引黃灌區畦田灌水技術試驗研究

張立志，徐立榮，徐征和，龐桂斌，王 通，趙志強(濟南大學資源與環境學院，濟南 250022)

0 引 言

現階段，引黃下游灌區灌溉方式依然為大田畦灌，由于田間工程設施不完善、畦田規格不合理并且田間灌溉管理模式粗放等，灌溉水資源浪費和滲漏嚴重，造成地下水位抬升，土壤鹽堿化等一系列問題[1]。目前，黃河的來水條件下降，灌區發展受到一定的制約，發展節水畦灌成為一種必要的方式。因此，合理的減少農業用水量成為現代灌區發展的必經之路，其中提高灌溉用水效率的重要措施就是改進現行的田間灌水技術[2,3]。在李益農、許迪、李福祥等人的研究中，指出影響水平畦田灌溉系統性能的因素包括：土壤入滲性能、畦田微地形、入畦單寬流量、畦田規格、灌溉供水時間[4,5]。在張莊內進行的試驗，通過分析不同灌水技術參數組合對灌水質量的影響，并結合計算機軟件分析初步確定張莊管道灌溉條件下合理的畦田規格和技術要素，指導農業生產。

1 材料與方法

試驗在山東省引黃灌區德州市張莊管道灌溉示范區內進行，采用田間灌水試驗與計算機模擬相配合的方法，分析當前田間灌水技術存在的問題，利用 SRFR 軟件進行模擬，對比灌區內不同畦田狀況的灌水技術改進方案，提出管道灌溉條件較優的灌水技術改進方案。

項目區種植作物主要為冬小麥和夏玉米。試驗在2014-2015年冬小麥春灌期間進行，試驗田塊土壤質地為壤土，平均土壤干密度為1.41 g/cm3，田間持水率為25%。試驗區周邊一般畦田寬度為6、8、10 m多種規格，而畦長過長，一般在150 m以上，本次試驗畦田是在原畦田規格的基礎上進行改畦。試驗區內，使用低壓管道灌溉，末級管道規格確定，為滿足畦田灌溉最優化，需要優化畦田規格。據現場調查可知：灌區末級管道使用DN110類型管道，滿足這種規格并且管道流速在經濟流速以內而且要大于不淤流速1.3 m3/s。本次試驗選擇流速范圍為1.3～1.5 m/s，經過計算得出給水栓的出水量為12.3～14.3 L/s，因此畦田規格的選擇要在這個出水量之間考慮。

1.1 試驗方案

采用田間小區試驗的方法進行，共分為4個畦灌小區，分別為：長60 m，寬3 m(1號畦田)、長60 m，寬5 m(2號畦田)、長90 m，寬3 m(3號畦田)、長90 m，寬5 m(4號畦田)。畦埂高通常為0.15～0.20 m。

1.2 觀測項目

試驗期間觀測內容包括：①田面坡度；②灌溉前后24 h的土壤含水量；③給水栓設置流量計測定入畦流量；④水流推進時間：每隔5 m設立標桿，記錄水流前鋒到達標桿的時間；⑤水流消退時間：每隔5 m記錄一次地面明水落干時間。

1.3 評價指標

本文灌水質量的評價指標主要采用灌水效率和均勻度。

(1)灌水效率(Ea)：

(1)

(2)灌水均勻度(Ed)：

(2)

式中：Ed為田間灌水均勻度，%；ΔZ為入滲水深的平均偏差；Za為灌水后沿田面各觀測點土壤入滲水深的平均值；n為測點數；Zi為田面各觀測點土壤入滲水深，i=1，2，…，n。

2 模型參數率定與優化

WinSRFR4.1模型是由美國農業部灌溉研究中心開發的地面灌溉(畦灌、溝灌等)模擬模型[6-9]。模型有4個不同的模塊：①Event Analysis；②Hydraulic Simulation；③Physical Design；④Operation Analysis。WinSRFR4.1模型的輸入參數主要有：灌溉系統的幾何參數(畦寬、畦長、田面縱坡等)、灌溉管理參數(入畦流量、改水成數等)、土壤參數(田間糙率系數、土壤入滲參數等)。三項輸入參數按照田間實測數據進行輸入。

WinSRFR4.1模型模擬結果與實測數據十分吻合[10-12]，本次試驗中是通過軟件模擬得到土壤入滲參數。使用WinSRFR4.1模型模擬土壤入滲參數是基于Kostiakov公式：

Z=Ktα

(3)

式中：Z為累計入滲水深，mm；t為累計入滲時間，h；K為土壤入滲指數；α為入滲系數。

本此試驗中，利用野外雙環入滲試驗得到的土壤參數作為軟件模擬的原始值，模擬水流推進和消退過程，對照模擬曲線和實測曲線，不斷調整土壤入滲參數和入滲系數，使模擬曲線與實測曲線擬合度最高，此時得到的土壤入滲指數K和入滲參數α，可以作為每個畦田的入滲參數。

WinSRFR4.1軟件模擬和實測的水流推進和消退的過程如圖1所示，從圖中可以看出模擬值與實測值之間基本吻合，不同畦塊的模擬參數見表1。

表1 模型參數模擬結果Tab.1 The simulation results of model parameters

由圖1和表1可以得出，使用WinSRFR4.1模型模擬得到的畦田水流推進和消退與實測值吻合度很高，可以認為軟件模擬畦灌過程是符合實際情況的。因此，本文用此方法模擬不同規格畦田的灌溉過程。

3 結果與分析

3.1 灌水質量評價

使用WinSRFR4.1軟件與實測相結合的方法計算得出的結果可以真實地反映田間實際狀況。考慮研究區的灌水特征并結合他人研究成果，使用公式(1)、式(2)計算，計算結果見表2，根據數據顯示，寬3 m的畦田灌水效率明顯要比寬5 m的畦田高。畦寬過寬使得畦田在橫向斷面上的入滲不均勻，在整塊畦田達到灌水要求的條件下，會出現嚴重的深層滲漏，使得灌水效率低下，反而會使得灌水均勻度有所升高，導致最終灌水均勻度的差別不大，但極大的浪費了灌溉水。因此，建議該地區寬畦改窄畦。

圖1 畦田水流推進、消退過程的實測與模擬Fig.1 Measurement and Simulation of irrigation water advance and recession process

表2 灌水效率和灌水均勻度計算結果Tab.2 Calculation results of irrigation efficiency and irrigation uniformity

3.2 田間灌水技術參數優化分析

使用WinSRFR4.1軟件模擬不同畦長條件下的畦田灌溉，從中選出灌水均勻度和灌水效率達到灌水要求并且適合當地條件的灌水組合方案。模擬數據包括灌水效率和灌水均勻度與畦長、單寬流量、畦寬和坡度的變化關系，根據模擬結果分析得到適合于該地區的畦田灌水參數。灌水效率和灌水均勻度模擬結果見圖2、圖3、圖4、圖5。

圖2 灌水效率隨畦長變化圖Fig.2 Ea with border length change chart

圖3 灌水均勻度隨畦長變化圖Fig.3 Ed with border length change chart

圖4 灌水效率和灌水均勻度隨單寬流量變化圖Fig.4 Ea and Ed with Single wide flow change chart

圖5 灌水效率和灌水均勻度隨畦寬變化圖Fig.5 Ea and Ed with wide change chart

由圖2和圖3可以看出在同一坡度下，灌水效率和灌水均勻度都隨畦長的增加先增大后降低，在畦長為50 m時灌溉性能最優。畦長較小時，推流推進速度相對較快，下游畦田會出現深層滲漏的現象，上、下游水分分布不均勻，灌水效果差；畦田長度較大時，水流推進速度相對較慢，上游受水時間較長，出現滲漏，導致上、下游入滲水分分布不均勻，灌水質量低，灌水效果差。

由圖4模擬結果看出：灌水均勻度和灌水效率隨著單寬流量的增加呈現出了先增加后減小的趨勢，并且在單寬流量為1.5 L/(s·m)時，達到最大值。單寬流量較小時，水流推進速度較為緩慢，水流前鋒到達畦尾所需要的時間較多，畦田上游受水時間長，深層滲漏較為嚴重，導致灌水效率低下，灌水均勻度上、下游差距明顯。相反，單寬流量太大，一方面會造成沖刷畦田的現象；另一方面，水流到達畦田下游所需時間少，而我們普遍采用畦長比例作為改水成數，水流到達下游后，需要進行改畦，畦田下游受水時間較短。雖然此時深層滲漏現象明顯改善，由于下游水分入滲時間很短，上下游灌水深度差異明顯，導致Ed值很小。與此同時畦田的整體入滲時間也會大大縮短，致使灌溉難以達到畦田需水要求。

由圖5得到畦寬為1 m，Ea和Ed隨畦寬的增加，現有小幅度的增加，當畦寬增加到1.3 m時，Ea、Ed分別達到最大值 86%、91.3%，當畦寬繼續增加時，灌水質量開始變差。畦寬較小時，配水建筑物的尺寸一定，入畦流量變化幅度有限，單寬流量就會大幅度提升，導致下游出現深層滲漏，上、下游水分入滲不均勻且畦田難以達到計劃濕潤層深度；畦寬較大時，使單寬流量嚴重減小，導致上游出現深層滲漏的現象，下游水分入滲較少，畦田灌溉不均勻，灌水效果差。

以50 m畦長為例，當畦田坡度為0.001時，由于灌溉水流推進速度緩慢，上游水流停留時間相對較長，下游灌溉水停留時間較少，造成畦田上游深層滲漏較為嚴重，下游入滲量較少且入滲時間較短難以達到灌水需求。在整塊畦田上，入滲水量分布不均勻，Ea和Ed值較小，難以達到節水灌溉要求。當田面坡度逐漸增大時，重力作用導致灌溉水的推進速度不斷加快，畦田上游水流停留時間一定有所減少，并且灌溉水向下游的推進速度一定會不斷加快，使得水流在下游的停留和入滲時間不斷增加，畦田整體的水分入滲分布逐漸變得均勻，Ea和Ed也在逐漸增加，直到田面坡度增加到0.003時，Ea和Ed到達最大值 87.8%和 95.2%；但是當畦田坡度繼續增加時，水流推進速度進一步加快，灌溉時間大大縮短，灌溉水流在整個畦田上的停留時間減少，因此，水分入滲減少，難以達到灌水計劃濕潤層，若是增加灌水時間來到達畦田的需水要求，致使灌水水流長期在下游累計，一方面可能會沖垮攔水畦，另一方面導致畦田下游大量水分下滲，造成嚴重的深層滲漏，Ea和Ed數值很低，難以達到現代灌區的用水要求。模擬結果圖見圖6。

圖6 50 m畦田灌水效率和灌水均勻度隨坡度變化圖Fig.6 50 m Ea and Ed with the slope change chart

因此，管道灌溉區內，在末級管道配置和當地農用機具的約束下，寬為1.5 m、長為50 m，坡度為0.003的畦田更能適宜于管道布設以及灌區的發展。并且根據模擬結果圖的變化趨勢，建議此地區最好選用0.003的畦田坡度，并且在灌水效率和灌水均勻度都大于80%的情況下，畦長不應大于60 m，在此范圍內，灌水性能較優。

4 結 語

(1)使用WinSRFR4.1模型模擬得到的畦田水流推進和消退與實測值吻合度很高，相對誤差僅在3.56%～4.68%之間，證實了該地面水流模擬軟件模擬畦灌過程是符合實際情況的，因此，可以采用參數率定后的模型模擬不同規格畦田的灌水過程。

(2)目前，灌區內的畦田規格大小不一，但都存在畦田寬度和長度過寬等問題。現階段因灌區灌溉工程配置未達到畦田灌溉要求而不被農民采用，導致了資源浪費。通過試驗分析以及模擬分析，建議灌區單寬流量為1.5 L/(s·m)，畦田規格更改為1.5 m寬，坡度為0.003，長度在50～60 m。這種畦田規格既能節省灌溉水量又可以降低末級管道配置要求，減少灌區建設的經濟投入。同時建議灌區內推廣精細平地技術，提高田面平整度。

(3)灌水均勻度和灌水效率都是反映灌水性能的重要指標，兩個指標相結合，能夠真實反映灌水質量優劣。但灌水均勻度與灌溉水量成正相關變化，而灌水效率隨灌水量的增加，先增加，后減小。因此，在評價不同灌溉方案灌水效果時，應該綜合考慮兩者同時處在較高水平。

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