《灌溉排水工程學(xué)》

1、地面水地下水土壤水土壤水是作物生長(zhǎng)環(huán)境的核心固態(tài)：在土壤凍結(jié)時(shí)存在汽態(tài)：存在于未被水分占據(jù)的土壤空隙液態(tài)：吸著水：不能被利用，其上限（最大分子持水率）以下的水分為無效水。毛管水：田間持水率和無效水之間的水，容易為農(nóng)作物利用，稱為有效水。重力水：如地下水位高，停留在根系層的重力水影響土壤的通氣，這部分水稱為過剩水。田間持水率：灌水兩天后土壤所能保持的含水率，它是重力水和毛管水、有效水分和過剩水分的分界線。 根系吸水層的土壤水分農(nóng)作物 地表積水 地下水位到達(dá)根系吸水層 毛管水最容易被旱作物吸收引起水澇災(zāi)害影響土壤的通氣旱作物根系吸水層的允許平均最大含水率為根系吸水層的田間持水率大氣干旱土壤干旱生理

2、干旱土壤溶液濃度不超過作物在各個(gè)生育期所容許的最高值是確定根系吸水層的土壤最低含水率的個(gè)重要指標(biāo)。以鹽漬土為例： min：為按鹽類溶液濃度要求所規(guī)定的最小含水率結(jié)論：旱作物根系吸水層含水率 最大：田間持水率 最?。鹤魑镞m宜的土壤含水率下限田間經(jīng)常需要水層生理上要求土壤水分達(dá)到飽和（除萌芽和成熟期）水稻的灌溉以保證田間有適宜的淺水層適宜的淺水層為水分、養(yǎng)分的供應(yīng)提供良好條件調(diào)節(jié)和改善水稻生長(zhǎng)環(huán)境條件水層的適宜深度：由作物品種、生育階段、自然環(huán)境、人為條件由經(jīng)驗(yàn)來決定。k() 土壤的非飽和導(dǎo)水率分別為x、 y、 z方向的水勢(shì)梯度dt時(shí)間內(nèi)單元體內(nèi)土壤水分質(zhì)量的變化量為 由質(zhì)量守恒定律知兩者在數(shù)值上

3、相等，即：將（12）式代入（14），得：即為非飽和土壤水運(yùn)動(dòng)的基本方程式。D()稱為擴(kuò)散度，表示單位含水率梯度下通過單位面積的土壤水流量。則非飽和土壤水運(yùn)動(dòng)方程又可寫為式中：C(h)=dd h表示壓力水頭減少一個(gè)單位時(shí)，單位體積土壤中所能釋放出來的水體積，其量綱為 L-1 ，稱為容水度或比水容量，它是土壤水分特征曲線上的斜率。入滲前0很小，地面初始入滲速度i 1很大，短時(shí)間內(nèi)就接近飽和含水率s,見圖1-3。隨時(shí)間的延長(zhǎng)，入滲路徑的加大，入滲速度i t不斷減小，最后趨于i f，即接近該土壤的滲透系數(shù)K。通常用入滲速度i t和累積滲水量I與時(shí)間t的關(guān)系曲線描述入滲規(guī)律。式中：i t是任一時(shí)間的入滲

4、速度，以單位時(shí)間滲入土壤的水層厚度(mmmin或cm/h)計(jì)；i 1是第一單位時(shí)間末的人滲速度；t為人滲別間(min或h)；為經(jīng)驗(yàn)指數(shù),決定于土壤性質(zhì)和初始合水牟, =0.3-0.8,般土壤取0.5。將實(shí)驗(yàn)資料I、t按時(shí)序求出i=It，取lg i及1g t，點(diǎn)繪于雙對(duì)數(shù)紙上，可擬合成一條直線，如圖15所示。式中i 0為第一單位時(shí)間內(nèi)土壤滲吸的平均速度用式（110） I t2) 菲利普入滲公式式中：S為滲吸系數(shù)， i f 為穩(wěn)定入滲速度 i f =i ()應(yīng)用統(tǒng)一的能量指標(biāo)“水勢(shì)”來定量研究整個(gè)系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)能量水平的變化：Rsr、Rrl、Rla:分別為土壤水分通過土壤到達(dá)根表皮，由根表皮到達(dá)葉

5、面，由葉面到達(dá)空氣中各段路徑的水流阻力。作物根系吸水，也稱植株蒸騰植株間水分蒸發(fā)，也稱棵間蒸發(fā)滲漏深層滲漏：旱作物田間滲漏：水稻作物需水量：是指生長(zhǎng)在大面積上的無病蟲害作物，在最佳水、肥等土壤條件和生長(zhǎng)環(huán)境中，取得高產(chǎn)潛力所需滿足的植株蒸騰和棵間蒸發(fā)之和，又稱為作物蒸發(fā)蒸騰量。蒸發(fā)蒸騰量與滲漏量之和( + +)統(tǒng)稱為農(nóng)田耗水量。自然因素：氣象條件、土壤特征、作物性狀等人為因素：農(nóng)田灌排措施、農(nóng)業(yè)耕作措施等作物需水量的特點(diǎn)：（1）作物種類不同對(duì)水分要求不同（2）同一作物不同生育階段對(duì)水分要求不同（3）地區(qū)自然條件不同作物需水量不同（4）農(nóng)業(yè)技術(shù)措施不同，作物需水情況不同階段需水模數(shù)：作物各生育階

6、段的需水量占全生育期總需水量的百分?jǐn)?shù)。日需水量：作物每日所需水量。作物的日需水量和階段需水模數(shù)，是制定灌溉制度和合理用水的重要依據(jù)。式中：ET 為作物全生育期內(nèi)總需水量(mm或m3hm2)； Y 為作物單位面積產(chǎn)量(kg/hm2 )；K 代表單位產(chǎn)量的需水量（m3/kg）。K 、 n、c由實(shí)驗(yàn)確定。（3）以多因素為參數(shù)： 以模比系數(shù)法為例：估算作物各生育階段的需水量，先確定全生育期作物需水量，然后按照各生育階段需水規(guī)律，以一定比例進(jìn)行分配，即式中：ETi 某一生育階段作物需水量；K i 為某階段需水模系數(shù)，可以從試驗(yàn)資料中取得。式中：考慮月份的參照作物蒸發(fā)蒸騰量(mmd)；T ：月平均氣溫()

7、； C ：修正系數(shù)；P ：各月晝長(zhǎng)時(shí)間占全年晝長(zhǎng)時(shí)間百分?jǐn)?shù)。 2）以輻射為參數(shù)的計(jì)算方法式中：: 計(jì)算時(shí)段內(nèi)參照作物蒸發(fā)蒸騰量(mm/d)；RS : 計(jì)算時(shí)段內(nèi)太陽輻射，以等效水面蒸發(fā)量計(jì)(mm/d);W : 取決于日平均溫度與高程的權(quán)重系數(shù)；c ：取決于平均相對(duì)濕度與白天風(fēng)速的修正系數(shù)。際Kc ： 作物系數(shù)，與作物種類、品種、生育期、作物群體葉面積有關(guān)。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，作物系數(shù)Kc 在作物全生育期內(nèi)的變化規(guī)律是：前期和后期相對(duì)較小，生長(zhǎng)盛期較大。實(shí)際作物的需水量與參考作物需水量?jī)烧呤軞庀笠蛩氐挠绊懢哂型叫缘摹Ｒ虼?，此時(shí)作物需水量可由參照作物蒸發(fā)蒸騰量乘以作物系數(shù)得到。KW ：土壤水分修正系數(shù)

8、；AW ：相對(duì)有效含水率，p、f分別為凋萎系數(shù)和田間持水率。(m3/hm2或mm)式中：a1:插秧時(shí)田面所需的水層深度(cm)；S1:泡田期的滲漏量，開始泡田到插秧期間的總滲漏量mm;t1:泡田期的天數(shù)； e1:t1時(shí)期內(nèi)田面平均蒸發(fā)強(qiáng)度(mm/d); P1 : t1時(shí)期內(nèi)的降雨量(mm)；水稻生育期內(nèi)灌溉制度：水量平衡方程h1: 時(shí)段初田面水層深度；h2：時(shí)段末田面水層深度；P ：時(shí)段內(nèi)降雨量；m：時(shí)段內(nèi)的灌水量； E ：時(shí)段內(nèi)田間耗水量；c：時(shí)段內(nèi)排水量，式中各式均以mm計(jì)。式中；w0、wt ：時(shí)段初和任意時(shí)間t土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層內(nèi)的儲(chǔ)水量；wT ：由于計(jì)劃濕潤(rùn)層增加而增加的水量；P0 ：土壤

9、計(jì)劃濕潤(rùn)層內(nèi)保存的有效雨量；K ：時(shí)段t內(nèi)的地下水補(bǔ)給量，即K=kt，k為t時(shí)段內(nèi)平均每晝夜地下水補(bǔ)給量；M：時(shí)段t內(nèi)的灌溉水量；ET :時(shí)段t內(nèi)的作物田間需水量，即ET =et , e為t時(shí)段內(nèi)平均每晝夜的作物田間需水量。3)有效降雨量(P0 )：式中：降雨有效利用系數(shù)，其值采用0.70.9； P：實(shí)際降雨量。4)地下水補(bǔ)給量( K )：指地下水借土壤毛細(xì)管作用上升至作物根系吸水層內(nèi)而被作物所利用的水量，與作物種類、作物需水強(qiáng)度、計(jì)劃濕潤(rùn)層含水量等有關(guān)。5)由于計(jì)劃濕潤(rùn)層增加而增加的水量(wt):式中:H1、 H2 ：計(jì)算時(shí)段初、末計(jì)劃濕潤(rùn)層深度(mm) ; A: 土壤空隙率 , 以占土體積

10、的計(jì) ; :(H2H1)深度內(nèi)土層中的平均含水率,以占孔隙率的。W min :土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層內(nèi)允許最小儲(chǔ)水量(m3/hm2或mm)則由上式可推出距離下次灌水時(shí)間間隔t : 相應(yīng)的灌水定額m：上述（1 40）（1 42）式可用土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層（H）內(nèi)儲(chǔ)水量的變化示意圖來表示。得出上述數(shù)據(jù)后，可以確定旱作物播前灌水定額和生育期的灌溉制度。式中：0：播前H土層內(nèi)的平均含水率，以占孔隙率的計(jì)。（3）根據(jù)水量平衡，采用圖解法擬定早作物生育期的灌溉制度的步驟：1）根據(jù)各旬計(jì)劃濕潤(rùn)層深度H 和作物所要求的計(jì)劃濕潤(rùn)層內(nèi)土壤含水率的上限 max和下限 min，求出H土層內(nèi)允許儲(chǔ)水量上限W max（7）曲線及下限W

11、 min（6）曲線(W max=A H max, W min=A H min) ,繪于圖1 12上； 2)繪制作物田間需水量(ET )（1）累積曲線、由于計(jì)劃濕潤(rùn)層加大而獲得的水量(WT )（3）累積曲線、地下水補(bǔ)給量(K )（4）累積曲線以及凈耗水量(ET- WT- K）（1-3- 4）累積曲線；ET- WT- KET- WT- Kw 式中：SWD : 指某時(shí)段的土壤水分虧缺量(mm)； S : 作物根系吸水量(mm) ； E : 棵間蒸發(fā)量(mm) ； P : 有效降水量(mm)； G : 地下水補(bǔ)給量(mm)； I : 有效灌水量(mm)；SWG ：土壤有效儲(chǔ)水量(mm)。只有當(dāng)土壤水分

12、虧缺SWD 超過一定數(shù)值時(shí)，才會(huì)對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生不利影響，此種現(xiàn)象就稱為土壤水分的脅迫現(xiàn)象。式中： T：作物植株正常生長(zhǎng)發(fā)育條件下的蒸騰量(mm)； S ：根系實(shí)際吸水量(mm) 。 只有當(dāng)作物水分虧缺CWD 超過一定數(shù)值時(shí)，才會(huì)對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生不利影響，此種現(xiàn)象就稱為作物水分的脅迫現(xiàn)象。產(chǎn)生作物水分脅迫的臨界水分虧缺值決定于作物的種類、生長(zhǎng)階段及氣象等因素。: 根系活動(dòng)層的平均土壤含水率 f : 土壤田間持水率； w p: 凋萎系數(shù)。 3)旱澇指數(shù)法旱澇指數(shù)是反映土壤水分平衡狀況的指標(biāo), 計(jì)算公式為：E T m+ Wm /W p：需水量，P+R+W0/WP：實(shí)際供水量。一般來說：當(dāng)D 0

13、.5時(shí)，作物受旱；當(dāng)D0.50.8時(shí)，作物受輕旱；當(dāng)0.8D 1.3時(shí)，作物處于適宜生長(zhǎng)階段；當(dāng)D1.3時(shí), 作物受澇。反映土壤水分條件、作物受旱程度、產(chǎn)量水平。 3)水分脅迫指標(biāo)C WSI：在生產(chǎn)實(shí)踐中常用相對(duì)蒸發(fā)蒸騰量的減少來表示作物水分脅迫狀況，即式中： E Ta為作物的實(shí)際蒸發(fā)蒸騰速率(mm/d)；E Tm為充分供水時(shí)的潛在蒸發(fā)蒸騰速率(mm/d)。CWSI 0時(shí)，充分供水； CWSI 1時(shí)，作物蒸騰停止，嚴(yán)重缺水。式中： ET、ETm：作物全生育期內(nèi)的實(shí)際和最大蒸發(fā)蒸騰量。2、以生育階段蒸發(fā)蒸騰量為變量的水分生產(chǎn)函數(shù)模型 （1）相加模型 式中：k 為在生育階段k作物對(duì)水分虧缺的敏感因

14、子； n 為生育階段數(shù)。通常情況下，作物在關(guān)鍵需水期，其敏感指數(shù)大于其它非關(guān)鍵需水期的敏感指數(shù)。(2)約束條件1)決策約束：式中：d i為i階段的灌水量(m3/hm2)；q i為i階段初始單位面積可供水量(m3)；M 為全生育期單位面積作物總可供水量(m3)；ET min, i和ET max, i分別為i階段的最小與最大蒸發(fā)蒸騰量(m3/hm2)。式中： i: i 階段含水率； wp、f：凋萎系數(shù)、田間持水率，以體積為百比計(jì)。(3)初始條件1)第一階段初土壤可利用水量2)第一階段初可用的灌溉水量式中：M 0為第一階段灌溉定額上限2)水量分配方程(5)遞推方程：兩個(gè)狀態(tài)變量(qi,w i)，相應(yīng)有兩個(gè)遞推方程：式中： R i(qi,di)：i階段qi狀態(tài)下作出決策di得到i階段的效益，：余留階段的最大總效益R i (w i, E T i )：狀態(tài)w i下，作出決策ET i所得i階段的效益，：余留階段的最大總效益。根據(jù)動(dòng)態(tài)規(guī)劃逐次漸近法求解。由中等水文年冬小麥優(yōu)化灌溉制度表可以看出：從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段到生殖生長(zhǎng)階段，灌溉對(duì)作物的產(chǎn)量影響較大。式中： i : 第i種作物的灌溉面積(hm2)； m i : 第i種作物某次灌水的灌水定額(m3/hm2);M 凈=M 凈i :求得典型年全灌區(qū)凈灌溉用水量過程線2、多年灌溉用水量的確定按上述第1步逐年推求，即得多年灌溉用水量。3、灌溉