顧雨田 劉 猛

淮北農(nóng)作物生長(zhǎng)適宜地下水位與調(diào)控技術(shù)措施體系研究

顧雨田 劉 猛

一、區(qū)域概況

安徽省淮北平原地區(qū)地勢(shì)平坦，耕地率高，地表水資源攔蓄能力不足，地下水資源相對(duì)豐富。農(nóng)業(yè)供水水源以淺層地下水為主，城市生活和工業(yè)用水目前主要依賴中深層地下水。本區(qū)多年平均降水量為868mm，多年平均地表水資源量為68.5億m3，地表水可利用量為28.5億m3；多年平均地下水資源量為68.9億m3，多年平均地下水可開采量為36.2億m3。2010年，沿淮淮北地區(qū)供用水總量81.3億m3，其中，地表水、地下水和其他水源供水量分別占總供水量的73.1%、26.7%和0.3%；農(nóng)業(yè)灌溉、林牧漁業(yè)、工業(yè)、城鎮(zhèn)公共、居民生活和生態(tài)環(huán)境用水分別 占 49.9% 、3.6% 、33.3% 、1.6% 、10.8%和0.7%。本區(qū)以全省約20%的水資源量，支撐了全省約50%的耕地和約43%人口的用水需求，水資源問題特別是地下水開發(fā)利用問題在淮河流域平原地區(qū)具有代表性和典型性。

淮北平原淺層地下水直接接受大氣降水和地表水入滲補(bǔ)給，地下水位動(dòng)態(tài)變化與水文氣象關(guān)系密切，對(duì)降水反應(yīng)靈敏，豐枯年型和季節(jié)性變化明顯。根據(jù)安徽淮北平原區(qū)180個(gè)淺層地下水長(zhǎng)觀井的資料分析，多年平均淺層地下水區(qū)域平均埋深值為2.48m，最淺埋深值為1.02m，最深埋深值為4.26m，變幅為3.24m，絕大多數(shù)站點(diǎn)在4.0m以淺；枯水年淺層地下水平均埋深為4.26m，豐水年淺層地下水平均埋深一般都在1.0m以淺。淺層地下水采補(bǔ)周期平均2.6年，大部分是1～2年，個(gè)別時(shí)段采補(bǔ)周期較長(zhǎng)，超過5.5年。大氣降水入滲補(bǔ)給量占淺層地下水總補(bǔ)給量的85%以上。

二、典型作物適宜地下水位實(shí)驗(yàn)研究

地下水埋深較淺，地下水位過高，土壤經(jīng)常處于飽和狀態(tài)，土壤含氧量少，造成作物根系老化，葉片早衰而減產(chǎn)。地下水位過低，不利于作物吸收地下水，易產(chǎn)生干旱，若不適時(shí)灌水，就會(huì)影響產(chǎn)量。對(duì)于作物來說，地下水位控制不合理會(huì)影響產(chǎn)量。因此，在淮河平原區(qū)，合理地控制地下水位可以起到改善作物生態(tài)環(huán)境，協(xié)調(diào)水、肥、氣、熱狀況，促進(jìn)作物的生長(zhǎng)發(fā)育，提高作物產(chǎn)量的作用。

在地下水淺埋區(qū)，大氣水、植物水、土壤水和潛水一起構(gòu)成一個(gè)完整的農(nóng)田水分系統(tǒng)。已有的研究成果表明，潛水對(duì)SPAC（土壤—植物—大氣）系統(tǒng)的作用是不可低估的。土壤水動(dòng)態(tài)變化和地下水動(dòng)態(tài)變化是相互作用、相互影響的，土壤水分狀況會(huì)誘發(fā)作物從形態(tài)到生理許多方面的反應(yīng)，可影響到作物生育全過程和各個(gè)方面；同時(shí)，作物生育狀況會(huì)改變自身水分消耗，反過來影響到土壤水分狀況。因此，潛水的存在必將會(huì)影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育過程。

根據(jù)五道溝實(shí)驗(yàn)站作物適宜地下水埋深專項(xiàng)實(shí)驗(yàn)成果，對(duì)比分析大田作物產(chǎn)量與地下水埋深關(guān)系調(diào)查成果，得出作物生長(zhǎng)的適宜地下水埋深。

1.主要作物生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)站測(cè)筒農(nóng)作物產(chǎn)量與地下水埋深關(guān)系實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

（1）小麥

結(jié)合五道溝小麥根系下扎觀測(cè)實(shí)驗(yàn)與作物生長(zhǎng)控制地下水埋深實(shí)驗(yàn)，從作物根系的發(fā)育過程來看，冬小麥根系在整個(gè)生育過程中呈現(xiàn)出快—慢—快—慢的增長(zhǎng)趨勢(shì)，播種至出苗前和拔節(jié)后至灌漿這段時(shí)期屬于較快的生長(zhǎng)階段，結(jié)合蒸滲儀測(cè)筒實(shí)驗(yàn)小麥長(zhǎng)勢(shì)觀察，砂礓黑土中，播種至苗期，地下水埋深宜控制在0.4m以內(nèi)，然后適宜地下水埋深逐漸下移，以0.5～0.8m為宜，拔節(jié)期后，地下水埋深宜控制在0.8～1.5m，較為有利于小麥對(duì)水分的吸收。黃潮土比砂礓黑土適宜地下水埋深平均下移0.4～0.6m，適宜地下水埋深為1.2～1.6m。

（2）大豆

根系的生長(zhǎng)大致經(jīng)歷4個(gè)時(shí)期：砂礓黑土中，播種后20天以內(nèi)，根系干重增長(zhǎng)緩慢，長(zhǎng)度增至0.2m左右，播種后1～2個(gè)月，根系干重呈指數(shù)增長(zhǎng)，根長(zhǎng)從0.2m增至1.3m；播種后2～2.5個(gè)月，根系干重的增長(zhǎng)由快變慢，維持在1.4m以內(nèi)。從根系的發(fā)育過程來看，大豆分枝后，地下水埋深控制在0.8～1.2m，利于大豆吸收水分。黃潮土平均比砂礓黑土適宜地下水埋深下移0.4～0.8m，適宜地下水埋深為1.2～1.8m。

（3）玉米

砂礓黑土土壤，玉米根系的生長(zhǎng)過程呈現(xiàn)慢—快—慢的增長(zhǎng)趨勢(shì)，根系最長(zhǎng)可達(dá)2.07m。由于玉米的根系吸水多集中在上層，因此從根系的生長(zhǎng)過程來看，地下水埋深控制在0.8～1.2m，最利于玉米的生長(zhǎng)。黃潮土比砂礓黑土適宜地下水埋深平均下移0.5～1.0m，適宜地下水埋深為1.3～1.6m。

2.大田作物產(chǎn)量與地下水埋深關(guān)系調(diào)查分析

（1）固鎮(zhèn)實(shí)驗(yàn)區(qū)

根據(jù)淮北平原中南部的固鎮(zhèn)縣新馬橋鎮(zhèn)韋店鄉(xiāng)實(shí)驗(yàn)區(qū)調(diào)查資料（1962～1987系列），統(tǒng)計(jì)分析歷年小麥和大豆單產(chǎn)與其生長(zhǎng)期對(duì)應(yīng)的月平均地下水埋深關(guān)系，采用滑動(dòng)平均值法剔除產(chǎn)量增長(zhǎng)的品種、施肥、植保等方面影響，得到豐產(chǎn)年增產(chǎn)量與生長(zhǎng)期平均地下水埋深的相關(guān)關(guān)系，可以找到最大增產(chǎn)區(qū)間對(duì)應(yīng)的適宜地下水埋深區(qū)間。固鎮(zhèn)實(shí)驗(yàn)區(qū)小麥生長(zhǎng)期（10月～次年5月）適宜地下水埋深范圍為0.9～1.3m；同樣地，大豆生長(zhǎng)期（6～9月）適宜地下水埋深范圍為0.8～1.2m。

（2）臨泉實(shí)驗(yàn)區(qū)

選取淮北平原西部臨泉縣為分析對(duì)象，通過對(duì)1979～2004系列調(diào)查資料統(tǒng)計(jì)分析，繪制歷年小麥、大豆和玉米單產(chǎn)與對(duì)應(yīng)的地下水埋深關(guān)系圖，可以得到臨泉實(shí)驗(yàn)區(qū)小麥生長(zhǎng)期（10月～次年5月）適宜地下水埋深范圍1.5～2.5m左右，大豆生長(zhǎng)期（6～9月）適宜地下水埋深范圍1.5～3.0m左右，玉米生長(zhǎng)期（6～9月）適宜地下水埋深范圍1.5～2.0m左右。

三、農(nóng)田控制排水試驗(yàn)研究

1.大田原型觀測(cè)試驗(yàn)

為了研究農(nóng)田控制排水的工程技術(shù)措施及效果，安徽省（水利部淮委）水利科學(xué)研究院在淮北平原建立A、B兩處大田原型試驗(yàn)區(qū)，開展了連續(xù)多年的觀測(cè)試驗(yàn)研究。

試驗(yàn)區(qū)A：總面積160km2，4條排水干溝，其中3條建有節(jié)制閘、滾水壩，1條為無控制工程對(duì)照區(qū)。試驗(yàn)區(qū)B：流域面積58km2，有排水干溝1條，建有滾水壩。

試驗(yàn)區(qū)地形平坦，土壤為砂姜黑土，種植的農(nóng)作物主要有小麥、玉米、大豆、棉花等旱作物。農(nóng)田灌溉主要利用淺層地下水進(jìn)行井灌，干溝沿岸部分農(nóng)田提取干溝蓄水進(jìn)行灌溉。農(nóng)田排水是典型的以干溝為單元的排水系統(tǒng)。

試驗(yàn)區(qū)觀測(cè)試驗(yàn)內(nèi)容主要是各干溝控制工程在蓄水、排澇過程中對(duì)其控制區(qū)域內(nèi)農(nóng)田排水、降水徑流及地下水位變化所產(chǎn)生的影響，分析有無控制工程和不同控制工程型式（節(jié)制閘、滾水壩）對(duì)農(nóng)田地下水位和地下水資源調(diào)蓄量的調(diào)節(jié)作用與效果。

2.控制工程對(duì)地下水位變化的影響

排水干溝控制工程主要有閘和壩兩種型式。如果控制工程為閘，可以通過閘的控制運(yùn)用，調(diào)節(jié)干溝排水和蓄水功能；如果控制工程為壩，關(guān)鍵是在不影響干溝控制范圍排漬標(biāo)準(zhǔn)的前提下合理擬定壩頂蓄水高程。

A、B兩處試驗(yàn)區(qū)觀測(cè)資料表明：有控制工程干溝的水位平均要高于同期無控制工程干溝水位0.87～1.5m，最大達(dá)1.78～2.55m，年均為1.2～1.4m。A試驗(yàn)區(qū)，汛期平均水位差為0.75m，非汛期平均水位差為0.91m。2007～2008年，A試驗(yàn)區(qū)滾水壩抬高干溝水位0.43～0.47m，節(jié)制閘抬高水位1.66～2.17m。2010～2011年，A試驗(yàn)區(qū)節(jié)制閘抬高干溝水位值1.29～2.13m。

控制工程上下游水位動(dòng)態(tài)變化與降雨關(guān)系密切。在降雨、蒸發(fā)及開發(fā)利用等綜合因素的作用下，蓄水位發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，常常在年內(nèi)形成多次蓄泄變化。一般來說，汛期水位高于非汛期水位，非汛期的上下游水位差常常大于汛期，控制工程在非汛期對(duì)地下水的抬升幅度大于汛期，這正是控制工程調(diào)蓄的結(jié)果，說明控制工程確實(shí)能夠起到調(diào)節(jié)降雨徑流時(shí)程分配的作用。在不同的水文年，豐水年對(duì)地下水位抬升相對(duì)較小，這是因?yàn)榻涤晗鄬?duì)較多，地下水位處于較高狀態(tài)，且常常升至地表，產(chǎn)生徑流。

3.控制工程對(duì)地下水資源的調(diào)控

控制工程對(duì)水資源的調(diào)蓄包括直接攔蓄的降雨徑流和抬高地下水位增加的地下水資源量?jī)蓚€(gè)方面。控制工程年調(diào)蓄水量按工程上下游年平均水位差計(jì)算的年均調(diào)蓄水量與調(diào)蓄次數(shù)的乘積計(jì)算，調(diào)蓄次數(shù)根據(jù)實(shí)測(cè)水位動(dòng)態(tài)變化及降雨、灌溉等情況分析確定。B試驗(yàn)區(qū)，年調(diào)蓄水量11.2萬～17.9萬m3，偏旱年調(diào)蓄水量小于偏豐年份，這主要是因?yàn)樨S水年復(fù)蓄次數(shù)高，多年平均復(fù)蓄水量15.6萬m3，單位面積年調(diào)蓄水量為0.9萬m3/km2。A試驗(yàn)區(qū)，滾水壩年調(diào)蓄水量19.0萬～20.8萬m3，節(jié)制閘年調(diào)蓄水量73.4萬～95.9萬m3，折合單位面積調(diào)蓄水量0.8萬～1.4萬m3/km2。

控制工程對(duì)地下水資源的調(diào)蓄量，按非汛期抬高地下水位最大值所增加的土壤蓄水量進(jìn)行計(jì)算。B試驗(yàn)區(qū)滾水壩年調(diào)蓄地下水量33.1萬～74.6萬m3，多年平均51.4萬m3，單位面積調(diào)蓄的地下水量約為2.0萬m3/km2；A試驗(yàn)區(qū)滾水壩和節(jié)制閘平均年調(diào)蓄地下水資源量分別為30萬m3和76萬m3，單位面積調(diào)蓄地下水資源量分別為1.5萬m3/km2和 3.7 萬 m3/km2。

四、淺層地下水調(diào)控技術(shù)措施體系

淮北平原在以往的水旱災(zāi)害防治實(shí)踐中，重視排水除澇，忽視蓄水灌溉，排水干溝普遍缺乏控制工程，地下水排水過度，地表徑流大量流失。利用排水干溝及其控制工程，調(diào)節(jié)淺層地下水位，充分有效利用農(nóng)田水資源，需要建立由“工程設(shè)施、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、管理制度”三大體系有機(jī)組合的農(nóng)田地下水調(diào)控技術(shù)措施體系，其運(yùn)行模式可以概括為“深溝瀝水、筑壩蓄水、建閘控制、聯(lián)合調(diào)節(jié)、監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)、適時(shí)調(diào)度”。根據(jù)區(qū)域大氣降水與水文循環(huán)規(guī)律、土壤物理特性、補(bǔ)給排泄特點(diǎn)，按照“排、蓄、補(bǔ)、灌”多種功能綜合一體的溝網(wǎng)化模式，合理布局農(nóng)田溝渠、閘、壩等蓄排工程體系，科學(xué)確定關(guān)鍵工程參數(shù)；配套建設(shè)完善的監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)地下水位動(dòng)態(tài)變化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、評(píng)估、預(yù)報(bào)；根據(jù)不同季節(jié)作物生長(zhǎng)適宜地下水埋深，合理調(diào)度工程運(yùn)行，做到“排水有效、蓄補(bǔ)方便、引水通暢、灌溉靈活”，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田地下水位的精準(zhǔn)調(diào)控，達(dá)到旱澇均衡治理的目標(biāo)。

1.控制工程型式及控制蓄水位

淮北平原干溝控制工程主要有節(jié)制閘和滾水壩兩種型式，修建最多的是節(jié)制閘，其中包括在干溝、小型河道出口處修建的防洪閘；其次是滾水壩（包括混凝土壩、橡膠壩、土壩），從蓄水和排水的效果看，節(jié)制閘均優(yōu)于滾水壩。工程實(shí)踐中，往往聯(lián)合修建和運(yùn)用。采用壩為控制工程時(shí)，為了既不影響排水，又能有效增加地表徑流攔蓄量，可適當(dāng)抬高壩頂高程并在壩上設(shè)置簡(jiǎn)易放水口。無論閘、壩單獨(dú)運(yùn)用或聯(lián)合運(yùn)用，均可有效攔蓄降雨徑流，抬高地下水位，增加地下水資源量。

根據(jù)試驗(yàn)研究成果，結(jié)合淮北平原地區(qū)降雨與地下水位埋深關(guān)系成果和多年控制工程運(yùn)用實(shí)踐，在降水較少的淮北平原北部和西北部地區(qū)，閘前控制水位在地面以下1.0m左右為宜，滾水壩壩頂高程應(yīng)位于地面以下1.2～1.5m；在中部地區(qū)，閘、壩蓄水位分別低于田面1.2m和2.0m；在南部和沿淮地區(qū)，閘前蓄水位低于田面1.5～2.5m比較合適；閘、壩蓄排水位都應(yīng)能夠控制農(nóng)田地下水位處于作物生長(zhǎng)適宜的地下水埋深區(qū)間。

2.控制運(yùn)用及管理技術(shù)

控制工程能否合理利用，是解決蓄水與排水矛盾、排水是否及時(shí)有效、蓄水效益能否充分發(fā)揮的關(guān)鍵。

對(duì)于控制工程為閘的，應(yīng)在汛前預(yù)泄干溝蓄水，汛末及非汛期攔蓄雨水，同時(shí)，根據(jù)控制區(qū)種植的作物種類，在不影響排水的前提下，盡可能多蓄水，以供作物關(guān)鍵需水期灌溉用水，如6月上旬玉米、大豆等夏季作物的播種用水，10月下旬小麥播種用水等。節(jié)制閘的運(yùn)用技術(shù)相對(duì)比較復(fù)雜，應(yīng)視閘的功能、農(nóng)田地下水位狀況、種植的作物種類、土壤屬性和集水面積情況，擬定運(yùn)用規(guī)則。一般來說，汛期開閘放水，非汛期關(guān)閘蓄水。

滾水壩的運(yùn)用管理技術(shù)主要是加強(qiáng)在運(yùn)行過程中農(nóng)田排水效果監(jiān)測(cè)。滾水壩加簡(jiǎn)易放水口工程型式的控制運(yùn)用，應(yīng)做到適時(shí)打開放水口預(yù)降蓄水和地下水位，及時(shí)封堵放水口蓄水。適時(shí)打開放水口，應(yīng)結(jié)合天氣預(yù)報(bào)，盡量在汛前預(yù)排干溝蓄水、降低地下水位；及時(shí)蓄水，應(yīng)在汛末及時(shí)封堵放水口，攔蓄地表徑流。在汛期可結(jié)合天氣預(yù)報(bào)進(jìn)行放水口的控制運(yùn)用，以增加蓄水效益

（作者單位：中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司 230000安徽省（水利部淮河水利委員會(huì)）水利科學(xué)研究院 233000）