灌区节水灌溉设计分析论文

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前言

在节水农业的迅速发展中，节水灌溉制度的优化设计越来越引起重视。但长期以来，节水灌溉制度没有完善的设计方法，虽然国内外专家提出了一些基本理论，但实践中仍然按照充分灌溉理论，基本沿用常规灌溉的设计方法，这和实际情况不符。依托863课题“南方季节性缺水灌区节水农业综合技术体系集成与示范”四川简阳示范点，本文在总结示范点采用的农业综合节水灌溉技术及试验数据的基础上，以非充分灌溉理论和调亏灌水技术为指导，提出了可供实际应用的节水灌溉制度设计方法。

1四川简阳“863”节水农业示范基地农业综合节水技术

我国南方地区年降雨量丰富，但时空分布不均，近年来季节性干旱较为严重。以四川为例，四川东部丘陵区的季节性干旱就非常严重，很多地区常常是春旱、夏旱连伏旱且十年九旱。随着水资源的日益匮乏、灌溉水成本逐渐提高的影响,节水灌溉、科学灌溉的呼声越来越高，特别是农业产业化及高科技农业的规模不断扩大,对灌溉用水进行科学管理的市场需求也越来越大。四川简阳“863”节水示范区针对我国南方地区季节性干旱的特点，通过建立农业用水基本信息数据库、灌溉水量监测与农业用水监测系统、动态配水模型，科学合理地对灌区灌溉用水进行了管理。

灌溉制度设计是灌溉工程设计的核心内容，节水措施是节水灌溉制度设计的基础。依据地形、地貌、农业气候等特点结合现有水利设施，该示范区集成与展示有十项农业综合节水技术，如下：

（1）水稻综合节水灌溉技术

（2）玉米、红苕综合节水灌溉技术

（3）小麦、油菜综合节水灌溉技术

（4）果树综合节水灌溉技术

（5）渠道、塘堰防渗堵漏综合节水技术

（6）坡面集雨节灌综合节水技术

（7）喷、微灌综合节水灌溉技术

（8）沱江提灌站、万古水库与仙女滩石河堰联合调配技术

（9）小水利工程（库塘堰站池井）联合运行模式

（10）降雨、地表水、地下水、土壤水四水联动调配技术

2节水灌溉制度设计方法

2.1灌溉制度设计原则

示范区所在地四川简阳属川中丘陵区，旱作物生长期内土壤水分多数时间处于适宜土壤水分的中或下限，不少时间低于下限，作物或多或少地受到土壤水分胁迫。以往的灌溉制度设计基本上是按照充分灌溉理论（满足作物全生育期内潜在蒸发蒸腾需水量，作物全生育期土壤水分在适宜水分的上、下限之间）设计的，这和实际情况不符。计算出的灌溉定额比当地高产年份实际采用的灌溉定额要高，而且高的幅度较大。

该示范区灌溉制度设计是根据实际情况，采用上述十项农业综合节水灌溉技术，着力于提高示范区水的有效利用率和作物水分利用效率，在非充分灌溉理论和调亏灌水技术指导下进行的。计算时采用了一些近年国内外研究成果，受旱胁迫减产率小于5%。

2.1.1旱作物需水量计算公式

在非充分灌溉条件下，旱作物需水量计算可采用Jensen对数公式：

（1）

（2）

式中：为土壤水分胁迫修正系数；为相对有效含水率，，其中为根系活动层的平均土壤含水率，为凋萎系数，为田间持水率。

根据对四川省农田水分盈亏的研究，为了保证胁迫减产率小于5%，根活动层的平均土壤含水率在作物生长敏感期（关键期）应保持在适宜土壤含水率下限以上，在其余生育期可低于适宜土壤含水率下限0.82以上（轻度缺水，轻微度受旱）。

2.1.2计算方法

在节水灌溉制度设计中，有两种计算方法：一种是参数修正法，即对农田水分平衡方程中的计算参数按相应节水灌溉技术要求进行修正。这种方法可以计算出灌水时间、灌水定额、灌溉定额等节水灌溉制度的全部数据。这种方法较为复杂，适合于灌溉管理、大、中水利工程节水规划设计。另一种是综合修正法，这种方法直接对常规灌溉制度计算的灌溉定额结果进行打折修正，得出节水灌溉定额，但无法获得节水灌溉制度的其它指标。这种方法较为简单，适合于水资源平衡计算，小型水利工程节水规划设计，目前许多节水规划是采用这种方法计算的。这里采用参数修正法为主综合修正法为辅的计算方法。

2.1.3种植结构调整

由于示范区均为提水灌区，特别是沱江灌区，提水扬程较高，渠道较长，灌溉供水成本较高，不适合进一步发展高耗水作物。根据现有情况，对水稻面积进行了控制。

2.1.4节水措施

水稻：四川、贵州等南方季节性缺水灌区，一般属中、小型灌区。渠道和泵站的运行都是间断性的。除冬水田、冲、槽田外，水稻“浅、湿、薄、晒”灌水技术并不适合这些地区。浅灌中（深）蓄灌水技术有利于节水(10～20%)和蓄雨(增加蓄雨5～30%)，已为当地农民普遍采用，是一种常规的灌水技术。该示范区主要采用的节水技术有旱育秧技术、塑料薄膜、秸秆覆盖技术和“强化大三围”栽培技术等，这些技术主要是通过减少泡田水量、减少棵间蒸发、减少渗漏量达到省水的目的。

旱作物综合节水灌溉技术构成比水稻复杂，一般都是几种节水灌溉技术一起采用,种子包衣技术、控制性灌水、秸秆覆盖等，这些技术主要是通过促进种子及根系生长能力、减少棵间蒸发、抑制植株无效蒸发、多蓄雨水来达到节水的目的。

果树综合节水灌溉技术主要由优质苗木靠接技术、关键期水肥结合沟（点）灌技术、抗旱剂喷施技术和棵间覆盖（秸秆、种壳、杂草、肥料等有机混合物覆盖）技术组成。

2.2节水灌溉制度设计参数

2.2.1水稻

根据参数修正法和节水灌溉制度设计要求，分秸秆覆盖和薄膜覆盖两种情况对水稻节水灌溉制度计算参数如作物系数、初始水层、降雨深蓄限、适宜灌溉水层上限、适宜灌溉水层下限等作调整。

2.2.2旱作物

根据参数修正法和节水灌溉制度设计要求，对旱作物节水灌溉制度计算参数土壤适宜水分上、下限作调整。

3四川简阳“863”节水农业示范区节水灌溉制度设计成果

采用上述方法，编制计算软件，对示范区主要作物以旬为单位进行了长系列（1960-2000年）的节水灌溉制度计算。水稻节水灌溉定额是将秸秆覆盖、薄膜覆盖以及旱育秧的节水原理进行分解，然后分别对水量平衡方程的参数作相应的修正，计算出秸秆覆盖、薄膜覆盖的单项灌溉定额，再结合各自的使用面积综合而成。旱作物及果树节水灌溉单项定额是在考虑土壤水分胁迫和非关键期限制性灌溉的基础上，按水量平衡方程及农田水分调蓄计算得出的结果，再用其它不同节水措施的节水效果和实施面积计算得出的加权综合节水比例进行修正后得出。在此基础上，根据示范区节水与常规灌溉面积比例，加权平均得到主要作物的综合净灌溉定额。再根据各种作物的面积加权平均得到示范区田综合净灌溉定额、土综合净灌溉定额以及田土综合净灌溉定额。同时，对各种作物的净灌溉定额以及综合净灌溉定额作了排频分析，得到了75%典型年的净灌溉定额供水资源平衡分析采用。其中，示范区水稻节水灌溉制度设计成果见表1、表2、表3、表4、表5，旱作物及果树的灌溉制度设计及计算软件等成果略，有兴趣的读者可向作者索取。

表1示范区水稻节水灌溉技术节水效果表

采用技术

减少泡田水量

减少需水量

减少渗漏量

综合节水

实施面积

旱育秧技术

35～45%

15～30%

85～95%

40～65%

30%

秸秆覆盖技术

/

15～25%

20～35%

15～30%

15%

薄膜覆盖及“强化大三围”技术

20～35%

30～50%

50～65%

30～50%

35%

备注：1、本表根据省内外相关试验资料总结而得。

2、表中减少水量是相对常规灌溉而言，本次计算综合节水效果取中值。

3、实施面积为占播种面积的百分数。

表2示范区水稻节水灌溉制度参数表（秸杆覆盖）

5下

6上

6中

6下

7上

7中

7下

8上

8中

8下

作物系数

0.81

0.98

1.05

1.09

1.24

1.28

1.24

1.35

1.26

1.17

渗漏量（mm/d）

1.48

1.44

0.00

1.44

1.96

1.96

1.96

1.77

0.00

0.00

初始水层（mm）

40.00

降雨深蓄限（mm）

40.00

70.00

0.00

90.00

90.00

90.00

80.00

50.00

0.00

0.00

适宜灌溉水层上限(mm)

35.00

50.00

0.00

60.00

60.00

60.00

50.00

30.00

0.00

0.00

适宜灌溉水层下限(mm)

5.00

20.00

0.00

20.00

20.00

20.00

20.00

5.00

0.00

0.00

表3示范区水稻节水灌溉制度参数表（薄膜覆盖与强化大三围）

5下

6上

6中

6下

7上

7中

7下

8上

8中

8下

作物系数

0.58

0.70

0.90

0.93

0.93

1.12

1.09

1.05

1.12

1.04

渗漏量（mm/d）

0.74

0.72

0.72

0.72

0.98

0.98

0.98

0.89

0.00

0.00

初始水层（mm）

15.00

降雨深蓄限（mm）

20.00

35.00

35.00

45.00

45.00

45.00

40.00

25.00

0.00

0.00

适宜灌溉水层上限(mm)

18.00

25.00

25.00

30.00

30.00

30.00

25.00

15.00

0.00

0.00

适宜灌溉水层下限(mm)

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00

0.00

表4示范区水稻节水灌溉制度表（秸杆覆盖）（P=75%）单位：m3/亩

5下

6上

6中

6下-7中

7下

8上

8中-8下

本田全生育期

（净灌溉定额）

全生育期

（净灌溉定额）

灌水量

21

47

27

20

33

148

266

灌水次数

1

1

1

1

2

6

表5示范区水稻节水灌溉制度表（薄膜覆盖与强化大三围）（P=75%）单位：m3/亩

5下

6上

6中

6下-7中

7下

8上

8中-8下

本田全生育期（净灌溉定额）

全生育期

（净灌溉定额）

灌水量

17

40

20

77

195

灌水次数

1

2

1

4

4结论

采用本设计方法得到的灌溉制度和和示范区试验数据基本吻合。本设计方法不限制于南方季节性缺水灌区，可在全国普遍采用。但由于节水灌溉情况下作物需水量尚需进一步研究，节水措施又非常多，节水灌溉制度设计涉及到大量的参数，目前尚缺乏充分的试验数据验证某些参数选用的合理性，本设计方法需要进一步完善。

参考文献

1陈亚新，康绍忠.非充分灌溉原理[M].北京：水利电力出版社，1995

2赵永，蔡焕杰，张朝勇.非充分灌溉研究现状及存在问题[J].中国农村水利水电，2004，（4）：1-4