新型雨水集蓄利用技术的旱地改水田灌排系统

汪 跃 宏(浙江省杭州市富阳区水利水电局，浙江 富阳 311400)

土地资源同水资源一样，都是人类活动必不可少又极其有限的自然资源。近些年来，中国在加速工业化和城市化的进程中，损坏和侵占耕地的情况屡屡发生。人口增长也作为土地利用和覆盖变化的主要驱动力，和经济增长一起导致了森林砍伐、耕地占用以及生物多样性的损害[1]。据统计，从1996年到2006年间，中国耕地面积从1.30亿hm2减少到1.22亿hm2，已逼近1.20亿hm2的红线，人均耕地面积不足世界的40%[2]。而且，东部沿海经济发达地区“人多耕地少”的用地矛盾尤为严重[3]。以浙江省为例，2000-2008年间，浙江省耕地变化剧烈，耕地主要流向城乡工矿居民用地。非农人口比例，房地产开发投资、城市绿化面积和果园面积成为浙江省乃至整个东部发达地区耕地减少的主要驱动力[4]。尽管国家出台的“耕地占补平衡”政策的实施在一定程度上保证了耕地面积在数量上的动态平衡，但补充的耕地多为坡耕地，与占用的耕地之间缺乏针对性比较，质量难以保证。分析表明，补充耕地不能达到被占耕地粮食生产能力的主要原因是补充耕地一般为分散的坡耕地，水土流失较严重，保肥性差，没有可靠的灌溉系统。

尽管中国通过“坡改梯”综合整治工程正在加紧改造水土流失严重的坡耕地，而且采用工程技术进行坡改梯后，土壤经营和管理趋于科学化，土壤质量向良性方向发展[5]，但由于缺少可靠稳定的灌溉系统，粮食产量仍旧不能得到保证，且很多改造的坡耕地只能用来种植果林。正是基于以上这些问题，本文提出了一种新型的基于雨水集蓄循环利用技术的旱地改水田灌溉系统，并在浙江省丘陵缓坡地上进行了试验研究。结果显示，经过该方案改造的坡耕地可达到与平原耕地几乎相同的粮食生产力，远远优于一般的梯田工程。

1 系统结构及工作原理

1.1 试验区域

试验田位于浙江省富阳市新登镇长兰村的丘陵缓坡地上(东经119°40′29″，北纬30°01′05″，海拔81 m)，处于亚热带季风性湿润气候区，一年中有两个明显雨期和两个相对干期，降雨年变化呈双峰型。该区多年平均降雨量为1 461 mm，多年平均气温16.9 ℃，多年平均日照时数为1 666.9 h，多年平均蒸发量为1 263 mm，适宜作物生长发育。

1.2 系统结构

新型旱地改水田灌溉系统主要由种植区(耕作层，也是集雨面)、蓄水池、沉砂池以及灌溉排水系统构成(图1)。

1-蓄水池；2-电磁阀；3-排水渠；4-孔盖；5-水泵；6-沉砂池； 7-出水管Ⅱ；8-溢水口；9-截渗膜层；10-空心砖层；11-灌溉水管；12-种植区； 13-细砂层；14-土壤层；15-多孔出水管Ⅰ；16-控制开关；17-外部电脑； 18-农机入口；19-水位感应器；20-混凝土底板；21-钢筋混凝土盖板图1 新型旱地改水田灌溉系统Fig.1 Layout diagram of new reformed slope farmland system

种植区底部及四周铺设截渗膜层，即采用三面防渗处理；底部截渗膜层上铺设细砂层和土壤层，四周田埂的截渗膜层内侧设置空心砖层。种植区一侧截渗膜及空心砖层上固定设置电磁阀，电磁阀上连接多孔出水管Ⅰ，多孔出水管Ⅰ一端伸入砂层中导水或向种植区供水，另一端伸入蓄水池内为蓄水池供水。种植区位于蓄水池土方的一侧田埂上设置溢水口，溢水口通过出水管Ⅱ为蓄水池供水。

新型旱地改水田灌溉系统的蓄水池位于种植区的地表下方，内设水泵，水泵上连接灌溉水管，灌溉水管的另一端伸入种植区中为种植区供水。种植区的截渗膜层上连接设置水位控制器，水位控制器连接控制开关，控制开关连接电磁阀和水泵(所选水泵为交流或直流微型潜水泵)。电磁阀与水泵由设置在种植区中的水位控制器控制，水位控制器由外部电脑信号控制。蓄水池为封闭的腔体结构，蓄水池超过种植区的一端上设有工作孔，工作孔中设有孔盖。蓄水池顶部与排水渠/管道相连。蓄水池的内壁设置截渗膜。

1.3 工作原理

新型旱地改水田灌溉系统是一种小尺度的水文循环，其对水循环的影响主要体现在两个方面：第一个方面是截断了土壤的渗漏，田面不再产生深层渗漏，无论是在作物生长季节，还是在作物非生育期，田间水分消耗的唯一途径就是田间蒸发蒸腾，包括作物生长季节的植株蒸腾和棵间蒸发，作物非生育期的田面蒸发。第二个方面，田间水分汇流的过程有两个，一是从田面通过溢水口进入蓄水池，二是从底部通过多孔排水管Ⅰ进入蓄水池(当蓄水池蓄满时，多余水量外排)。

(1)当发生降水时，扣除蒸发蒸腾外，主要分为3个部分，即地表出流、土壤出流和蓄存在耕作田的水量，如图1所示。

(2)当天然降水较大时，田间水位超过作物各生育阶段允许最高蓄水深度且达到地表水汇入口(溢水口)高程时，产生地表出流，并通过出水管Ⅱ流入蓄水池；当田间水位超过作物各生育阶段允许最高蓄水位深度、但并未达到地表水汇入口(溢水口)高程时，水分可以通过砂层中的多孔排水管Ⅰ进入蓄水池，即产生土壤出流，水分可通过土壤入渗和空心砖通道两种途径进入砂层中的多孔排水管排出耕作层。水分运输途径如图2所示。

1-水层；2-土层；3-砂层；4-防渗膜；5-多孔排水管；6-空心砖层图2 多孔排水管排水过程示意图Fig.2 The drainage process on perforated outlet pipe

(3)蓄存在田间的水量(指天然降水和灌溉水量，扣除蒸发蒸腾和地表出流之后的水量)在重力作用下向下层土壤中按照入渗强度缓慢入渗，并引起土壤含水层蓄水量的变化。当下层土壤饱和时，由于耕作层底部铺设了防渗膜，雨水入渗强度为0。

(4)蓄存在土壤中的水分排出途径有两个：一是产生毛管上升水，补充地表水和浅层土壤水分不足；二是通过砂层中的多孔排水管Ⅰ排入蓄水池。

(5)蓄水池中的水体(超过蓄水池蓄水能力的水量排入天然河道)和砂层蓄含的水用作灌溉水源。

(6)当田间水层消耗到作物适宜含水率或水层下限时，启动水泵，通过灌溉系统抽取蓄水池集蓄的雨水向种植区田块供水。

2 蓄水池容积与试验田灌溉保证率分析

新型旱地改水田灌溉系统关键技术之一是蓄水池容积优选。试点工程的试验田种植作物为单季稻，品种为甬优12号，故本次容积优选以满足当地典型单季稻灌溉需水为原则。其容积优选需满足两个基本要求，即：①满足设计灌溉保证率要求；②满足容积最小(造价最低)要求。蓄水池水量计算基于水稻生育期灌排模拟和两个水量平衡(种植区田间水量平衡和蓄水池水量平衡)进行联合调蓄计算。

调蓄计算分为非水稻生育期调蓄计算和水稻生育期调蓄计算两部分。在不种植水稻期间，田面无需建立水层，采用Hydrus-1D模型进行田块土壤水分动态及降雨后地表排水进入蓄水池的逐日调节计算，此时不考虑从蓄水池抽水灌溉。水稻生育期间，田面建立水层，需要从蓄水池抽水灌溉，此时，利用Penman-Monteith公式逐日计算作物需水量，在设定的蓄水池初始蓄水量的基础上，利用水量平衡进行调蓄计算。非水稻生育期主要考虑从3月1日到单季稻生育期开始这一时段，并假设3月1日田块土壤表层初始含水量为田间持水量，蓄水池初始蓄水量为死库容。

经调蓄计算，利用此技术改造的坡耕地不同蓄水池容积的灌溉保证率如图3所示。

图3 不同灌溉保证率下的蓄水池容积Fig.3 Reservoir volumes under different irrigation reliability rate

根据国土资源部出台的《高标准基本农田建设规范(试行)》要求湿润地区和水资源丰富地区在地面灌溉条件下种植作物为水稻时灌溉保证率不得低于80%。因此，当蓄水池容积V=114 m3(对应灌溉保证率为80%)时，即可满足要求。随蓄水池容积的增大，灌溉保证率提高，但提高的幅度逐渐减小，当V=120 m3时的灌溉保证率达到82.46%；V=150 m3的灌溉保证率可达到89.47%，蓄水池容积V>180 m3时，灌溉保证率随蓄水池容积的进一步提高的潜力已不大。

3 系统实施效果分析

选取与试验田地理位置较近且同在丘陵缓坡区的浙江省永康灌溉试验站的试验田(以下简称对比田)结果进行对比分析。与对比田比较可知(表1)，本系统试验田(简称试验田)水稻日均需水量在各生育阶段均略小。这可能是因为试验田耕作层四周由于田埂的存在减小了风速对水稻蒸发蒸腾的影响。总体来看，其水稻日均需水量变化规律一致。

测产结果(表2)表明：种植甬优12号水稻品种情况下，试验田的产量略低于对比田，实测产量低5.9%。但是考虑到试验田水稻鲜谷含水量较对比田低，折算后干物质产量仅比对比田低0.4%。这充分说明，新型旱地改水田灌溉系统完全具备与成熟水稻田相同的粮食生产能力。

表2 试验田和对比田水稻产量及构成对比结果(品种：甬优12号)Tab.2 The comparison between test field and contrast field on rice yields and composition

新型旱地改水田灌溉系统通过循环利用雨水，彻底改变了传统稻田灌溉排水方式，水稻生育期内向系统外部排水极少，因此，连带随水迁移的N、P等养分物质也实现了蓄水池和耕作田的循环利用。根据试验观测和计算所得的试验田和对比田的农业面源污染排放情况见表3。水稻生育期内试验田仅向 系统外排水一次，发生在2012年6月23日，排水量为379.5m3/hm2，而对比田外排6次，排水量为2854.5m3/hm2，试验田排水量减少86.6%，降雨利用率提高30%，达到95.4%。试验田CODcr排放量为7798.5g/hm2，比对比田减排86.3%；试验田TN排放量为577.5kg/hm2，比对比田减排87.9%；试验田TP排放量为57g/hm2，比对比田减排74.3%。从排水量和面源污染排放量上可以看出，新型旱地改水田灌溉系统能有效减少稻田排放量，从而大大降低了各种面源污染物的排放量。

表3 试验田和对比田农业面源污染排放量Tab.3 The comparison between test field and contrast field on agricultural non-point pollution emission amount

4 结 语

本研究提出并建立了基于雨水集蓄循环利用技术的旱地改水田灌溉系统。系统通过“降水-田面集水-蓄水池蓄水-灌溉供水”过程实现了雨水资源的高效循环利用，从而解决了坡耕旱地与其他远离灌溉水源的分散农田的灌溉问题，为提高旱地改水田灌溉的综合生产能力提供了有效途径。

(1)新型旱地改水田灌溉系统与常规农田相比，单季水稻灌溉定额减少100 m3/亩，相当于具有犁底层的成熟水稻田整个生育期的渗漏量，这说明采用防渗技术的新型旱地改水田灌溉系统节水性能优越。

(2)试验田水稻实际产量仅比对比田低0.4%，说明新型旱地改水田灌溉系统具备与常规水稻田相同的粮食生产能力。

(3)新型旱地改水田灌溉系统在排水量和面源污染排放量都远小于常规稻田，节肥减排综合效益显著。

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[1] Turner II B L, Meyer W B. Land use and land cover in global environmental change: considerations for study [J]. International Social Science Journal, 1991,43:669-679.

[2] 龚子同,陈鸿昭,张甘霖,等. 保护耕地:问题、症结和途径——谈我国1.2亿公顷耕地的警戒线[J]. 生态环境,2007,(5):1 570-1 573.

[3] 杨桂山. 长江三角洲近50年耕地数量变化的过程与驱动机制研究[J]. 自然资源学报,2001,(2):121-127.

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[5] 薛 萐,刘国彬,张 超,等. 黄土高原丘陵区坡改梯后的土壤质量效应[J]. 农业工程学报,2011,(4):310-316.