五大湖的排水和水质外文翻译资料

DRAINAGE AND WATER QUALITY IN GREAT LAKES AND CORNBELT STATES^a

By Norman R. Fausey,· Larry C. Brown,2 Harold W. Belcher,3 Member, ASCE,

and Rameshwar S. Kanwar4

ABSTRACT: The soils and the climate of the Great Lakes and Combelt states dictate that drainage is required to carry out economically viable farming activities. When drained, the soils are very productive and this eight-state region accounts for nearly 80% of the agricultural production of the United States. Drainage played an important role in the development of the region and a historical perspective is included to indicate the impetus for drainage and the amount of drainage application. Research results of agricultural drainage effects on water quality indicate that agricultural subsurface drainage has both positive and negative impacts; i.e., reduction in sediment and phosphorous, and increase in nitrate-nitrogen delivery to receiving waters. Research is needed to evaluate the full potential of controlled drainage and water-table management systems for managing ag-ricultural effects on water quality. This information is needed by state and federal agencies to help landowners meet existing and impending water-quality requirements. Drainage is an important management practice for improving water quality while sustaining agricultural viability.

HISTORY AND NEED

Drainage in the Midwest United States began after 1850 when the Swamp Land Acts of 1849 and 1850 released large amounts of swamp and wetlands still owned by the federal government. These lands were released for private devel-opment with the funds from their sale to be used to build drains and levees. Drainage districts began to be organized in the early 1900s. The Reclamation Act of 1902 established the Bureau of Agricultural Engineering within the U.S. De-partment of Agriculture (USDA), which was responsible for the design and construction of many of the major drainage ditches that were installed to create surface water outlets. In terms of hectares of land drained, the eight states that make up the Great Lakes and Cornbelt states (I1Iinois, Indiana, Iowa, Michigan, Minnesota, Missouri, Ohio, Wisconsin) in-clude the top four states plus the 7th, 11th, 13th, and 16th. All together these eight states account for over 20.6 million hectares of land (see Table 1) drained by surface and sub-surface drainage. The drained cropland represents 37% of the total cropland. Without drainage, the U.S. Midwest would not be the most productive agricultural area in the world.

Societys concerns about the quality of our nations surface and ground waters have intensified during the past 25 years. Agriculture is perceived to be an important non-point source of pollution. Agricultural drainage water contributes to the quality of the water in the receiving streams, and the quality of water discharged from subsurface drainage systems also indicates the quality of the water moving to recharge ground-water supplies. It is important to document and understand the effect of agricultural drainage on water quality. At pres-ent, the water-quality impacts of agricultural drainage cannot.

RESEARCH RESULTS

According to a recent review of literature (Fogiel and Belcher 1991a) on the role of water-table management on water qual-ity, the study of water quality associated with subsurface drainage in the Midwest was not reported before 1970. During the 20 years that followed, a number of reports were pub-lished that document the quality of the water discharged through subsurface drains, but there is scant information about the impact of drainage, i,e' compared to no drainage or a pre-sumed natural condition.

Skaggs et al. (1994) also recently completed a comprehen-sive review of research on the hydrologic and water-quality effects of agricultural drainage, Based on their survey of stud-ies in the U.S., Canada, Europe and elsewhere, when com-pared to uncleared land under natural conditions, improved drainage and agricultural production usually increases peak runoff rates, sediment losses, and pollutant loads on surface-water resources. However, for conditions where land has been converted to agricultural production, and where drainage out-lets are in place, improved subsurface drainage has been found to reduce runoff, peak outflow rates, and sediment losses. In addition, improved subsurface drainage may increase the loss of some pollutants and decrease the loss of others.

Within the Great Lakes and Cornbelt geographic region (including the southern portion of Ontario bounded by Lakes Huron and Erie), many of the early research reports focused on characterization of the soluble and suspended constituents in subsurface drainage discharge water. Some reported only on plant nutrient content while others also included sediment and pesticides.

The earliest substantive report was that by Will rich (1969) on the properties of tile drainage water in Iowa, In Willrich (1969), water samples were collected twice a month from 10 subsurface drainage outlets draining 2.4 to 148 ha, The me-dian values for chemical properties of the drainage water ranged as follows: total N = 12 to 27 mg/L; P = 0.1 to 0,3 mg/L; K = 0.2 to 0.8 mg/L; hardness == 350 to 440 mg/L as CaCO' alkalinity == 260 to 330 mg/L; and pH from 7.4 to 7,8. The nitrogen was mostly in the nitrate form.

Bolton et al (1970) measured N, P, K, Ca, and Mg con-centrations in subsurface drainage effluent from 1961 through 1967 at Woodslee, Ontario, Canada, and found that both crop system and fertility-management practice affected the nutrient content of drainage water. Baker et al. (1975) re-ported about nutrient (N, P, and S) c~gt;ntent of subsurface drainage water and water taken from pIezometers at depths deeper than the subsurface drain con?u~ts. The nitr.ate con-tent of the drain water was less or sImilar to that 10 water from the deeper depths. This finding along with data pre-

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五大湖的排水和水质

作者Norman r . Fausey,o . Larry c . Brown,2 . Harold w . Belcher,3名成员，ASCE，

和Rameshwar s . Kanwar4

摘要:五大湖和大湖区的土壤和气候决定了在经济上可行的农业活动需要排水。在排水过程中，土壤非常多产，而这八个州地区占美国农业生产的近80%。排水系统在该地区的发展中起着重要的作用，并从历史的角度提出了排水系统的动力和排水应用的数量。农业排水影响的研究结果表明，农业地下排水系统具有积极和消极的影响。减少沉淀物和磷的含量，并增加对接受水的硝酸盐的输送。需要进行研究，以评估受控制的排水系统和水资源管理系统对水资源质量管理的影响。国家和联邦机构需要这些信息来帮助土地所有者满足现有和即将到来的水质要求。排水系统是提高水质的重要管理手段，同时维持农业的生存能力。

历史和需要

国中西部的排水系统始于1850年，1849年和1850年沼泽地的土地行为释放了大量沼泽和湿地，这些沼泽和湿地仍然属于联邦政府。这些土地以私人的方式出售，从出售所得的资金用于建造排水沟和堤坝。在20世纪初，排水区开始组织起来。1902年的填海工程在美国农业部(USDA)中建立了农业工程局，负责设计和建造许多主要的排水沟，这些沟渠是用来建造地表水的。在土地枯竭的情况下，组成五大湖和玉米带州的八个州(I1Iinois、印第安纳州、爱荷华州、密歇根州、明尼苏达州、密苏里州、俄亥俄州、威斯康星州)在前4个州和第7、第11、第13和第16个州。这八个州的土地面积超过了2060万公顷(见表1)，由于地表和地下排水的原因。排干的农田占总耕地的37%。如果没有排水系统，美国中西部地区将不会是世界上最有生产力的农业地区。

在过去的25年里，社会对我国表面和地下水质量的担忧有所加剧。农业被认为是一个重要的非点源污染。农业排水对接收流的水质有贡献，地下排水系统排出的水质量也表明水的质量正在向地下水补给。摘要了解农业排水对水质的影响是重要的。在农业排水的水质影响不能简单明了地陈述。与耕作、耕作顺序、生育管理、场地条件、土壤和气候的相互作用是复杂的，而且没有充分的记录，在本文中，我们对在中西部土壤和气候条件下进行的研究进行了综述，这些研究表明农业排水对水质的影响。

研究成果

根据近年来关于水表管理对水水质的影响的文献回顾(Fogiel和Belcher 1991a)，在1970年之前没有报道过关于在中西部地区地下排水的水质研究。在接下来的20年里，有许多报告都是关于通过地下排水系统排放的水的质量，但是没有关于排水的影响的信息，我说，“相比没有排水或预先的自然条件。”

斯卡格特等人(1994年)最近完成了一项关于农业排水系统水文和水质影响的综合研究，该研究的基础是对美国的研究加拿大、欧洲和其他地方，当在自然条件下进行未开垦的土地时，改善排水系统和农业生产通常会增加最高的流量，沉积物损失和地表水资源的污染。然而，对于土地已转化为农业生产的条件，以及在哪里排水，改善了地下排水系统，以减少径流、峰值出水率和泥沙损失。此外，改善地下排水系统可能会增加一些污染物的损失，减少其他污染物的损失。

在大湖和玉米带地理区域(包括安大略湖的南部部分是休伦湖和伊利湖)，许多早期的研究报告集中在地下排水排水的可溶性和悬浮成分的描述。一些报告只对植物的营养成分进行报道，而其他的则包括沉淀物和杀虫剂。

最早的实质性的报告,将丰富的属性(1969)瓷砖排水水在爱荷华州,在Willrich(1969),水样收集每月两次从10地下排水渠道消耗2.4 148公顷,排水水的化学性质的me-dian值范围如下:总N = 12 - 27 mg / L;P = 0.1为0,3 mg / L;K = 0.2 - 0.8 mg / L;硬度= = 350 - 440 mg / L CaCO”碱度= = 260 - 330 mg / L;和pH值从7.4到7、8。氮的主要成分是硝酸盐。

从1961年到1967年，在加拿大安大略省的伍德斯利(Woodslee)，博尔顿等人(1970)测量了地下排水系统中的氮、磷、钾、钙和镁的聚集，发现作物系统和施肥管理都影响了排水系统的营养成分。贝克等人(1975)关于营养物质(N,P,S)的重新移植，在地下排水系统的地下排水和水中所取的水，比地下排水孔深。nitr。排在下水道的水，与从更深的深处的10个水差不多。这一发现与Gambrell等人的数据(1975a,b)有关，排水系统减少了土壤可溶性碳含量，从而减少了硝化作用，这意味着更多的硝酸盐可以向地下水和基流流动。麦尔等人(1976)提出了可溶性碳水化合物的证据。地下排水的含水量低，对流水的有机碳含量影响最小。

贝克和10hnson(1977)总结了在五大湖和康贝特州内外的几项研究的结果，主要是关于径流、地下排水和基流的农业排水质量。他们认为，地下水中硝酸盐的浓度高于径流，在径流中，氨的浓度通常大于地下排水，s ~ b水面排水的磷浓度。结果表明:径流比地表径流的含水量更大，径流比地下排水更大，而径流比地下排水系统更能使土壤流失。这些结论并不是基于排水和非排水农业用地的侧边，而是代表了径流和地下排水的一般条件。

洛根和施瓦布(1976)监测了在俄亥俄州的一个县，从费尔德-田野要么是连续的玉米，要么是已建的苜蓿。他们重新移植了N、P和沉淀物。(1981)在印第安纳州东北部的霍伊特维尔淤泥土壤附近的一个地下排水系统中测量出的沉积物、杀虫剂和营养物质。法乌西(1983)报告了俄亥俄州西南部马丁斯维尔附近的克莱蒙特卢拉姆土壤的地下排水系统的N、P和沉淀物。这些研究的结果与贝克(1977年)总结的结论一致。

研究了种植系统、耕作和生育管理对地下排水水质的影响。贝克和10hnson(1981年);Kanwar et al .(1983年);Kanwar(1988);Kanwar et al .(1988);Kanwar和Baker(1991,1993)在爱荷华州的实地研究实验中取得了成果。

(1978)兰德尔和尼尔森(1985);布勒等人(1993年);兰德尔等人(1993年)在米尼萨塔的研究中提出了研究结果。1989年的《黄金与Loudon》报道了密歇根州萨吉诺湾东南部的粘土壤土上的土壤表面水质的耕作效果。洛根等人(1989年，1994年)报告了在俄亥俄州西北部干旱和潮湿气候条件下，干旱和湿润气候条件下耕作对营养和农药含量的影响。(1992年)在加拿大安大略省伍德斯利附近的布鲁克斯顿陶土里，受耕作影响的土壤中含有农药含量。这些研究结果表明，耕作制度、耕作制度和生育管理对地下排水系统中硝酸盐和总氮的数量和时间有很大的影响，但却很少。或对其他水质参数没有影响。这些研究并没有量化排水和排水的影响，以及排水对水质的影响。

很少有研究报告指出水的质量是由一个特定的农业管理系统和没有地下排水系统的。在俄亥俄州，施瓦布等人(1980年)报告说，通过表面排水和地下排水的地块，水的质量被交付。他们的研究结果证实，除了总氮含量外，地下排水水质比径流水质好。这个实验的另一个特点是，对两个深度的地下排水系统进行了监测，分别是0.9米和0.4米，从施瓦布等(1985年)的数据来看，显示从较浅的排水沟里的水所含的沉积物和营养比从更深的下水道里的水少。排水系统的浅层放置并不是一种常见的做法(除了在安大略省)，但是水逻辑和水质的好处可能来自于浅的放置。

印第安纳州，Kladivko等人(1991年)评估了排水间隔对地下排水质量的影响。重新移植的水、营养和杀虫剂的数量与更宽的(12米和24米)的排水间隔相比，更大，更窄(6米)。这一研究还说明，大多数(通常超过90%)的mtrn -氮与地下排水(在10月至5月间)被移走:在之后2个月内就发生了清除杀虫剂的现象。

最后两项引用的研究(Schwab et al . 1980;Kladlvko et al . 1991)提供的证据表明，排水强度影响地下排水水质。不那么严重的排水系统(即更宽的间距和更浅的深度)，地下排水排水水质较好。

在五大湖和共带州的研究重点已经转移到水表管理(WTM)。最近的研究描述了水表管理对输送到接收流和含水层的水质的影响。表管理结合了传统地下排水和结构改进,允许。排水系统(控制排水)的控制。通过地下管道系统(sublrngatJon)。大多数表2排水系统的水质(Schwab等，1985)

通常，现有的常规地下排水系统被修改为可用于水表管理的能力。到目前为止，还没有报告和预期的结果，如预期的那样，结果是非常站点和管理特定的。然而，早期的迹象表明，良好的设计和操作的水表管理系统提供了水质和经济效益。

密歇根的研究人员一直在两个地点监测地下排水系统中溶解的营养成分。1987年，灌溉对水质的影响成为了位于密歇根州中部的班尼斯特中心(Belcher 1990)的部分研究成果。1989年8月，在托斯卡县发起了一项关于灌溉的水质研究产品。

到目前为止，由灌溉/排水系统所控制的水表的非点源污染，来自于潮湿的农田和农田的地下排水系统，以及仅用于排水的地下排水系统。20个月的监测(1987、1988和1987年)班尼斯特网站锰浸种交付从田地到出口沟的地下管道系统降低64%。地下灌溉没有影响溶解由 排水系统。平均锰浸种浓度地下排水排放水是5.7 ppm相比与地下灌溉/排水从地下排水只有9.0 ppm。平均磷-磷浓度为0.12ppm，有排泄/排水和0.08 ppm，只有地下排水。

现场,1990年和1991年增长季节(12个月的监测),减少58%的锰浸种和减少16%溶解观察世界的地下灌溉相比,传统的地下排水。5月至10月,地下灌溉治疗降低了平均锰浸种浓度在地下排水水从1990年的41.1到13.3 ppm,并在1991年18.2到9.9 ppm。每一个生长季节平均溶解磷磷浓度几乎相等。

结果表明，所有玉米生产的结果表明，通过灌溉控制地下水位，可以为农业提供支持，从而减少硝酸盐的非现场输送。

据报道，在爱荷华州的WTM中心受影响的玉米生长参数早前就有报道(Kalita和Kanwar 1992)。在爱荷华州的一个力场中，水表深度为0.3、0.6和0.9米，主要是在埃姆斯、爱荷华地区和可变的地下水位下进行的。从不同的土壤深处采集了水样，以分析近地表地下水中的硝酸盐含量。用WTM方法改变地下水中硝酸盐的浓度。最低的硝酸盐浓度是在浅水层下观察到的。在所有的WTM实践中，在生长季节中，地下水的硝态氮浓度随深度和时间的增加而减少。研究结果表明，WTM的做法可以大大减少近地表地下水中氮-氮的浓度(Kalita et al . 1992;Kanwar和Kalita 1990;Kanwar et al . 1993)。

在俄亥俄州，1985年，根据库珀等人(1991年)的报告，采用地下灌溉系统对地下水位进行了研究。在1987年开始进行水质监测，并增加了额外的实地设施，为研究提供了三个地点:伍斯特、霍特维尔和俄亥俄州的皮克顿。结果从1992年和1993年的地区的结果显示，在生长季节，对近地表地下水的水质进行了比较，结果表明，在生长季节，使用灌溉对土壤水的水质进行了比较，结果显示在图3和4中。下水道是在1991年早期安装的。该地区1991年没有出现。1992年种植了6块玉米和6块种植大豆。1993年，所有的地块上的作物都发生了变化，以建立玉米大豆轮转。1992年是非常潮湿的一年，1993年非常干燥。一般来说，在常规排水区下的近地表地下水比在苏伯里封闭的地块下有更大的硝酸盐浓度。

约束条件和机会

随着美国从农业社会发展到城市社会，资源视角也发生了变化。在国家基础上，生产农业生产中有不到2%的产量是有效的。生态环境问题已经成为社会关注的焦点。这些关切与排水有关的影响首先是由1977年的行政命令(E.O. 11990)制定的，该命令制定了一个国家政策，没有(进一步)净损失湿地。再加上农业经济的衰退，使得资本无法用于排水方面的改善，在20世纪80年代，排水系统的发展速度明显放缓。

1985年的《农业法案》规定，要继续符合联邦政府计划的成本分担和补贴的条件，农民必须采用被称为“Swampbuster”的法案条款。这些主张禁止通过排水系统来改变湿地。1990年的农业法案对现有的湿地进行了更加严格的限制。

在中西部各州的许多农业土壤中，有几个因素导致了水问题的过度:土壤质地优良，土壤结构粗大，土壤渗透率低，土壤密实，土壤夯实，土壤剖面上有限制性的地质层，以及过量的降水。纹理影响土壤水的承载能力和渗透率。细密的土壤(相对较大的硅大小的颗粒)一般都能保持水的良好，但是与粗质地的土壤(大比例的沙粒大小的颗粒)相比，排水能力较差，而且排水良好，但具有较差的水保持能力。

研究需求

为了控制或管理农业管理系统的水质影响，需要进行更多的研究，以确定水资源管理的全部潜力。需要考虑的水表管理实践是控制排水和灌溉。Cooper等人(1991)的数据清楚地显示了大豆种植的收益。Fogiel和Belcher(l99Ib)和Belcher(1992)的数据显示玉米和甜菜的产量效益。尾矿库管理研究也需要评估短期和长期的影响:命运和农用化学品运输;土壤性质、土壤和机动性参数;表层和次表层水和泥沙运动;生物动力学在根区土壤系统;以上,地下工厂发展为各种各样的农作物。

在农田中使用动物废物处理，应调查控制的排水系统。在冬季，在土壤中对未使用的氮素进行污染的可能性也需要调查。

地下微生物生态学，或这些效应如何转化为农业化学品的退化。这种信息的缺乏反映了人们对这一领域的兴趣只在最近才发展起来的事实，因此，关于地下生态的普遍缺乏信息存在。此外，需要对构建或加强湿地生态系统的农业排水系统的相互作用进行评估。

在水系水域减少硝酸盐浓度可能通过增强脱氮(Burford和Bremner 1

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