沿海地区地下灌排技术研究与评价

管伟李丽李道远王彦东

(1.江苏省临海农场有限公司，江苏 射阳 224353；2.江苏农垦土地资源开发有限公司，江苏 南京 211000；3.宿迁市节约用水管理服务中心，江苏 宿迁 223800)

前言

随着我国城市化进程的加快，大量耕地被转作他用，土地供需矛盾日益突出。土地整治是增加耕地面积和提高土地产能的重要手段[1]。地下灌排工程技术是目前土地整治过程中灌排体系建设的新尝试，包括取水枢纽工程、输配水系统、田间调节系统等。其中，暗管排水技术能够有效控制地下水位，达到农田降渍和快速脱盐目标，具有占地少、见效快等优点[2]，成为地下灌排技术中最广泛使用的技术[3]。另外，暗管灌溉是地下输配水系统中重要组成部分，其能有效减少水分蒸发，提高输水效率和土地利用率[4]。

江苏省沿海地区地势低，地下水位高，其作物易受到盐渍的危害[5]。完善的灌排设施能够充分利用当地的雨水和淡水洗盐，是有效的节地节水方式[6]。但目前沿海地区采用的明沟明渠面临着占地面积大，边坡侵蚀严重，排水脱盐效果差，耕地破碎等问题。而地下灌排技术具有占地面积小，方便机械化作业且维护作用低的优点[7，8]。随着沿海区域经济的发展和美丽乡村与生态文明建设的要求，在沿海地区开展地下灌排工程不仅能提高供水保证率，增加耕地面积，还将改善沿海地区的土壤状况与生态环境。

基于此，本研究以江苏省盐城市射阳县临海农场为研究对象，构建4种不同模式的地下灌排组合，观测不同组合的土壤降渍脱盐效果；结合经济效益和质量指标建立地下灌排工程的评价指标体系，提出最优组合方式，以期为沿海新型地下灌排工程的建设提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验区位于江苏盐城市射阳县临海农场，濒临黄海，地势较低，海拔约2.10m。地下灌排试验在项目区的暗管试验区内进行，项目区均采用暗管灌溉。针对江苏沿海地区灌排与土壤改良面临的地下水水位高，水体含盐量高，土壤返盐重等实际问题，本研究构建了4种不同的节地优化灌排布局模式：“明沟排水+纵向暗管排水”布局模式，“浅沟排水+纵向暗管排水”布局模式，“明沟排水+横向排水暗管排水”布局模式，对照组“明沟排水”布局模式。试验条田设计和设计参数见表1、表2，断面设计图见图1。每个试验条田长度为750m，宽度为50m。

图1 浅沟、农沟、暗管设计断面图

表1 试验条田设计表

表2 地下灌排技术设计参数表

2019年6月—2020年5月在临海农场开展为期1年的田间观测试验。在试验开始前后于每个小区采集上层0～100cm土样混合，采用雷磁DDS-308A电导率仪测定土壤的初始电导率和1年试验后的电导率，计算电导率的增/降幅。为研究地下灌排工程的排水效果，在每个小区挖设1个地下水观测井，并以7月20日灌水试验和8月14日降雨为例，测定灌排水周期和降雨周期地下水位变化情况。此外，在10月水稻成熟后，在每个试验小区选择3个面积为1m2试验点进行测产。

1.2 评价模型构建

建立合理的指标体系是进行地下灌排效果评价的关键。采用理论分析法和专家咨询法相结合，建立地下灌排技术的一般指标体系，分为3个层次，目标层(A)、准则层(B)和指标层(R)，见图2。经济内部收益率(EIRR)和经济效益费用比(EBCR)参照《水利建设项目经济评价规范》(SL-2013)计算；电导率降幅采用试验前后电导率相对降幅；地下水位下降速度采用灌溉和降雨事件中地下水位下降速度平均值；产量增幅采用测产结果。

图2 地下灌排效应评价指标体系

评价方法采用投影寻踪分类模型(PPC)，该方法能够将评价的多维数据降为一维，得到直观的评价结果[9]。建模过程如下。

1.2.1 步骤1：评价指标集的归一化处理

设暗管排水评价指标的样本集为{x*(i，j)|i=1，2，3，…，n；j=1，2，3，…，p}；x*(i，j)为第i个样本第j个指标值；n、p分别为样本的个数和评价指标的数目。由于各指标的量纲和变化范围不一样，需要对评价指标进行归一化处理。

对于越大越优的指标：

(1)

对于越小越优的指标：

(2)

式中，xmax(j)、xmin(j)分别为第j个指标值的最大值和最小值；x(i，j)为指标特征值归一化的序列。

1.2.2 步骤2：构造投影指标函数Q(a)

PPC方法就是把p维数据{x*(i，j)|i=1，2，3，…，n；j=1，2，3，…，p}综合成以a={a(1)，a(2)，a(3)，…，a(p)}为投影方向的一维投影值。

(3)

式中，a为单位长度向量。

然后根据{z(i)|i=1，2，…，n}的一维散布图进行分类，投影值要求呈现局部凝聚和整体分散的特征。因此，投影指标函数表达式：

Q(a)=SzDz

(4)

式中，Sz为投影值z(i)的标准差；Dz为投影值z(i)的局部密度。

(5)

(6)

式中，E(z)为序列{z(i)|i=1，2，…，n}的平均值；R为局部密度的窗口半径，一般可取值为0.1Sz；r(i，j)表示样本之间的距离，r(i，j)=|z(i)-z(j)|；u(t)为一单位阶跃函数，当t≥0时，其值为1，当t<0时其函数值为0。

1.2.3 步骤3：优化投影指标函数

这是一个以a={a(1)，a(2)，a(3)，…，a(p)}为优化变量的复杂非线性优化问题，而遗传算法(GA)以概率选择为主要手段，不需要考虑优化问题的规律，能够解决复杂的非线性优化问题，寻找最优解。因此，本研究采用遗传算法投影指标函数的最优值。

1.2.4 步骤4：分类与优序排列

把由步骤3求得的最佳投影方向代入后可得各样本点的投影值z(i)。z(i)越大代表评价结果越优；越小表示评价结果越差。本研究采用Python软件编译GA-PPC算法。

2 结果

2.1 试验小区土壤性质变化分析

试验实施前后各小区土壤电导率变化见表3。由表3可知，Q4处理试验前电导率最高，达到了7.58mS·cm-1，Q3处理试验后电导率最低，为4.75mS·cm-1。在试验结束后，4个处理表层土壤电导率降幅分别为24.02%、28.18%、31.83%和8.55%。表明“明沟排水+横向降渍暗管排水”的试验处理土壤脱盐效果最好，“浅沟排水+纵向暗管排水”模式脱盐效果次之。此外，在采用浅沟排水模式中，浅沟不易淤积，脱盐效果可能会更优。

表3 试验前后土壤电导率变化表

2.2 试验小区排水效果分析

不同地下灌排组合地下水位的下降深度和速度不同。灌排水周期和降雨排水周期不同处理的地下水位变化图见图3。由图3可知，在排水前期地下水下降较慢，而在排水后期地下水降落速度很快。在4个不同的处理中，Q3的地下水位下降速度最大，灌排水周期和降雨周期地下水位下降速度分别达到了0.149cm·d-1和0.147cm·d-1，Q2次之，Q4处理地下水下降速度最慢，较Q1分别降低了30.10%和40.78%。由此可知，“明沟排水+横向暗管排水”排水效果最好，“浅沟排水+纵向暗管排水”模式排水效果次之。此外，由于浅沟作农田使用，在承接农田排水的同时，亦可种植水生作物，大幅度节约了田间基础设施占地率[10]。项目区浅沟面积约为1.4hm2，项目区采用生态浅沟的排水方式可增加1.7%的耕地面积，这对耕地紧张的江苏省而言具有特别的意义。

注：水位的测量第1次是在灌排结束和降雨结束的第2天8：00，以后每24h测量1次。图3 灌排周期和降雨周期不同试验小区地下水水位变化

2.3 试验小区水稻产量分析

不同试验小区的水稻产量如表4所示。由表4可知，Q3水稻产量最大，达到了7800kg·hm-2，较Q4产量增幅达到了13.87%；Q2处理水稻产量仅次于Q3处理，达到了7580kg·hm-2，与暗管排水降盐结论一致。这可能是因为沿海地区采用暗管排水脱盐后，土壤排水条件改善，土壤中含盐量显著降低，土壤更适宜作物的生长，从而能够保障水稻产量的增加。

表4 不同处理水稻产量变化

2.4 不同地下灌排模式综合评价

依据构建的地下灌排效应评价指标体系，确定采用4个不同处理、5项指标进行评价，对指标进行标准化处理，结果见表5。依据建立的GA-PPC模型，进行求解，算法寻求最优解时适应度随进化次数的进化曲线见图4。

图4 最优个体适应度的进化过程

表5 评价指标标准化处理结果

由图4可知，遗传算法计算进度较快，迭代次数137次拟合误差已降低，得到最终结果，最大投影特征值为0.15308，最佳投影方向a*=[0.0000，0.0937，0.3418，0.8572，0.3749]。由最佳投影方向值可以看出，5个指标影响程度从大到小依次为地下水位下降速度、产量增幅、电导率降幅、EBCR和EIRR。说明在地下灌排综合技术评价中，地下水位下降速度最重要，水稻产量指标次之。

将a*代入，得到地下灌排技术方案评价样本的投影值。将投影值从大到小排列，见表6。由表6可知，样本的投影值越大，表示该技术方案降渍脱盐越好，由此可以看出，各个综合技术方案的优劣排序，处理Q3综合评价结果最好，处理Q2次之，处理Q4最差。在地下灌排技术方案中，“明沟排水+横向暗管排水”的试验方案排水脱盐效果最优，“浅沟排水+纵向暗管排水”的试验方案次之。

表6 地下灌排技术方案评价样本的投影值及其排序

3 讨论

本研究结果表明，“明沟排水+横向暗管排水”排水脱盐效果最好，这与塔吉姑丽·达吾提等[11]研究是一致的。这是因为暗管排水溶解了土壤中的盐分，土壤盐分随暗管水排出，有利于洗盐、降低土壤盐分，横向降渍暗管间距越小，排水脱盐效果越好。该处理的暗管排水处理的地下水下降速度更快，因为该布局模式下水流渗流路径较短，水力梯度较大，能够形成更多的排水通道将农田水分排出[12]。但是待地下水位下降到一定的深度后，其优势不再明显。根据图4，在降雨4d后，该布局模式地下水下降速度低于Q2。此外，该布局模式需要在田间布设大量暗管，可能造成工程量大，成本较高，不利于机械化等问题。

在这种情况下，生态浅沟对农田排水沟进行生态化改造，兼顾农田排水及污染物截留功能。陆宏鑫[13]发现，生态浅沟能够构建与湿地类似的水力条件和适宜的生物栖息环境，形成截留降解途径，通过底泥截留吸附，植物吸收，微生物降解净化等多种机制共同作用，有效控制面源污染。生态浅沟与暗管排水结合是地下灌排中的一种新模式，本研究发现，“暗管灌溉+浅沟排水+纵向暗管排水”的排水脱盐效果仅次于“暗管灌溉+明沟排水+横向降渍暗管排水”，且该方案对原有的沟渠和农田破坏小，工程量较小，成本较低。但是目前针对生态浅沟的研究更多集中于其削减面源污染的方面[14]，结合暗管排水方式保障生态浅沟排水降渍的研究较少，后期将进一步深入研究“暗管灌溉+浅沟排水+纵向暗管排水”的工程建设参数。

4 结论

本研究以江苏省盐城市临海农场为例，开展了4种不同地下灌排组合技术的试验研究，分析了4种组合的排水脱盐效果和产量变化，结合GA-PPC方法构建了地下灌排效应评价指标体系，确定了最优的灌排组合。本文得出主要结论如下。

“明沟排水+横向暗管排水”排水脱盐效果最好，电导率降幅为31.83%，灌排水周期和降雨周期地下水位下降速度达到了0.149cm·d-1和0.147cm·d-1，该处理的水稻产量最高达到了7800kg·hm-2。

“浅沟排水+纵向暗管排水”模式排水脱盐效果次之，电导率降幅为28.18%，水稻产量为7580kg·hm-2。该布局模式浅沟不易淤积，且能够增加项目区约1.7%的耕地面积。