国内外发展现状及趋势分析

(1)农田排水研究现状和发展趋势。农田排水是通过排除农业土地上的过量水分和盐分,调控地下水位,达到改善土壤水分条件,防止涝渍灾害和土壤盐碱化,提高农作物产量和改造中低产田的一种有效措施。3000年前我国已有较为完备的排水系统,至唐代北方已有大规模的排水工程,五代时期,在江苏太湖流域已形成浦塘河网,用以排水、发展灌溉和航运。

我国农田排水工程技术的发展,是从单一明沟排水发展到明沟、暗管、鼠道、竖井及泵站等多种类型的排水工程措施,目前对各种排水工程措施在改造中低产田中的作用及发展方向等方面的认识都比较明确,经验也较为成熟。

明沟仍是当前我国运用最广泛的一种排水措施,它有排涝、排渍、排盐、滞蓄和控制地下水位等多种功能,它的主要缺点是占地多、易滑坡、较难养护。各地因地制宜总结并制定了防御涝渍灾害的明沟排水系统技术方案。暗管排水技术较大规模发展于20世纪70年代末,由于暗管埋于地下,具有不占耕地、使用年限长、便于田间耕作和方便交通等优点。它可控制地下水位,达到排水治渍排盐的作用。竖井排水主要兼具井灌井排作用,在有浅层淡水的地区,利用井灌井排系统开发利用地下水,不仅保证了干旱季节的作物需水,而且通过抽水降低了地下水位,同时起到了排水作用,有利于缓解涝渍灾害,抗旱压盐。这一措施对干旱、涝渍、盐碱多灾种并存的华北平原等地区中低产田改造,起着重要作用。鼠道排水具有施工简便、造价低廉且对排除犁底层滞水和地面残留积水特别有效,在粘质土地区其治渍效果好,所以多用作辅助排水措施,对它的适用条件、结构形式、施工方法等方面已取得较多成果。泵站排水,已广泛用于解决不能自流排水的低洼地、平原圩区等地的排水出路。我国生产实践中,一般均根据各地不同灾害类型、不同自然条件、不同技术经济水平,因地制宜地分别应用上述各项排水措施进行涝渍盐碱灾害的治理。

近20多年来,随着科学技术的进步,农田排水技术和理论发展迅速,主要表现为:①明沟向暗管排水过渡。荷兰暗排面积已占总排水面积的80%以上,埃及属干旱地区,约4000万亩耕地已全部实现灌溉,为防止灌溉土地盐碱化,实施暗管排水的面积已超过3000万亩。②广泛利用塑料管道及研究应用可预包排水管的新型合成过滤材料。荷兰、美国、德国、日本、埃及等国已全面推广应用波纹塑料排水管;荷兰则100%应用波纹塑料管排水。世界上许多国家,如荷兰、法国、西班牙、加拿大、德国、比利时等,近20年来将土工织物用作农田排水暗管的外包过滤材料,开展了大量的研究和田间应用,以取代颗粒松散、重量大、施工难度大的砾石过滤材料。③研制开发新型排水施工设备。英、美、荷兰等发达国家已陆续研制应用了多种型式的开沟铺管机和无沟铺管机等,施工速度和质量都有了极大的提高。④农田排水技术研究的发展趋势由单一目标转向涝渍碱兼治等多目标综合治理,单一工程技术类型转向多种措施相结合的综合类型;单一的水量、水位控制调节到水质控制、溶质运移、污染防治和水环境保护等技术的研究;由单一的任务转向满足农业生产需求和减轻对水体危害的双重任务发展。⑤排水对水环境的影响日益受到普遍关注。近年来,国外研究学者对农田排水条件下减少氮污染的农业措施、管理措施、工程措施和预测评价软件方面做了大量的研究和实际工作。此外,广泛采用计算机模拟软件评价排水系统对水环境的影响,以便采取相应的工程措施、农业措施和管理措施,也是当前的发展趋势。

在过去的年代里,我国的农田排水事业已取得显著成绩,防御自然灾害的能力大大提高,对国民经济发展和人民生活的改善起了重要作用。农田排水科学技术水平有了长足的发展,一些研究成果在实践中得到验证和推广应用,取得了显著的经济效益和社会效益。“九五”期间,针对我国大多数受涝渍威胁地区涝渍相随相伴的特点,对涝渍兼治连续控制的动态排水指标、涝渍兼治的组合排水工程形式及其设计计算方法进行了研究,取得了实用的成果,丰富了农田排水理论和应用技术。近几年,宁夏农业综合开发办利用荷兰政府贷款,引进了荷兰先进的排水设备和技术,在宁夏银北灌区开展了大规模的排水工程建设,有效地调控了地下水位,改善了项目区耕作条件及生态环境,取得明显的社会效益,经济效益和生态效益。

全国各地的农田排水工程建设,在近20～30年来都有不同程度的进展。但由于受传统观念的约束,重灌轻排思想仍然突出,对农田排水的重要性缺乏足够的认识,加上资金投入严重不足,总体而言,我国的农田除涝防御技术还很落后,如农田除涝设施的工程设计标准一般偏低,采用的技术单一,防御能力薄弱,洪涝渍灾害屡屡发生,一些成功的经验尚未得到很好的总结和推广。有些领域的研究还刚刚起步,如农田排水工程的综合防御技术,新技术新材料的开发及推广应用,农田排水对水环境的影响研究,农田排水软件和硬件技术等都存在较大差距,迫切需要加大人力、物力、财力的投入。另据2001年统计数据,全世界灌溉面积为40.5 亿亩,排水面积28.5 亿亩,排灌面积比为0.70。值得注意的是,28.5亿亩排水面积上约有65%在欧洲和美洲,其排灌面积比均大于1,甚至达到2;40.5亿亩灌溉面积的70%在亚洲,其排灌面积比仅为0.30,虽然中国目前为0.37,仍未达到世界平均水平。因而,为防治土壤涝渍和盐碱危害,发展和健全农田排水系统,加强排水理论和技术研究,都值得我们给予极大的关注。

(2)我国在该领域科学研究与国外发达国家的主要差距。

1)治理标准偏低。我国很多地方对排水除涝缺乏足够的认识,特别是近年来北方地区持续干旱,水资源短缺的形势日益紧迫,引起高度重视,而放松了对涝渍灾害的警惕。排水工程投入严重不足,原有的排水河道被占用或淤积堵塞,丧失了排水能力,有些排水工程的排水能力还不到设计标准的一半;一些田间排水沟道被废除,涝渍碱治理的经验和措施得不到推广应用。多数地区排涝标准不足3～5年,与发达国家农村地区的排涝标准相差甚远。

2)施工机械落后。暗管排水施工机械主要有无沟铺管机和开沟铺管机两种。过去由于用刚性管材,且系人工埋设,效率不高,质量难以保证。1979年我国引进荷兰S—90型开沟铺管机并在天津郊区使用;80年代初国内先后研制开发出三种型号开沟铺管机,配备12马力、35马力和75马力拖拉机作动力,开沟埋管深度达到1.0～2.5m。随后,宁夏和新疆分别引进美国和荷兰开沟铺管机,并得到一定规模的应用。随着技术的发展,开沟铺管设备也在不断的改进和完善,以往的开沟铺管机多存在动力不足,纵坡控制较差,在地下水位较高时施工速度慢或很困难,受技术、经济等多种条件的限制,目前我国各类型暗管排水面积不超过150万亩左右,机械化作业水平远低于发达国家。

3)外包过滤材料研究刚刚起步。随暗管排水发展而出现的一个突出的技术问题是,在轻质土内埋管如何才能有效地防止排水暗管被淤堵又能保持稳定的透水性。由于土工织物与传统的过滤排水材料(砂石料等)相比具有产品系列多、性能稳定、质轻、运输施工方便、劳动强度低、工效高、施工质量易保证等优点,世界上许多国家近20年来又将土工织物用作农田排水暗管的外包过滤材料,开展了大量的研究和田间应用,取得了有益的经验。我国在这方面也开始进行一些研究,但系列较短水平较低,实用经验不多。

4)研究的基础条件和技术水平落后。由于对除涝排水没有给予重视和投入严重不足,以往的排水试验站任务削弱、改变,并逐渐移到其他方面的试验研究。农田排水技术领域研究的基础条件设施和信息获取手段还很落后,大部分观测手段原始,依靠人工操作进行,尤其是排水流量和水位的观测,影响了试验数据的精度,而且没有较长系列完整的资料,特别是排水水质的观测数据,限制了农田排水对河流、湖泊等水体环境的影响评价与对策研究。近年来,在排水基础理论研究、排水条件下氮磷运移机理、计算机模拟技术、信息技术在排水领域的应用等研究都缺乏人力、物力和财力的投入,研究成果比较少甚至有些还属于空白。(www.xing528.com)

5)排水对水环境的影响还未引起高度重视。农田排水不仅是有害盐类,而且也是大量污染物质进入水体的主要传输途径,长期以来,化肥和农药的大量使用,对土壤和水体等环境产生了不良影响,已构成目前水质环境恶化的一大威胁,越来越严重地影响着农业生产的持续而稳定的发展。大量研究表明,地下排水中硝态氮的损失是地表水和地下水水质恶化的主要污染源。据有关资料统计,我国的耕地仅占世界耕地的7%,但使用了世界化肥的25%,单位面积化肥使用量为世界之最。1984～1994年,我国化肥用量增加了90.7%,而同期粮食仅增加9.1%,化肥的利用率在降低。以化肥利用率20%～30%和农田排水占灌溉水量的20%～30%计,除了气态氮挥发损失、反硝化脱氮损失外,通过农田排水的氮损失对水体的污染是很可观的。以往研究中,通过地表径流的水土流失和污染物流失对水环境的影响研究一直是我国环境部门、乃至水环境保护研究的重点,而污染物通过地下排水进入地表水体的损失量、损失机理、控制途径一直没有得到高度的重视。一些河流、湖泊经过很多年的治理没有明显的好转,原因是多方面的,而通过农田排水对水体的影响是不可忽视的。

(3)农田排水发展的主要经验和实例。

1)次生盐渍化防治。20世纪以来,近代灌溉工程技术在中国推广应用,对盐碱地改良起了一定的推动作用。20世纪20年代末,陕西省先后修建了泾惠渠、洛惠渠、渭惠渠等大型自流灌区,后来在黄河经过的省、自治区也相继修建或改建了一些自流引水工程,使灌溉面积不断增加。但是,这些灌区都存在有土壤盐碱化威胁,由于规划设计上对排水系统考虑不足,虽然增产效果非常显著,但开灌几年后,局部低洼地区即开始出现次生盐渍化问题。例如,50年代末,黄淮海平原曾大量发展引黄灌溉和平原蓄水,由于忽视排水,导致该平原的冀、鲁豫地区发生大面积的土壤次生盐渍化,使该地区的盐碱地面积在2～3年内由2800万亩迅速增至4800万亩,通过采取停灌或实施节制灌溉,发展井灌井排或渠井结合等措施的10年治理,才得到基本改良和控制。

2)盐碱地改良成效显著。新疆是中国西北地区盐碱地分布面积最大、最集中和盐化程度最重的省份之一,在1.5亿亩的宜垦荒地中,盐碱地约占77%。自新中国成立以来,新疆生产建设兵团等单位,采取健全灌排系统和修建条田,实施冲洗或种稻改良、水旱轮作和牧草轮作等措施,共开垦利用盐碱荒地1300多万亩,使原来浩瀚无际的荒漠和戈壁,变成了由林网和方田构成的绿洲和农场群。在宁夏的银川平原,历史上就是一片白茫茫的盐碱区,主要采取引黄河水灌溉种稻和加强排水等措施,垦殖盐碱荒地75万亩,平均产量达7500kg/hm2 以上,历有“塞上江南”之美称。除上述外,在我国滨海和其他内陆地区,通过灌排配套、洗盐、种稻以及农林牧结合等措施,改良大面积盐碱地,取得了显著成效。

3)旱涝碱综合治理。黄淮海平原是重要的农业区,历史上就是一个旱涝灾害频繁、盐碱地广为分布的地区,有着“涝碱相随”的自然特点。20世纪70年代以来,各地采取井灌井排,渠井结合、深沟抽灌抽排、平地增肥和以调控区域水盐运动为中心等技术,进行旱、涝、盐碱的综合治理,使约6000万亩的盐碱地减少了1/2。

4)排水技术的引进配套及新型合成过滤材料的开发应用。1997年宁夏农业综合开发办利用荷兰贷款,引进现代化暗管排水设备和技术,采用骨干沟道整治与田间暗管排水相结合,在银北灌区开展了大规模的排水工程建设,筛选出暗管排水的新型外包合成过滤材料,开发生产出优质的HDPE 波纹塑料排水管,开发了管材生产设备并与引进的各种排水施工设备配套成龙,为大规模地下排水工程的实施奠定了基础。项目的实施有效地调控了地下水位,改善了项目区耕作条件及生态环境,提高了农作物产量,取得明显的社会效益,经济效益和生态效益。

5)涝渍兼治综合防御。根据我国农业生产中存在着涝渍相伴连续危害和间歇降雨持续危害这一特点,“九五”期间针对农田排水工程建设中的关键技术,对涝渍兼治连续控制的动态排水指标、涝渍兼治的组合排水工程形式及其设计计算方法进行了深入研究。建立了沟管组合和沟井组合的排水试验区,针对淮北地区涝渍灾害的特点,提出沟井组合和沟管组合的适宜排水工程形式和相应的规格标准;分析计算了涝渍兼治的田间各种地下排水模数和地面排水模数,提出了涝渍兼治的组合排水设计新方法;根据典型区涝渍综合试验资料,建立了以累计超标水位为基础的累积减产指标与作物产量的关系模型和受渍条件下的作物水分生产函数模型,研究提出了三种涝渍综合排水指标,建立了农作物产量与涝渍综合排水指标的的关系,在涝渍综合排水指标的基础上,提出了以经济效益最大为目标的涝渍兼治综合排水标准的确定方法。

6)涝渍地综合开发示范区。以江汉平原四湖涝渍地区的两个涝渍地农业小区为研究对象,从涝渍地的区域土地规划学、农田整备原理与方法、土壤地理学等方面探讨了进行涝渍地综合整治与开发的小区规划的一套原理、原则、方法与程序,研究提出了涝渍地的治理应以单元水系的治理为基本单位的观点;研究开发和引进了适合于湿地农业小区排水的数学模型以及农道、沟渠、土地平整的工程技术参数,将“数量化理论”成功引入南方涝渍地农业示范小区的土地规划;提出评价微域农业示范区开发整治效果的一套指标体系。

7)农田排水与水土管理相结合。以宁夏惠农灌区为研究对象,基于田间观测与灌溉试验结果,采用先进的模拟软件开展不同地下水调控深度与灌溉制度相结合的水管理方案下土壤水盐动态的模拟,及不同水管理方案对区域地下排水量影响的模拟评价,分析了土壤水盐动态过程和农田排水系统的作用,对拟定的各种水管理方案进行了综合评价。

此外,对河南人民胜利渠灌区渠井结合、井灌井排条件下的水盐运动监测预报和上海青浦稻作区排水条件下的氮肥运移规律等也进行了系统的探讨与研究,并取得相应成果。在排水理论与计算方法方面,我国具有较高的研究水平,取得的成就显著。