基于机械收割要求的稻麦轮作农田暗管排水布局模拟

邹家荣，罗 纨，马 勇，陈 诚，张志秀，巫 旺，洪建权

(1.扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏 扬州 225009；2.扬州市江都区昭关灌区管理处，江苏 扬州 225261)

0 引 言

长江中下游平原稻麦轮作区降雨量丰沛，但其年际分配和年内分配都存在较大的变异，经常会因为降水过于集中或持续时间过长而造成危害。在作物生长季内，除了暴雨或连阴雨造成的农田内涝会影响作物正常生长外，在作物收获或播种时期也会因为降水过多而妨碍机械下田耕作，从而造成播种不及时或丰产不丰收的现象[1]。因此，做好农田排水工作对保证粮食丰产丰收都具有重要意义。

农田排水能改善土壤的水、肥、气、热环境，有利于作物生长[2]。近年来随着农业机械化的迅速发展，对农田排水提出了更高的要求。目前，南方水稻种植区大多采用明沟排水，常因淤积严重造成实际排水能力低下，并且沟道的分布也不利于大面积农田的统一机械化作业。随着土地流转和规模化经营的不断深入，农田排水适应现代农业机械化发展的要求愈加迫切。

为了提高农业生产效率，日本的水稻种植区在20世纪70年代进行了大规模的农田排水系统改造[3]，使用暗管排水来替代明沟，扩大了连片农田的面积，极大地提高了机械化作业效率，减少了劳动力的使用。而且，安装了暗管排水系统的稻田，还可根据种植结构调整要求，灵活改种其他旱作物。采用暗管排水除了避免明沟对机械通行的不利影响外，还可明显提高土地利用率[4]。经过合理布置的暗管排水系统，可以有效控制地下水位、调节土壤水分状况、改善土壤理化特性提、提高作物水肥利用效率，是现代农业发展的必要措施[5,6]。

暗管排水系统设计受到气象、土壤以及作物生长规律等因素影响，不同地区的设计参数需要考虑具体情况以及设计保证率来确定。对某一特定地区而言，影响暗管排水的两个重要参数是暗管埋深和布置间距；埋深和间距的不同组合对应的是不同的排水强度，埋深大、间距小，排水强度较高，反之则排水强度较低。排水强度越高，土壤中水分排出的越迅速，地下水位下降得越快[7-8]。作物收获期，农田排水的主要目的是及时将地下水降至一定深度，使收割机械能够及时下田进行作业，并减少机械压实对农田土壤结构的破坏。单位面积的暗管埋设成本与布置间距成正比，与埋深关系不太大；从经济的角度考虑，在满足排水需求的前提下，应尽量加大排水暗管间距，减少工程投资。在南方平原河网地区，排水出口高程受到河网水位的限制，大多数情况下要通过抽排来满足出口水位要求，这就意味着排水暗管的埋深不宜过大，满足田间水位控制要求即可。朱建强等[9]研究指出，为满足机械作业要求，应将农田地下水埋深控制在地表0.6～0.8 m以下。一般情况下，短期内排水作用可使两条暗管中间点水位埋深降至暗管深度以上20 cm处[1]，这就要求暗管埋深至少应在0.8～1.0 m。上述满足机械作业要求的水位埋深大于生长季一般农作物除涝降渍要求[10]，所以依据机械下田作业要求来确定的暗管排水强度可同时满足其他阶段的排水要求。

为了研究长江中下游平原区稻麦轮作农田满足机器下田收割要求所需的暗管排水强度，本文以江苏省扬州市江都区农田水利科学研究站为例，利用排水模型-DRAINMOD进行了模拟分析；首先根据研究区部分实测的地下水位资料，进行了模型参数率定及合理性验证，在此基础上，分别针对小麦和水稻两种作物各自收获期对土壤排水的要求，利用长序列历史气象资料模拟了机械下田作业天数受不同排水暗管布局的影响。研究成果可为类似地区暗管排水工程系统的规划建设提供参考依据。

1 研究方法

1.1 研究区概况

江苏省扬州市江都区农田水利科学研究站位于江苏省扬州市江都区内京杭大运河东侧的昭关灌区(119°30′E，32°33′N)，属于北亚热带季风湿润气候区，区内地势平坦，土壤质地黏重；年平均温度15.6 ℃，降雨量约1 000 mm，生长季218 d左右；研究区内普遍实行水稻与冬小麦轮作，水稻和小麦生育期见表1[11,12]。根据王桂民等[13]的研究结果，本文选取每年6月2-8日作为小麦适宜的收获期；每年10月13-20日作为水稻适宜的收获期。试验区现有的排水系统为沿100 m×100 m试验田四周分布的农沟，最终在西北角汇集排入支沟。其中农沟深度约60 cm，支沟深度约100 cm。2018年春季在试验田内布置的地下水监测井，实时记录作物生长季田间地下水位埋深的变化情况，数据用于模型参数率定。试验站内安装有自动记录降雨、温度、湿度、风速等气象数据的小型自动气象站，数据用于分析田间水文变化情况。

表1 研究区冬小麦与水稻的生育期时间表Tab.1 Time of growth stages for winter wheat and rice in the study area

1.2 DRAINMOD 模型介绍

DRAINMOD 是20世纪70年代末由美国北卡罗纳州立大学生物及农业工程系R W Skaggs博士开发的一个田间水文模型[14]，它以日为单位进行两个排水沟/管中点的水量平衡计算，水量平衡项包括入渗、蒸发蒸腾量、地表径流、地下排水量和深层渗漏。其基本功能是模拟不同排水设计及水管理方案下农田排水的水文过程，可以较为准确的预测地表排水量、地下排水量、田间地下水位以及作物产量等。模型包括常规排水、控制排水、地面灌溉、氮素运移以及湿地水文等模块，可用于分析不同水管理方案对田间水文和污染物运移的影响。

在计算时段内，DRAINMOD模型进行地表水量平衡计算的方程可表示为：

P+I=F+ΔS+R

(1)

式中：P为降雨量，cm；I为灌溉水量，cm；F为地表入渗量，cm；ΔS为地表的储水量变化，cm；R为地表径流量，cm。

在相同计算时段内，土壤剖面中水量平衡计算方程为：

ΔV=D+ET+Ds-F

(2)

式中：ΔV为土壤水分变化量，cm；D为侧向的暗管排水量，cm；ET为蒸发蒸腾量，cm；Ds深层渗漏量，cm。

DRAINMOD模型在进行水量平衡计算时，入渗量采用Green-Ampt公式计算；侧向排水量采用Hooghout公式计算，若地表出现积水，则采用Kirkham公式计算；深层渗漏根据达西公式进行计算。DRAINMOD模型对于作物实际腾发量(AET)的计算采用当日潜在蒸发量(PET)与土壤供水能力两者相比的较小值。

本文利用DRAINMOD 模型模拟的目标函数是统计收割期暗管排水农田地下水位能够满足机械下田作业条件的天数。模型在每日水量平衡计算的基础上，得出可满足机械收割条件的作业天数-工作日，其依据是地下水位埋深，大于设定值则满足要求，否则作业时间后推，直至满足要求。在遇到当日有降雨发生时，模型根据设定的雨量进行判断是否可作业，不行则推迟到下一天或两天后(用户根据土壤排水条件自行设定)。本文利用研究区长序列降雨等气象数据，结合土壤参数测定，模拟分析了分别适于大型和小型机械收割且满足保证率为90%和95%机械收割条件的暗管排水布局。

1.3 DRAINMOD模型主要输入参数及其率定

(1)气象数据：试验站安装的自动气象站记录的2018年气象数据用于模型检验。长序列模拟分析采用了距离试验站约25 km的国家气象信息中心江苏省高邮58241号气象站(119°27′E，32°48′N，海拔5.4 m)1955-2016年的逐日气象数据，包括降雨量、最高气温、最低气温、相对湿度、风速、风向和日照时数等。潜在腾发量(PET)运用Penman-Monteith公式计算得到参考作物腾发量，再由FAO-56[15]推荐的方法乘上不同时段的作物系数进行修正后输入模型。

(2)土壤资料：主要包括不同土层深度的侧向饱和导水率、土壤水分特征曲线，以及土壤入渗和蒸发特性参数。主要土壤输入参数见表2。

(3)排水系统参数：根据研究区的实际情况，确定田埂高度、地表平整度、排水模数、相对不透水层深度等模型参数。排水系统设计的主要输入参数见表2。根据机械作业对地下水埋深控制要求(在地表以下0.6～0.8 m)，本文模拟分析了暗管埋深为80～120 cm之间，不同暗管布置间距条件下水稻和小麦收获期内地下水位埋深的变化情况。考虑到水稻生长期蓄水要求，利用DRAINMOD模型中控制排水模块设置了不同时段的控制排水堰深，列于表2。

表2 DRAINMOD模型主要输入参数Tab.2 Main input parameters for DRAINMOD simulation

1.4 模型率定及不同机械通行对田间降渍要求的模拟

运用模型模拟虽然方便、快捷，但一款模型能否用来模拟分析实际存在的问题，需要通过比较模型模拟值与实测值的差别，对模型进行率定和验证。本文将DRAINMOD模型预测的地下水位埋深与实测值进行了比较，以此验证模型的适用性。在模型率定过程中，将模型预测的地下水位埋深与实测值进行比较，如两者的匹配效果较差，则调整部分土壤参数，使两者从变化趋势和变化幅度两个方面尽量接近。模型预测的准确性，主要根据田间地下水位的实测值与模拟值图形直观比较和统计参数进行评价，对模拟结果评价的统计指标主要有相关系数、平均偏差和平均绝对偏差[16]。

不同荷载的机械下田作业对农田降渍要求不一。大型机械收割速度快，但自身质量重，要求土壤干燥度较高，即田间地下水埋深较大；小型机械收割速度慢，但其自身质量较轻，对降低地下水位的要求也较低，因此，本文分别针对大型和小型机械下田作业要求，模拟暗管排水条件下，满足以下两类排水要求：

(1)大型收割机械：要求将地下水位降至80 cm及以下，考虑到机械工作效率，要求满足机械下田作业时间为总收获期的1/4，即2 d；

(2)小型收割机械：要求将地下水位降至60 cm及以下，要求满足机械下田作业时间为总收获期的1/2，即4 d。

2 结果与分析

2.1 DRAINMOD模型检验结果

本文首先利用研究区2018年5月的地下水位埋深观测值进行了模型率定，然后利用2018年6-8月的地下水位进行了模型验证，结果如图1所示。在模型率定期，DRAINMOD模拟值与实测地下水埋深的变化范围及变化趋势基本一致，二者相关系数为0.86；在模型验证期，模拟值与实测值的变化趋势仍然保持一致，但变幅差距较大，相关系数为0.76，平均偏差为11.57 cm，平均绝对偏差10.37 cm。这些结果说明，DRAINMOD模型能够较好地模拟研究区农田地下水位变化情况。值得一提的是，模型率定期为小麦生长期，而模型验证期则为水稻种植期，同一块农田在两个阶段的土壤特性有一定的差别，即田间土壤参数发生了部分变化，而模型现有版本无法兼顾。但进行长序列模拟时，这一误差因素的影响是有限的。

图1 DRAINMOD模型率定与验证期模拟值与实测值对比图Fig.1 Measured and DRAINMOD simulated water table depth during model calibration and verification period

此外，2018年小麦收获时气象条件较好，未受到降雨影响。水稻收获期则降雨较多。由于试验站目前仅有深度为60 cm，间距为100 m的排水明沟，地下水位降落较慢，2018年水稻实际收割日期被推迟至11月底。

在上述模型检验的基础上，利用DRAINMOD模型模拟研究了稻麦轮作农田降渍效果受不同暗管排水布局的影响，根据不同机械通行对农田降渍要求，分析了满足不同机械收割要求的暗管排水布局。在水稻和小麦适宜收获期，若DRAINMOD模型预测的某日地下水位埋深等于或大于60 cm或80 cm，则认为当日满足小型或大型机械下田收割要求。利用 DRAINMOD 分别模拟了小麦收获期(6月2-8日)和水稻收获期(10月13-20日)在暗管埋深为80～120 cm、排水间距为10～100 m时，在保证率为90%和95%时可满足的机械作业天数受暗管间距和埋深变化的影响。当发生降雨时，降雨量超过10 mm，模型则自动将收获日期推迟1 d。

2.2 小麦收获期不同条件下机械作业天数随暗管间距的变化

DRAINMOD模拟结果显示，在小麦收获期(6月2-8日)在同一目标水位不同保证率条件下，小麦收获期最低可满足的机械作业天数受暗管排水强度的影响：随着暗管间距的增大，机械作业天数逐渐减小；暗管间距不变时，暗管埋深越浅，机械可作业天数越少。在目标水位为60 cm、90%保证率下，暗管埋深为1.0 m，排水间距为30 m时，此时机械作业天数为6 d(实际为5.6 d，但由于天数一般为整数，所以本文中采取四舍五入方法取整数，下同)，当排水间距增大到40 m时，机械作业天数减小为4 d。另外当暗管间距小于60 m时，机械作业天数随着间距减小的速度较快；间距大于60 m时，机械作业天数趋于稳定，说明排水系统的作用微乎其微。相对于暗管埋深，暗管间距对机械作业天数的影响较大，特别在间距较小时，当间距每增加10 m，其机械作业天数最大减小了2 d；但当暗管埋深每增加0.2 m，其机械作业天数变化最大不超过1 d。对比两种不同保证率的情况，在相同排水强度下，95%保证率可获得的机械作业天数小于90%保证率情况，两种保证率下的机械作业天数均相差1 d左右，且均在间距为40 m左右时，相差最大。

在相同保证率、不同目标水位条件下，小麦收获期机械作业天数在两种不同目标水位时的变化趋势基本一致，均随着暗管间距的增大和埋深的减小逐渐减小。在相同排水强度时，目标水位埋深为80 cm比60 cm时的机械作业天数小，大多数情况下，相差1 d左右，但在间距为30 m时，机械作业天数相差达到2 d。在排水强度较大时，不同目标水位条件下的机械作业天数相差不大，在间距为10 m时，两种不同目标水位下的机械作业天数基本一致；当排水强度逐渐减弱时，不同目标水位条件下的机械作业天数均趋于稳定，差值为1 d左右。对比相同保证率、不同目标水位时的机械作业天数发现，当排水强度较大时，95%保证率时的机械作业天数变化幅度较快；当排水强度较小时，90%保证率时的机械作业天数变化幅度较快，但其变化幅度均在1 d以内。当目标水位埋深较大时，机械作业天数受暗管埋深的影响较大。以暗管间距30 m为例，在目标水位埋深为60 cm时，当暗管埋深为1.0 m，机械作业天数为5 d，当暗管埋深减小至0.8 m，机械作业天数接近5 d；而目标水位为80 cm时，当暗管埋深为1.0 m，机械作业天数为4 d，当埋深减小至0.8 m，机械作业天数为3 d，减小了1 d，相对变化较大。

2.3 水稻收获期不同条件下机械作业天数随暗管间距的变化

在水稻收获期(10月13-20日)同一目标水位、不同保证率条件下，DRAINMOD模拟的机械作业天数随着暗管排水强度的减小逐渐减小。不同保证率下，机械作业天数受暗管埋深的影响先增大后减小，影响最大情况为目标水位60 cm、90%保证率、间距30 m，当暗管埋深从0.8m增加到1.0 m时，机械作业天数增加了2 d；随着暗管间距的增大，机械作业天数的变化幅度先增大后减小，在间距为20～30 m时，对机械作业天数的影响最大，影响最大情况为目标水位60 cm、95%保证率、埋深0.8 m，当间距从20 m增加到30 m时，机械作业天数减小了3 d。对比目标水位为60 cm、两不同保证率条件下机械作业天数的变化可知，95%保证率时的机械作业天数对暗管埋深较敏感；另外此种情况下当间距增大至60 m时，暗管排水系统就不能满足机械下田的要求。在水稻收获期不同保证率下，随着暗管间距的增大，排水强度逐渐减小，当小于一定值时，则不能保证机械下田收割，所以就水稻而言，暗管间距不能布设过大。

图3 水稻收获期不同目标水位下分别满足90%和95%保证率的机械作业天数随暗管埋深与间距的变化Fig.3 DRAINMOD simulated working days change with drain spacing and depth for machine harvest of rice in different target water level meeting 90% and 95% probability

对比相同保证率、不同目标水位条件下，水稻收获期机械作业天数受排水强度的影响可发现，在90%保证率时，不同目标水位条件下的暗管埋深为1.0 m和1.2 m时机械作业天数相差不大，但和0.8 m时的相差较大，说明当同一暗管间距下，90%保证率时，当暗管埋深从0.8 m增加到1.0 m比暗管埋深从1.0 m增加到1.2 m对机械作业天数影响更大。另外相对于目标水位较浅，目标水位较深时的暗管埋深对机械作业天数影响更大，在目标水位埋深为60 cm时，暗管间距为20 m，埋深为1.2 m时，机械作业天数为6 d，当埋深减小至0.8 m时，机械作业天数为5 d，均保持在收获期(8 d)一半以上的天数；但在目标水位为80 cm，暗管间距为20 m，埋深为1.2 m时，机械作业天数为6 d，此时当埋深减小至0.8 m时，机械作业天数为3 d，仅为总收获期天数的1/3左右。在不同目标水位条件下，机械作业天数受间距的影响也较大，在30～40 m时，影响最为显著，最大影响天数为4 d。在水稻收获期相同保证率情况下，不同目标水位对机械下田作业达到最少天数(1 d)时的间距影响也较大，例如，在90%保证率时，目标水位为60 cm情况，间距达到70 m，机械仍能下田作业，但当目标水位增大至80 cm时，间距达到50 m，就不能满足机械下田作业。所以为满足机械下田作业要求，暗管间距应相对较小。

2.4 满足机械作业天数要求的暗管埋深与间距组合

根据DRAINMOD模型对水稻和小麦收获期不同保证率和不同地下水位埋深的模拟结果，下面对比水稻和小麦收获期，机械作业天数模拟结果的变化规律。

小麦和水稻收获期机械下田作业天数受排水强度的影响变化趋势是一致的，均随着排水间距的增大逐渐减小，并且在暗管间距较小时，减小幅度较大，随着暗管间距的增大，均趋于稳定或不变，并且小麦和水稻收获期机械下田作业天数受间距影响最大的区间，均为20～40 m。在小麦收获期机械下田作业主要是受暗管间距的影响，暗管埋深对其影响较小，而在水稻收获期，暗管间距和暗管埋深对其影响均较大；并且在相同保证率和同一地下水埋深，小麦受排水强度的影响比水稻小，小麦收获期的机械作业天数均比水稻要大，所以满足水稻机械收割的暗管排水强度即能满足小麦收获期的排水要求；在模拟暗管排水间距和埋深范围内，小麦收获期机械均能下田作业，但在水稻收获期，当排水强度小于某一范围时，则不能保证机器下田收割。

为确定满足目标机械作业天数的暗管埋深与间距组合，在水稻收获期，针对大型和小型机械的两类标准，通过DRAINMOD模型模拟暗管埋深在80～100 cm时，暗管的最优间距。结果显示，基于大型机械收割要求，当暗管埋深为80～100 cm，满足 90%、95%保证率的最大暗管间距分别为：26.0～32.0 m、14.0～21.0 m；基于小型机械收割要求，当暗管埋深为80～100 cm，满足 90%、95%保证率的最大暗管间距分别为：26.5～33.5 m、18.0～23.0 m。

我国现有暗管排水标准的研究中，一般针对旱作物生长季除涝降渍要求制定。1990年版《农田排水技术规程(南方农田暗管排水部分)》[17]中对于砂壤土地区暗管间距的推荐值为16.0～22.0 m。考虑气候和土壤的差异，本文推荐的暗管埋深为0.8～1.0 m，基于大型和小型机械下田作业要求，暗管间距为14.0～33.5 m，与上述规范基本一致，可同时满足排涝降渍标准。

3 结 论

本文运用DRAINMOD 模型，模拟研究了稻麦轮作地区满足一定机械收割保证率的暗管排水布局及其影响因素，得出的主要结论如下。

(1)作物收获期机械作业天数受暗管埋深和排水间距的影响，随着埋深的减小和间距的增大，作业天数逐渐减小。小麦收获期机械下田作业主要是受暗管间距的影响，而在水稻收获期，暗管间距和暗管埋深对其影响均较大。

(2)在相同保证率和地下水埋深时，相较于水稻的情况，小麦收获期的机械作业天数受间距的影响更小，说明水稻收获期更易受降雨的影响；暗管布置应以满足水稻收获期机械下田为设计依据。

(3)在水稻收获期，基于大型机械收割要求，当暗管埋深为80～100 cm，满足 90%、95%保证率的最大暗管间距分别为：26.0～32.0 m、14.0～21.0 m；基于小型机械收割

要求，当暗管埋深为80～100 cm，满足 90%、95%保证率的最大暗管间距分别为：26.5～33.5 m、18.0～23.0 m。

本文利用DRAINMOD模型进行长序列分析时，假设每年作物的最佳收割期为固定时段，实际情况下则会有所调整。但本文基于不同保证率得出的结论具有较好的代表性，成果可为类似地区暗管排水系统设计提供技术参考。

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