针对积水控制问题，对改进型非连续地下排水系统的实地测试与数值评估

《Agricultural Water Management》：Field and numerical evaluation of discontinuous improved subsurface drainage for waterlogging control

中国农田排水不足，传统明沟易被填埋导致排水不畅。本文提出不连续改进型地下排水系统（DISD），通过现场试验和HYDRUS-3D数值模拟，对比常规地下排水（CSD）和连续改进型地下排水（ISD）。试验显示DISD短期排水量达CSD的2-2.3倍，长期1.37倍，地下水位下降更快。数值模拟表明DISD滤层长1.2-4m、宽1.2m时排水效率提升1.9-5.4倍，滤层体积仅ISD的6%即可实现同等地表渍水去除效果，且地下水控制优于ISD。研究结果为DISD设计提供科学依据，适用于南方多雨和东北短期暴雨地区，兼具地表渍水快速排出和地下水调控功能，且成本效益更优。

　　随着中国耕地资源日益紧张，传统的地表排水沟正逐步被地下排水系统所取代，这已成为中国水资源管理的一项新兴趋势。地下排水系统旨在解决农田积水问题，但其在消除地表积水方面的效果却受到土壤渗透性的显著限制。为应对这一挑战，研究人员提出了一种新型的“间断式改进地下排水系统”（Discontinuous Improved Subsurface Drainage, DISD），该系统通过将滤料从管道延伸至地表，形成间断式的滤料结构，从而在排水效率和地下水位控制方面展现出更好的性能。本研究通过现场试验和数值模拟相结合的方式，对DISD的排水能力和地下水控制效果进行了系统评估，旨在为农业排水系统的优化设计提供科学依据，并推动其在中国更广泛的应用。

中国作为人口大国，对粮食和高产农业的需求尤为迫切。大多数国家的高产农业都依赖于良好的排水条件，因此，排水系统的建设对农业生产至关重要。尽管不同国家的排水面积比例因气候条件而异，但中国的这一比例仅为0.32，远低于发达国家，如美国、加拿大、澳大利亚、德国、法国和日本的2.0、9.0、1.0、7.7、1.15和1.05。这表明，中国农业排水系统的发展仍不均衡，存在较大的改进空间。同时，由于全球气候变化的影响，水涝灾害变得更加频繁和剧烈，对农业生产造成了更大影响。因此，提升农业排水能力，特别是对地表和地下积水的快速处理，已成为当前农业发展的关键任务。

在中国许多农田中，农民往往将最低级别的排水沟填平用于耕作，因为他们认为水涝问题并非每年都会发生，这样可以节省耕地资源，增加收益。然而，这种做法在洪水发生时可能导致田间积水无法及时排出，进而影响作物产量，尤其是在南方地区。为解决这一问题，地下排水系统被提出作为替代方案。研究表明，地下排水系统在流域水文调控中发挥着重要作用，例如通过排水管道，可以有效回收21%的降水，从而减少地表径流。此外，一些改进型地下排水系统，如ISD（改进型地下排水系统）和结合新钻孔技术的浅层地下排水系统，也被广泛研究。这些系统通过在管道周围使用更透水的滤料材料，并连续铺设，以提高排水效率，但其成本较高，且对机械作业造成一定干扰。

为解决上述问题，DISD应运而生。与传统的地下排水系统（CSD）相比，DISD采用了间断式铺设的滤料结构，使滤料能够从管道延伸至地表，从而在排水过程中发挥更大的作用。这种设计不仅降低了滤料的使用量，还减少了对农业机械作业的干扰，同时通过过滤地表径流中的杂质，如作物秸秆和较大土壤颗粒，防止管道堵塞，提高系统的长期运行效率。在实际应用中，DISD的滤料宽度和长度、滤料之间的间距以及排水管道之间的间距等参数对排水效果具有重要影响。

现场试验在安徽省淮北平原的利辛县进行，该地区以易受地表和地下积水影响的农田为主。试验中，采用直径为90毫米的波纹塑料排水管，并在不同试验条件下测量了排水量和地下水位的变化。试验结果表明，在短期排水测试中，DISD的排水量是CSD的2至2.3倍，而在长期排水测试中，其排水量是CSD的1.37倍。这说明DISD在短期强降雨和地表积水的情况下，具有更高的排水效率。同时，地下水位下降的幅度也更大，DISD的地下水位下降幅度比CSD高23%，显示出其在地下水位控制方面的优势。

为了进一步验证DISD的性能，研究团队使用了经过校准和验证的HYDRUS-3D模型进行数值模拟。模型分析了不同滤料尺寸和铺设间距对排水能力的影响。结果表明，当滤料长度从0.2米增加到4米，且滤料宽度为1.2米时，DISD的排水量可以达到CSD的1.91至5.40倍。这表明，滤料长度对排水能力的影响更为显著。此外，当滤料体积超过ISD的6%时，DISD在地表积水去除方面的表现优于ISD。这说明，DISD在使用较少滤料的情况下，仍能实现良好的排水效果，具有更高的经济性和可行性。

在滤料间距方面，研究发现，随着滤料间距的增加，单位面积的排水量逐渐下降，但其总体排水能力仍保持较高的水平。例如，当排水管道间距为40米，滤料间距为100米时，DISD的排水量仍比CSD高出80%。这表明，即使在较大的滤料间距条件下，DISD依然能有效处理地表积水问题。因此，合理设置滤料间距，有助于在不增加过多成本的前提下，提高排水系统的整体性能。

在地下水位控制方面，DISD表现出更强的能力。例如，在试验中，DISD将地下水位降低至0.4米和0.6米所需的时间比CSD分别减少了11%和8%，这说明DISD在地下水位管理方面具有明显优势。此外，当滤料尺寸为2米长和2米宽时，DISD的地下水位控制效果优于ISD，进一步验证了其在实际应用中的优越性。

尽管DISD在排水和地下水控制方面表现出色，但其在实际应用中仍面临一些挑战。例如，滤料的铺设可能会影响农业机械的作业，尤其是在滤料宽度较大时，可能增加堵塞的风险。因此，未来的研究需要进一步优化滤料的设计，以在提高排水效率的同时，降低对农业生产的影响。此外，排水系统的使用可能导致更多的水资源和污染物被排出，因此在应用DISD时，需要在减少积水与保持土壤水分和减少污染之间找到平衡。

综上所述，DISD作为一种新型的地下排水系统，具有更高的排水效率和地下水控制能力，同时在成本和施工难度方面也更具优势。它能够有效应对南方地区频繁的降雨和水涝问题，提高农田的抗灾能力。然而，为了确保其长期稳定运行，还需要进一步研究其在实际应用中的维护和管理问题，以及如何在不同土壤条件下优化滤料的铺设方式。未来，随着技术的不断进步和对农业可持续发展的重视，DISD有望在中国的农业排水系统中发挥更大作用，为实现高效、可持续的农业水资源管理提供有力支持。