作物需水量和灌溉制度講解課件

1、主講教師：譚軍利 博士寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院2012年9月農(nóng)業(yè)水資源利用與管理 作物需水量和灌溉制度內(nèi)容提要 作物需水量（概念及計(jì)算方法） 作物灌溉制度（充分灌溉） 灌溉用水量 灌水率第一節(jié) 作物需水量灌排工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、管理的依據(jù)為什么要學(xué)習(xí)作物需水量？水資源規(guī)劃和開發(fā)利用的必需資料植株蒸騰株間土壤蒸發(fā)深層滲漏農(nóng)田水分消耗的途徑田間滲漏：水稻田的滲漏植株蒸騰和株間土壤蒸發(fā)合稱為騰發(fā)，兩者消耗的水量合稱為騰發(fā)量，通常把騰發(fā)量稱為作物需水量。灌溉需水量：除降雨之外而獲得期望的作物產(chǎn)量和品質(zhì)并使作物根區(qū)保持適宜的鹽分平衡所需的灌溉水量或水深。美國(guó)國(guó)家灌溉工程手冊(cè)P59氣象條件影響作物需水量的影

2、響因素作物特性土壤性質(zhì)氣溫高、日照時(shí)間長(zhǎng)、空氣濕度低、風(fēng)速大、氣壓低等使需水量增加 水稻需水量較大，麥類、棉花需水量中等，高粱、薯類需水量較少； 地面覆蓋、采用滴灌、水稻控灌等能減少作物需水量。 含水量大，砂性大，則需水量大（棵間蒸發(fā)大） 農(nóng)作物技術(shù)措施作物需水規(guī)律 中間多，兩頭少；開花結(jié)實(shí)期需水量最大 存在需水臨界期 水稻 孕穗至開花期 棉花 開花至幼鈴形成期 小麥 撥節(jié)至灌漿期 需水臨界期：在作物全生育期中，對(duì)缺水最敏感，影響產(chǎn)量最大的時(shí)期。 了解作物需水臨界期的意義： 合理安排作物布局，使用水不至過分集中； 在干旱情況下，優(yōu)先灌溉正處需水臨界期的作物。 請(qǐng)你選擇你熟悉的一種作物，通過圖書

3、館及中國(guó)知網(wǎng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，就這種作物的需水規(guī)律寫一篇1000字的論文，并列出你引用的文獻(xiàn)。課后作業(yè)一、直接計(jì)算需水量的方法 1、以水面蒸發(fā)為參數(shù)的需水系數(shù)法(簡(jiǎn)稱“值法”或稱蒸發(fā)皿法) ET= E0 (2-1) ET= a E0 +b (2-2) ET 某時(shí)段內(nèi)的作物需水量，以水層深度mm計(jì)； E0 與ET同時(shí)段的水面蒸發(fā)量，以水層深度mm計(jì)。一般采用80cm口徑蒸發(fā)皿的蒸發(fā)值； a，b 經(jīng)驗(yàn)常數(shù)； 需水系數(shù)，或稱蒸發(fā)系數(shù)，為需水量與水面蒸發(fā)量之比值?！爸捣ā敝灰嬲舭l(fā)量資料，易于獲得且比較穩(wěn)定，適宜水稻等作物，不適宜于旱作物。 水面蒸發(fā)皿的規(guī)格、安設(shè)方式及觀測(cè)場(chǎng)地規(guī)范化 注意非氣象條件(如

4、土壤、水文地質(zhì)、農(nóng)業(yè)技術(shù)措施、水利措施等)對(duì)值的影響注意事項(xiàng)2以產(chǎn)量為參數(shù)的需水系數(shù)法(簡(jiǎn)稱“K值法”)ET作物全生育期內(nèi)總需水量，m3畝； Y 作物單位面積產(chǎn)量，kg畝； K 以產(chǎn)量為指標(biāo)的需水系數(shù)。 ET = KY公式，則K代表單位產(chǎn)量的需水量，m3kg； n、c 分別為經(jīng)驗(yàn)指數(shù)和常數(shù)，可以通過試驗(yàn)確定。ET=KY （2-3） ET=KYn + c (2-4) 對(duì)于旱作物，在土壤水分不足而影響高產(chǎn)的情況下，需水量隨產(chǎn)量的提高而增大，用此法推算較可靠。對(duì)于土壤水分充足的旱田以及水稻田，需水量主要受氣象條件控制，產(chǎn)量與需水量關(guān)系不明確，用此法推算的誤差較大。 模系數(shù)法ETi = Ki ET /

5、100 （3-5） K=ETi / ET 如何估算各生育階段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。ETi 某一生育階段作物需水量； Ki 需水量模比系數(shù)，即生育階段作物需水量占全生育期作物需水量的百分?jǐn)?shù)參照作物需水量ET0 指土壤水分充足、地面完全覆蓋、生長(zhǎng)正常、高矮整齊的開闊(地塊的長(zhǎng)度和寬度都大于200m) 矮草地(草高815cm)上的蒸發(fā)量， 一般是指在這種條件下的苜蓿草的需水量而言。 二、通過計(jì)算參照作物需水量來計(jì)算實(shí)際作物需水量的方法 參照作物需水量主要受氣象條件的影響，所以都是根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件分階段(月和旬)計(jì)算。 計(jì)算ET0；計(jì)算思路

6、根據(jù)作物系數(shù)Kc對(duì)ET0進(jìn)行修正即可求出作物的實(shí)際需水量ET；ET=KcET0作物實(shí)際需水量則可根據(jù)作物生育階段分段計(jì)算。其基本思想是：將作物騰發(fā)看作能量消耗的過程，通過平衡計(jì)算求出騰發(fā)所消耗的能量，然后再將能量折算為水量，即作物需水量。如果能在農(nóng)田中測(cè)算出騰發(fā)消耗的總熱量，便能由此推算出相應(yīng)的作物需水量的數(shù)值。(一)參照作物需水量的計(jì)算 英國(guó)的彭曼(Penman)公式是1948年提出來的，后來經(jīng)過多次的修正。 1979年，聯(lián)合國(guó)世界糧農(nóng)組織對(duì)彭曼公式又作了進(jìn)一步修正，并正式認(rèn)可向各國(guó)推薦作為計(jì)算參照作物需水量的通用公式。參照作物需水量海拔高度影響溫度函數(shù)的改正系數(shù)，p0為海平面的平均氣壓，p

7、為計(jì)算點(diǎn)的平均氣壓標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的溫度函數(shù)，其中為平均氣溫時(shí)飽和水汽壓隨溫度之變率dea/dt，ea為飽和水汽壓，t為平均氣溫，為濕度計(jì)常數(shù)=0.66hPa/太陽凈輻射干燥力，Ea=0.26(1+0.54u)(ea-ed)。ea為飽和水汽壓，ed為當(dāng)?shù)氐膶?shí)際水汽壓，u為離地面2m高處的風(fēng)速Penman-Monteith 公式估算參考作物蒸發(fā)蒸騰量，并根據(jù)公式的要求，對(duì)參考作物蒸發(fā)蒸騰量做了新的定義參考作物蒸發(fā)蒸騰量：假設(shè)作物高度為0.12m，固定的葉面阻力為70s/m，反射率為0.23，非常類似于表面開闊、高度一致、生長(zhǎng)旺盛、完全覆蓋地面且不缺水的綠色草地的蒸發(fā)蒸騰速率。FAO-56推薦使用的公

8、式形式為飽和水汽壓ea與溫度曲線的斜率，kPa/干濕表常數(shù)，kPa/2m高處平均風(fēng)速，m/s作物表面的凈輻射，MJ/（m2.d)土壤熱通量，MJ/（m2.d)平均日或月氣溫， 飽和水汽壓，kPa實(shí)際水汽壓，kPa ET=Kc (ET0) Kc作物系數(shù)。 (二) 實(shí)際需水量的計(jì)算 作物需水系數(shù)Kc不僅隨作物而變化，更主要的是隨作物的生育階段而異。生育初期和末期的Kc較小，而中期的Kc較大。 生育階段播種越冬越冬返青返青拔節(jié)拔節(jié)抽穗抽穗灌漿灌漿收獲全生育期Kc0.860.480.821.001.160.870.87山西省冬小麥作物需水系數(shù)Kc值農(nóng)作物的灌溉制度是指作物播種前(或水稻栽秧前)及全生育

9、期內(nèi)的灌水次數(shù)、每次的灌水日期和灌水定額以及灌溉定額。 第二節(jié) 作物灌溉制度灌水定額(m): 一次灌水單位灌溉面積上的灌水量;灌溉定額(M): 各次灌水定額之和; 單位：(1) m3667m2 = m3/畝； (2) mm 定義 ：灌溉供水能夠充分滿足作物各生育階段的需水量要求而設(shè)計(jì)制定的灌溉制度。一、充分灌溉條件下的灌溉制度確定方法： 總結(jié)群眾豐產(chǎn)灌水經(jīng)驗(yàn) 根據(jù)灌溉試驗(yàn)資料制定灌溉制度 按水量平衡原理分析制定作物灌溉制度（一） 水稻灌溉制度水稻本田的灌溉制度，可分別針對(duì)泡田期和插秧以后的生育時(shí)期進(jìn)行設(shè)計(jì)。泡田定額的目的（M1） 使一定土層達(dá)到飽和時(shí)所需水量 建立插秧時(shí)田面水層深度 泡田期的田

10、間滲漏量和田面蒸發(fā)量1、泡田期的灌溉用水量的計(jì)算M1=0.667（h0+S1+e1t1-P1）泡田定額取決于土壤、地勢(shì)、地下水埋深和犁耕深度等因素。一般h0=30 50 mm。土壤質(zhì)地地下水埋深大于2m地下水埋深小于2m粘土和粘壤土5080中壤土和沙壤土8012070100輕沙壤土10016080130泡田定額：m3/畝生育期灌溉制度的制定 1）按照各地試驗(yàn)資料，合理寫出水稻不同生長(zhǎng)階段的適宜淹灌水層的上限（hmax）和下限（hmin）2）根據(jù)生育期任何一個(gè)時(shí)段t的農(nóng)田來水與耗水，用水量平衡方法確定各時(shí)段的灌溉制度。 水量平衡方程式如下h1 + P + m WC d = h2m = hmax

11、-hminhminhmaxHphminhmaxhp例題，見教材P55.泡田定額為80 m3/畝水稻生育期灌溉水量為227 m3/畝總灌溉定額為307 m3/畝（二）旱作物灌溉制度通常以作物主要根系吸水層作為灌水時(shí)的土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層（H），并要求該土層內(nèi)的儲(chǔ)水量能保持在作物所要求的范圍內(nèi)。ETETETmP0K1、水量平衡方程Wt - W0 = Wr + P0 + K + M - ET式中： Wt, W0 時(shí)段初和任一時(shí)間t時(shí)的土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層內(nèi)的儲(chǔ)水量；Wr 由于計(jì)劃濕潤(rùn)層增加而增加的水量；P0 保存在土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層內(nèi)的有效雨量K 時(shí)段t內(nèi)的地下水補(bǔ)給量，即K =kt；M 時(shí)段t內(nèi)的灌溉水量；ET時(shí)

12、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。mm 或 m3/畝任一時(shí)段內(nèi)土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層的儲(chǔ)水量必須經(jīng)常保持在一定的適宜范圍內(nèi)，處于 Wmin Wmax之間。當(dāng)無有效降雨時(shí)，計(jì)劃濕潤(rùn)層中的儲(chǔ)水量由于作物的消耗接近于Wmin，此時(shí)需要進(jìn)行灌溉，補(bǔ)充水量。Wmin= W0 ET + K 則，推算出開始進(jìn)行灌水時(shí)的時(shí)間間距t= (W0-Wmin) / (e-k) 而這一時(shí)段末灌水定額mm =Wmax -Wmin= 667nH（max min) m =Wmax -Wmin= 667H（max min) 式中 m 灌水定額，m3/畝；H 該時(shí)段內(nèi)土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層深度，m；n

13、計(jì)劃濕潤(rùn)層內(nèi)土壤的空隙率（以占土壤體積的%計(jì)） 2、基本資料的收集 (1) 土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層深度(H) 是指在旱田進(jìn)行灌溉時(shí)，計(jì)劃調(diào)節(jié)控制土壤水分狀況的土層深度。(2)土壤最適宜含水率及允許的最大、最小含水率 適宜含水率因作物種類、生育階段的需水特點(diǎn)、施肥情況和土壤性質(zhì)(包括含鹽狀況)等因素而異； 采用max=田， min為凋萎系數(shù)(3) 降雨入滲量(P0) 指降雨量(P)減去地面徑流損失(P地)后的水量， P0=P-P地 (2-15) 降雨入滲量也可用降雨入滲系數(shù)來表示： P0=P (2-16) 降雨入滲系數(shù)，其值與一次降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨延續(xù)時(shí)間以及土壤性質(zhì)、地面覆蓋及地形等因素有關(guān)。 一

14、般認(rèn)為一次降雨量小于5mm時(shí)，為0； 當(dāng)一次降雨量在550mm時(shí)，約為0.1.0.8； 當(dāng)次降雨量大于50mm時(shí)，=0.70.8。(4) 地下水補(bǔ)給量(K) 地下水補(bǔ)給量系指地下水借土壤毛細(xì)管作用上升至作物根系吸水層而被作物利用的水量，其大小與地下水埋藏深度、土壤性質(zhì)、作物種類、作物需水強(qiáng)度、計(jì)劃濕潤(rùn)土層含水量等有關(guān)。(5)由于計(jì)劃濕潤(rùn)層增加而增加的水量(WT) 在作物生育期內(nèi)計(jì)劃濕潤(rùn)層是變化的，由于計(jì)劃濕潤(rùn)層增加，可利用一部分深層土壤的原有儲(chǔ)水量，WT可按下式計(jì)算： WT =667s(H2 H1)/w 或 WT =667 (H2 H1)n式中： H1計(jì)劃時(shí)段初計(jì)劃濕潤(rùn)層深度， m； H2計(jì)劃

15、時(shí)段末計(jì)劃濕潤(rùn)層深度，m； (H2-H1)深度的土層中的平均含水率， 以占孔隙率的百分?jǐn)?shù)計(jì)，一般田； n 土壤孔隙率，以占土體積的百分?jǐn)?shù)計(jì)； 同，但以占干土重的百分?jǐn)?shù)計(jì)； s 、水 分別為土壤干容重和水的容重，tm3。3、旱作物播前的灌水定額(M1)的確定 M1=667sH（max 0)/w H 土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層深度(m)，應(yīng)根據(jù)播前灌水要求決定； n 相應(yīng)于H土層內(nèi)的土壤孔隙率，以占土壤體積百分?jǐn)?shù)計(jì)； max 一般為田間持水率，以占孔隙的百分?jǐn)?shù)計(jì)； 0 播前H土層內(nèi)的平均含水率，以占孔隙率的百分?jǐn)?shù)計(jì)； max、0同max、0，但以占干土重的百分?jǐn)?shù)計(jì)。灌水率：灌區(qū)單位面積(例如以萬畝計(jì))上所需灌

16、溉的凈流量q凈又稱灌水模數(shù)。 作用：計(jì)算灌區(qū)渠首的引水流量和灌溉渠道的設(shè)計(jì)流量。單位：m3/(s /104667m2 )第三節(jié) 灌水率設(shè)計(jì)方法 ：灌水率q凈應(yīng)分別根據(jù)灌區(qū)各種作物的每次灌水定額，逐一進(jìn)行計(jì)算。設(shè)灌區(qū)面積為A（畝），種有甲、乙、丙種作物，面積各為1 A、 2A、 3A、； 1、 2 、3 分別為各種作物的種植面積占灌區(qū)面積的百分?jǐn)?shù)。作物甲的各次灌水定額分別為m1、m2、 、mn(m3/畝），要求各次灌水在T1、T2、 、Tn晝夜內(nèi)完成，則對(duì)于甲作物，各次灌水所要求的灌水率為第i次灌水時(shí) qi，凈= 1mi / 8.64Ti （3-65）則對(duì)于乙作物，各次灌水所要求的灌水率為第i次

17、灌水時(shí) qi，凈= 2mi / 8.64Ti （3-66）其中T1、T2、 、Tn均為灌水延續(xù)時(shí)間，以d計(jì)。對(duì)于自流灌區(qū)，每天灌水延續(xù)時(shí)間一般以24h計(jì)；對(duì)于抽水灌區(qū)，則每天抽灌時(shí)間以2022h計(jì)，則式中系數(shù)8.64均相應(yīng)地改為7.27.92.我國(guó)各地主要作物灌水延續(xù)時(shí)間大致如下：水稻：泡田期灌水7-15 晝夜，生育期灌水3-5 晝夜。小麥：播前灌10-20 晝夜；拔節(jié)后灌水10-15 晝夜。 棉花：苗期、花鈴期8-12 晝夜，吐絮期8-15 晝夜。 玉米：拔節(jié)抽穗l0-15 晝夜；開花期8-13 晝夜。 對(duì)于灌溉面積較小的灌區(qū)，灌水延續(xù)時(shí)間要相應(yīng)減小，例如，一條農(nóng)渠的灌水延續(xù)時(shí)間一般約12-

18、24h。設(shè)計(jì)步驟：1）先對(duì)某一設(shè)計(jì)代表年計(jì)算出灌區(qū)各種作物每次灌水的灌水率，所得灌水率繪在方格紙上，稱為初步灌水率圖。 2）根據(jù)一定的原則對(duì)初步灌水率圖進(jìn)行修正。從圖上看，各時(shí)期的灌水率大小相差懸殊，渠道輸水?dāng)鄶嗬m(xù)續(xù)，不利于管理。因此需要對(duì)初步灌水率圖要進(jìn)行修正。修正灌水率圖原則 ： 不影響作物需水要求盡量不要改變主要作物關(guān)鍵用水期的各次灌水時(shí)間，若必須調(diào)整移動(dòng)，以往前移動(dòng)為主，前后移動(dòng)不超過三天； 要使修正后的灌水率圖比較均勻、連續(xù)一般最小灌水率不應(yīng)小于最大灌水率的40。大面積水稻灌區(qū)(萬畝以上)的設(shè)計(jì)凈灌水率(q凈)一般為 0.450. 6 m3(s萬畝)； 大面積旱作灌區(qū)的設(shè)計(jì)凈灌水率一

19、般為 0.20.35 m3(s 萬畝)；水旱田均有的大中型灌區(qū)，其綜合凈灌水率可按水旱面積比例加權(quán)平均求得。灌溉用水量: 灌溉土地需從水源取用的水量。 第四節(jié) 灌溉用水量 目的 確定灌溉工程的規(guī)模及可能開發(fā)的灌溉面積 提出用水要求，以便對(duì)水資源實(shí)行統(tǒng)一合理調(diào)度； 進(jìn)行供水與用水的平衡計(jì)算，當(dāng)供水不能滿足用水要求時(shí)，應(yīng)提出所要采取的措施一、設(shè)計(jì)典型年的選擇蒸發(fā)(ET)降雨灌溉地下水的補(bǔ)給由于地下水的補(bǔ)給比較穩(wěn)定，灌溉用水量主要取決于降雨量。降雨量年際變化大，因此各年的灌溉用水量就有很大的差異。如何來確定灌溉用水量首先要確定降雨量確定一個(gè)特定的水文年份設(shè)計(jì)典型年計(jì)算方法： 根據(jù)歷年降雨量資料，用頻

20、率方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析， 中等年 (降雨量頻率為50)、 中等干旱年 (降雨量頻率為75) 干旱年 (降雨量頻率為8590)。 以這些典型年的降雨量資料作為計(jì)算設(shè)計(jì)灌溉制度和灌溉用水量的依據(jù)。 二、典型年灌溉用水量及用水過程線1、直接計(jì)算法 對(duì)于任何一種作物的某一次灌水，須供水到田間的灌水量(稱凈灌溉用水量)W凈， W凈=mA(m3) (3-67) m-該作物某次灌水的灌水定額，m3畝； A-該作物的灌溉面積，畝。全灌區(qū)任何一個(gè)時(shí)段內(nèi)的凈灌溉用水量是該時(shí)段各種作物凈灌溉用水量之和，按此計(jì)算可求得典型年全灌區(qū)凈灌溉用水量過程。灌溉水由水源經(jīng)各級(jí)渠道輸送到田間，一部分水會(huì)損失掉。而為了滿足作物的生長(zhǎng)需要，灌溉需水量應(yīng)當(dāng)包括這部分損失掉的水量。在此引入灌溉水利用系數(shù)水，它是衡量灌溉水量損失的指標(biāo)。 水= W凈 / W毛 W毛=W凈 / 水 渠道的長(zhǎng)度 流量 沿渠土壤 水文地質(zhì)條件 渠道工程狀況 灌溉管理水平水的影響因素水的取值我國(guó)南方各省，在規(guī)劃設(shè)計(jì)中，對(duì)大、中、小型灌區(qū)，一般水分別為0.500.60、0.600.70、和0.700.80 ；有防滲措施取大