柯春天

（杭州市外國(guó)語(yǔ)學(xué)校，浙江 杭州 310023）

0 引 言

我國(guó)南方地區(qū)水稻種植面積大，由于水稻田蓄、排水設(shè)施功能不完善和不合理的灌溉、施肥、排水，造成了南方地區(qū)的水質(zhì)型缺水[1-2]。以浙江省為例，根據(jù)《浙江省第二次全國(guó)污染源普查公報(bào)》，2017 年浙江省農(nóng)業(yè)面源水污染物排放量中，種植業(yè)污染排放氨氮占71.2%，總氮占84%，總磷占81.3%[3]。水稻生產(chǎn)的節(jié)水、控肥、減污技術(shù)研究迫在眉睫，應(yīng)積極探索運(yùn)用合理的農(nóng)田管理方式，改進(jìn)農(nóng)業(yè)水利設(shè)施，提高化肥的利用率，防治污染物流失[4-5]。稻田精準(zhǔn)灌排管控技術(shù)通過(guò)精準(zhǔn)控制稻田灌水量和排水量，使肥料盡可能保留在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，減少農(nóng)業(yè)面源污染物的排放，改善農(nóng)村水環(huán)境以及保證水稻產(chǎn)量不降低[6-7]。在此形勢(shì)下，本文研究了一種簡(jiǎn)單、實(shí)用、易操作的稻田精準(zhǔn)灌排控制裝置，實(shí)現(xiàn)稻田精準(zhǔn)排水和灌水，對(duì)于南方水稻種植區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水減排和農(nóng)業(yè)面源污染治理具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 當(dāng)前水田田間灌排主要方法

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，稻田田間灌排一般采用簡(jiǎn)易插板式小型水閘灌排、埋設(shè)管道灌排和直接開(kāi)挖田埂灌排等形式。稻田灌排水時(shí)，放水員需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)頻繁調(diào)節(jié)排水口，保持田面合適的水層，作業(yè)量大，遇到暴雨時(shí)，排水不及時(shí)會(huì)導(dǎo)致水稻受淹或排水口坍塌導(dǎo)致水、肥流失，雨水有效利用率低。

2 新型水田精準(zhǔn)灌排控制方法

結(jié)合南方平原河網(wǎng)地區(qū)水稻節(jié)水灌溉技術(shù)的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一種新型水田精準(zhǔn)灌排控制裝置，主要由箱體、滑槽、刻度尺、上下閘板和把手等組成，詳見(jiàn)圖1。針對(duì)南方多雨地區(qū)水稻種植，該裝置可以根據(jù)水稻生育期不同生長(zhǎng)階段的水量需求，采用閘板上部溢流方式，通過(guò)刻度精準(zhǔn)控制灌溉水層。同時(shí)，可根據(jù)水稻不同生長(zhǎng)階段的耐淹深度，蓄積雨水，減少河道取水，既有效攔蓄雨水，又避免過(guò)度受淹引起水稻減產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)稻田水層的精準(zhǔn)控制。針對(duì)冬季旱地作物，該裝置可以調(diào)節(jié)閘板，實(shí)現(xiàn)底部排水，排空澇水。

圖1 水田精準(zhǔn)灌排控制裝置設(shè)計(jì)圖

3 水田精準(zhǔn)灌排控制裝置設(shè)計(jì)

3.1 裝置結(jié)構(gòu)

雙閘板溢流式水田精準(zhǔn)灌排控制裝置為箱式結(jié)構(gòu)，箱體由底板、左右側(cè)板和上部前后支撐梁組成，左右側(cè)板中部設(shè)有上下貫通滑槽，滑槽中部間隔帶1/2 高度設(shè)橫梁，并以橫梁頂面為基面在滑槽中部間隔帶設(shè)刻度尺，橫梁兩側(cè)滑槽上下各安裝一塊閘板，閘板高度為箱體高度的1/2。本裝置可以設(shè)置成長(zhǎng)方體框架，也可以設(shè)置成立方體框架，實(shí)際使用時(shí)可以根據(jù)水田的尺寸大小設(shè)置框架的具體形狀和大小?？蚣芤约跋嚓P(guān)零部件在實(shí)際制造時(shí)可以采用玻璃鋼或者角鐵等材料制成，能夠保證裝置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。底板和側(cè)板的設(shè)置有利于框架整體的穩(wěn)定性，還能確保水流通過(guò)框架內(nèi)排出，避免水流從框架周圍流失，而且底板的設(shè)置便于兩閘板的安裝。

閘板平行設(shè)置為兩個(gè)，兩閘板位于兩側(cè)板之間，每個(gè)閘板均能向上或向下移動(dòng)，且當(dāng)兩閘板上下移動(dòng)時(shí)，水流經(jīng)由框架向外流出。兩閘板設(shè)置為低位板、高位板，水流由低位板一側(cè)朝著高位板一側(cè)向外流出。每個(gè)閘板的高度均低于側(cè)板的高度，且每個(gè)閘板的高度均大于側(cè)板高度的1/2。兩側(cè)板相對(duì)一側(cè)分別安裝有豎直設(shè)置的滑槽，閘板兩側(cè)分別嵌設(shè)在兩滑槽內(nèi)，滑槽內(nèi)固設(shè)有與兩閘板對(duì)應(yīng)設(shè)置的兩限位柱，每個(gè)閘板兩側(cè)均對(duì)稱開(kāi)設(shè)與限位柱對(duì)應(yīng)設(shè)置的一列限位孔。兩閘板之間相互貼合，每個(gè)閘板頂部均覆蓋有第一密封條。兩滑槽內(nèi)分別固設(shè)分隔板，且分隔板將滑槽分成兩活動(dòng)槽，兩閘板分別位于對(duì)應(yīng)的活動(dòng)槽內(nèi)，每個(gè)活動(dòng)槽內(nèi)均固設(shè)有限位柱。兩閘板相對(duì)一側(cè)分別設(shè)置有若干第二密封條。在閘板上設(shè)置把手，把手可以設(shè)置在閘板的頂部或者側(cè)面，便于操作者在閘板上施加作用力。也可以在框架上設(shè)置伺服電機(jī)以及螺桿等來(lái)控制閘板的上下移動(dòng)，甚至還可以通過(guò)電子設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制伺服電機(jī)工作，進(jìn)一步提高自動(dòng)化控制生產(chǎn)的目的。

3.2 裝置安裝與使用

灌排控制裝置安裝在稻田與排水溝之間的田埂上或農(nóng)田排水管靠農(nóng)田一側(cè)，安裝時(shí)橫梁頂面與田面齊平，箱體底板略低于旱季作物田間溝底。灌排控制裝置箱體高度及閘板高度應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)睾导咀魑锱潘螅麻l板高度應(yīng)大于旱季作物田間排水溝深度，建議灌排控制裝置高度為40～50 cm。安裝前要先分清排水閘方向，高位升降門位于水田側(cè)，低位升降門位于排水渠側(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)先在田埂適當(dāng)位置挖一上寬下窄梯形凹槽，底面略寬于灌排控制裝置寬度，然后平鋪一層黏土與生石灰搗碎拌合均勻的混合料，灌排控制裝置定位后壓實(shí)并校準(zhǔn)高程，然后側(cè)板兩側(cè)用黏土與生石灰混合料分層填筑并壓實(shí)，也可用水泥砂漿代替混合料。

雙閘板溢流式水田精準(zhǔn)灌排控制裝置設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮南方地區(qū)稻——旱輪作模式。水稻生長(zhǎng)季，灌排控制裝置下閘板壓至底板擋水，上閘板根據(jù)水稻不同生長(zhǎng)期耐淹深度按滑槽上的刻度進(jìn)行調(diào)節(jié)，攔蓄灌溉水，同時(shí)可將設(shè)定的灌溉水深至水稻耐淹水深之間的庫(kù)容用于積蓄降雨，當(dāng)超量灌水或遇暴雨時(shí)，超過(guò)耐淹深度的多余水量由上閘板頂部溢流至排水溝。旱作物生長(zhǎng)季，上、下閘板全部提至上部，田間澇水經(jīng)灌排控制裝置底板面排至排水溝。

正常排水時(shí)（通常是水田內(nèi)水量過(guò)多），若是從低位板下方排水，水流在重力影響下，具有較大的沖擊力，容易對(duì)農(nóng)作物根部產(chǎn)生影響。因此，正常排水時(shí)直接控制高位板向下移動(dòng)，水流由高位板上方排出，便于水田內(nèi)的儲(chǔ)水由上至下逐漸向外排出，水流流動(dòng)相對(duì)平緩，進(jìn)而確保農(nóng)作物穩(wěn)定生長(zhǎng)。

4 裝置優(yōu)勢(shì)及推廣應(yīng)用

4.1 裝置優(yōu)勢(shì)

現(xiàn)有的水田往往在田埂上開(kāi)設(shè)進(jìn)水口、排水口來(lái)進(jìn)行灌溉以及排水，不能精準(zhǔn)控制水層深度和及時(shí)排水，不能準(zhǔn)確把握排水量。對(duì)于種植的農(nóng)作物來(lái)說(shuō)，不同生長(zhǎng)階段需要的水分不同，如此進(jìn)一步加大了對(duì)水量控制的難度。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，雙閘板溢流式水田精準(zhǔn)灌排控制裝置結(jié)構(gòu)設(shè)置合理，通過(guò)兩個(gè)閘板的設(shè)置控制排水，操作簡(jiǎn)便；通過(guò)控制閘板位置的變化，可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)田水層精準(zhǔn)控制和完全排水的目的，使用效果好。該裝置在水稻生長(zhǎng)期采用閘板頂部溢流排水方式，改變了傳統(tǒng)排水裝置底部排水方式，有效阻止了田面水土流失，同時(shí)由于稻田田面水中氮、磷元素濃度隨田面水深高度從上到下依次升高，在稻田蓄雨情況下，通過(guò)閘板頂部溢流排水可減少農(nóng)田氮磷流失，降低河道污染。通過(guò)控制水田蓄雨深度，可攔蓄雨水，降低洪峰，提升平原河網(wǎng)圩區(qū)運(yùn)行效率。該裝置還具有投資較少、維護(hù)管理方便和維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì)。

4.2 推廣應(yīng)用及效果

水稻節(jié)水灌溉技術(shù)通過(guò)充分利用降雨、減少灌排次數(shù)和灌排水量，達(dá)到節(jié)水減排目的。但在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，放水員的管理水平、稻田的保水蓄水能力，特別是現(xiàn)有的農(nóng)田灌排控制裝置難以管理等問(wèn)題，成為該項(xiàng)技術(shù)的推廣難點(diǎn)。雙閘板溢流式水田精準(zhǔn)灌排控制裝置的研制，為水稻節(jié)水灌溉技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了簡(jiǎn)單易行的手段。雙閘板溢流式水田精準(zhǔn)灌排控制裝置研制并申請(qǐng)專利后，于2021 年在浙江省平湖市灌溉試驗(yàn)站進(jìn)行使用，并在平湖市16個(gè)小型灌區(qū)進(jìn)行推廣，已推廣應(yīng)用3 000 套以上，裝置應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖2。浙江省平湖市水稻種植以單季稻為主，2021 年生長(zhǎng)季為6-11 月，采用水稻蓄雨薄露灌溉方式，薄露灌溉是一種水稻灌溉薄水層、適時(shí)落干露田的灌溉技術(shù)。為提高雨水利用率，平湖市制定了蓄雨薄露灌溉田間水層控制標(biāo)準(zhǔn)，詳見(jiàn)表1。

圖2 水田精準(zhǔn)灌排控制裝置現(xiàn)場(chǎng)圖

表1 平湖市蓄雨薄露灌溉田間水層控制標(biāo)準(zhǔn)（單季稻） 單位：mm

平湖市灌溉試驗(yàn)站試驗(yàn)田水稻種植采用直播方式，于2021 年6 月10-13 日泡田，6 月14 日播種，11 月5 日黃熟，生長(zhǎng)期145 d。水稻生長(zhǎng)期灌溉基本按表1 灌溉上限執(zhí)行，排水口上閘板高度按蓄雨上限執(zhí)行。根據(jù)試驗(yàn)站對(duì)4 個(gè)試驗(yàn)田塊的灌排水觀測(cè)記錄（表2），本田期農(nóng)田灌水量為307.5～368.5 mm，折205.1～245.8 m3，為浙江省薄露灌溉定額（75%保證率）的76%～91%，雨水有效利用率達(dá)到64.1%和66.4%。水田灌溉后，水中含有無(wú)機(jī)氮、農(nóng)藥等物質(zhì)，靜置后一般沉淀在水田底部。排水時(shí)水流從閘門表層開(kāi)始，排走的基本以沉淀后的清水為主，田內(nèi)淤泥和小石塊被阻擋在閘門內(nèi)，既防止農(nóng)作物所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和水土流失，又減少排水溝渠和河道淤泥的堆積，還減輕了河道污染，有利于環(huán)境保護(hù)。經(jīng)過(guò)在平湖市2021 年水稻生長(zhǎng)期的推廣應(yīng)用，水田精準(zhǔn)灌排控制裝充分發(fā)揮了蓄雨、節(jié)水、減排、調(diào)峰等作用，取得了顯著的節(jié)水減排綜合效果，得到種植戶、放水員和農(nóng)技人員的一致好評(píng)。根據(jù)測(cè)算，2021 年平湖市應(yīng)用了水田精準(zhǔn)灌排控制裝置的稻田，同期灌溉用電相比2020 年，減少了26.8 萬(wàn)kW·h，節(jié)電5.7%，灌溉用水減少了約938 萬(wàn)m3。

表2 平湖市灌溉試驗(yàn)站水稻灌排水觀測(cè)記錄

由于該灌排控制裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便，成本低，且操作簡(jiǎn)單，無(wú)需人工值守，減輕了放水員勞動(dòng)強(qiáng)度，具有很好的推廣價(jià)值。

5 結(jié) 語(yǔ)

水田精準(zhǔn)灌排控制是防治水田面源污染的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，能夠發(fā)揮蓄水、節(jié)水、減排、調(diào)峰等作用，明顯減少農(nóng)田面源污染對(duì)水體的影響。本文設(shè)計(jì)的雙閘板溢流式水田精準(zhǔn)灌排控制裝置簡(jiǎn)單實(shí)用，配合水稻節(jié)水灌溉技術(shù)推廣和水稻田防滲、防漏改造，不僅能提升水稻生產(chǎn)過(guò)程中的水肥利用效率，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益，還能通過(guò)有效防治農(nóng)業(yè)面源污染，產(chǎn)生顯著的環(huán)境效益，在水稻種植中值得廣泛推廣應(yīng)用。

在經(jīng)濟(jì)成本可控的前提下，該灌排控制裝置后續(xù)可以考慮增設(shè)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制功能，也可增設(shè)水位監(jiān)測(cè)功能，通過(guò)與進(jìn)水口聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化精準(zhǔn)灌溉，提升農(nóng)田排水管理的數(shù)字化水平。