田间水利用系数研究进展

2010-07-25孙西欢郭向红马娟娟

山西水利 2010年2期

张勇，孙西欢，郭向红，马娟娟

（太原理工大学水利科学与工程学院，山西太原 030024）

我国水资源总量居世界第4位，人均水资源量2 200 m3，约为世界人均的1/4，排在世界第121位，是世界13个贫水国家之一。水资源是国民经济发展与生态环境建设的重要物质基础，在我国水资源紧缺的情况下，科学合理利用水资源对实现国民经济的可持续发展具有重要意义。因此，节水成为可持续发展与水资源合理利用的重要战略措施之一。在全国水资源利用结构中，农业用水是一个大户，占国民经济总用水量的70%，而农田灌溉用水占农业用水的90%以上。传统的地面灌溉方法仍为目前广泛使用的灌水方法，其灌溉面积占总灌溉面积的98%以上。就目前的灌溉水利用系数而言，全国各类灌区的平均水平为0.45，而农业技术先进国家可达0.8～0.9，由此可见，灌溉节水潜力很大。而田间水利用系数是灌溉水有效利用系数的一个重要组成部分，又是评价田间灌溉管理与节水的一个重要指标。田间水利用系数有诸多影响因素，如灌水定额、畦块大小、土壤质地、灌溉计划湿润层深度等，这些影响因素交织在一起，大大增加了田间水利用系数研究的复杂性。同时，田间水利用系数研究多以田间实测为基础，而田间实测费时、费力、耗资大，因而田间水利用系数研究的难度较大。因此，下文将对田间水利用系数的确定方法及田间水利用系数的主要影响因素进行分析，以期为田间水利用系数的量测计算和进一步研究提供参考。

1 田间水利用系数的确定方法

田间水利用系数是指实际灌入田间的有效水量和末级固定渠道放出水量的比值。《节水技术规范》（SL207-98）提供的田间水利用系数量测计算方法有计算法和实测法两种，另外常见的还有数值计算法。

1.1 计算法

式中：η——田间水利用系数；

m——设计灌水定额，m3/hm2；

A——末级固定渠道控制的实际灌溉面积，hm2；

W——末级固定渠道放出的总水量，m3。

1.2 实测法

在灌区中应选择有代表性的地块，通过实测灌水前后（1～3 d）土壤含水率的变化计算灌水定额，然后再算出田间水利用系数：

式中：β1，β2——分别为灌水前后土壤湿润层的含水率（以干土重的百分数表示）；

γ——土壤干容重，t/m3；

H——土壤计划湿润层深度，m。

1.3 数值计算法

田间水利用系数数值模拟计算方法的基本原理是通过田面水流运动模型与土壤水分运动模型结合起来，完整地描述畦灌的地面水流运动过程和田面水分入渗过程，最终求得灌前和灌后田间含水率分布，并由此计算田间水利用系数。

地面水流运动模型可采用零惯量模型：

式中：x——沿畦长方向距畦首的距离，m；

t——灌水时间，s；

y——田面水流的水深，m；

A，Q——田面水流的断面面积与流量，m2，m3/s；

Z——累积入渗水深，m；

K——土壤入渗系数，m/s；

α——入渗指数；

S0——田面坡度；

Sf——阻力坡度为经验形状系数，n为田面糙率。

土壤水分运动模型采用非均质土壤水分运动基本方程：

式中：h——负压水头，cm；

C（h）——比水容量，1/cm；

K（h）——导水率，cm/min；

z——距地面的距离，m。

零惯量模型的计算结果为土壤水分运动模型提供了运动的地表边界条件，两者结合起来可求得灌后的土壤含水率分布。根据水量平衡原理，可得田间水利用系数的计算模型如下：

式中：Δw——计划湿润层内增加的水量，m3；

L——畦（沟）长，m；

q——入畦（沟）流量，m3/s；

t1——畦（沟）口断水时间，s。

以上三种方法各有优缺点：计算法公式简单，需要资料少，但在公式中隐含设计灌水定额即为储存在计划湿润层中的有效含水量，在实际中设计灌水定额并不一定等于储存在计划湿润层中的有效含水量；实测法原理简单，计算精度较高，但测定灌前和灌后含水率分布需要大量的人力和物力，且田间含水率的取样位置和数量直接影响田间水利用系数的计算精度；数值计算法相对实测法具有省时、省工等优点，并且可用于灌溉前预测田间水利用系数，但模型需输入的参数较多。因此，在使用时可根据实际情况选用。

2 田间水利用系数的主要影响因素

田间水利用系数受多种因素影响，主要包括土壤类因素、田间工程类因素及灌水技术类因素等。就某一具体田块而言，田间水利用系数受土壤质地、土壤结构、畦长与畦宽、田面坡度、田面平整程度、灌水定额、田间灌水单宽流量、闭口成数及灌水计划湿润层深度等诸多因素影响。也就是说，凡是影响田间水流运动与分布及水流入渗与分布的因素，都会对田间水利用系数产生影响。

计划湿润层深度是计算田间水利用系数中需要确定的重要参数之一，计划湿润层深度与土壤类型、作物种类和作物生育阶段等因素有关。计划湿润层深度的取值大小直接影响田间水利用系数的计算结果。研究表明，在畦块的一次灌水中，田间水利用系数随着计划湿润层深度的增加而增大，且呈对数规律增大。这主要是由于随着土壤计划湿润层深度的增加，一部分深层渗漏水转化为有效水，使得在此范围内的土壤有效持水能力增大，提高了田间水利用系数。因此，在植物根系生长范围内，适当增大计划湿润层深度可提高田间水利用率。

灌水定额的大小也直接影响田间水利用系数的计算结果，有关研究表明，田间水利用系数随着灌水定额的增大而减小，并且二者的变化关系可以用对数函数描述。从土壤持水能力的观点分析，土壤中毛管空隙所能保持的水分十分有限，当灌水定额较小时，土体中的水分除蒸发损失外，基本上能以有效水的形式保存在计划湿润层以内。随着灌水定额的增大，土体中的水分逐渐增大，直到毛管空隙全部充满水分，此时，土壤中的有效水达到上限。如果再继续灌水，土体中的水分不会继续增加，而是以重力水的形式继续下渗湿润下层土壤，即造成深层渗漏。深层渗漏一般是无益的，且会造成水分和养分的流失浪费，不利于节水。所以，灌水定额过大会造成深层渗漏损失加大，土体中水分增量相对于入畦水量而言增幅就小，从而田间水利用系数就减小。

畦田规格、田面坡度、田面糙率、入畦单宽流量等因素主要通过影响地面灌水时水流的推进和消退过程来影响田间水利用系数。闫庆健，李久生对地面灌溉水流特性对水分利用率影响进行了研究，结果表明，当其他灌水条件一致时，畦田长度对灌水效率有很大影响，畦长过大和过小都会导致田间水利用系数减小；畦田宽度（单宽流量）与灌水效率同样有着一定的关系，当其他灌水条件相同时，畦宽为2～3 m时的灌水效率最高。