鄱陽(yáng)湖流域典型稻田水量平衡分析

劉方平，汪文超，鄧海龍，才 碩，李 昂

(1.江西省灌溉試驗(yàn)中心站，江西 南昌 330201； 2.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072)

在水稻田生態(tài)系統(tǒng)中，水分的損失除蒸發(fā)、蒸騰外，還存在一定程度的滲漏流失。田間滲漏是水稻水分利用效率的決定因素，也是灌溉水有效利用率低的主要原因[1-4]。滲漏包括深層滲漏和側(cè)滲，其中深層滲漏是水分通過(guò)根區(qū)進(jìn)入地下水中的垂直運(yùn)動(dòng)，側(cè)滲是指水分向田埂四周的側(cè)向流動(dòng)。由于田埂特性差異較大，使得側(cè)滲比深層滲漏更難以研究[4]。稻田之間存在一定的落差，一些滲漏流失的水分可以在灌區(qū)下游或較低田塊重復(fù)利用，被稱為回歸水[5]。稻田不僅蒸散發(fā)存在尺度效應(yīng)[6]，回歸水的利用率也存在一定尺度效應(yīng)[7]，在不同尺度上，回歸水的質(zhì)量和數(shù)量均不同，其內(nèi)部存在復(fù)雜的轉(zhuǎn)化關(guān)系。土質(zhì)田埂是南方水稻種植中最為普遍的存在形式。在梯田稻作區(qū)，稻田中部滲流以垂向?yàn)橹?，靠近田埂部分以?cè)向滲流為主[8-9]。研究田埂側(cè)向滲流可以從機(jī)理上對(duì)稻田側(cè)滲導(dǎo)致的回歸水重復(fù)利用進(jìn)行量化。然而，目前針對(duì)田埂長(zhǎng)期耕作之后物理性質(zhì)變化以及田埂滲流機(jī)理的研究都不多。

稻田水量平衡分析是區(qū)域尺度水量平衡分析及跨尺度灌溉定額分析的基礎(chǔ)[10-12]。為了便于控制和觀測(cè)，目前田間尺度的水量平衡試驗(yàn)基本在測(cè)坑、測(cè)筒及田間小區(qū)中開(kāi)展。這些試驗(yàn)設(shè)施的邊界經(jīng)過(guò)人工防滲處理，田間水分運(yùn)動(dòng)基本為垂向，與實(shí)際稻田同時(shí)存在垂向及側(cè)向水分運(yùn)動(dòng)差異較大。因此，開(kāi)展田間尺度水量平衡試驗(yàn)，研究稻田原位田間水量平衡要素之間的關(guān)系顯得非常必要。為此，本研究在鄱陽(yáng)湖流域贛撫平原灌區(qū)選取典型田塊，結(jié)合江西省灌溉試驗(yàn)中心站系列灌溉試驗(yàn)資料，開(kāi)展稻田田埂滲流試驗(yàn)和田間水量平衡分析。

1 研究區(qū)概況

本試驗(yàn)于2016年冬季在鄱陽(yáng)湖流域贛撫平原灌區(qū)內(nèi)開(kāi)展。研究區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降水量1 740 mm，年際降水量變幅為1 100～2 400 mm；多年平均水面蒸發(fā)量(E-601型蒸發(fā)皿)1 100 mm，年均陸地蒸發(fā)量約800 mm；農(nóng)作物以水稻為主，研究區(qū)為江西省重要商品糧基地之一。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 田埂滲流試驗(yàn)

稻田田埂滲流試驗(yàn)源于雙套環(huán)試驗(yàn)方法。通過(guò)調(diào)查當(dāng)?shù)氐咎锾锕?shí)際情況，選取有代表性田塊進(jìn)行試驗(yàn)，田埂上下田塊落差約10 cm，稻田土壤為潴育型黃泥土。在田埂上下田塊緊貼田埂處分別垂直打入鐵框(尺寸為1.5 m×0.8 m×0.3 m)，打入田埂垂向和縱向深度分別為10 cm，且上下框位置對(duì)齊，露出田面以上10 cm；在鐵框四周外50 cm處堆筑圍堰，高約10 cm，寬約15 cm，以平衡繞過(guò)鐵環(huán)向外圍滲水，盡量貼近田間實(shí)際情況。在試驗(yàn)鐵框附近選一平整田塊布置雙套環(huán)，雙套環(huán)垂直入土35 cm，露出地表15 cm。在上下田塊試驗(yàn)鐵框周?chē)贾脺y(cè)井，用土鉆打1m深左右測(cè)井，用以觀察田間地下水位。在上框內(nèi)取一基準(zhǔn)面(基準(zhǔn)面即水剛剛浸沒(méi)整個(gè)田面的狀態(tài))，做好標(biāo)記，用測(cè)針記錄實(shí)時(shí)水位，作為滲流試驗(yàn)的基準(zhǔn)零點(diǎn)。水位采用HOBO壓力式傳感器測(cè)定，上下鐵框內(nèi)各布置1個(gè)，另測(cè)田間大氣壓布置1個(gè)，地下水位測(cè)定布置2個(gè)，雙套環(huán)內(nèi)布置1個(gè)。圖1為試驗(yàn)裝置示意圖，圖2為田埂滲流示意圖。由圖1可見(jiàn)，左側(cè)為高田塊，水位較高，右側(cè)為低田塊，水位較低，則水量平衡可用如下公式表示：

ΔW1=Dp1+Se

(1)

ΔW2=Dp2+Se

(2)

式中：ΔW1為左側(cè)水深變化；ΔW2為右側(cè)水深變化；Dp1為左側(cè)垂向滲流；Dp2為右側(cè)垂向滲流；Se為田埂滲流量。Dp1、Dp2通過(guò)在兩側(cè)開(kāi)展雙套環(huán)試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

圖2 田埂滲流示意圖

由于滲流速度很慢，一組試驗(yàn)需幾天時(shí)間，考慮到滲流時(shí)間太長(zhǎng)試驗(yàn)過(guò)程不好控制，本試驗(yàn)僅開(kāi)展30 mm滲流試驗(yàn)，這與當(dāng)?shù)亻g歇灌溉模式灌水上限一致。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)控制上框內(nèi)初始水位為30 mm(高于基準(zhǔn)面30 mm)，下框內(nèi)水位高于田面5 mm左右?？蛲馔凉?nèi)補(bǔ)充水位至與框內(nèi)水位齊平。同時(shí)，控制雙套環(huán)內(nèi)環(huán)水位30 mm，同樣設(shè)置基準(zhǔn)面。觀察框內(nèi)水位和雙套環(huán)內(nèi)環(huán)水位下降情況，在水位下降至基準(zhǔn)面時(shí)進(jìn)行補(bǔ)水。

HOBO壓力式傳感器讀數(shù)為大氣壓，包括水面上、上下框內(nèi)水下、上下田塊地下水水下、雙套環(huán)內(nèi)水下等處大氣壓。水位計(jì)讀取大氣壓轉(zhuǎn)換為水層深度計(jì)算公式為

Hu=101.972(Pu-Pa)

(3)

Hd=101.972(Pd-Pa)

(4)

HD=101.972(PD-Pa)

(5)

式中：Hu為上部田塊水層深度；Hd為下部田塊水層深度；HD為雙套環(huán)內(nèi)水層深度；Pu為上部田塊傳感器讀數(shù)；Pd為下部田塊傳感器讀數(shù)；PD為雙套環(huán)內(nèi)傳感器讀數(shù)；Pa為田間傳感器大氣壓讀數(shù)。

由于雙套環(huán)難以分別測(cè)定蒸發(fā)和下滲量，故將上下田塊框內(nèi)蒸發(fā)和下滲合計(jì)在一起，采用蒸滲速度方法進(jìn)行計(jì)算。上部田塊水層蒸滲速度計(jì)算公式為

Vu=(H1-H2)/(t1-t2)

(6)

式中：t1為滲流穩(wěn)定之后開(kāi)始測(cè)量時(shí)間；t2為滲流結(jié)束時(shí)間；H1為開(kāi)始測(cè)量時(shí)水層深度；H2為結(jié)束測(cè)量時(shí)水層深度。本試驗(yàn)中H1取30 mm，H2取0 mm。下部田塊水層蒸滲速度Vd、雙套環(huán)水層蒸滲速度VD均同理可以算出。由于上下田塊和雙套環(huán)內(nèi)水層蒸發(fā)量與垂直下滲量相同，根據(jù)水量平衡，上部田塊與雙套環(huán)蒸滲速度之差即為上部田塊側(cè)向滲流速度Vs。

2.2 田間水量平衡試驗(yàn)

在贛撫平原灌區(qū)選取一典型稻田進(jìn)行田間水量平衡試驗(yàn)，距江西省灌溉試驗(yàn)中心站灌溉試驗(yàn)基地約200 m，距田埂滲流試驗(yàn)場(chǎng)地約300 m，均為黃泥田，地下水位埋深約為2 m。試驗(yàn)稻田均種植一季稻，6月27日移栽，9月27日收割，灌溉方式為間歇灌溉，期間對(duì)田間灌排水量及日常田間水位進(jìn)行觀測(cè)。試驗(yàn)區(qū)不采用防滲等工程改造措施，并且選取典型田塊與田埂滲流試驗(yàn)場(chǎng)地上下田塊高差相當(dāng)。同時(shí)，為便于控制和觀測(cè)稻田水位，測(cè)算稻田需水耗水量，根據(jù)SL13—2015《灌溉試驗(yàn)規(guī)范》作物蒸發(fā)蒸騰量測(cè)定試驗(yàn)設(shè)施要求，在江西省灌溉試驗(yàn)中心站灌溉試驗(yàn)基地選取作物需水量有底測(cè)坑開(kāi)展同步灌溉試驗(yàn)，進(jìn)行一季稻數(shù)據(jù)觀測(cè)和水量平衡分析。作物需水量測(cè)坑占地面積70 m2，設(shè)有6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)坑，每個(gè)測(cè)坑的凈面積為4 m2(2 m×2 m)，深度為2.15 m，坑內(nèi)填土為黃泥土，測(cè)坑均有底，并埋設(shè)有地下水位觀測(cè)井。測(cè)坑布置成兩排，在中間設(shè)置寬2 m的廊道，廊道內(nèi)設(shè)置供排水裝置，試區(qū)采用管道供水和水表計(jì)量，排水采用翻斗式自記排水計(jì)量。稻田水量平衡計(jì)算公式為

P+I-E-Dp-ΔSe-R=ΔW

(7)

式中：P為降水量；I為灌溉水量；E為蒸發(fā)蒸騰量；Dp為垂向入滲量；ΔSe為側(cè)向滲流量差值；R為田間排水量；ΔW為田間水位變化值。

降水量P采用翻斗式雨量計(jì)進(jìn)行觀測(cè)；田間灌溉水量I和排水量R以典型稻田田間水層灌水前后和排水前后田間水位差進(jìn)行計(jì)算，田間水位變化值采用補(bǔ)水法進(jìn)行測(cè)定計(jì)算；落干前和補(bǔ)水后田間水位以及灌排水前后水位采用HOBO壓力式傳感器測(cè)定；蒸發(fā)蒸騰量E采用附近江西省灌溉試驗(yàn)中心站灌溉試驗(yàn)基地水稻灌溉試驗(yàn)小區(qū)同期試驗(yàn)成果(即每日8∶00時(shí)采用電測(cè)針進(jìn)行觀測(cè)并分析計(jì)算得到)，利用作物系數(shù)Kc進(jìn)行計(jì)算得到；垂向入滲量Dp利用以上雙套環(huán)試驗(yàn)實(shí)測(cè)成果。當(dāng)以上各水量平衡要素確定之后，可求得稻田側(cè)向滲流量的差值ΔSe。

3 結(jié)果分析

3.1 田埂滲流試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)多次試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，繪制上下田塊及雙套環(huán)水位變化趨勢(shì)圖，見(jiàn)圖3，并進(jìn)行回歸分析，畫(huà)出趨勢(shì)線。從圖3可見(jiàn)，上框水位總體呈下降趨勢(shì)，至90 h后接近0，趨勢(shì)線估計(jì)值與實(shí)際值擬合程度較高(R2=0.900 0)，水位波動(dòng)主要是受期間零星降雨和氣象狀況改變所致。下框水位略呈上升趨勢(shì)，說(shuō)明框內(nèi)除了本身水面蒸發(fā)和垂直下滲的消耗外，還有一定的外來(lái)水補(bǔ)充，即上框側(cè)向滲流，并且外來(lái)水量在一定時(shí)間內(nèi)大于耗水量；但趨勢(shì)線與實(shí)際值擬合程度不高，這是因?yàn)橥鈦?lái)水量與耗水量不一致，使水位呈一定幅度波動(dòng)。雙套環(huán)內(nèi)水位總體呈下降趨勢(shì)，趨勢(shì)線估計(jì)值與實(shí)際值擬合程度較高(R2=0.973 7)；但較上框水位變化平緩，這也證明了上框確實(shí)存在一定量的側(cè)滲。同時(shí)，上框和雙套環(huán)水位呈直線下降趨勢(shì)，趨勢(shì)線估計(jì)值與實(shí)際值擬合程度較高，這也說(shuō)明在田面低水層情況下(田面覆水30 mm)，田面覆水深度對(duì)田間滲漏影響較小，田間滲漏(垂直入滲和側(cè)向滲流)保持一個(gè)相對(duì)平穩(wěn)狀態(tài)。

圖3 滲流試驗(yàn)水位變化過(guò)程

據(jù)統(tǒng)計(jì)，雙套環(huán)內(nèi)水層蒸滲速度為4.10 mm/d，包括田面水分蒸發(fā)和垂直下滲量。上框水層蒸滲速度為8.07 mm/d，較雙套環(huán)增加96.8%，明顯大于雙套環(huán)內(nèi)蒸滲速度，表明存在一定程度的側(cè)滲。下框水層蒸滲速度為-0.57 mm/d，為負(fù)值，表明水層上升，存在外來(lái)水量補(bǔ)給。根據(jù)以上結(jié)果，計(jì)算得出田埂側(cè)向滲流速度為3.97 mm/d，側(cè)向滲流量占稻田蒸滲量達(dá)49.2%，而這一部分水將在下田塊或下游區(qū)域得以重復(fù)利用。根據(jù)試驗(yàn)上框的尺寸，可計(jì)算得到單位長(zhǎng)度田埂側(cè)滲水量為27.83 cm2/d。

3.2 田間水量平衡試驗(yàn)結(jié)果

表1為典型田塊與有底測(cè)坑一季稻水量平衡分析結(jié)果。從表1可見(jiàn)，典型田塊的灌水量明顯小于有底測(cè)坑；典型田塊的有效降雨量比有底測(cè)坑少38.9 mm，降低7.6%，主要原因是典型田塊水稻全生育期內(nèi)灌水相對(duì)比較集中，主要集中在高溫期8月份，稻田耗水強(qiáng)度大，灌水間隔時(shí)間相對(duì)較短，保有水層時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，一定程度增加了典型田塊田間側(cè)滲量，高田塊的側(cè)滲和排水在低田塊中得到重復(fù)利用。另外，典型田塊的垂直入滲量比有底測(cè)坑減少49.0 mm，降低31.4%，其入滲量明顯變小主要原因可能是一季稻種植期間典型田塊地下水位相對(duì)較高(約為2 m)，對(duì)田間滲漏產(chǎn)生頂托作用所致[9]。典型田塊蒸發(fā)蒸騰量與有底測(cè)坑基本持平，但排水量相差較大，典型田塊的排水量比有底測(cè)坑減少60.3 mm，降低48.4%，其主要原因是一季稻生育期間降雨相對(duì)集中，在7月中旬有2次較大強(qiáng)度集中降雨，典型田塊所在區(qū)域上下田塊存在一定落差，高田塊水層較淺，低田塊水層相對(duì)較深，降雨蓄積雨水量存在一定差異，造成典型田塊平均蓄積雨水量相對(duì)增加，排水量減少，而測(cè)坑為標(biāo)準(zhǔn)田塊，小區(qū)之間相互無(wú)側(cè)滲、串排現(xiàn)象，致使集中降雨時(shí)排水相對(duì)較多。在一季稻全生育期內(nèi)，典型田塊的側(cè)向滲流在當(dāng)?shù)氐咎餄B漏量中占相當(dāng)大比例，約為42.8%，占全生育期耗水量的10.9%。

表1 典型田塊和有底測(cè)坑一季稻水量平衡分析結(jié)果 單位：mm

4 結(jié) 語(yǔ)

在鄱陽(yáng)湖流域贛撫平原灌區(qū)開(kāi)展的田埂滲流試驗(yàn)表明，田埂側(cè)向滲流速度為3.97 mm/d，側(cè)向滲流占稻田蒸滲量49.2%，這一部分水將在下田塊或下游區(qū)域得以重復(fù)利用；上框和雙套環(huán)水位呈直線下降趨勢(shì)，在田面低水層情況下(田面覆水30 mm)，田面覆水深度對(duì)田間滲漏影響較小，田間滲漏(垂直入滲和側(cè)向滲流)保持一個(gè)相對(duì)平穩(wěn)狀態(tài)。田間水量平衡試驗(yàn)表明，典型地塊的灌水量和排水量明顯小于有底測(cè)坑；在一季稻全生育期內(nèi)，典型田塊的側(cè)向滲流在當(dāng)?shù)氐咎餄B漏量中占相當(dāng)大比例，占全生育期耗水量的10.9%。