《灌溉排水工程学》教学用课件-第二章

第二章灌水方法与灌水技术第一节概述灌水方法：灌溉水进入田间或作物根区土壤内转化为土壤肥力水分要素的方法，亦即灌溉水湿润田面或田间土壤的形式。灌水技术：相应于某种灌水方法所必须采用的一系列科学技术措施。一、灌水方法类型根据灌溉水向田间输送与湿润土壤的方式不同，一般把灌水方法分为四大类：灌水方法①地面灌水②喷灌灌水③微灌灌水④渗灌灌水1、地面灌水方法：使灌溉水通过田间渠沟或管道输入田间，水流呈连续薄水层或细小水流沿田面流动，主要借重力作用兼有毛细管作用下渗湿润土壤的灌水方法，又称重力灌水法。地面灌水法分为三种：沟灌畦灌法沟灌法淹灌法2、喷灌灌水方法：即喷洒灌溉，就是利用一套专门的设备将灌溉水加压或利用地形高差自压，通过管道系统输送压力水至喷洒装置，将水喷射到空中分散成细小水滴，象天然降雨一样降落到地面，随后主要借毛细管力和重力作用渗入土壤灌溉作物的灌水方法。喷灌3、微灌灌水方法：就是通过一套专门设备，将灌溉水加低压或利用地形落差自压、过滤，并通过管道系统输水至末级管道上的特殊灌水器，使水和溶于水中的化肥以较小的流量均匀而又经常地、缓慢地湿润作物根系区附近的土壤表面或地表下土壤的灌溉方法。依水流由灌水器流出的方式不同，可分为滴灌法、微喷灌法和涌泉灌法等类型。滴灌4、渗灌灌水方法：又称浸灌法，它是利用修筑在地下的专门设施将灌溉水引入田间耕作层，借毛细管作用自下而上湿润土壤灌溉作物的灌水方法。选择灌水方法的方法时，应主要考虑作物、地形、土壤和水源、资金投入等要素，以取得经济效益的大小为取舍依据。二、对灌水方法的基本要求灌水方法总目标为节水、省工、增产和取得最大经济效益；合理的灌水方法、灌水技术应满足下述基本要求：(1)保证实现定额灌水(2)田间水的有效利用率高(3)田间灌水质量高(4)高效低耗，灌水成本低(5)方便与农业技术措施密切配合(6)简单、经济而便于推广三、评估灌水质量的指标1、田间灌溉水有效利用率Ea：是指应用某种灌水方法或某项灌水技术灌溉后，储存于计划湿润作物根系土壤区内的水量与实际灌入田间的总水量的比值。Ea表示应用灌水方法或灌水技术对农田灌溉水有效利用的程度。对地面灌溉，一般要求Ea≥85%~90%43214141%100VVVVVVVVVVVEsa2、田间灌溉水储存率Es：是指应用某种灌水方法或某项灌水技术灌溉后，储存于计划湿润作物根系土壤区内的水量与灌溉前计划湿润作物根系土壤区所需要的总水量的比值。式中：Es:田间灌溉水储存率；Vs:灌溉后储存于计划湿润层土壤区内的水量；Vn:灌水前计划湿润层土壤区内所需要的总水量。Es表示灌水方法、灌水技术实施后，能满足计划湿润作物根系土壤区内所需要水量的程度。04141VVVVVVVEnss3、田间灌水均匀度Ed：是指应用灌水方法、灌水技术实施灌水后，田间灌溉水下渗湿润作物计划湿润土层深度的均匀程度。式中：Ed：田间灌水均匀度；△Z：灌水后各测点的实际入渗水量与平均入渗水量差值绝对值的平均值(mm)；Zd:灌水后土壤内的平均入渗水量(mm)。一般对地面灌水方法要求，Ed≥85％以上。农田灌水方法选用Ea和Ed两个指标作为设计标推；实施田间灌水则必须采用Ea、Es和Ed三个指标共同评估其灌水质量的好坏，单独使用其中任一项指标都不能全面和正确的判断田间灌水质量的优劣。%1001ddZZE4、田间灌水质量综合有效利用率Eg：有效入渗水量V1(即作物蒸腾量)与有效入渗水量V1+深层渗漏水量V2+田间灌水径流失量V3+土壤棵间蒸发量和水分漂移损失水量V4+灌水不足区域所欠缺水量V0的总和的比值。Eg用于不同种类灌水方法、灌水技术间的比较与评估。若为裸地，没有种植作物，蒸腾量V1为零。所以Eg＝0。043211VVVVVVEgEg指标与Ea、Es和Ed等指标间有如下关系式中：α为蒸腾因子，就是作物蒸腾量占作物蒸发蒸腾量与水分漂移损失水量之和的比值。由上式可知：①若不存在田间灌水不足的欠缺水量区域，即V0＝0，则Es=100％；②Eg=0,属于裸地情况。sasasagEEEEEEE第二节地面灌水方法一、概述地面灌溉是通过灌溉水在田面上的流动并向土壤中下渗同时完成的，其灌溉过程描述如下：①：灌溉水由田间渠沟或管道进入田块后，迅速沿田面的纵向推进，在水流推进的前缘形成一个明显的湿润前锋；②：水流在向前推进的同时向土壤中下渗；③：当湿润前锋到达田块尾端，或到达田块某一距离，并已达到所要求的灌水量时，停止向田块灌水；④：田面水流继续向田块尾端流动，田面水流深度不断下降，向土壤内下渗的水量逐渐增加；⑤：田块首端水深先下降至零，地表面形成一落干锋面；⑥：落干锋面随田面水流和土壤入渗向田块尾端移动；⑦：落干锋面与湿润前锋在田块某距离处或尾端相遇；⑧：当田面完全无水，田间水全部渗入土壤转为土壤水。地面灌溉水流运动特性，通常采用地面灌溉田间试验和理论分析两类方法确定：1、地面灌水田间试验：对一定的作物，根据当地条件，选择代表性的地块，采用小区或大区对比试验方法，进行实地灌水，探求作物省水、高产、低成本和高效益的地面畦、沟、淹灌等地面灌水方法及其最优灌水技术要素。其过程如下：①放水前对各个测点（x1、x2、x3）测定土壤含水量；②准确测记向田间开始供水的时间和引入流量；③测记田面水流到达各测点距离的时间（t1、t2、t3）及其相应的水流深度；④测记水流由各测点消退的时间；⑤停水后一定时间测记对应于各个测点的土壤含水量。地面灌溉水流推进过程见图2—3。根据灌水试验资料，从水流进入田间首部开始，把水流推进到各测点的推进距离x1、x2、x3及对应的推进时间t1、t2、t3绘于图2—4中，就是其推进曲线；再把田面停止供水后，相应于水流各测点处的水流消退时间绘于图中，就可得到消退曲线。任意距离处的消退时间减去该处的推进时间，就是这个测点处的土壤入渗时间，从而可根据入渗公式确定该点处的土壤入渗水量。从图2—4可以看出，若水流推进曲线与消退曲线平行，则说明沿田面纵力向各点的灌水入渗时间相等，这就标志着该灌水方案的灌水均匀度高，灌水质量好。将土壤入渗水量随时间的变化过程线(即累积入渗曲线)也绘于图2—4第三象限，可由虚线箭头力向得到地面上任意一点的入渗水量数值，并由入渗水量剖面可以确定入渗水量的均匀度。作业：叙述地面灌溉水流的推进过程及其运动图的绘制过程，并说明如何利用地面灌溉水流的运动图判定灌水均匀度。2、地面灌溉理论分析地面灌溉水量平衡原理：在一定时间内进入田块的水量等于该时间内渗入土壤中的水量与继续沿地面流动的水量之和，即：式中：q:入田块单位宽度的流量(L/s)；t:放水历时(s)；y:停水时刻田面水流推进长度内任一点的地面水深(m);x:任意时间的水流推进长度(m);z:t时段内任意一点x处的入渗水层深度(m)；l:关闭首端进水口后停止供水时的水流推进长度(m)。llzdxydxqt00地面水流推进函数和土壤入渗函数的确定：式中：T：水流推进时间；a、b：水流推进函数的系数和指数；tn：向土壤中入渗的时间；k和α：为土壤入渗函数的系数和指数。上述两个函数中的系数均通过田间试验实测确定。anbtZTLka土壤入渗函数：水流推进函数：二、畦灌法：用临时修筑的土埂将灌溉田块分隔成一系列的长方形田块，灌水时，水从输水垄沟或田间毛渠引入畦田后，在畦田田面上形成很薄的水层，沿畦长坡度方向均匀流动，在流动的过程中主要借重力和毛细管作用，以垂直下渗的方式逐渐湿润土壤的地面灌水方法。1、畦田布置主要依据地形条件，并结合考虑耕作方向，应保证畦田沿长边方向有一定的坡度。根据地形坡度，畦田布置有两种形式：①若地面坡度较平缓，将畦田的长边方向与地面等高线垂直布置，称顺坡畦灌；②若土地平整较差，地面坡度较大，将畦田的长边方向与地面等高线斜交或基本上与等高线平行，称横坡畦灌。2、畦田规格畦田规格主要指畦田的长度、畦田的宽度和畦埂断面。（1）畦宽主要取决于畦田的横向坡度、土壤性质和农业技术要求，以及农业机具的宽度。通常，畦宽多为当地农业机具宽度的整倍数确定，一般约2~4m。为灌水均匀，要求畦田无横向坡度，以免水流集中，冲刷畦田表面土壤。（2）畦长根据畦田纵坡、土壤质地及土壤透水性能、土地平整情况和农业技术条件等合理确定。①纵坡坡度大的畦长宜长，纵坡坡度小的畦长可稍短；②砂质土壤，土壤透水性强，畦长宜短；粘质土壤，土壤透水性弱，畦长可以稍长。确定畦长的要求：畦田田面灌水均匀，尽量使湿润土壤均匀，筑畦省工，畦埂少占地，便于农业机具工作和田间管理。畦长与土壤质地及地面坡度的关系见表2-１。(3)畦埂畦埂断面一般为三角形或梯形，畦埂分为临时性的和固定性的。(4)小畦灌主要是指畦田“三改”灌水技术，就是“长畦改短畦，宽畦改窄畦，大畦改小畦”，即将“长、宽、大”改为“短、窄、小”的方田。小畦灌具有如下优点：①节约水量，易于实现小定额灌水；②灌水均匀，浇地质量高；③可防止深层渗漏及灌区地下水位上升，预防土壤沼泽化和土壤盐碱化，提高田间水的有效利用率；④减轻土壤冲刷及养分流失，利于保持土壤结构，保持和提高土壤肥力，促进作物生长，增加产量。3、畦灌法灌水技术其要素主要指畦田长度l、畦宽b、单宽流量q和放水入畦时间t。影响这些要素的因素主要有土壤渗透系数、田面纵向坡度、畦田粗糙率与平整程度，以及作物的种植倩况等。为使田间灌水均匀度高，湿润土层基本均匀，畦灌灌水技术要素之间应满足如下关系：(1)渗入到畦田内土壤中的水量达到计划灌水定额时，畦田内各处所需要的入渗时间tn满足下式：式中：Ht为tn时间渗入到土壤中的水量,m为计划灌水定额；K0为第一个单位时间内的平均入渗速度，tn为畦田内各处入渗水量达到计划灌水定额所需要的下渗时间；α为土壤入渗指数。11010KKmttmHnnt(2)停止灌水时进入畦田的总灌水量应与全畦长达到灌水定额所需要的水量相等，即：1tttn式中：Q为畦首控制的入畦流量(L/s)；t为畦首处供水时间(h)，q为入畦单宽流量[L/(s*m)]；b为畦宽(m)；l为畦长(m)；m为灌水定额(m)。式中：t1为畦首处滞渗时间；tn为畦田各处入渗水量达到计划灌水定额所需要的时间。由上式即可计算已知畦田规格情况下的入畦单宽流量q，或选定入畦单宽流量q后，设计畦长l及畦宽b。畦首供水时间：mlqtbQqmblQt6.3/6.3(3)使畦田上的薄层水流在畦田各点处的滞留时间相等，这样才能为保证灌水均匀。实施畦灌时，通常采用改水成数法。即以畦田薄水层水流长度与畦长的比值作为畦首供水时间的依据，当薄层水流到达畦长的一定距离时停止灌水并改水灌溉另一块畦田。改水成数根据灌水定额、土壤性质、地面坡度、畦长和单宽流量等条件确走，一般可采用七成、八成、九成或满流封口改畦措施。4、块灌法与水平畦灌法（1）块灌法：以薄层水流向田间土壤表面输送，主要以重力作用湿润土壤的灌溉方法。它与畦灌法的区别如下：①块田与畦田的宽度相差甚大；②土壤表面薄层水流的推进运动方式不同：块灌法：水流推进不仅有纵向流动，横向扩散非常明显；畦灌法：水流推进主要为纵向流动，横向扩散不明显。(2)水平畦灌法：是块灌法中田块纵、横向的田面坡度均为零的畦田灌水方法。主要特点是：①畦田地块要求非常平整，整个畦田田面可以看作是水平田面，薄层水流在田面的推进过程中，只借助于薄层水流沿畦田流程水深变化所产生的水流压力向前推进；②进入水平畦田的总流量很大，能在短时间内迅速布满整个畦田地块；③进入水平畦田的薄层水流主要以重力作用、静态方式逐渐渗入到作物根系土壤区内，其水流消退只有垂直消退过程，消退曲线为一条水平直线；④一般情况下，水平畦田不会产生田面泄水流失或出现畦田首端入渗水量不足或畦田末端发生深层渗漏现象，灌水均匀度高。5、长畦分段短灌法：将一条长畦分成若干个没有横向畦埂的短畦，采用地面纵向输水沟或塑料薄壁软管将灌溉水输送入畦田，然后自下而上或者自上而下依次逐段向短畦内灌水，直至全部短畦灌