满足机械收割农艺条件下稻田排水暗管布局DRAINMOD模型模拟

在长江中下游稻麦轮作区,水稻秋收期阴雨连绵现象时有发生,收割机械因农田土壤过湿而无法及时下田收割。如果建设暗管排水系统,则可及时降低地下水埋深,保证机械收割的顺利进行。该文以江苏省扬州市江都区昭关灌区为例,以地下水埋深降至60~80 cm作为适于一般机械收割的田间排水要求,运用田间水文模型-DRAINMOD模拟了满足1~5 d机械下田条件的暗管排水布局,并分析了相应的田间水文效应以及模型主要输入参数的敏感性。根据研究区1954-2016年逐日气象数据(包含降雨、气温、湿度、风速和日照时数等)的模拟结果显示:考虑大型机械收割要求(地下水埋深大于80 cm),当暗管埋深为90~150 cm时,满足98%、95%和90%保证率的最大暗管间距分别为7.42~18.74 m、13.01~26.20 m和15.27~28.72 m;满足小型机械收割要求(地下水埋深大于60 cm)的暗管布置间距则可更大,满足98%、95%和90%保证率的最大暗管间距分别为10.36~19.59 m、18.17~30.90 m和22.88~33.02 m。多年平均机械收割天数对侧向饱和导水率、不透水层深度、土壤蒸发蒸腾量、潜水上升通量和土壤可排空体积5类参数最为敏感。研究成果可为类似水稻种植区基于机械收割要求的农田暗管排水系统设计提供理论依据。     

稻田水体中毒死蜱和阿维菌素监测及水生动物生态风险评价

中国南方平原河网地区稻田排水量较大,施药后稻田中的农药物质尚未得到充分降解,即可随地表排水、浅层地下径流等途径或在风力作用下进入邻近的排水沟,对排水沟塘水体的生态环境产生威胁。该研究选取江苏省扬州市江都区农田水利科学研究站附近稻田作为研究对象,施药后立刻在排水沟中下游、稻田地表水和地下水中进行高频(最短1 h取样间隔)、短期(持续3 d)取样,对毒死蜱和阿维菌素2种稻田常用杀虫剂的浓度进行了监测。结果显示,邻近稻田的排水沟出口处于施药后5 h内2次出现浓度峰值,毒死蜱和阿维菌素的峰值浓度分别为0.33 mg/L和4.60μg/L;而施药后36～72 h排水沟中浓度较低,毒死蜱0.007～0.020 mg/L、阿维菌素未检出(0.1μg/L)。稻田周边水体中毒死蜱浓度从高至低排序分别为:排水沟出口排水沟中游稻田地表水稻田地下水。在推荐使用剂量下,毒死蜱对绝大多数水生动物(鱼、虾和蟹类)呈高或极高风险性,而阿维菌素对大部分水生动物(鱼、虾和蟹类)呈低或中风险性;施药稻田的毒死蜱环境暴露浓度大于大部分目标水生动物的安全浓度,阿维菌素反之。研究揭示了上述2种稻田常用杀虫剂在农业面源污染发生过程中的负面环境和生态效应,可为今后的农药生态风险评价与风险管理研究提供科学依据。     

根据排水规律计算稻田节水的潜力

针对宁夏银南灌区农业水评价中缺乏详细排水分析的不足,该文从盐分淋洗需求、灌溉-排水的转化过程以及节水的可行性等方面,对稻田的田间节水潜力进行了分析和计算,同时,该文提出由于不同形式的排水(地下、地表)在盐分淋洗上存在的根本差异,在分析流域是否存在排水过量时应该区别对待;而灌区目前存在的、相对稳定的深层地下排水提供了一定的内在淋洗能力,农沟排水只需要补充不足的部分。计算结果表明：深层排水提供的182 mm淋洗水量,形成了0.16的淋洗率;与需要的临界淋洗水量343 mm相比(淋洗率0.31),尚需要农沟提供161 mm的排水量。灌区现状农沟排水量为445 mm,可以减少284 mm;加上应该削减的地表径流(309 mm),田间节水潜力为593 mm。对于银南灌区22333 hm²的种植面积,一年可节水量为1.32亿m³。以目前灌区0.45的渠系利用率计,可减少引水2.94亿m³。     

黄河三角洲暗管排水的综合效果评价

以黄河三角洲地区东营市暗管排水项目为例,进行了工程财务评价、应用效果调查,分析了该项目的经济、生态和社会效益.结果表明:安装暗管排水系统之后,研究区盐碱化荒地全部得到改造并增加耕地297.63hm2,新增耕地占总土地面积44.6％,土壤脱盐率达90％以上.项目财务评价发现:研究区种植棉花的财务净现值为809.93万元(折现率为12％),动态投资回收期为7.54 a,财务内部收益率为21.97％,大于基准收益率(12％).结果表明暗管排水在黄河三角洲地区具有良好的应用前景.     

灌排控制措施结合沟塘湿地改善水稻灌区排水水质的模拟分析

针对水稻灌区农田排水氮素输出影响水环境的问题,该研究以大运河扬州段沿运灌区为例,在大田监测的基础上,运用田间水文模型--DRAINMOD模拟分析不同田间灌排控制措施的减排效果,并探讨利用农田周边沟塘湿地净化排水,达到灌区小流域不同水质目标的水管理方案。结果表明,在研究区目前常规灌溉（定额为9 600 m3/hm2,合水深960 mm）和常规排水（排水沟深0.6 m,等效间距50 m）模式下,农田单位面积上的年均排水总量高达1 162 mm,是灌溉量与降雨量之和的59%;其中地表径流占比51%,仅有25%是由降雨造成的不可控部分。采取理想的避免地表径流的干湿交替控制灌溉措施（年均灌溉量320 mm）可以显著降低排水量和氨氮的输出,相较于常规灌溉模式,可削减55%的排水量和59%的氨氮输出。研究区农田控制排水削减排水总量的效果较差,且在一定程度上增加了地表径流。由于地表排水中氨氮浓度（2.85 mg/L）高于地下排水（其浓度为1.80 mg/L）,地表排水比例的提高会增加排水对氨氮的输出。从研究区小流域范围内沟塘湿地分布考虑,目前灌溉与排水量均过高,现有沟塘湿地不足以发挥作用;只有通过控制灌溉措施显著减少排水量以后,才有可能利用现存的湿地面积将排水中的氨氮浓度降低到地表水水质标准Ⅴ类水。因此,该研究建议在合理控制灌排水量的基础上,通过整合、优化灌区现有沟塘湿地资源来有效改善研究区农田排水水质。研究可为类似地区农田排水污染控制提供理论依据。     

兼顾农业生产与环境保护的农田控制排水研究进展

农田控制排水(又称地下水位管理)是一种通过调控农田排水量以达到减少污染物输出并保证农业生产的环境友好型水管理措施。该措施的发展经历了不同的阶段,从最早的保墒增产到后来的污染物削减以及节约灌溉用水等功能,对其研究和应用的不断深入,对于变化环境下农田排水的设计和管理都具有重要意义。该文回顾了农田控制排水发展的历史,阐述了该措施的各项功能及其研究方法和应用特点。结果认为,农田控制排水是新形势下农田排水的必要手段,通过对排水出口水位的调控可以达到调节农田水分,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,是存在排水问题地区农业生产可持续发展的最佳水管理措施。目前各地对于控制排水研究的热点问题是寻求一种适合当地农业生产形式的排水水位调控方案,使其具有可操作性、易于推广。     

排水沟塘分布特性及与农田水力联系对水质净化能力的影响

湿地是一种能够有效治理农业非点源污染的生态设施;在一些无法建设人工湿地的地区,现存的排水沟塘系统具有类似湿地的水质净化效果。为研究排水沟塘的分布以及其与农田水力联系对其水质净化能力的影响,该文以扬州市江都区昭关灌区为例,首先通过实地调查,明确研究区不同形式沟塘的分布规律,确定沟塘与农田逐级详细水力联系,然后建立理论分析模型,分别计算考虑与不考虑水力联系2种情况下,沟塘的污染物去除能力。结果表明,考虑水力联系后,污染物去除能力为不考虑水力联系的70%~84%;水质净化作用主要集中在一些面积较大的支沟和池塘。从农田排水的角度考虑,尺寸较大沟塘会出现一定的水力冗余,但是从水质改善的角度看,则有必要保留。研究区可通过较为简单的工程措施来优化水力联系,提高其污染物的去除能力。     

江苏沿海滩涂农田高降渍保证率暗管排水系统布局

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。     

基于DRAINMOD模型估算灌区浅层地下水利用量及盐分累积

在灌溉季节,尤其是下游灌区,农田地下水位较高,作物可就地利用部分浅层地下水,从而减少灌溉需水量,达到节水减排的双重目的。大田作物对浅层地下水利用量的估算是合理制定灌溉淋洗制度及控制土壤盐碱化的前提,但其估算存在一定困难。该文假设当农田灌溉、排水等水文气象条件一致时,某一作物对浅层地下水的利用量等于该田块有、无作物(即裸地)2种情况下造成地下水位差异的水量。据此,首先建立了浅层地下水利用量的计算模型,并以某一半干旱灌区为例,利用田间水文模型-DRAINMOD模拟出有、无作物2种条件下农田地下水位变化过程,然后,计算了棉花、小麦轮作期内对浅层地下水的利用量;在此基础上,进一步分析了浅层地下水利用条件下土壤剖面的盐分平衡。结果显示,该文提出的计算模型能够较好的反映大田实际情况;研究时段内,田间地下水埋深平均值为2.1 m,单位面积上作物利用浅层地下水量为305.8 mm,主要发生在作物生长阶段,其中棉花生长季内地下水利用量约为160 mm。盐分平衡计算结果显示,浅层地下水的利用使得水位以上土壤剖面盐分含量增加,但1 m以内根区土壤盐分在降雨和灌溉作用下得到一定的淋洗,未超出作物耐盐极限,不会对产量造成显著影响。研究成果可为相关灌区制定合理的灌溉制度及提高水资源利用效率提供科学依据。     

反渗条件下排水沟与农田水盐交换关系

因干旱和半干旱下游灌区地势较低,排水出路不畅,排水系统往往成为承泄区外来水(上游灌溉退水和排水)的蓄水场所,使排水沟水位高于农田地下水位,反渗补给农田地下水,作物利用部分排水以后,如何维持农田良性的水盐平衡成为下游灌区一个迫切需要解决的科学问题。该文基于农田水盐平衡原理,以陕西一半干旱区下游灌区为例,在实测资料的基础上,首先利用田间水文模型DRAINMOD模拟了排水沟蓄水条件下,农田水位变化情况,然后计算分析了农田与排水沟的水盐交换关系。结果表明:在一个完整的种植年内单位长度排水沟上累计承接区外来水量为9.3 m3,减去流出水量,累计蓄积区外来水量为5.5 m3,农田单位面积上反渗累计补给田间地下水量为49.2 mm;累计农田排水量仅为2.3 mm。与作物蒸散发相比,现状条件下补给量虽然较小,但对维持和补给农田地下水起到了一定的作用。所产生的补给作用虽然增加了排水沟内盐分向田间地下水中的运动,但作物利用地下水过程中根区没有出现严重的盐分累积,对田间地下水盐分浓度影响也不大。所以,通过合理调控措施,充分利用区外来水,可以提高水资源利用效率。但排水系统长期运行条件下,高水位对农田水盐平衡的影响尚需进一步研究。