錢 爭，馮紹元，莊旭東，于 昊，袁成福

?農(nóng)田排水?

基于RZWQM2模型的農(nóng)田排水暗管優(yōu)化布置研究

錢 爭，馮紹元*，莊旭東，于 昊，袁成福

（揚(yáng)州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009）

【】研究河套灌區(qū)葵花種植區(qū)暗管排水條件下農(nóng)田土壤水分變化狀態(tài)，探求當(dāng)?shù)剡m宜的農(nóng)田排水暗管布置和控制排水方案。基于2018—2020年田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對RZWQM2模型進(jìn)行率定和驗(yàn)證，并利用該模型對不同排水暗管布置方案（同一間距不同埋深和同一埋深不同間距）和控制排水方案（不同時期不同排水口深度）下的土壤水分運(yùn)移和作物生長情況進(jìn)行數(shù)值模擬。①模型率定和驗(yàn)證階段，砂土層土壤含水率為0.049～0.065 cm3/cm3，其余土層土壤含水率為0.012～0.037 cm3/cm3，累計排水量和產(chǎn)量分別在5.88%和3.40%以下，地下水位、1 m土層土壤儲水量和葉面積指數(shù)2分別在0.798、0.817和0.912以上；②以現(xiàn)有排水暗管埋深1.5 m、間距45 m為基礎(chǔ)，模擬得到采用埋深1.4 m、間距45 m的布置方案其地下水位抬高5.2 cm、排水量減少40.0%、增產(chǎn)85.3 kg/hm2；③采用雨季1.5 m、非雨季1.2 m排水口深度的控制排水方案，地下水位抬高2.2 cm、排水量減少46.0%、增產(chǎn)66.4 kg/hm2。RZWQM2模型能較好模擬排水條件下葵花種植區(qū)農(nóng)田土壤水分變化，研究區(qū)推薦采用1.4 m埋深、45 m間距的排水暗管布置方案，在現(xiàn)有布置下雨季1.5 m、非雨季1.2 m的控制排水方案較為合適。

RZWQM2；暗管排水；控制排水；葵花；河套灌區(qū)

0 引 言

【研究意義】河套灌區(qū)是我國重要的商品糧、油基地[1]，其中葵花是其主要的經(jīng)濟(jì)作物之一[2]。河套灌區(qū)屬于中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年蒸降比在10以上，其引黃灌溉水量占灌區(qū)農(nóng)業(yè)總用水量的主體地位，屬于典型的灌溉農(nóng)業(yè)[3]。土壤鹽堿化是河套灌區(qū)的現(xiàn)實(shí)問題之一，其形成與灌區(qū)氣候、地形、水文地質(zhì)等密切相關(guān)，其中相對滯后的排水設(shè)施建設(shè)是導(dǎo)致灌區(qū)土壤鹽堿化的主要原因之一[4]。暗管排水是一種通過埋設(shè)暗管以達(dá)到排水控鹽目的農(nóng)田排水方式，近年來在河套灌區(qū)已經(jīng)具有了應(yīng)用的基礎(chǔ)和趨勢[5]。但不盡合理的暗管布設(shè)，使得田間土壤含水率過低，從而影響作物生長等問題。同時由于指令性節(jié)水，河套灌區(qū)引水量減少了20%以上，提高灌溉水分利用效率也成為河套灌區(qū)的迫切需求?？刂婆潘且环N適時適量減少排水輸出以達(dá)到保墑增產(chǎn)等目的的水管理措施[6]。因此，研究河套灌區(qū)暗管排水條件下作物生長過程中農(nóng)田土壤水分變化狀態(tài)，優(yōu)化排水暗管布置形式，合理設(shè)計控制排水方案，對于促進(jìn)當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物增產(chǎn)和農(nóng)田保墑等具有現(xiàn)實(shí)意義。

【研究進(jìn)展】針對暗管排水試驗(yàn)，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了較多的研究，DRAINMOD、SWAP和HYDRUS等模型被廣泛用于模擬暗管排水情況[7]。根區(qū)水質(zhì)模型RZWQM（Root-Zone-Water-Quality- Model）是一款綜合性過程模型，國內(nèi)外學(xué)者廣泛利用該模型模擬不同地區(qū)不同田間管理措施條件下土壤水分、養(yǎng)分和作物生長等情況，并取得了較為滿意的模擬結(jié)果。Johnsen等[8]在北卡羅來納州應(yīng)用RZWQM模型對0.9 m埋深、不同間距（7.5、15和30 m）的暗管排水條件下地下水位進(jìn)行模擬，得到較好的模擬結(jié)果。Singh等[9]使用愛荷華州某水質(zhì)站點(diǎn)的地下排水流量數(shù)據(jù)對RZWQM模型進(jìn)行校準(zhǔn)和評估，并模擬得到不同土壤和天氣條件下的地下排水流量。林雪松[10]以2007—2008年河套灌區(qū)解放閘灌域田間試驗(yàn)為基礎(chǔ)，證明RZWQM模型可以應(yīng)用于河套灌區(qū)大田試驗(yàn)的模擬，可用于優(yōu)化灌溉制度和施肥制度。孫懷衛(wèi)等[11]在上海市大棚試驗(yàn)基地采用RZWQM模型對暗管排水試驗(yàn)區(qū)的地下水位、排水總量、60 cm深度內(nèi)土壤水氮儲存量等進(jìn)行率定和驗(yàn)證，并模擬得到布置合理的暗管間距和控制排水出口深度可以達(dá)到控制田間水氮的目的。【切入點(diǎn)】但是截至目前，國內(nèi)應(yīng)用RZWQM2模型在開展排水條件下作物生長過程中農(nóng)田土壤水分變化狀態(tài)的研究較少，尤其是河套灌區(qū)運(yùn)用該模型開展相關(guān)研究的適用性也有待進(jìn)一步深入研究。【擬解決的關(guān)鍵問題】基于2018—2020年田間試驗(yàn)觀測資料，對RZWQM2模型的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行率定和驗(yàn)證。應(yīng)用模型模擬得到不同排水暗管布置方案和控制排水方案對葵花種植區(qū)地下水位、排水量和作物產(chǎn)量的影響，旨在為當(dāng)?shù)乜ǚN植區(qū)優(yōu)化排水暗管布置、保障作物產(chǎn)量及水資源高效利用等提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本研究于2018—2020年在內(nèi)蒙古巴彥淖爾市中國農(nóng)業(yè)大學(xué)永濟(jì)試驗(yàn)站（107o16′E，40o44′N）進(jìn)行。該試驗(yàn)站所在的河套灌區(qū)緊鄰黃河，平均海拔為1 043.4 m，為中溫帶半干旱大陸性氣候。該地區(qū)擁有豐富的光熱資源，年日照時間約3 200 h，年蒸發(fā)量2 032～3 179 mm，而降雨匱乏，年降雨量90～300 mm，故常年采用黃河水灌溉。試驗(yàn)站所在區(qū)域2018—2020年葵花生育期內(nèi)總降雨量分別為154.6、45.2和121.2 mm，地下水埋深在0.7～2.0 m范圍內(nèi)變化。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)區(qū)種植作物為葵花，采用寬窄行種植，田間管理情況見表1。試驗(yàn)區(qū)此前為荒地，于2018年完成包括暗管排水工程在內(nèi)的綜合整治工程，并開始種植作物，其中（2018年6月3日）淺層（0～40 cm）土壤初始含鹽量為2.10～4.10 g/kg，深層（40～100 cm）土壤初始含鹽量為0.96～1.87 g/kg，地下水礦化度為0.55～0.60 g/L。根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r，設(shè)計3個不同灌溉定額的處理，分別為1 200、975、750 m3/hm2，試驗(yàn)區(qū)布置圖見圖1。暗管排水工程采用1.5 m埋深、45 m間距、13.3 cm直徑的PE打孔波紋管進(jìn)行布置，見表2。灌溉用水為黃河水，其電導(dǎo)率為0.625 mS/cm，來水時間由當(dāng)?shù)毓芾聿块T統(tǒng)一調(diào)配，灌水量用水表控制，其他管理措施與當(dāng)?shù)匾恢隆?/p>

表1 葵花田間管理

圖1 試驗(yàn)區(qū)布置圖

表2 試驗(yàn)布置

1.3 測定項(xiàng)目與方法

氣象數(shù)據(jù)主要由永濟(jì)試驗(yàn)站內(nèi)自動氣象站采集，包括最低氣溫、最高氣溫、風(fēng)速、風(fēng)向、相對濕度、光合有效輻射、降雨時間及降雨量等。

土壤物理性質(zhì)基本數(shù)據(jù)主要測定各試驗(yàn)處理100 cm以內(nèi)土層（0～20 cm以10 cm為間隔，20～100 cm以20 cm為間隔）的土壤樣品，包括顆粒級配、干體積質(zhì)量、體積含水率等。其中，采用馬爾文帕納科激光粒度儀（Mastersizer 3 000）測定顆粒級配。采用環(huán)刀法測定干體積質(zhì)量。采用環(huán)刀浸泡法測定飽和含水率。采用圭爾夫滲透儀（Guelph Permeameter)）測定飽和導(dǎo)水率。采用烘干法測定質(zhì)量含水率，并結(jié)合干體積質(zhì)量得到對應(yīng)的體積含水率，每10 d測定1次，灌水前后加測1次。地下水埋深數(shù)據(jù)由鋼尺水位計（JK50）測量觀察井得到，每3～4 d觀測1次。排水?dāng)?shù)據(jù)由太陽能板供電的電磁流量計自動記錄，定時進(jìn)行抄錄。

作物生長指標(biāo)包括，株高、葉面積、產(chǎn)量等。其中，各生育期觀測主要結(jié)合各生育階段特征，記錄生育期內(nèi)各階段的起止時間，見表3。葉面積采用精度為0.01 m的卷尺測量，每10 d測量1次。葉面積指數(shù)采用長寬系數(shù)法，折算系數(shù)取0.75。待收獲時，各處理隨機(jī)取10株葵花，脫殼、曬干后用電子秤測得籽粒質(zhì)量，再換算得到各處理產(chǎn)量。

1.4 RZWQM2模型

RZWQM2模型于1992年由美國農(nóng)業(yè)部大平原系統(tǒng)研究所（USDA-ARS）研發(fā)，最初用于模擬非飽和或飽和條件下的土壤水分和溶質(zhì)運(yùn)移，隨版本迭代增加了對地下排水等情況的模擬[9]，并逐漸成為一個描述農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)物理、生物和化學(xué)過程的綜合性過程模型，本研究采用4.2版本。RZWQM2模型使用Green-Ampt方程描述降雨或灌溉入滲，使用Richards方程描述土壤水分再分布，使用Hoogenhout穩(wěn)態(tài)方程模擬地下管道排水。模型上邊界為蒸發(fā)邊界，暗管排水條件下邊界采用定通量邊界（Constant Flux）。

在本研究中，主要用模型中的物理運(yùn)移模塊和作物生長模塊，這2個模塊之間是相互影響的。率定時采用模型內(nèi)嵌的PEST（參數(shù)估計軟件）按照物理運(yùn)移模塊、作物生長模塊的先后順序進(jìn)行率定[12]，部分參數(shù)采用相關(guān)文獻(xiàn)的經(jīng)驗(yàn)值。試驗(yàn)區(qū)土壤機(jī)械組成和率定后的土壤參數(shù)見表4。模型的模擬運(yùn)行效果采用均方誤差、平均相對誤差和決定系數(shù)2進(jìn)行評價。

表3 葵花生育期

表4 試驗(yàn)區(qū)土壤機(jī)械組成和率定后的土壤參數(shù)

圖2 土壤剖面體積含水率模擬值與實(shí)測值比較

2 結(jié)果與分析

2.1 模型率定與驗(yàn)證

2.1.1 物理運(yùn)移模塊的率定和驗(yàn)證

利用A處理2020年的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行模型參數(shù)的率定，2018年和2019年實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的驗(yàn)證。應(yīng)用模型對各剖面土壤體積含水率進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如圖2所示，和如表5所示。由圖2和表5可知，除60～80 cm以外的土層，土壤體積含水率最大為0.0370 cm3/cm3，最大為13.29%，土壤含水率的率定與驗(yàn)證過程中模擬值與實(shí)測值吻合較好。深層土壤體積含水率模擬效果優(yōu)于表層，這是由于表土層受耕作、侵蝕以及蒸發(fā)蒸騰等影響較大。對于60～80 cm土層，其土壤體積含水率最大為0.064 9 cm3/cm3，最大為29.46%，模擬效果劣于其他土層模型結(jié)果，且實(shí)測值基本大于模擬值，原因是該土層土壤性質(zhì)不均勻且與相鄰?fù)翆又g土壤水力特性差異較大，模型未能考慮到土壤性質(zhì)的空間變異性。總體上，土壤體積含水率模擬值較好地反映了實(shí)測值的變化趨勢，且隨著土壤深度增加，模擬精度增加，與房全孝[13]、李艷等[14]模擬結(jié)果相似。

應(yīng)用模型對1 m土層土壤儲水量進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，1 m土層土壤儲水量的率定與驗(yàn)證過程中模擬效果較好。

應(yīng)用模型對地下水埋深變化進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，在模型率定與驗(yàn)證過程中，地下水埋深的實(shí)測值與模擬值擬合效果較好。

表5 土壤含水率模擬值與實(shí)測值的RMSE和MRE

圖3 1 m土層土壤儲水量模擬值與實(shí)測值比較

圖4 地下水埋深模擬值與實(shí)測值比較

以2018年為主的部分排水?dāng)?shù)據(jù)由于電磁流量計維修、讀數(shù)間隔過大等原因?qū)е沦Y料缺損，因此以2020年排水?dāng)?shù)據(jù)作為率定，以2019年排水?dāng)?shù)據(jù)作為驗(yàn)證，結(jié)果如圖5、圖6所示。由圖5可知，逐日排水量實(shí)測值較模擬值存在延后且延后時間不一致，模擬值峰值大于實(shí)測值峰值，其產(chǎn)生原因一方面是模型對地表積水模擬不佳，灌溉時模擬入滲速率大于實(shí)際入滲速率，另一方面是模型將排水過程簡化為二維剖面進(jìn)行模擬，未考慮到實(shí)際排水時具有一定長度的排水路徑且到達(dá)電磁流量計時間受排水流速影響。由圖6可知，雖然排水有延后的影響，但總體上，累計排水量模擬效果還是較好的。

綜上，土壤體積含水率、1 m土層土壤儲水量、地下水埋深和累計排水量的模擬效果較好，其判定指標(biāo)均在合理的誤差范圍內(nèi)，表明經(jīng)過率定和驗(yàn)證后的RZWQM2模型能夠較好地模擬排水條件下作物生長過程中農(nóng)田土壤水分的變化狀態(tài)。

圖5 逐日排水量模擬值與實(shí)測值比較

圖6 累計排水量模擬值與實(shí)測值比較

2.1.2 作物生長模塊的率定和驗(yàn)證

RZWQM2模型內(nèi)嵌的DDSAT（Decision Support System for Agrotechnology Transfer）4.0模塊是一個基于物理、化學(xué)和生物過程的綜合模塊，可用于模擬多種作物受農(nóng)業(yè)管理實(shí)踐和環(huán)境條件的影響[15]。由于當(dāng)?shù)胤N植品種與DDSAT中的葵花備選品種均不一致，故在選取最接近品種的作物生長參數(shù)作為初始值，并對其進(jìn)行校正，使得率定過程中作物的模擬值與實(shí)測值盡量一致[16]，各個參數(shù)具體名稱及取值范圍如表6所示。應(yīng)用A處理2020年的作物數(shù)據(jù)進(jìn)行模型參數(shù)的率定，2018年和2019年作物數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的驗(yàn)證。應(yīng)用模型對葉面積指數(shù)進(jìn)行模擬，其中2018年無葉面積定期實(shí)測數(shù)據(jù)，結(jié)果見圖7。由圖7可知，各評價指標(biāo)均在合理誤差范圍內(nèi)，模擬效果較好。作物生育期的前中期葉面積指數(shù)模擬值與實(shí)測值吻合較好，但生育末期差異較大，這可能是由于生育末期葵花葉片掉落速度快于模擬情況，且模型未能有效模擬葉片破損、卷葉等情況對葉面積指數(shù)的影響。

應(yīng)用A處理對作物產(chǎn)量進(jìn)行率定（2020年）和驗(yàn)證（2018、2019年），模擬情況見圖8。結(jié)果顯示，2018、2019年和2020年分別為136.0、128.7和185.5 kg/hm2，分別為2.89%、3.00%和3.40%，均在合理的誤差范圍內(nèi)。其中，2019年受到當(dāng)年降雨量偏少且未進(jìn)行秋澆壓鹽保墑等情況共同影響導(dǎo)致當(dāng)年產(chǎn)量較低。上述模擬結(jié)果表明，經(jīng)過率定和驗(yàn)證后的RZWQM2模型可用于試驗(yàn)區(qū)葵花生長和產(chǎn)量的模擬。

表6 DDSAT模塊中葵花生長參數(shù)校正結(jié)果

圖7 葉面積指數(shù)模擬值與實(shí)測值比較

圖8 模擬產(chǎn)量和實(shí)測產(chǎn)量比較

2.2 RZWQM2模型模擬與分析

2.2.1 不同布置的排水暗管模擬與分析

排水暗管的埋深、間距和管徑等是否合理布置對于能否充分發(fā)揮暗管排水作用至關(guān)重要。通常情況下，排水暗管一經(jīng)布置后，考慮到工程成本等因素，短時間內(nèi)不會再進(jìn)行重新布置。結(jié)合2020年水文年為平水年[4]，施肥等農(nóng)田管理措施多年一致，因此，在2020年已有暗管排水試驗(yàn)區(qū)田間試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合模型模擬得到的布置方案，對于試驗(yàn)區(qū)所在區(qū)域具有借鑒意義。利用率定和驗(yàn)證后的RZWQM2模型，以2020年A處理（排水暗管1.5 m埋深、45 m間距）為基礎(chǔ)，結(jié)合試驗(yàn)區(qū)當(dāng)?shù)厍闆r，通過設(shè)置同一埋深（1.5 m）下不同間距（35、40、45、50、55 m）和同一間距（45 m）下不同埋深（1、1.2、1.4、1.5、1.6、1.8 m）對全生育期的平均地下水埋深、累計排水量和葵花產(chǎn)量進(jìn)行模擬，結(jié)果見圖9、圖10。由圖9可知，同一埋深條件下隨著排水暗管間距增加，地下水埋深變淺且累計排水量減少，說明較小的排水暗管布置間距將提高土壤排水能力。產(chǎn)量模擬說明，在1.5 m埋深條件下，隨著排水暗管間距逐漸增大葵花產(chǎn)量先增后減，其中按50 m間距布置能獲得較好的葵花產(chǎn)量。由圖10可知，同一間距條件下隨著排水暗管埋深增加，地下水埋深變深且累計排水量增加，說明較大的暗管埋深布置將提高土壤排水能力。產(chǎn)量模擬說明，在45 m間距條件下，隨著排水暗管埋深逐漸增加葵花產(chǎn)量先增后減，其中按1.4 m埋深布置能獲得更好的葵花產(chǎn)量。與基礎(chǔ)布置相比，暗管埋深1.5 m、間距50 m的布置其地下水位抬高1.3 cm、排水量降低40.0%、增產(chǎn)13.3 kg/hm2；暗管埋深1.4 m、間距45 m的布置其地下水位抬高5.2 cm、排水量降低40.0%、增產(chǎn)85.3 kg/hm2。

圖9 排水暗管埋深1.5 m時不同間距布置的平均地下水埋深、累計排水量和產(chǎn)量模擬

圖10 排水暗管間距45 m時不同埋深布置的平均地下水埋深、累計排水量和產(chǎn)量模擬

綜上，在排水暗管布置時，在現(xiàn)有布設(shè)方案的基礎(chǔ)上，增加間距或減少埋深將提高暗管排水能力，促進(jìn)作物生長，但過大的排水量使得葵花根系層土壤含水率過小，導(dǎo)致作物水分虧缺，影響葵花產(chǎn)量。考慮到埋深1.4 m、間距45 m的暗管布置方案能獲得較優(yōu)的葵花產(chǎn)量，故試驗(yàn)區(qū)建議采用該方案。

2.2.2 控制排水條件下不同水位控制方案模擬與分析

考慮到河套灌區(qū)已有部分地區(qū)進(jìn)行了暗管排水工程建設(shè)，對這些地區(qū)的暗管排水進(jìn)行優(yōu)化需考慮到排水暗管的埋深和間距等布置已經(jīng)固定。因此以試驗(yàn)區(qū)為代表，A處理（排水暗管埋深1.5 m、間距45 m）為基礎(chǔ)，在RZWQM2模型模擬中增設(shè)控制性建筑物——首部閘門（Head Gate），通過調(diào)整閘門深度的方式對排水暗管的排水口深度進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)控制排水的模擬。結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂驐l件和田間管理，對2020年降雨和灌水集中的雨季（7月）設(shè)置閘門深度與已布置排水暗管埋深一致為1.5 m，葵花生育期內(nèi)其他時期作為非雨季（6、8、9月）設(shè)置閘門深度為低于排水暗管埋深，布置方案見表7，模擬結(jié)果見圖11。由圖11可知，總體上隨著排水口深度減少，平均地下水埋深增加，累計排水量減少，葵花產(chǎn)量呈先增后減。在本試驗(yàn)區(qū)不同控制排水方案中，方案二為最優(yōu)方案，在地下水位抬高2.2 cm、排水量降低46.0%的基礎(chǔ)上，增產(chǎn)66.4 kg/hm2。模擬結(jié)果說明，對于已布置暗管排水的區(qū)域，合理地利用首部閘門控制排水口深度進(jìn)行控制排水，是促進(jìn)作物增長的有效措施。

表7 不同控制排水方案設(shè)計

圖11 不同控制排水方案下平均地下水埋深、累計排水量和產(chǎn)量模擬

3 討論

研究區(qū)所在的河套灌區(qū)面臨著水資源短缺、土壤鹽堿化等問題，葵花的生長受土壤水分、鹽分等因素綜合作用。本文應(yīng)用RZWQM2模型重點(diǎn)研究暗管排水條件下作物生長過程中農(nóng)田土壤水分的變化，對同一埋深不同間距和同一間距不同埋深排水暗管布置進(jìn)行模擬，定量分析增加暗管埋深和減少間距對增加排水量、促進(jìn)地下水位降低及提高暗管排水的能力。模擬中發(fā)現(xiàn)，隨著暗管排水能力增強(qiáng)，葵花產(chǎn)量呈先增后減的變化趨勢，這是由于較深的地下水位雖然防止了土壤次生鹽堿化等情況的發(fā)生，但可能導(dǎo)致葵花根系利用地下水困難而影響產(chǎn)量[3]。應(yīng)用RZWQM2模型對現(xiàn)有暗管布置條件下通過首部閘門進(jìn)行控制排水的模擬，發(fā)現(xiàn)在非雨季適當(dāng)減少排水口深度以增加農(nóng)田土壤水分，能夠促進(jìn)葵花產(chǎn)量的提高。

RZWQM2模型可以較好地模擬試驗(yàn)區(qū)排水條件下作物生長過程中農(nóng)田水分的變化狀態(tài)，模擬效果隨土層深度增加逐步改善，這是由于表層土壤受耕作等因素影響較大。模型對累計排水量模擬效果較好，但對日排水量過程模擬存在一些偏差，這是由于模型模擬排水時對地表積水以及排水路徑的模擬不佳。

此外，通過觀測研究區(qū)土壤鹽分得到2018年6月3日淺層土壤含鹽量為2.10～4.10 g/kg，深層土壤含鹽量為0.96～1.87 g/kg；2020年9月20日，淺層土壤含鹽量為2.15～4.22 g/kg，深層土壤含鹽量為1.26～2.09 g/kg，土壤鹽分總體處于動態(tài)平衡狀態(tài)。

4 結(jié) 論

1）應(yīng)用3 a田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)的率定和驗(yàn)證后的RZWQM2模型能夠較好地模擬試驗(yàn)區(qū)暗管排水條件下土壤水分運(yùn)移和葵花的生長。砂土層土壤含水率、累計排水量、地下水埋深、1 m土層土壤儲水量、葉面積指數(shù)和產(chǎn)量的模擬值與實(shí)測值吻合較好。

2）不同布置排水暗管的模擬結(jié)果表明，較試驗(yàn)區(qū)現(xiàn)有排水暗管布置形式，埋深1.4 m、間距45 m的布置形式更為合理，其地下水位抬高5.2 cm、排水量降低40.0%、增產(chǎn)85.3 kg/hm2。

3）采用首部閘門控制排水的模擬結(jié)果表明，在現(xiàn)有排水暗管布置下，通過設(shè)置雨季1.5 m和非雨季1.2 m不同的排水口深度，能夠在地下水位抬高2.2 cm、排水量降低46.0%的基礎(chǔ)上，增加葵花產(chǎn)量66.4 kg/hm2。

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Using Root Zone Water Quality Model to Optimize Subsurface Drain in Hetao Irrigation District

QIAN Zheng, FENG Shaoyuan*, ZHUANG Xudong, YU Hao, YUAN Chengfu

(College of Hydraulic Science and Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225009, China)

【】Hetao irrigation district (HID) is an important agricultural production base in northeastern China but faces soil salinization due to the long-term irrigation using the Yellow river water and poor drainage management. Subsurface drain had been increasingly implemented in the district, but how to improve its effectiveness such that it not only controls groundwater table below a critical depth but can also keep soil sufficiently moist to facilitate crop growth remains obscured. 【】The aim of this paper is to investigate how to achieve this goal through optimizing subsurface drains. 【】We took sunflower as an example and simulated water flow and solute transport in the soil using the root zone water quality model (RZWQM2). The model parameters were estimated by calibration against experimental data measured from 2018 to 2020, and the calibrated model was then used to evaluate how an change in the drain design, including their burying depth and spacing, affects soil water flow and crop growth under different scenarios.【】①Comparison between the calibrated model and the experimental data showed that theof the model for soil water was 0.049～0.065 cm3/cm3for sandy soil and 0.012～0.037 cm3/cm3for other soils, and that the MRE for cumulative drainage and crop yield was below 5.88% and 3.40% respectively; its2was 0.798 for groundwater, 0.817 for soil water storage in 0～100 cm soil, and 0.912 for leaf area index. ②Simulations revealed that raising the bury depth of the drain from current 1.5 m to 1.4 m with the spacing kept at 45 m as used by local farmer can raise the groundwater table by 5.2 cm, reduce drainage loss by 40.0%, and increase crop yield by 85.3 kg/hm2. ③Keeping the drain exit 1.5 m deep in rainy season and raising it to1.2 m deep in other seasons can raise the groundwater table by 2.2 cm, reduce drainage loss by 46.0%, and increase crop yield by 66.4 kg/hm2. 【】RZWQM2 is accurate to simulate water flow and sunflower growth in areas drained by subsurface drain, and its application to Hetao irrigation district indicated that burying the drains 1.4 m deep with a spacing of 45 m was optimal. For areas with drains already installed at 1.5 m deep and 45 m spacing, keeping the drain exit 1.5 m deep in the rainy season and raising it to 1.2 m deep in other seasons worked the best.

RZWQM2; subsurface drainage; controlled drainage; sunflower; Hetao Irrigation District

S276.1

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021007

錢爭, 馮紹元, 莊旭東, 等. 基于RZWQM2模型的農(nóng)田排水暗管優(yōu)化布置研究[J]. 灌溉排水學(xué)報, 2021, 40(7): 113-121.

QIAN Zheng, FENG Shaoyuan, ZHUANG Xudong, et al. Using Root Zone Water Quality Model to Optimize Subsurface Drain in Hetao Irrigation District[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(7): 113-121.

1672 - 3317（2021）07 - 0113 - 09

2021-01-07

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項(xiàng)目（2017YFC403301）

錢爭（1996-），男。碩士研究生，主要從事節(jié)水灌溉與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境的研究。E-mail: 765131065@qq.com

馮紹元（1963-），男。教授，博士生導(dǎo)師，博士，主要從事節(jié)水灌溉與水資源及水環(huán)境的研究。E-mail: syfeng@yzu.edu.cn

責(zé)任編輯：趙宇龍