农田水利学第一章灌溉工程2013.

灌溉与排水工程学-绪论第二节灌排工程学的研究对象•一、研究对象•1.调节农田水分状况–通过灌溉和排水设施–包括改变农田小气候•2.改变和调节地区水情：改变水资源的时空分布–（1）蓄水与保水措施：面上工程与点、线状工程•水库、沟道、田间工程–（2）跨区域的调水、排水措施：地区和流域间的水资源调剂。•南水北调灌溉与排水工程学-绪论第一章灌溉工程•第一节农田土壤水分状况•第二节作物需水量与灌溉制度灌溉与排水工程学-绪论第一节农田土壤水分状况•一、土壤水分存在形式及其有效性•1.农田水分存在的形式–地面水、地下水和土壤水。土壤水分是农田灌溉研究重点•2.土壤水分存在的形态–气态水：数量少，有利于微生物活动。–吸着水：吸附于土壤表面，难以被作物利用的水分。–毛管水：毛管作用下保持在土壤中的水分.–重力水：过剩水灌溉与排水工程学-绪论吸着水•吸湿水：被颗粒吸附于表面，无法移动.属于无效水。–吸湿系数：吸湿水达到最大时的土壤含水量为吸湿系数。•薄膜水：吸附于土壤颗粒表面，只能沿土壤表面进行速度较小的移动。部分有效–凋萎系数：作物因干旱发生永久性凋萎时的土壤含水率。•1.5-2倍于吸湿系数。–最大分子持水量：。薄膜水达到最大时的土壤含水量为土壤最大分子持水率。灌溉与排水工程学-绪论毛管水–属于有效水分，是灌溉研究的重点。–上升毛管水：地下水能沿土壤毛细管上升的水分。•当地下水位较高时，下层水分可通过毛管上升。–毛管悬着水：降雨或灌溉后，上层土壤中由于毛细管作用所能保持在土壤孔隙中的水分（由地面渗入）。•毛管悬着水达到最大时的土壤含水量为田间持水量，–此时土壤毛管力在0.1-0.3atm之间。该指标是农田灌溉中应用最广泛的指标之一。–生产中通常将灌水两后土壤所能够保持的含水量称为田间持水量。灌溉与排水工程学-绪论重力水•超过毛管含水率，容易为重力所排出的水分；•可以被利用，但难以保持在土壤中。•渗漏到根系层外。灌溉与排水工程学-绪论3.土壤水分有效性•土壤水分能够被作物利用的难易程度；–有效水通常是指田间持水量和凋萎系数之间的水量。–通常以土水势表示。•有效性与土壤质地、结构和有机质含量、温度、作物种类有关。•灌排措施应当使得土壤含水量处于适宜的负压范围内。–变为有效水分。灌溉与排水工程学-绪论农田水分状况与农田小气候•农田水分状况通常是指农田地面水、土壤水和地下水的状况以及相应的养分、通气和热状况。•农田小气候是指农田贴地气层与土层同作物群体间的生物过程和物理过程相互作用所形成的一种局部气候。–土壤温度和湿度；–田间近地层空气温度和湿度；–贴地层与作物层中的辐射和光照、风速和二氧化碳浓度等。灌溉与排水工程学-绪论4、土壤水势与土壤水分特征曲线（略）•表示水势与含水量关系的曲线；•与突然那个质地、结构有关。–相同土壤含水率下，沙土的有效性高于粘土和壤土；–相同吸力下，粘土的含水率高于沙土和壤土灌溉与排水工程学-绪论二、作物生长对农田水分状况的要求•1.水分的作用（简略）–作物组成；–光合原料；–生理和生化反应的场所；–保持形状；–降低叶温。灌溉与排水工程学-绪论2.旱作物对土壤水分状况的要求–作物需要适宜的土壤含水率，水、气、温合适；•水分太多：受涝、渍灾害--排水；•水分太少：干旱胁迫--灌溉–适宜的土壤含水率范围：•上限为田持（不是最好），下限一般为田持的60%-80%。•协调水、气比例；改善品质。–调节措施：•灌溉与排水灌溉与排水工程学-绪论2.水田适宜水分状况–一定的水深变化范围对水稻等作物生长有利；•水层太深：受淹；•水分太少：受旱–适宜的水分范围：•传统采用淹灌；•节水灌溉模式下，灌水下限一般低于饱和含水率–蓄水控灌、控制灌溉灌溉与排水工程学-绪论水稻节水灌溉灌溉与排水工程学-绪论三、土壤水分运动•一、土壤入渗（试验部分）•（一）入渗规律–（1）入渗速率逐渐降低，并逐渐趋于平稳；–（2）表层土壤含水率较高，随着深度增加，逐渐降低；–（3）饱和层逐渐下移，并可能与地下水连接。•（二）土壤入渗公式：灌溉与排水工程学-绪论（二）土壤蒸发•一般过程（非稳定蒸发）：–（1）稳定蒸发阶段。含水率高于临界值时；•受制于大气蒸发能力；–（2）蒸发速率随土壤含水率减小而降低；•受制于土壤供水速率和大气蒸发能力共同影响。–（3）表土风干，水汽扩散阶段•采用秸秆覆盖；中耕切断毛管。•当地下水位较高且稳定时，可处于稳定蒸发状态。•蒸发状态下，土壤水分上低下高。灌溉与排水工程学-绪论四、SPAC系统（略）•Soil（土壤）----Plant（植物）----Atmosphere（大气）•水势驱动水分从高水势的土壤，进入低水势的大气；灌溉与排水工程学-绪论五、土壤水分调控•1.农田水分不足的原因；–来水少--灌溉–损失多，蒸发、径流、渗漏；•蓄水能力差（内部）--改善结构；•损失多（外部）•2.水分过多的原因–降雨、洪水；高地下水位；排水条件差。灌溉与排水工程学-绪论第二节作物需水量与灌溉制度•一、作物需水量（cropwaterrequirement）•1.农田水分消耗的形式–（1）蒸发、蒸腾（腾发量），即作物需水量；•作物需水量是农业用水最主要的消耗方式，属于真实耗水。–（2）深层渗漏（percolation）；–（3）地表径流（runoff）。灌溉与排水工程学-绪论2、作物需水量的影响因素•（1）气象因素•（2）作物因素–种类、生长状况、生长阶段•（3）土壤因素–供水状况、土壤类型•（4）农业技术措施因素•需水强度：灌溉与排水工程学-绪论二、作物需水量计算方法•1.直接计算方法–（1）以水面蒸发为参数（湿润地区）–（2）以产量为参数的计算地区（干旱地区）•用于宏观水资源管理。灌溉与排水工程学-绪论2、基于参考参考作物需水量的计算方法•（1）参考作物需水量（referencecropevaportranspiration）–8-15cm高绿色草地的腾发量•生长旺盛；完全覆盖；充分供水。–仅取决于气象因素。•考虑作物和土壤因素的影响，修正参考作物需水量。灌溉与排水工程学-绪论（2）参考作物需水量的计算方法•原理：根据气象资料，按时段（日、旬、月等）进行计算•a.布莱尼-克雷多法（略）–考虑参数：平均气温、相对日照时数、湿度、风速；–属于经验公式。•b.水汽扩散法（略）–基于水汽扩散理论，精度较高，但参数不容易获得。–考虑了风速、比湿等参数。灌溉与排水工程学-绪论•c.波纹比法：–根据获取的能量在潜热（腾发耗水消耗）与感热（气温上升）之间分配确定–不考虑土壤热通量、横向迁移热量。•热量仅用于腾发和加热空气。•较大面积，且下垫面较均匀。灌溉与排水工程学-绪论D。Penman-Monteith公式（常用）•理论基础–能量平衡、水汽扩散理论•获得的热量、传递给土壤的热量；•水汽扩散导致的潜热损失。–是FAO推荐的参考作物需水量计算方法•需要的参数：•1）位置参数：–纬度、高度。计算大气压、太阳角度、理论日照时数–确定获得的理论太阳辐射•2）气象参数–最高和最低气温、最大和最小相对湿度、日照时数量、风速•3）土壤热通量。灌溉与排水工程学-绪论对参考作物的重新定义•作物高度12cm；•叶面阻力70s/s，–相当于充分供水；–影响水汽扩散速率•叶面反射率0.23灌溉与排水工程学-绪论（3）实际作物的腾发量•1）计算作物充分供水条件下的潜在腾发量ET0；•2）利用作物系数计算实际腾发量。ET=Kc*ET0–Kc—综合作物系数，与作物种类，生育阶段有关。–充分供水模式下，不同水文年份间较为稳定。灌溉与排水工程学-绪论3）胁迫条件下作物腾发量估算•遭受干旱胁迫时，作物吸水困难，腾发减少；–当根区消耗的水分，超过容易利用的水分时，或者含水率低于适宜含水率时，胁迫发生；–需要考虑土壤因素系数进行修正。灌溉与排水工程学-绪论三、灌溉制度•一定的自然和农业技术措施下，为获得高产或高效，实现节约用水，所制定定的农田灌溉方案。–包括灌水日期、灌水次数、灌水定额和灌溉定额；–涵盖播种前和生育期内。–灌溉制度本身应该是节水、高（产）效。灌溉与排水工程学-绪论1.灌溉制度的制定方法•（1）根据已有灌水经验；•（2）根据灌溉试验资料；•（3）根据作物的生理和生态指标确定；–确定合理的下限控制指标–土水势、叶水势、土壤含水率、叶气温差；–土壤含水率较为常用。•（4）水量平衡法制定灌溉制度。灌溉与排水工程学-绪论3.水量平衡法制定灌溉制度•（1）基本思路–当土壤中储存的水分，达到适宜水量（率）下限时，进行灌溉；–灌水至适宜的含水量（率）上限；–其差值即为灌水定额。灌溉与排水工程学-绪论（2）制定灌溉制度需要确定的参数•1）计划是润层（rootzone）–旱作物灌水时计划湿润的土层深度•Designedmoistinglayerofsoil•与根系分布有关，随生育进程而增加。•2）地下水补给量K–补给强度，mm/d,或者m3/hm2/d–T时段内的补给量：K=k*t；或者占需水量的比例。灌溉与排水工程学-绪论3）计划湿润层增加而增加的（可用）水量WT–随着根系的下扎，吸收范围扩大，可利用的水分增加。)(W12THH)(W12THH灌溉与排水工程学-绪论4）有效降雨•降雨中除去截留、深层渗漏和地表径流后，储存于计划湿润层中的水量；–常采用有效降雨系数计算。灌溉与排水工程学-绪论（3）举例•某地旱作物，当前计划湿润层50cm，孔隙率60%，田间持水量为土壤空隙的80%；适宜含水率下限为田间持水量的60%，上限为田间持水量。•当前（3月5日）含水率为田间持水量的75%；日耗水量为4mm/d；•1）哪天需要灌溉？灌水定额是多少？若地下水补给强度为1mm/d，何时灌溉？•2）若3月10号降雨50mm，需要哪天灌溉？若降300mm？•3）若3月15日时，计划湿润层达到70cm（田持的75%）。灌溉与排水工程学-绪论灌溉与排水工程学-绪论作业•某地玉米作物，当前计划湿润层50cm，土壤干容重1.2g/cm3,田间持水量为土壤干容重的25%；适宜含水率下限为田间持水量的60%。深层土壤初始含水率为田持的75%。当前（3月5日）含水率为田间持水量的75%；日耗水量为5mm/d，地下水补给强度为1mm/d。•1）确定下次灌水日期和灌水定额。•2）若3月10号降雨30mm，需要哪天灌溉？若降300mm？•3）若3月15日时，计划湿润层达到70cm（田持的75%）。灌溉与排水工程学-绪论涝、渍灾害•涝：降雨导致地面积水过深，作物受淹–是当地降雨过多所致。–水若来自外地，则为洪灾•渍害：土壤水分过多，或有上层滞水，作物受害。灌溉与排水工程学-绪论干旱土壤干旱：土壤含水率过低，影响作物生长；大气干旱：温度过高、湿度过小或者干热风，引起作物根系吸水速度低于蒸腾速度；生理干旱：土壤盐分过高，引起渗透胁迫，导致根系吸水不足。灌溉与排水工程学-绪论模拟干旱图灌溉与排水工程学-绪论灌水定额和灌溉定额•灌水定额：一次灌水单位面积上的灌水量；–mm，m3/hm2•灌溉定额：全生育期内的各次灌水定额之和。