基于WinSRFR 5.1的地面灌水技術(shù)不確定性研究

高卓卓，鄭志偉

（天津農(nóng)學(xué)院水利工程學(xué)院，天津300384）

0 引 言

畦灌是目前農(nóng)業(yè)灌溉中應(yīng)用最廣泛的方法之一，占據(jù)著非常重要的地位。影響畦田灌水質(zhì)量的因素有很多，主要有關(guān)口時間（基于時間關(guān)口，即灌水時長）、畦田規(guī)格、單寬流量、田面糙率、田面坡度等，優(yōu)化這些參數(shù)能夠保證灌水質(zhì)量高效、均勻度一致。

目前學(xué)者們對土壤入滲參數(shù)和田面糙率做了大量的研究。白寅禎等人[1]以河套灌區(qū)田間實測資料為基礎(chǔ)，使用WinSRFR 4.1模型提出2種滿足灌水要求并具有較高灌水質(zhì)量的典型田塊設(shè)計方案。李佳寶等人[2]根據(jù)田間實測資料，利用WinSRFR 4.1模型對土壤入滲參數(shù)和田面糙率進行了優(yōu)化求解，提高了灌水質(zhì)量。白寅禎等人[3]利用WinSRFR 4.1模型模擬了小麥不同生育期土壤入滲參數(shù)和田面糙率變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)春小麥在灌漿期土壤入滲參數(shù)和糙率均有明顯差異。趙印英等人[4]采用零慣量模型模擬畦灌水流運動，建立地面灌溉灌水技術(shù)參數(shù)優(yōu)化模型，優(yōu)化了畦長和流量。

由于一些條件限制，土壤存在空間變異性等問題[5]，且缺少對模擬結(jié)果的合理性驗證，導(dǎo)致實際效果與模擬結(jié)果有一定偏差。本研究對灌水技術(shù)的不確定性進行研究分析，充分考慮各項灌水技術(shù)參數(shù)變化對田間畦灌灌水效率的影響，采用WinSRFR 5.1模型對地面灌水試驗中的土壤入滲參數(shù)進行優(yōu)化求解，確定合理的畦長L、單寬流量q和田面糙率n，得出最高效畦長及單寬流量組合。在此基礎(chǔ)上使用田間實測法驗證模型參數(shù)及模型優(yōu)化畦長和單寬流量后的灌水效率和灌水均勻度指標(biāo)，同時針對性地將長畦進行分段灌溉并提出適宜的單寬流量范圍，為精準(zhǔn)地面灌水技術(shù)提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 基本情況

本次試驗位于天津市武清區(qū)崔黃口鎮(zhèn)北靳莊和西呂村，北緯39°80'～39°33'，東經(jīng)117°10'～117°12'，該區(qū)已建成完善的灌排工程體系，低壓輸水管道鋪設(shè)至田間，由于大多數(shù)畦田畦長較長，導(dǎo)致灌水時間較長，灌水效率低下，灌水過程存在不確定性。該地區(qū)年平均氣溫為11.6℃，年平均降水量為660 mm。土壤土質(zhì)為中壤土，土壤平均干容重為1.41 g/cm3，田間持水率為24.6%。

1.2 模型介紹

WinSRFR 5.1是美國農(nóng)業(yè)部干旱農(nóng)業(yè)研究中心開發(fā)的多功能綜合性地面灌溉系統(tǒng)水力分析模型，該版本于2019年發(fā)布。通過田塊幾何尺寸參數(shù)、土壤作物參數(shù)和單寬流量等參數(shù)，可獲得畦田灌水水流推進、消退曲線和地面水分入滲情況、灌水質(zhì)量評價指標(biāo)（常用的有灌水效率PAE和灌水均勻度DU）等。該模型有4個功能即灌溉分析評價、灌溉模擬、灌溉系統(tǒng)設(shè)計和灌溉運行管理。

1.3 試驗方法

在試驗區(qū)內(nèi)選取冬小麥（品種為邯麥16，播種量為262.5 kg/hm2）作為試驗對象，先對畦長、單寬流量、灌前的土壤含水率、地面坡度、田面糙率等參數(shù)進行量測并記錄，再利用WinSRFR 5.1模型進行模擬地面灌水試驗，優(yōu)化灌水技術(shù)要素及畦長、單寬流量，對影響地面灌水的不確定因素進行預(yù)判分析。

田間試驗于2018年3月19日至3月27日進行，灌水次數(shù)為2次。以水流推進方向為正方向，沿畦長在20、40、60、80 m 處分別設(shè)觀測點，觀測關(guān)口時間、灌水量、單寬流量、實時土壤入滲強度、土壤穩(wěn)定入滲率、灌水歷時并觀察水流推進、消退情況，記錄水流推進與消退時間，記錄每個觀測點灌前灌后土壤含水率。第2年在試驗田繼續(xù)試驗，方法同上，應(yīng)用田間實測法計算灌水效率和灌水均勻度，保證2次試驗時間、作物品種、灌水次數(shù)、施肥情況等都相同，以確保試驗準(zhǔn)確性。

1.4 土壤入滲參數(shù)和田面糙率優(yōu)化

土壤入滲參數(shù)和田面糙率是進行灌溉系統(tǒng)設(shè)計、管理和灌水質(zhì)量評價的基礎(chǔ)依據(jù)。由于灌水過程受到土壤空間變異性影響，因此以實測水流推進和消退數(shù)據(jù)為依據(jù)，模擬水流運動優(yōu)化土壤入滲參數(shù)。采用WinSRFR 5.1模型中的灌溉分析評價功能，輸入田間實測的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和水流推進與消退數(shù)據(jù)，利用模型中Merriam?Keller 分析方法，解出Kostiakov 公式中的參數(shù)（田面糙率n、入滲系數(shù)K和入滲指數(shù)α）。

Kostiakov公式為：

式中：I(t)為入滲時間為τ時的累積入滲量，mm；K為入滲系數(shù)、α為入滲指數(shù)，由田間試驗確定。

1.5 灌水質(zhì)量指標(biāo)與畦田規(guī)格優(yōu)化

使用WinSRFR 5.1模型中的灌溉系統(tǒng)設(shè)計功能，基于試驗區(qū)實際情況在畦寬7.5 m 不變的條件下，分析灌水質(zhì)量指標(biāo)等值線圖，得到滿足要求的畦長及單寬流量。

本研究選擇灌水效率PAE和灌水均勻度DU作為水平畦田灌溉過程的評價指標(biāo)。為獲得較高的灌水質(zhì)量，通常要求潛在灌溉效率和灌水均勻度都大于80%[5]。灌水效率PAE是指灌水中被植物利用的水量與實際灌水總水量的百分比，即灌溉水的利用效率，計算公式如下：

式中：PAE為滿足于最小入滲深度的灌水效率；DZ為可儲存在土壤計劃濕潤層的灌溉水深，mm；Dapp為灌溉后的實際灌水深度，mm。

灌水均勻度DU反映了灌水后灌溉水在田間分布的均勻度，是考察灌水結(jié)果的重要指標(biāo)，計算公式如下：

式中：DU為基于最小入滲深度的灌水均勻度；Dmin為田間的最小入滲水深，mm；Dinf為田間的平均入滲水深，mm。

1.6 灌水質(zhì)量指標(biāo)驗證

根據(jù)灌溉前后在監(jiān)測點測量的根系含水層的水量，與實際灌水量對比，計算灌水效率[6]，計算公式如下：

式中：PAE為灌水效率，%；Zreg為灌溉需水深度，mm；Zavg為平均入滲水深，mm；Zlq為入滲量最小的1/4 田塊內(nèi)的平均入滲水深，mm。

根據(jù)灌溉后測量的實際入滲水深可計算出灌水均勻度。計算公式如下：

式中：DU為灌水均勻度，%；| |ΔZ為各點實際入滲水深與平均入滲水深的平均離差；Zj為各點實際入滲水深，mm。

2 結(jié)果與分析

當(dāng)畦寬一定時，分析畦田灌水質(zhì)量。單寬流量q、田面糙率n、畦長L等灌水技術(shù)要素與土壤入滲參數(shù)等自然因素相比，更容易影響灌水質(zhì)量[6]。

2.1 土壤入滲參數(shù)模擬分析

將實測水流曲線和模擬水流曲線結(jié)果進行對比，不斷調(diào)節(jié)入滲參數(shù)K和入滲指數(shù)α，使得水流推進與消退曲線的實測值和模擬值具有較高的相關(guān)性，此時得到的土壤入滲參數(shù)和田面糙率n即為模擬的最優(yōu)值。表1為試驗田水流推進消退過程的實測值與模擬值擬合度較高時的土壤入滲參數(shù)、田面糙率和基本數(shù)據(jù)。

表1 土壤入滲參數(shù)和曼寧糙率值模擬優(yōu)化結(jié)果及田間基本數(shù)據(jù)Tab.1 Simulation and optimization results of soil infiltration parameters and Manning roughness values and basic field data

圖1 試驗田水流推進與消退的實測值與模擬值比較Fig.1 Comparison of measured and simulated curves of water flow advancing and retreating in text plot

由圖1可知，試驗田水流推進與消退的實測值與模擬值的吻合程度較高，相關(guān)系數(shù)可達到95%以上，相關(guān)性較高，表明WinSRFR 5.1模型對本研究是適用的。

2.2 灌水質(zhì)量指標(biāo)等值線圖分析

根據(jù)WinSRFR 5.1模型灌溉系統(tǒng)設(shè)計功能輸出的灌水質(zhì)量等值線圖，分析單寬流量q和畦長L對灌水質(zhì)量指標(biāo)的影響。在試驗區(qū)畦寬一定的基礎(chǔ)上，得到合理的單寬流量q和畦長L優(yōu)化范圍，指導(dǎo)實際田間灌水過程在節(jié)水基礎(chǔ)上高效率高質(zhì)量進行。

在灌溉系統(tǒng)設(shè)計模塊中設(shè)定畦長范圍為0～150 m，單寬流量范圍為0～10.67 L/（s·m），等值線網(wǎng)格尺寸為10 m×10 m，輸出得到田塊畦長、單寬流量與灌水效率等值線圖和灌水均勻度等值線圖，如圖2所示。

圖2 灌水效率和灌水均勻度重合等值線圖Fig.2 Contour map of the coincidence of irrigation efficiency and irrigation uniformity

由圖2可知，深灰部分表示在畦寬固定7.5 m時，畦長和單寬流量的任意組合均可使PAE和DU均達到90%以上；淺灰部分的畦長和單寬流量的任意組合均可使PAE和DU均達到80%以上；白色部分表示畦長和單寬流量組合的灌水質(zhì)量較差。圖2中任意一點都可得到對應(yīng)的畦長、單寬流量、灌水效率PAE和灌水均勻度DU。灌水效率和均勻度擬合程度很高，在畦寬一定時，畦長在一定范圍內(nèi)，灌水效率和灌水均勻度均隨著單寬流量的增大而保持不變；當(dāng)單寬流量一定時，灌水效率和灌水均勻度均隨著畦長的增大而逐漸減小。

在固定畦寬為7.5 m，畦長0～30 m 以內(nèi)，增大單寬流量對于灌水效率和灌水均勻度的影響不大，此時PAE和DU均達到90%以上。畦長大于30 m時，當(dāng)隨著單寬流量增大，灌水效率和灌水均勻度先增大后減小；當(dāng)灌水效率PAE和灌水均勻度DU一定時，單寬流量和畦長呈正比關(guān)系，線性相關(guān)性高達90%。當(dāng)單寬流量在0～6.67 L/（s·m）以內(nèi)時，隨著畦長增大，灌水效率和灌水均勻度逐漸減小；當(dāng)單寬流量大于6.67 L/（s·m）時，隨著畦長增大，灌水效率和灌水均勻度呈現(xiàn)先減小后增大再減小的變化過程。

在試驗田冬小麥拔節(jié)期前進行灌水，水流推進速度快，灌水時間長以保證畦尾可達到入滲要求水深，土壤含水率達到較高水平。在模擬中相對應(yīng)的畦長和單寬流量條件下，灌水效率PAE和灌水均勻度DU均能達到較高水平，滿足要求。

圖3為灌水效率和灌溉均勻度均達到95%以上的灌水高效區(qū)。由圖3可知：在畦長為30～53 m時控制入地單寬流量可達到較高的灌水質(zhì)量；畦長超過55 m 灌水效率會降低；畦長過長會相應(yīng)加大流量并且會對畦首產(chǎn)生沖刷，同時也不利于滿足灌溉需水深度要求。

圖3 灌水效率和灌水均勻度均95%以上的高效區(qū)Fig.3 High-efficiency area where both irrigation efficiency and irrigation uniformity are above 95%

2.3 灌水質(zhì)量指標(biāo)檢驗

根據(jù)第2年實測灌前灌后土壤含水率及入滲水深等數(shù)據(jù)，使用公式（4）～（6）可計算出灌水效率和灌水均勻度，如表2和表3所示。

表2 不同畦長對應(yīng)的灌水效率及灌水均勻度Tab.2 Irrigation efficiency and irrigation uniformity corresponding to different border lengths

表3 不同流量對應(yīng)的灌水效率及灌水均勻度Tab.3 Irrigation efficiency and irrigation uniformity corresponding to different flow rates

由表2可知，畦長40～80 m時，實測法得到的灌水效率均在85%以上，灌水均勻度在90%以上；畦長20 m時，灌水效率和灌水均勻度均有明顯下降，且灌水效率低于灌水質(zhì)量要求。在一定的單寬流量條件下，隨著畦長增大，灌水效率和灌水均勻度均先增大后減小，并且灌水效率變化更明顯。由表3可知，同一畦長條件下，適當(dāng)增大單寬流量，灌水效率和灌水均勻度均會增加，且灌水效率沒有灌水均勻度增加幅度大。說明增大單寬流量可以提高灌水效率和灌水均勻度，并且灌水均勻度的提高更明顯。

3 結(jié) 語

（1）在已知田間基本數(shù)據(jù)資料和實測水流推進消退過程數(shù)據(jù)的前提下，水平畦灌水流推進消退的實測值與模擬值相關(guān)性較高。表明使用WinSRFR 5.1模型模擬計算土壤入滲參數(shù)和田面糙率是可行的，可以很準(zhǔn)確地描述田間地面灌水水流過程，能夠更加精確的計算土壤入滲參數(shù)和田面糙率并減少誤差，且所需資料少，工作量少，操作簡單，計算精度高。

（2）畦長和單寬流量變化均會影響灌水效果。畦長30 m以內(nèi)，單寬流量增加對灌溉質(zhì)量影響不大；畦長30～53 m，單寬流量2.7～5.7 L/（s·m）時灌水效率和灌水均勻度均達到95%；畦長50～100 m，控制單寬流量不低于3.34 L/（s·m）；畦長100～150 m，控制單寬流量不低于6 L/（s·m）。