第1章 绪论
1.1 概述
农田排水在农业生产中有着举足轻重的地位。在低洼易涝地区，没有排水，就没有持续、稳定的农业生产，改善农田排水条件是发展农业生产的关键。在干旱半干旱地区，因不合理灌溉而产生的盐分聚集问题，也需要通过强化排水进行治理，否则会对农业生产带来严重危害。
自然地理和气候条件决定了我国是世界上涝渍灾害发生*为频繁、危害严重的国家之一，涝渍灾害不仅制约农业生产的发展，而且危及人民生命财产安全和社会稳定。据统计，我国约有2/3的资产、1/2的人口、1/3的耕地分布在易受洪涝灾害威胁的区域内，全国有易涝耕地3.66亿亩①，渍害田面积1.15亿亩。截至2014年，我国有农田排水面积3.45亿亩(中华人民共和国水利部，2015)，全国平均农田受灾面积2亿亩，成灾1.1亿亩，每年因涝渍灾害造成的农作物减产约占总产值的5%，其中2013年涝灾导致的粮食减产达282亿 kg。近年来，随着经济社会的快速发展，城市化进程的加快和社会物质财富的增长，加之气候异常变化导致极端降雨的增多，洪涝灾害造成的损失有不断增加的趋势。因此，涝渍灾害治理是我国防灾减灾的重要内容之一。
我国是农业大国、人口大国，农业稳产高产是保障粮食安全、国家稳定的基石。随着社会经济的发展，人民生活水平全面提高，消费结构逐步升级，对粮食产量与品质的要求越来越高，农业生产总体上面临的压力也越来越大。由于全球气候变暖，气候异常加剧，灾害发生频率和危害程度日益增加，加上人口数量仍在增长，我国的粮棉油生产在今后较长时间内仍将是一个高度需求的行业，国际市场粮棉油供应总体也偏紧。根据我国国民经济和社会发展统计资料，2016年我国耕地总面积为20.25亿亩，人口总数为13.8亿，人均耕地1.47亩，仅为世界人均耕地面积2.88亩的一半左右，而且土地产出率低，全国平均亩产仅364kg，仅相当于农业发达国家粮食亩产的一半，这说明我国土地增产潜力还很大。充分发挥中低产田的增产潜力，提高单产，已成为解决粮食问题所采取的战略措施之一。其中，涝渍中低产田水土环境恶劣，作物产量不高，成为我国一些地方农业生产发展、农村经济增长和农民脱贫致富的重要制约因素。
涝渍灾害的主要治理措施是根据农作物对农田水分状况的要求，修建排水系统，及时排除农田中多余的水分，为农作物生长创造良好的环境。新中国成立以来，我国投入大量的人力、物力进行农田水利工程建设，防御涝渍灾害的能力有了很大提高，取得显著的经济效益和社会效益。但是我国目前中低产田面积仍然较大，涝渍灾害仍较严重，依然影响和制约着我国的农业生产，威胁着国家粮食安全。由于降水过多，排水不畅，地表积水造成农作物减产或失收，形成涝灾，特别是一些低洼地区地面积水排除后地下水位持续过高，作物根系层土壤水分过多产生渍害，形成先涝后渍的局面。这在我国一些地区经常出现，给农业生产带来了极大危害。为了保障农业生产的稳产高产，防止涝灾、渍害的发生，必须弄清农作物的涝渍响应机理，以此为依据确定农田排水工程的规模和规格标准，使其满足农作物对农田排涝、治渍的要求，及时排除农田积水，减少淹水深度和淹水历时，并将地下水位尽快降至作物适宜埋深，以保证作物正常生长。
我国易涝易渍农田主要分布在北方地区的黄淮海平原、辽河中下游平原、东北三江平原和松嫩平原等；南方地区的沿江平原圩区、滨湖地区、临海地区、珠江三角洲以及山丘区的冲垄地等。洪涝灾害是淮河流域危害*为深重的自然灾害，也是流域农业生产的主要威胁之一。全流域内约有1.0亿亩耕地属于低洼易涝农田。沿淮和淮北中南部地区经常出现因洪致涝、洪涝并发现象，下游地区还极易遭遇江淮并涨、淮沂并发、洪水与风暴潮并袭的严重局面。特别是面广、量大、灾重的涝渍灾害仍没有得到有效地遏制，而且随着主要支流河道防洪标准的不断提高，干支流及骨干排水系统的排涝控制标准愈显不协调，防洪与除涝的矛盾呈加剧的变化趋势。据统计，在历年洪涝灾害成灾面积中，有约2/3是由涝灾造成的，2003年、2007年的大水造成的涝灾比例均超过2/3。通过对安徽省淮河流域自然灾害对粮食产量波动的危害程度进行系统分析研究表明：安徽省淮河流域涝灾对粮食产量有很大的影响，占自然灾害对粮食产量影响的39.1%，占所有影响粮食产量波动因子的11.0%；当发生3年一遇的涝灾时，将有1325.9万亩的粮食作物受灾，减产240.9万 t；当发生20年一遇的涝灾时，将有4048.4万亩的粮食作物受灾，减产735.6万 t。涝灾对安徽省淮河流域的粮食生产和农业经济都具有深刻的影响，严重制约着农村经济的发展和农民增收。
水是生命之源、生产之要、生态之基。生态环境是人类生存和发展的根基，水生态治理是新时代中国特色社会主义建设的重要任务。水利是农业的命脉，农业的稳产高产离不开合理的灌溉和排水。传统的农田排水强调的是经济效益，而对排水的环境、生态及社会效应考虑不足，导致了诸如地下水与地表水体受到污染、湿地生物多样性系数减小、承泄区防洪压力加大等环境、生态及社会问题。随着农田排水环境、生态、社会效应的日益凸显，只考虑经济效益的传统农田排水方式应向兼顾农田排水各方面效应的综合控制排水方式转变，以客观反映农田排水的现实效应，进而满足社会进步的要求。农田生态排水研究正是基于上述认识而提出来的。为推进水利高质量发展，贯彻“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的新时期治水方针，开展农田生态排水指标、农田控制排水技术、生态排水沟及地表水与地下水联合调控技术的研究，对于我国防洪除涝减灾，以水土资源的合理开发和永续利用支撑农业可持续发展，保障国家粮食安全和生态安全具有重要意义。
1.2 国内外研究现状及发展动态
1.2.1 农田排水指标
1.作物涝渍指标
农田排水指标包括排涝指标、治渍指标和涝渍兼治的排水控制指标。我国早期的研究侧重于单一的排涝指标或治渍指标，涝渍兼治的排水指标研究始于20世纪90年代。排水指标由早期的作物允许淹水时间、地下水位下降速率、适宜地下水埋深、土壤孔隙度等指标发展到一些综合性的排水控制指标，如超标准累积水深(SEWx)、作物生长受抑制天数(SDI)、总排水时间(即地面排水时间+土壤通气率达到10%的时间)和涝渍组合超标准累积水深(SFEWx)等，但其成果应用于生产实践还有一定的距离。
作物生长与地下水位关系密切，实践表明，过高或过低的地下水位都会对旱作物的生长发育产生不利影响，适宜的地下水位埋深有利于旱作物的生长发育，而且不同的作物有不同的适宜地下水位埋深要求。埃及尼罗河三角洲棉花地下水位埋深控制标准大于0.90m；苏里南香蕉地下水位控制在0.65～0.80m；英国的 England地区小麦地下水位埋深，夏季要求大于1.0m，冬季要求大于0.5m；日本结合种植制度提出水旱轮作与一般旱作物在雨后2～3天地下水位宜控制在地面以下0.40～0.50m，正常地下水位(雨后7天以上)宜控制在地面以下0.50～0.60m，北海道开发局驹地排水试验场的观测资料表明，无论大豆、小豆、马铃薯还是牧草，只要地下水位埋深小于0.40～0.50m，其产量均会急剧下降。国内在作物生长与地下水位关系方面进行了大量的研究。安徽省(水利部淮河水利委员会)水利科学研究院不仅经过多年试验研究提出小麦、玉米、大豆适宜地下水埋深的成果，而且自1980年就开始对主要旱作物雨后地下水位排降指标进行系统研究，综合不同作物、同一种作物不同生长时期，提出雨后地下水位平地表3天排降至0.50m左右，以此作为安徽淮北平原区治渍指标。
以一定时期的地下水位连续动态作为控制指标进行排水管理比较符合实际。为此，出现了以作物生长期或生长阶段地下水动态为指标的多种形式。荷兰学者 Sieben提出了以作物生长临界期内地下水埋深小于30cm的累积值 SEW30作为排渍指标，并对 de Noordoostpolder 地区进行研究，提出 SEW30小于200cm d 时，作物的产量受地下水位影响极微，van Schifgaarde则建立了 SEW30与作物相对产量之间的关系。 Hiler提出了阶段性抑制天数指标(SDI)，Evans根据 Hiler的概念提出了敏感性因子(CSi)和抑制天数因子(SDI)的计算表达，并依据试验建立了玉米相对产量(Ry)与抑制天数(SDI)的关系。但 CSi还与涝渍程度、作物种类有关。近年来，我国仅在少数地区开展小麦和棉花的抑制天数试验研究，系统化研究很不够，成果也是初步的。综合国内外关于作物地下水动态指标的研究，首先是确定作物受渍的地下水埋深基准值，再以此基准值为基础计算地下水位累积值(SEWx)，反映作物持续受渍累积效应，系统研究 SEWx与作物生长发育及产量的影响是制定排渍指标的基础，这也是今后研究的重点。
我国现行的农田排水试验规范中提出以一次降雨后地下水动态和一定时期地下水位连续动态作为控制指标的农田排渍试验设计及其方法，并且在现行农田排水工程技术规范中提出了排涝、治渍标准，如提出旱作区可采用1～3天暴雨1～3天排除，稻作区可采用1～3天暴雨3～5天排至耐淹水深。安徽省(水利部淮河水利委员会)水利科学研究院在对小麦、玉米、大豆等主要旱作物耐淹指标试验研究的基础上，提出安徽省淮北平原农田排涝指标为1天暴雨1天排除。
涝渍灾害一般具有紧密相随、先涝后渍、涝后渍存的特点。因此，把涝、渍作为统一过程进行研究，具有重要的理论价值和实践意义，这方面的研究国内尚处于起步阶段。在涝渍兼治和组合排水方面，汤广民(1999)利用测坑试验进行了以涝渍连续抑制天数为指标的排水标准研究，建立了棉花相对产量(Ry)与涝渍连续抑制天数指标(CSDI)的关系模型；沈荣开等(2001)在新马桥农水综合试验站利用测坑进行了棉花涝渍综合试验，提出了等效淹渍历时的概念，研究了棉花受涝渍胁迫对产量的影响，并对涝渍兼治农田排水设计标准方法进行了探讨；王少丽等(2001)从涝渍相伴、连续危害的自然特点出发，以水量平衡原理为基础，对涝渍兼治的明暗组合排水条件下的地面、地下排水模数及明暗组合排水计算方法进行了分析探讨；中国农业科学院农田灌溉研究所、武汉大学、中国水利水电科学研究院等单位在“九五”期间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等进行了深入研究，提出了以经济效益*大为目标的涝渍兼治综合排水标准的确定方法、涝渍兼治的组合排水设计新方法及几种典型的组合排水工程模式；朱建强等(2003a)建立了统一考虑涝、渍共同作用的排水指标与棉花产量的关系。但有关多种作物、持续多年以上不同尺度涝渍排水试验的研究尚未见报道。
2.农田排涝标准
目前我国排涝设计标准一般有如下三种表达方式：①以治理区发生一定重现期的暴雨，作物不受涝为标准；②以治理区作物不受涝的保证率为标准；③以某一定量暴雨或涝灾严重的典型年作物排涝设计为标准。目前，我国除涝规划设计中，使用*为普遍的是第一种除涝标准表达方式，这也是我国《灌溉与排水工程设计标准》(GB 50288—2018)中采用的表达方式。这种表达方式除明确指出一定重现期的暴雨外，还规定在这种暴雨发生时作物不允许受涝，即当实际发生暴雨不超过设计暴雨时，农田的淹水深度、历时应不超农作物正常生长所允许的耐淹水深和历时。具体分析方法是，先确定治理措施和规模，在设计暴雨条件下进行排水演算，满足作物允许的耐淹深度和耐淹时间。这种概念能够较全面地反映治理区设计标准的有关因素，是目前*常用的方法。
区域综合排涝标准应由农田排涝标准、各级沟渠排涝标准及各级河道排涝标准构成，河道排涝标准应满足各级沟渠的排涝要求，沟渠的规格标准应满足农田面上除涝排水的要求，而区域具体排涝标准的确定，需对区域排涝工程投资与除涝效益综合分析，通过经济合理性论证来确定。目前，国内外学者对区域排涝标准的确定进行了大量研究，郭元裕等(1984)运用大系统分解协调理论，提出了江汉平原四湖区除
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