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淮北农作物生长的适宜地下水位与调控技术措施体系



打印】 【页面调色版  】 信息来源:《治淮》杂志 发布时间:2017-12-06


顾雨田1刘猛2
(1.中水淮河规划设计研究有限公司,安徽 合肥 230601; 2.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)

摘要:淮北平原是我国重要的煤炭基地和能源基地,也是重要的农业经济区和粮棉油主产区,在区域社会经济发展中具有重要的战略地位。淮北平原浅层地下水资源相对丰富,大部分区域年均地下水埋深2~3m,埋深较浅,地下水和土壤水联系紧密,转化频繁,浅层地下水对作物需水的补给作用非常大,是当地农业的主要用水水源。本文根据安徽省淮北平原地区主要农作物生长的浅层地下水适宜埋深实验研究成果,结合淮北平原降水、入渗及地下水埋深分布变化规律,提出适宜作物生长的浅层地下水位精准调控思路和对策措施,以实现最大程度利用浅层地下水,减少地下水不当排泄,减少农业灌溉频次与用水量,达到既增加作物产量又提高农业灌溉节水水平的目的,可为高效利用和科学保护淮北平原地下水资源提供技术指导。
关键词:淮北平原;浅层地下水;农作物;适宜地下水位;精准调控

 

 

1 区域概况

淮河流域平原地区包括豫东平原、皖北平原、鲁西南平原(南四湖湖西平原)和苏北平原(含里下河地区),其中80%以上位于淮河以北,称淮北平原。安徽省淮北平原地区处在这个区域的中南部,其西部、北部和东部分别与豫东平原、鲁西南平原和苏北平原接壤,平原面积约占全区总面积的97%。该区域涉及蚌埠、淮南、阜阳、亳州、淮北和宿州6个地级市,面积3.96km2,占安徽全省总面积的28%区内人口众多,城市化进程快,经济发展迅速,特别是农业经济优势明显,是安徽省乃至全国重要的农业经济区和粮、棉、油主产区,在区域社会经济发展中具有相当重要的战略地位。本区地势平坦,耕地率高,地表水资源拦蓄能力有限,地下水资源相对丰富。农业供水水源以浅层地下水为主,城市生活和工业用水目前主要依赖中深层地下水。本区多年平均降水量为868mm,多年平均地表水资源量为68.5亿m3,地表水可利用量为28.5亿m3;多年平均地下水资源量为68.9亿m3,多年平均地下水可开采量为36.2亿m32010年,沿淮淮北地区供用水总量81.3亿m3,其中,地表水、地下水和其他水源供水量分别占总供水量的73.1%26.7%0.3%;农业灌溉、林牧渔业、工业、城镇公共、居民生活和生态环境用水分别占49.9%3.6%33.3%1.6%10.8%0.7%本区以全省约20%的水资源量,支撑了全省约50%的耕地和约43%人口的用水需求,水资源问题特别是地下水开发利用问题在淮河流域平原地区具有代表性和典型性。[1] [2]

淮北平原浅层地下水直接接受大气降水和地表水入渗补给,地下水位动态变化与水文气象关系密切,对降水反应灵敏,丰枯年型和季节性变化明显。根据安徽淮北平原区180个浅层地下水长观井的资料分析,多年平均浅层地下水区域平均埋深值为2.48m,最浅埋深平均值为1.02m,最深埋深平均值为4.26m,变幅为3.24m,绝大多数站点在4.0m以浅;枯水年浅层地下水平均埋深为4.26m,丰水年浅层地下水平均埋深一般都在1.0m以浅。浅层地下水采补周期平均2.6年,大部分是12年,个别时段采补周期较长,超过5.5年。大气降水入渗补给量占浅层地下水总补给量的85%以上。[3]

 

2 典型作物适宜地下水位实验研究

地下水埋深较浅,地下水位过高,土壤经常处于饱和状态,土壤含氧量少,造成作物根系老化,叶片早衰而减产。地下水位过低,不利于作物吸收地下水,易产生干旱,若不适时灌水,就会影响产量。对于作物来说,地下水位控制不合理会影响产量。因此,在淮河平原区,合理地控制地下水位可以起到改善作物生态环境,协调水、肥、气、热状况,促进作物的生长发育,提高作物产量的作用。

在地下水浅埋区,大气水、植物水、土壤水和潜水一起构成一个完整的农田水分系统。已有的研究成果表明,潜水对SPAC(土壤-植物-大气)系统的作用是不可低估的。土壤水动态变化和地下水动态变化是相互作用、相互影响的,土壤水分状况会诱发作物从形态到生理许多方面的反应,可影响到作物生育全过程和各个方面;同时,作物生育状况会改变自身水分消耗,反过来影响到土壤水分状况。因此,潜水的存在必将会影响作物的生长发育过程。[4]

根据五道沟实验站作物适宜地下水埋深专项实验成果,对比分析大田作物产量与地下水埋深关系调查成果,总结淮北主要农作物生长的适宜地下水埋深。

2.1 主要作物生长实验

通过实验站测筒农作物产量与地下水埋深关系实验,作物生长适宜地下水埋深总结如下:

1小麦

结合五道沟小麦根系下扎观测实验与作物生长控制地下水埋深实验,从作物根系的发育过程来看,冬小麦根系在整个生育过程中呈现出快---慢的增长趋势,播种至出苗前和拔节后至灌浆这段时期属于较快的生长阶段,结合蒸渗仪测筒实验小麦长势观察,砂礓黑土中,播种至苗期,地下水埋深宜控制在0.4m以内,然后适宜地下水埋深逐渐下移,以0.50.8m为宜,拔节期后,地下水埋深宜控制在0.81.5m,较为有利于小麦对水分的吸收。黄潮土比砂礓黑土适宜地下水埋深平均下移0.40.6m,适宜地下水埋深为1.21.6m

2)大豆

根系的生长大致经历4个时期:砂礓黑土中,播种后20天以内,根系干重增长缓慢,长度增至0.2m左右,播种后12个月,根系干重呈指数增长,根长从0.2m增至1.3m;播种后22.5个月,根系干重的增长由快变慢,维持在1.4m以内。从根系的发育过程来看,大豆分枝后,地下水埋深控制在0.81.2m,利于大豆吸收水分。黄潮土平均比砂礓黑土适宜地下水埋深下移0.40.8m,适宜地下水埋深为1.21.8m

3)玉米

砂礓黑土土壤,玉米根系的生长过程呈现慢--慢的增长趋势,根系最长可达2.07m。由于玉米的根系吸水多集中在上层,因此从根系的生长过程来看,地下水埋深控制在0.81.2m,最利于玉米的生长。黄潮土比砂礓黑土适宜地下水埋深平均下移0.51.0m,适宜地下水埋深为1.31.6m

2-1  测筒小麦产量与地下水埋深关系图

 

2-2  测筒大豆产量与地下水埋深关系图

 

2-3  测筒玉米产量与地下水埋深关系图

 

    20世纪90年代之前地下水埋深实验成果详见表2-1,小麦适宜生长的地下水埋深在0.51.5m之间,在此范围内,小麦产量变动幅度不大,大豆和玉米的最大单产量所对应的地下水埋深为0.6m左右。此表由地中蒸渗仪测筒实验资料整理而得,但与农田实际情况也是吻合的。

2-1  不同地下水埋深对作物产量的影响(S=0.3m2

 

作物\埋深(m

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

1.0

1.5

2.0

备注

小麦(g

245

357

479

486

494

514

514

490

463

19701988平均

大豆(g

 

186.4

 

163.6

 

208.2

132.4

104.0

65.0

1972

大青豆

玉米(g

 

107.4

 

185.9

 

195.5

147.0

137.5

96.0

19781979平均

 

2.2 大田作物产量与地下水埋深关系调查分析

1)固镇实验区

根据淮北平原中南部的固镇县新马桥镇韦店乡实验区调查资料(19621987系列),统计分析历年小麦和大豆单产与其生长期对应的月平均地下水埋深关系,表2-2为大田小麦产量与其生长期105月平均埋深关系,表2-3为大田大豆产量与其生长期69月平均埋深关系。

按小麦产量水平分成两个等级,1982年以前产量较低,但随着埋深趋势关系明显,最适宜埋深为0.71.0m19831987年产量较高,存在较好的产量和埋深的关系,最适宜的埋深为0.91.3m

按大豆产量水平分成两个等级,1982年以前产量较低,但随着埋深趋势关系明显,最适宜埋深为0.81.0m19831987年产量较高,也存在较好的产量和埋深的关系,最适宜的埋深为0.81.2m

2-2  固镇县韦店小麦产量与地下水埋深关系表  单位:kg 

年份

埋深(m)

小麦产量

年份

埋深(m)

小麦产量

年份

埋深(m)

小麦产量

1962

0.4

30

1971

0.98

100

1980

1.28

25

1963

0.8

40

1972

1

25

1981

1.7

25

1964

0.82

90

1973

1.04

70

1982

1.08

195

1965

0.9

55

1974

1.08

90

1983

1.36

210

1966

0.92

20

1975

1.12

40

1984

1.38

210

1967

0.94

20

1976

1.14

20

1985

0.68

230

1968

0.96

30

1977

1.16

105

1986

1.16

265

1969

0.96

50

1978

1.18

50

1987

1

250

1970

0.98

50

1979

1.26

110

 

 

 

 2-3  固镇县韦店大豆产量与地下水埋深关系表  单位:kg 

年份

埋深(m)

大豆产量

年份

埋深(m)

大豆产量

年份

埋深(m)

大豆产量

1965

0.4

22

1972

0.7

24

1979

1.22

8

1966

0.56

26

1973

0.76

46

1980

1.4

16

1967

0.58

28

1974

0.8

32

1981

0.58

74

1968

0.62

20

1975

0.82

12

1982

0.78

90

1969

0.62

30

1976

0.84

48

1983

1.16

88

1970

0.68

16

1977

0.92

38

1984

1.24

84

1971

0.68

30

1978

1.1

32

 

 

 

 

 

2)临泉实验区

选取淮北平原西部临泉县为分析对象,通过统计分析和绘制历年小麦、大豆和玉米单产与对应的地下水埋深关系图,采用滑动平均值法剔除产量增长的品种、施肥、植保等方面影响,得到丰产年增产量与同期105月平均地下水埋深的相关关系,可以找到最大增产区间对应的适宜地下水埋深区间。临泉县小麦生长期(10月~次年5月)适宜地下水埋深范围1.52.5m左右;同样地,大豆生长期(6月~9月)适宜地下水埋深范围1.53.0m左右,玉米生长期(6月~9月)适宜地下水埋深范围1.52.0m左右。

 

3 农田控制排水试验研究

3.1大田原型观测试验

 

为了研究农田控制排水的工程技术措施及效果,安徽省·水利部淮委水利科学研究院在淮北平原建立两处大田原型试验区,开展了连续多年的观测试验研究[5]

试验区A:总面积160km2,区内有4条农田排水干沟,大致平行分布,间距1.52.5km,其中3条干沟建有节制闸、滚水坝作为控制工程,1条干沟为无控制工程对照区。试验区B:流域面积58km2,有排水干沟1条,建有滚水坝控制工程。

试验区地形平坦,土壤为砂姜黑土,种植的农作物主要有小麦、玉米、大豆、棉花等旱作物。农田灌溉主要利用浅层地下水进行井灌,浅层地下水主要来自大气降水,属典型的入渗-蒸发-开采型。蓄水干沟沿岸的部分农田利用提水设备提取地表水进行灌溉。农田排水是典型的以干沟为单元的排水系统。

试验区观测试验内容主要是各干沟控制工程在蓄水、排涝过程中对其控制区域内农田排水、降水径流及地下水位变化所产生的影响,分析有无控制工程和不同控制工程型式(节制闸、滚水坝)对农田地下水位和地下水资源调蓄量的调节作用与效果。

3.2原型观测成果及分析

1)控制工程对地下水位变化的影响

淮北平原农田排水干沟适宜的控制工程主要有闸和坝两种型式。如果控制工程为闸,可以通过闸的控制运用,调节干沟排水和蓄水功能;如果控制工程为坝,关键是在不影响干沟控制范围排渍标准的前提下合理拟定坝顶蓄水高程。

AB两处试验区观测资料表明:有控制工程干沟的水位平均要高于同期无控制工程干沟水位0.871.5m,最大达1.782.55m,年均为1.21.4mA试验区,汛期平均水位差为0.75m,非汛期平均水位差为0.91m20072008年,A试验区滚水坝抬高干沟水位0.430.47m,节制闸抬高水位1.662.17m20102011年,A试验区节制闸抬高干沟水位值1.292.13m

控制工程上下游水位动态变化与降雨关系密切。在降雨、蒸发及开发利用等综合因素的作用下,蓄水位发生动态变化,常常在年内形成多次蓄泄变化。一般来说,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,这正是控制工程调蓄的结果,说明控制工程确实能够起到调节降雨径流时程分配的作用。

在不同的水文年,丰水年对地下水位抬升相对较小,这是因为淮北地区降雨相对较多,丰水年地下水位处于较高状态,且常常升至地表,产生径流;同一水文年,控制工程在非汛期对地下水的抬升幅度大于汛期,也是同样的原因。从实际观测成果可见,干沟上修建控制工程后对地下水的抬升作用比较明显,A试验区滚水坝在其控制蓄水期间,年最大地下水位差在0.660.77m之间。

2)控制工程对地下水资源的调控

控制工程对水资源的调蓄包括直接拦蓄的降雨径流和抬高地下水位增加的地下水资源量两个方面。控制工程年调蓄水量按工程上下游年平均水位差计算的年均调蓄水量与调蓄次数的乘积计算,调蓄次数根据实测水位动态变化及降雨、灌溉等情况分析确定。B试验区,199920002003年年调蓄水量分别为11.2m317.6m317.9m3,偏旱年(1999)年调蓄水量小于丰水年(2003)和偏丰水年份(2000),这主要是因为丰水年可实现年内多次调蓄,即复蓄次数高;B试验区多年平均复蓄水量15.6m3,单位面积干沟年调蓄水量为0.9m3/km2A试验区,20072008年滚水坝调蓄水量分别为19.0m320.8m3,节制闸调蓄水量分别为95.9m373.4m3,折合单位面积调蓄水量0.81.4m3/km22010年节制闸调蓄水量为60.7m3,单位面积年调蓄降雨径流量为1.2m3/km2

控制工程对地下水资源的调蓄量按非汛期抬高地下水位最大值所增加的土壤蓄水量进行计算。1999~2003年,B试验区滚水坝年调蓄地下水量范围在33.1~74.6万m3,多年平均调蓄水量51.4万m3,单位面积调蓄的地下水量约为2.0万m3/km2;2007、2008年,A试验区滚水坝和节制闸平均年调蓄地下水资源量分别为30万m3和76万m3,单位面积调蓄地下水资源量分别为1.5万m3/km2和3.7万m3/km2;2010、2011年A试验区节制闸调蓄地下水资源量分别为16.3万m3和26.9万m3

 

 

4 浅层地下水调控技术措施体系

淮北平原在以往的水旱灾害防治实践中,重视除涝排水,忽视蓄水灌溉,排水干沟普遍缺乏控制工程,地下水排水过度,地表径流大量流失。为了充分有效利用农田水资源,按照"排水有效、蓄补方便、引水通畅、灌溉灵活"的原则,利用排水干沟及其控制工程,调节浅层地下水位,需要建立农田地下水精准调控技术措施体系。现就几个主要方面的问题具体阐述如下。

1)精准调控技术措施体系

这套体系由农田水利工程设施、监控系统和管理制度三大部分有机组合而成,即:

浅层地下水调控技术措施体系=工程设施体系﹢监测预报体系﹢管理制度体系

根据区域大气降水与水文循环规律、土壤物理特性、补给排泄特点,按照"排、蓄、补、灌"多种功能综合一体的沟网化模式,合理布局农田沟渠、闸、坝等蓄排工程体系,科学确定关键工程参数;配套建设完善的监控系统,对地下水位动态变化实时监测、评估、预报;建立完善的管理制度,根据不同季节作物生长适宜地下水埋深与降水规律,合理调度工程运行。

这套体系的运行模式可以概括为"深沟沥水、筑坝蓄水、建闸控制、联合调节、监测预报、适时调度",管理运行得当,可以实现农田地下水位的精准调控,达到旱涝均衡治理的目标。

2)控制工程型式及控制蓄水位

淮北平原干沟控制工程主要有节制闸和滚水坝两种型式,修建最多的是节制闸,其中包括在干沟、小型河道出口处修建的防洪闸;其次是滚水坝(包括混凝土坝、橡胶坝、土坝),从蓄水和排水的效果看,节制闸均优于滚水坝。工程实践中,往往联合修建和运用。采用坝为控制工程时,为了既不影响排水,又能有效增加地表径流拦蓄量,可适当抬高坝顶高程并在坝上设置简易放水口。无论闸、坝单独运用或联合运用,均可有效拦蓄降雨径流,抬高地下水位,增加地下水资源量。

根据试验研究成果,结合淮北平原地区降雨与地下水位埋深关系成果和多年控制工程运用实践,在降水较少的淮北平原北部和西北部地区,闸前控制水位在地面以下1.0m左右为宜,滚水坝坝顶高程应位于地面以下1.21.5m;在中部地区,闸、坝蓄水位分别低于田面1.2m2.0m;在南部和沿淮地区,闸前蓄水位低于田面1.52.5m比较合适;闸、坝蓄排水位都应能够控制农田地下水位处于作物生长适宜的地下水埋深区间。

3)控制运用及管理技术

控制工程能否合理利用,是解决蓄水与排水矛盾、排水是否及时有效、蓄水效益能否充分发挥的关键。[6]

对于控制工程为闸的,应在汛前预泄干沟蓄水,汛末及非汛期拦蓄雨水,同时,根据控制区种植的作物种类,在不影响排水的前提下,尽可能多蓄水,以供作物关键需水期灌溉用水,如6月上旬玉米、大豆等夏季作物的播种用水,10月下旬小麦播种用水等。节制闸的运用技术相对比较复杂,应视闸的功能、农田地下水位状况、种植的作物种类、土壤属性和集水面积情况,拟定运用规则。一般来说,汛期开闸放水,非汛期关闸蓄水。

滚水坝的运用管理技术主要是加强在运行过程中农田排水效果监测。滚水坝加简易放水口工程型式的控制运用,应做到适时打开放水口预降蓄水和地下水位,及时封堵放水口蓄水。适时打开放水口,应结合天气预报,尽量在汛前预排干沟蓄水、降低地下水位;及时蓄水,应在汛末及时封堵放水口,拦蓄地表径流。在汛期可结合天气预报进行放水口的控制运用,以增加蓄水效益。

 

  

[参考文献]

[1] 淮河流域及山东半岛水资源及其开发利用调查评价[R]. 蚌埠:淮河水利委员会,2005.

[2] 王振龙,淮北平原水文气象要素变化趋势和突变特征分析[J]. 灌溉排水学报,2010(5)

[3] 刘猛,尚新红,陈小凤,等. 皖北平原地下水安全开采与控制技术[M]. 合肥:中国科学技术大学出版社,201545-53.

[4] 孙国义,杨中泽,申金道. 淮北地区小麦耐渍防旱的适宜地下水位[J]. 灌溉排水,199110(2)57-60

[5] 王友贞,于凤存,沈涛. 淮北平原区干沟控制排水技术及效应[J].水利学报,201344(1)104-110

[6] 毛信康. 淮河流域水资源可持续利用[M]. 北京:科学出版社,200618-23.

 

[作者简介]

顾雨田(1992-),男,安徽蚌埠人,工程师,主要从事水资源规划与研究。E-mailyutian@hrc.gov.cn

通信地址:合肥市滨湖新区云谷路2588  邮编230601

 

作者:顾雨田、刘猛
责任编辑:柯锐


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