傳統的防澇、排鹽轉化為以減少排水輸出量、保護地表水質為主要目標。近年來，中國學者也開展了一系列農田控制排水減少養分流失的研究工作，尤其是對稻田排水的研究。如殷國璽等在南方稻田應用不同工程與生物措施控制地表排水的試驗結果發現，延緩排水時間增加了稻田雨水入滲量，田面水深及水力停留時間的增加降低了水中顆粒營養物的含量，所控制田塊的氮素流失降低了40%左右。彭世彰等[26]結合控制灌溉技術以及溝渠濕地的生物降解作用，觀測發現灌排調控綜合措施對稻田營養物輸出具有明顯的削減作用。陳會等根據兩年實測資料，利用水平衡原理，采用馬斯京根法和連續分段馬斯京根法模擬了南方灌區各級排水溝道的排水過程，進而分析了排水面源污染物的水質水量過程。農田控制排水是一種自下而上減少農業非點源污染、提高農業水資源利用效率的工程技術措施。對于存在人工排水設施的流域而言，實施控制排水措施后，農田土壤蓄水量普遍增加，區域地下水位抬高，蒸發蒸騰量相應的有所增加，排出區外的地表與地下（排水）徑流總量相應的減少，因此可降低進入接納水體的污染物負荷。從雨水資源利用的角度來講，控制排水措施降低了流域排水強度，使得更多的雨水資源得到蓄積和利用，這在減少流域排水污染輸出的同時，提高了水資源的利用效率。對于濱海地區，蓄積更多的雨水則意味著降低海水入侵的威脅，對區域生態環境保護具有不可估量的好處。

3控制排水的節水效果

目前在許多灌溉農業區，尤其是發展中國家，都存在灌溉和排水過量的問題。前者主要是由于管理水平低下造成的；后者則主要是排水系統容量過大所致。干旱區過量排水問題的根源在于灌區水鹽平衡在排水系統建設初期與現狀的差別。許多灌區，尤其是上游灌區，經過若干年的排水改造，鹽分已控制在作物忍耐極限之內，這時每年只需排除少量必要的鹽分淋洗水即可。但現有的排水系統依舊按設計目標運行，將大量含有農業污染物的排水送至下游河道或一些地表水體。過量排水又過早的疏干了田間水分，增加了灌水頻率，加劇了化肥等農業化學物的流失，造成了對有限水資源的浪費和污染。為了克服上述農業水資源利用中的不良現象，需要對灌溉排水實行統一管理，達到減少排水、節約水資源和保護水環境的綜合目的?？刂婆潘沁@樣一種統一管理的措施：通過對排水出口處的水位調節，使排水量減少，田間土壤水分損失速度減緩，部分地下水可對作物實行滲灌，減少作物對灌溉水的需求，排水量也相應減少。如中國淮北地區的農田排水系統因建設時參照了華北地區的設計標準，排水容量過大。當地農民在灌溉水源不足的形勢下，自發的在排水干溝上進行了封堵和加筑控制性建筑物，降低排水能力，減少灌溉用水，成為中國農田控制排水的雛形。在加拿大魁北克省進行的一項控制排水試驗研究結果表明，控制排水可與地面節水灌溉措施一樣減少灌溉用水，而且水的利用效率更高，同時具有投資少和運行費用低等優點。在討論灌區水鹽平衡與鹽堿化控制時，中國排水專家張蔚榛院士曾提出了分區考慮灌區水鹽平衡，因地制宜確定區內灌、排水制度的思想。但目前中國許多灌區的水管理都采用統一的標準，即使是在水旱輪作區，排水系統也一如既往的運行。這種忽略灌區內地形、排水條件以及作物等差異的農業水管理措施，導致了對有限水資源的浪費和區域水環境的污染。近年來，中國各地都大力推廣了節水灌溉，以提高水資源的利用效率。但由于灌區現有的排水系統容量過大，水分疏干過快，農戶不得不頻繁灌溉來補充作物需水要求。加之引水便利、水費偏低和無法分戶計量等原因，節約灌溉用水對農民的吸引力非常有限。在這種前提下，從排水角度來抑制灌溉水用量具有諸多的優越性，如節約灌水時間和勞力，以及減少排水污染等。筆者在寧夏銀南灌區進行的控制排水減少地表水污染的試驗研究中發現，控制排水措施有效的減少了地下排水量，提高了田間濕潤程度，因此減少了灌溉次數。而試驗區的一些農民也認識到此問題，自發的封堵了排水農溝的出口，稱之為節約灌水時間和勞力。在埃及以及印度開展的幾項控制排水研究也報道了類似的結果，即農民愿意為節省灌水時間和勞力而實施控制排水。目前，干旱灌區實施控制排水需要進一步研究的問題是灌溉制度調整后是否會對田間水鹽平衡產生不利影響？長期下去土壤是否會產生積鹽現象。

4控制排水研究方法及水位調控方案

在農田排水與水污染的研究方面，目前應用較多的是現場觀測試驗與計算機模型模擬相結合的手段。由于水土系統在時間和空間上的隨機性，現場試驗難以進行多因素控制，往往需要在多年觀測的基礎上才能獲得一般性結論，而且研究過程還常常受到資金和人員變化等條件的限制。因此，利用當代先進的計算機模擬技術可在較短時間內迅速獲得排水系統在不同氣候、土壤和作物種植等條件下的運行效果。但模型必須經過驗證后才能用來預測系統在不同條件下的可能表現。現場試驗是模型應用的前提，只有利用實測資料對模型進行驗證后加以合理應用，才能獲得可信的研究成果。不過，在開展控制排水試驗之前或過程中，也可利用模擬模型對控制方案可能獲得的實施效果經行分析，指導試驗方案的制定與調整?，F有文獻中存在大量利用模型對排水水文過程以及污染物輸出的模擬研究。這些研究從田間尺度到流域尺度不等，模擬分析了不同控制方案或水管理措施對排水量及污染物削減的效果。其中，基于田間水文過程的DRAINMOD模型應用最為廣泛。該模型具有專門模擬排水出口水位調控對田間排水過程影響的控制排水模塊，用戶可根據排水系統布置以及作物生長的實際情況，以作物產量為目標函數，模擬分析水位調控方案對作物生長以及排水輸出的影響。在水量平衡預測的基礎上，近年來日益完善的DRAINMOD_NII模型模塊又賦予了DRAINMOD模型模擬控制排水條件下田間氮素流失詳細過程的功能。開展控制排水試驗的區域，一般要求地下水位埋深不宜過大（一般＜3m），應存在弱水層或相對不透水層，以免抬高水位后垂向滲漏量過大。在暴雨比較集中地帶，田面應平整且具有一定的坡度，保證地表排水狀況良好。制定水位控制方案應參考當地主要作物的生長規律以及土壤排水特性，控制方案不宜太復雜而影響其操作性。作物生長旺季可將水位控制高度設在根區附近，如地面以下60cm，使作物最大限度的利用地下水和土壤水。但考慮作物品種及其耐淹能力，在生育期降雨過多時須及時降低排水出口水位，避免澇漬脅迫影響產量。在無排水需求的非生長季，可關閉排水出口，以便最大程度的減少排水輸出；在播種和收獲期，則應根據機耕或人工作業要求，提前降低水位，疏干土壤。在水位調控過程中降低排水出口高度時，還應注意操作過程不宜速度太快，避免造成瞬間水力梯度太大而將大量泥沙和污染物帶入排水溝系統。在水、旱輪作地區，控制排水可以靈活的滿足不同生長階段的排水需求，水位控制方案可以參考作物的生長習性來制定，考慮水、旱兩種作物對水分的不同要求，滿足各自的排水標準。稻田控制排水過程中，水位調控須滿足生育階段對稻田滲漏倆的最低要求，以避免有害物質的積累。此外，施肥后不宜立即排水，避免養分的大量流失。有鹽堿化問題的地區，水位控制還需考慮控制防止土壤鹽堿化的地下水適宜埋深。這一深度的確定取決于具體的水文氣象條件、包括降雨和灌溉，以及土壤和作物生長因素。干旱、半干旱灌區地下水位抬升過程一般與灌溉過程保持一致；在作物生長旺季適當抬高排水出口，可減少排水輸出、減少灌溉次數，達到節水、減排的雙重效果。濱海鹽堿地排水區，在雨季適當控制排水可增加淡水的蓄積量，有利于區域生態環境的改善?？刂婆潘夹g在中國的推廣應用相對滯后，一方面是由于對排水污染問題重視不足，另一方面可能是因為缺少易操作的水位調控方法與設備。中國許多灌區或者排區都實行水旱輪作制度，不同時期的排水要求存在顯著差異。在這種情況下，通過控制排水的工程手段對排水系統進行調控來滿足不同作物的排水標準具有非常重要的意義。如前所述，根據氣候、土壤以及作物生長規律進行的農田控制排水措施在滿足作物水分調節要求的同時，可以充分利用雨水資源，節約灌溉用水，減少農田污染物的輸出，是一種名符其實的環境友好型農業水管理措施。

5結論

排水設施建設是保障農業生產的一項基本措施，但其運用過程中難免造成對生態環境的不良影響?，F代農業排水應轉變以往“迅速排除多余水分”的觀念，樹立控制排水的思想，使農田排水成為作物生長過程中對土壤水分調控的杠桿，為農業生產的可持續發展服務。國內外研究結果表明，農田控制排水在滿足除澇排漬要求的同時，還具有節約灌溉用水、增加雨水利用和減少農業污染物排放的綜合效果，值得大力推廣。在應用當中，對排水系統的調控須結合區域水文、氣象、土壤以及作物生長的具體條件，滿足生產與環境保護的雙重要求，調控方案應當簡便易行，具有實際可操作性。農田控制排水是協調農業生產與環境保護的一項工程技術措施，其推廣使用可以實現提高農業生產用水效率、增加糧食產量，減少污染物輸出和保護生態等方面的綜合效益。

本文作者：羅紈、李山、賈忠華、劉文龍、潘延鑫、武迪單位：西安理工大學教育部西北水資源與環境生態重點實驗室