區(qū)域尺度內(nèi)畦溝灌溉灌水技術(shù)要素組合的優(yōu)化研究

聶衛(wèi)波,費(fèi)良軍,馬孝義,馬鮮花

(1.西安理工大學(xué)水資源研究所,陜西西安710048;2.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西楊凌712100;3.武功縣氣象局,陜西武功712200)

合理的地面灌水技術(shù)要素組合是人們長期探討的問題,國內(nèi)外學(xué)者對其進(jìn)行了大量的研究[1-7],但目前的研究大多集中在田間尺度上,對于區(qū)域尺度內(nèi)的地面灌水技術(shù)指標(biāo)研究較少,由于大范圍內(nèi)的土壤空間變異性較大且管理模式的不同,也難以給出系統(tǒng)性的規(guī)律和適合區(qū)域特征的灌水技術(shù)指標(biāo)。對于區(qū)域尺度上合理灌水技術(shù)要素組合的研究,若通過田間試驗(yàn)比較不同灌水方案的灌水質(zhì)量進(jìn)行選擇,其不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力,且可能遺漏最優(yōu)組合,這就有必要采用理論分析方法,應(yīng)用數(shù)學(xué)模型模擬不同灌水技術(shù)要素組合的灌水質(zhì)量,便于多種灌水方案的分析比較,以求得最優(yōu)的灌水方案。

影響地面灌溉灌水質(zhì)量的因素很多,主要因素大致可分為兩類:第一類屬于自然性能因素,包括土壤質(zhì)地、入滲性能、田面糙率、灌前土壤含水率、作物種類和種植方式等;第二類屬于灌水技術(shù)要素,包括田塊長度、寬度、灌水流量、改口成數(shù)、田面坡降和平整程度等。自然性能因素是不易人為控制的,而灌水技術(shù)要素是可改變的。故本文以楊凌示范區(qū)砂壤土和黏壤土進(jìn)行的畦灌和溝灌大田灌水試驗(yàn)為基礎(chǔ),然后采用SRFR軟件對其灌水質(zhì)量進(jìn)行模擬,將實(shí)測結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行對比,以保證其軟件模擬灌水質(zhì)量的可靠性;以SRFR軟件模擬為基礎(chǔ),通過改變不同灌水技術(shù)要素組合,找出不同因素對畦灌和溝灌灌水效率和灌水均勻度的影響規(guī)律,以期得到研究區(qū)域內(nèi)不同條件下畦灌和溝灌灌水技術(shù)要素的優(yōu)化組合。

1 田間灌溉試驗(yàn)灌水質(zhì)量評價(jià)

1.1 田間試驗(yàn)簡介

大田灌水試驗(yàn)于2005年春、冬季,2007年冬季分別在楊凌的1級階地和3級階地上進(jìn)行。2種不同土壤質(zhì)地的田塊種植的主要作物為小麥和果樹,灌溉形式為畦灌和溝灌,其中溝灌采用梯形斷面,溝底寬20 cm、溝深15 cm、邊坡1∶1。灌水前測定土壤容重和初始含水率(層深15—25 cm,測深1 m),以及進(jìn)行土壤入滲試驗(yàn),其中畦灌田塊采用雙環(huán)入滲試驗(yàn),溝灌田塊采用溝段積水測滲法[8],采用Kostiakov入滲公式,各田塊入滲參數(shù)取多點(diǎn)測定均值;灌水時(shí),沿田塊長度方向,每5或10 m打一木樁作為測點(diǎn),觀測水流推進(jìn)和消退到各點(diǎn)的時(shí)間,用三角堰板計(jì)量進(jìn)入田塊流量,對其實(shí)施動態(tài)監(jiān)測;灌水后1 d,沿田塊長度方向選取4～5個(gè)斷面,分層(層深15—25 cm)測量土壤灌后含水率,測量深度1 m。其各田塊的基本參數(shù)見表1。

表1 各田塊基本參數(shù)

1.2 灌水質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)

式中:Ws——灌后儲存于土壤計(jì)劃濕潤層中的水量(mm);Wf——灌入田間的總水量(mm);ZLq——沿田塊長度方向土壤受水最少的l/4段內(nèi)平均入滲水深(mm);Zav——田塊上的平均入滲水深(mm)。用式(1)和式(2)對表1中各田塊的灌水質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算,具體結(jié)果見表2。

1.3 SRFR軟件對灌水質(zhì)量的模擬

大量研究表明影響灌水質(zhì)量的因素很多[10-13],灌水質(zhì)量隨著各種灌水技術(shù)要素的變化有著較大的起伏,若通過大田灌水試驗(yàn)尋找灌水技術(shù)要素的最優(yōu)組合,其需要大量的試驗(yàn)樣本,而大田灌水試驗(yàn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力,且田間試驗(yàn)不易控制,易產(chǎn)生誤差并可能漏選最優(yōu)結(jié)果,使得通過大田試驗(yàn)尋找灌水技術(shù)要素優(yōu)化組合的方法具有很大的局限性。SRFR軟件是由美國農(nóng)業(yè)部灌溉研究中心開發(fā)的地面灌溉模擬模型,其輸入的數(shù)據(jù)分為3類:(1)幾何參數(shù),包括田塊長度、寬度和田面地形條件等;(2)土壤參數(shù),包括入滲參數(shù)和田面糙率等;(3)管理參數(shù),包括灌溉需水量、進(jìn)入田塊的流量和灌水時(shí)間或停水距離等。這些參數(shù)可從大田實(shí)測資料得到或采用模型反推的方法求得。將表1中的各參數(shù)輸入SRFR軟件中,其中輸入所需糙率值,可根據(jù)文獻(xiàn)[14]方法求得。采用SRFR軟件對表1中各田塊的灌水質(zhì)量進(jìn)行評價(jià),具體結(jié)果見表3。

表2 各田塊灌水質(zhì)量評價(jià)

表3 SRFR軟件模擬灌水質(zhì)量評價(jià)

由表3可知,灌水效率的誤差較大,畦灌時(shí)灌水效率誤差絕對值均值為14.91%,溝灌時(shí)灌水效率誤差絕對值均值為16.53%;而灌水均勻度的誤差較小,畦灌時(shí)灌水均勻度誤差絕對值均值為6.35%,溝灌時(shí)灌水均勻度 誤差絕對值均值為7.61%;由表3中的誤差絕對值均值并結(jié)合田間工程實(shí)際來看,可認(rèn)為其誤差在一個(gè)合理的范圍了,表明SRFR軟件模擬得出的灌水質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)是可靠的。

2 區(qū)域尺度內(nèi)灌水技術(shù)指標(biāo)的確定

由以上面分析可知,SRFR軟件模擬灌水質(zhì)量評價(jià)指標(biāo)是可靠的,故可采用其模擬不同灌水技術(shù)要素組合下的灌水質(zhì)量,以找出研究區(qū)域尺度內(nèi)合理的灌水技術(shù)指標(biāo)。但對于大尺度范圍內(nèi)灌水技術(shù)要素組合,確定的難點(diǎn)在于如何獲得土壤參數(shù)和田面糙率值,由于SRFR軟件輸入的參數(shù)值須具有一定的代表性,而不同田塊的入滲參數(shù)與糙率的取值是有所差異的,若對每個(gè)田塊的入滲參數(shù)與糙率值進(jìn)行研究顯然是不現(xiàn)實(shí)的,故土壤入滲參數(shù)值和田面糙率值的確定對SRFR軟件的模擬結(jié)果十分重要。

2.1 土壤入滲參數(shù)的確定

畦灌土壤入滲參數(shù)的確定,分析各田塊的累積入滲量與入滲時(shí)間的關(guān)系,其有著較高的聚合性,具體見圖1。由圖1可看出,對于區(qū)域內(nèi)黏壤土和砂壤土畦灌累積入滲量與入滲時(shí)間可簡化為:

畦灌土壤糙率值的確定,采用文獻(xiàn)[14]方法,以水量平衡原理為基礎(chǔ),根據(jù)水流推進(jìn)資料反推求得黏壤土質(zhì)地的冬小麥畦灌糙率值在0.34～0.36之間,砂壤土質(zhì)地的多年生果樹畦灌糙率值在0.10～0.13之間。為保證SRFR軟件輸入?yún)?shù)的簡便性,綜合考慮黏壤土小麥畦灌糙率系數(shù)取統(tǒng)一值0.35,砂壤土果樹畦灌糙率系數(shù)取統(tǒng)一值0.12,其值與史學(xué)斌等[15]研究結(jié)果一致。

對于溝灌土壤入滲參數(shù)的確定,可沿用畦灌土壤入滲參數(shù)值確定的思路,以此確定溝灌入滲參數(shù)值。經(jīng)擬合得出區(qū)域內(nèi)黏壤土和砂壤土溝灌累積入滲量與入滲時(shí)間可簡化為:

圖1 不同土壤質(zhì)地的累積入滲量擬合

對于溝灌土壤糙率值的確定,由于黏壤土質(zhì)地多年生果樹溝灌田間糙率系數(shù)值在0.12～0.18之間變化,砂壤土質(zhì)地多年生果樹溝灌田間糙率系數(shù)值在0.06～0.10之間變化[16],綜合考慮黏壤土果樹溝灌糙率系數(shù)n取統(tǒng)一值0.15,砂壤土果樹溝灌糙率系數(shù)取統(tǒng)一值0.08。將上述分析所得參數(shù)進(jìn)行整理,可得SRFR軟件輸入所需的土壤參數(shù)值見表4。

表4 土壤參數(shù)值

2.2 畦灌灌水技術(shù)要素組合的分析

尋找合理灌水技術(shù)要素組合的原則為:流量不宜過大,以免造成對灌水田面的沖刷;田面長度不易過短,這樣將增加田間工作量且過多占用耕地;灌水效率,灌水均勻度[17]。采用SRFR軟件模擬得出楊凌砂壤土多年生果樹和黏壤土小麥畦灌時(shí)不同坡度、畦長和單寬流量等灌水技術(shù)要素組合下的灌水效率 和灌水均勻度值,以找出合理灌水技術(shù)要素組合。應(yīng)用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件對采用SRFR軟件模擬得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,確定出畦灌時(shí)砂壤土果樹和黏壤土小麥在不同坡度條件下的灌水效率、灌水均勻度值與畦長和單寬流量的關(guān)系,并用Matlab軟件編寫程序,分別作出其等勢線圖,列舉部分結(jié)果見圖2。

圖2 畦灌不同坡降下灌水效率Ea,灌水均勻度Ed與畦長和單寬流量的關(guān)系

由圖2可見,砂壤土多年生果樹和黏壤土小麥進(jìn)行畦灌時(shí),當(dāng)畦長為定值,隨單寬流量的增加,灌水效率Ea和灌水均勻度Ed值隨之提高,但單寬流量的增加到一定程度后,其值到達(dá)最大值后就會降低。綜合考慮畦灌灌水技術(shù)要素組合的原則,并結(jié)合模擬結(jié)果,可得出不同坡降條件下砂壤土和黏壤土畦灌時(shí)灌水技術(shù)要素的優(yōu)化組合。

(1)砂壤土果樹畦田坡降1‰條件下,畦長應(yīng)以40～50 m,流量以 3.0～4.0 L/(s?m)為宜;畦田坡降3‰條件下,畦長應(yīng)以50～60 m,流量為4.0～5.0 L/(s?m)為宜;畦田坡降5‰條件下,畦長應(yīng)以70 m左右,流量為5.0～6.0 L/(s?m)為宜;畦田坡降7‰條件下,畦長應(yīng)以80 m左右,流量為5.0～6.0 L/(s?m)為宜。

(2)黏壤土小麥畦田坡降1‰條件下,畦長應(yīng)以40 m 左右,流量為 2.0～3.0 L/(s?m)為宜;畦田坡降3‰條件下,畦長應(yīng)以50 m左右,流量為2.5～3.5 L/(s?m)為宜;畦田坡降5‰條件下,畦長應(yīng)以60 m左右,流量為 3.0～4.0 L/(s?m)為宜;畦田坡降7‰條件下,畦長應(yīng)以70～80 m,流量為4.0～5.0 L/(s?m)為宜。

2.3 溝灌灌水技術(shù)要素組合的分析

對于溝灌灌水技術(shù)指標(biāo)的確定,采用與畦灌灌水技術(shù)要素相同的處理技術(shù)和方法,繪制砂壤土和黏壤土多年生果樹在不同坡度條件下的灌水效率、灌水均勻度與溝長和流量關(guān)系的等勢線圖,列舉部分結(jié)果如圖3所示。

圖3 溝灌不同坡降下灌水效率Ea,灌水均勻度Ed與溝長和流量的關(guān)系

綜合考慮溝灌灌水技術(shù)要素組合的原則,可得出不同坡降條件下砂壤土和黏壤土多年生果樹溝灌時(shí)灌水技術(shù)要素的優(yōu)化組合(列舉部分研究成果):

(1)砂壤土果樹溝灌坡降1‰條件下,溝長應(yīng)以40～50 m,入溝流量為2.5～3.0 L/s為宜;灌水溝坡降3‰條件下,溝長應(yīng)以50～60 m,入溝流量為3.0～3.5 L/s為宜;灌水溝坡降5‰條件下,溝長應(yīng)以70～80 m,入溝流量為3.0～4.0 L/s為宜;灌水溝坡降7‰條件下,溝長應(yīng)以60～70 m,入溝流量為3.0～3.5 L/s為宜。

(2)黏壤土果樹溝灌坡降1‰條件下,溝長應(yīng)以60～70 m,入溝流量為4.5～5.0 L/s為宜;灌水溝坡降3‰條件下,溝長應(yīng)為100 m左右,入溝流量為4.0～5.0 L/s為宜;灌水溝坡降5‰條件下,溝長應(yīng)為85 m左右,入溝流量為3.5～4.5 L/s為宜;灌水溝坡降7‰條件下,溝長應(yīng)以90 m左右,入溝流量為3.0～4.0 L/s為宜。

3 結(jié)論

通過對楊凌示范區(qū)大田灌水試驗(yàn)的灌水質(zhì)量進(jìn)行評價(jià),在采用SRFR軟件對大田灌水試驗(yàn)的灌水質(zhì)量進(jìn)行模擬,將實(shí)測結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行對比,結(jié)合田間工程實(shí)際,可認(rèn)為兩者誤差在一個(gè)合理的范圍內(nèi),表明SRFR軟件模擬畦灌和溝灌灌水質(zhì)量是可靠的。以SRFR軟件模擬為基礎(chǔ),通過改變不同灌水技術(shù)要素組合,找出了研究區(qū)域內(nèi)不同條件下的畦灌和溝灌灌水技術(shù)要素的優(yōu)化組合。但由于本文采用SRFR軟件模擬灌水質(zhì)量時(shí)未考慮改口成數(shù),對于不同改口成數(shù)下的灌水技術(shù)組合還有待進(jìn)一步研究。

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