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灌溉排水概论 清华大学 水利系 尚松浩 Email: shangsh 灌溉排水 要求: l熟悉北方主要作物需水规律,掌握灌溉制度的方法 l熟悉农田土壤水分特征参数及基本运动规律 l掌握灌溉排水工程类型及适用条件 l掌握灌溉系统(渠道、管道)的组成、渠系建筑物 的分类及其作用 l熟悉不同灌水方法及其技术特点 l了解排水系统及特点 l掌握灌溉、排水管理基本内容 参考教材:郭元裕主编. 农田水利学(第3版). 北京: 中国水利水电出版社. 1997 灌溉排水所涉及的主要内容: 点网面网点 水源输水系统农田排水系统容泄区 1 土壤水分特征参数及基本运动规律 l要求:熟悉农田土壤水分特征参数及基本运 动规律 l主要内容: 农田土壤水分特征参数 土壤水分基本运动规律 1.1 农田水分状况与水分特征参数 l农田水分状况(Field water regime): 农 田中地表水、土壤水和地下水的状态、变化 规律及对作物生长影响的总称 l农田水分调控(Regulation of field water regime):利用农田水利措施对农田水分状 况进行调节与控制,以改善土壤中的气、热 、养分状况及农田小气候,达到农业增产的 目的。 l土壤含水量(soil water content):105烘 干至恒重时失去的水量。以单位质量干土中 水的质量或单位土壤总容 积中水的容积表 示(质量含水量、体积含水量) l土壤含水率的表示: 体积含水率:v =Vw /V0 重量(质量)含水率:g =mw /ms 饱和度:w=Vw /Vv 贮水深度:h=Hv (量刚为L) l相互关系: v = g d /w w=v/n l土壤含水量的主要测定方法 称重法(烘干法) 核技术测量:中子仪, 射线仪 电磁测量:时域反射仪(TDR) 核磁共振测量 热脉冲测量 遥感测量:大面积地表含水率 称重法(烘干法,直接法): 测定过程:土钻取土,测定土壤湿重m; 在105烘箱中烘68h,测定干土重ms 。则土壤质量含水率为 g =(mms) /ms 快速烘干方法:酒精燃烧,红外线灯照射 优点:原理简单、测量精度高、设备简单 缺点:耗时长、破坏土体,代表性差(空 间变异性影响) l中子仪: 原理:快中子、H慢中子,慢中子通量反映H(水) 含量 快中子源:放射源(Ra/Am)、Be 体积含水率与记数R的关系: =a R/Rstd +b 优点:原位重复测量 缺点: v确定率定曲线 v空间分辨率低 v价格,辐射 l时域反射仪(TDR): 原理:土壤介电常数与含水率的关系(介电常数 :水80;干土5;空气1) 优点:简单 缺点:仪器价格,分辨率低 土壤水的形态与水分常数 类型形态作用力水分常数 吸湿水束缚在土粒表面的水汽吸附力 最外层3MPa 最大吸湿量(吸湿 常数) 薄膜水吸湿水外层连续 水膜吸着力 最外层0.625MPa最大分子持水量 (薄膜水不能被植物吸收)1.5MPa凋萎系数 毛管水土壤孔隙(毛管),水气界面 为一弯月面。分毛管上升水 、毛管悬着水 表面张力作用 毛管 力 1030KPa 田间持水量(毛管 悬着水达到最大) ,田持 重力水大孔隙中的水重力饱和含水率 l土壤水分常数(soil water constant):根据土 壤水分形态不同而定义的土壤特征含水量,如 田间持水量、凋萎系数等 l田间持水量(field (moisture) capacity):农田 土壤某一深度内保持吸湿水、膜状水和毛管悬 着水的最大水量 l凋萎系数(wilting coefficient):植物开始发 生永久凋萎时的土壤含水率,也称凋萎含水率 或萎蔫点 l土壤有效含水量(available water content of soil ):土壤中能被作物吸收利用的水量,即田间 持水量与凋萎系数之间的土壤含水量 l土壤含水率与水分常数的应用: 估计水分对植物生长的影响 计算灌溉水量 根据土壤水分的动态变化估算腾发量(地面蒸发 植物蒸腾) 华北平原不同质地土壤的水分常数 土壤 质地 重量百分比(%)体积百分比(%) 最 大 吸湿量 凋萎 系数 田 间 持水量 饱 和 含水量 最 大 吸湿量 凋萎 系数 田 间 持水量 饱 和 含水量 砂壤土1-24-622-3030-402-35-932-4245-52 轻壤土1-24-922-2928-402-36-1230-3640-52 中壤土2-36-1022-2830-383-58-1530-3544-54 重壤土2-36-1322-2828-383-49-1832-4240-50 轻粘土1528-3232-402040-4545-54 中粘土12-1725-3535-4017-2435-4548-53 重粘土30-3538-4240-5048-55 1.2 土壤水分运动 l入渗条件下的土壤水分运动 l土壤水分再分布 l蒸发条件下的土壤水分运动 1.2.1 降水/灌溉入渗 l入渗:水分进入土壤的过程 l入渗类型: 一维垂直入渗:降水、灌溉入渗 二维垂直、水平入渗:河道、渠道入渗 三维垂直、水平入渗:水库、湖泊入渗 l入渗条件下土壤水分运动 非饱和土壤水运动 饱和非饱和土壤水运动 l积水条件下的干土入渗: 分区: v饱和区 v过渡区 v传导区 v湿润区 饱和区、过渡区 一般不存在 积水条件下的干土入积水条件下的干土入 渗:渗: 积水后,表土含水率积水后,表土含水率 很快增加到很快增加到 0 0 ( ( k k ;蒸发强度蒸发强度E E 0 0 ; k k 取决于土质和大气蒸发能力,毛管破取决于土质和大气蒸发能力,毛管破 裂点(裂点(50%50%70%70%田持)田持) 土面蒸发强度随含水率变化阶段:土面蒸发强度随含水率变化阶段:BCBC。 随着含水率的降低,向表层土壤的供水减随着含水率的降低,向表层土壤的供水减 小,地表水汽压降低,蒸发强度减小小,地表水汽压降低,蒸发强度减小 水汽扩散阶段:表土含水率很低时,形成水汽扩散阶段:表土含水率很低时,形成 干土层,干土层底部蒸发水汽扩散干土层,干土层底部蒸发水汽扩散 2 作物需水量与灌溉制度 l要求:熟悉北方主要作物需水规律,掌握灌 溉制度的方法 l主要内容: 作物需水量及其确定方法 北方主要作物需水规律 作物灌溉制度的确定方法 2.1 作物需水量及其确定方法 l农田水分消耗: 植株蒸腾(Transpiration) 颗间蒸发(Evaporation) 深层渗漏(Percolation) l腾发(Evapotranspiration):蒸发蒸腾 ET l作物需水量(Crop water requirement) l影响因素:气象、土壤水分状况、作物类型 及生育阶段 l确定方法:试验测定,计算 需水量的直接计算方法 l全生育阶段:需水系数法 值法(水面蒸发): ET=E0 ET=E0+b K值法(产量): ET=KY ET=KYn+c l生育阶段:模系数法 ETi=Ki ET/100 根据参考作物腾发量计算ET lETc=kc ET0 lKc:作物系数 lET0:参考作物腾发量,计算以往常用FAO (1979)的修正Penman法,最新FAO( 1998)Penman-Monteith法 华北地区主要作物的作物系数: 冬小 麦 10月1112123456全生 育期 kc0.560.560.200.200.200.931.691.121.080.88 藁城北京 夏玉 米 6月789全生 育期 全生 育期 kc0.650.840.941.340.891.05 2.2 北方主要作物需水规律 作物kcET0ETc 冬小麦0.88568500 夏玉米1.05358375 北京: l冬小麦需水强度变化规律: 播种越冬(10月11月):较小 越冬期(12月2月):最小 返青后逐渐增大,抽穗期达到最大,此后又有所 减小 2.3 作物灌溉制度的确定方法 l灌溉制度:作物播种前、生育期内的灌水次 数、每次灌水时间及灌水定额、灌溉定额 l充分灌溉制度的确定方法: 总结群众丰产灌水经验 根据灌溉试验资料制定灌溉制度 根据水量平衡原理制定灌溉制度 l非充分灌溉下的灌溉制度 经济灌溉制度:确定效益最大的灌溉定额 优化灌溉制度:灌溉水量在生育期内分配 根据水量平衡原理制定灌溉制度 l旱作水量平衡:(单位:mm, m3/亩, m3/ha) Wt-W0=Wr+P0+K+M-ET W0 :时段初储水量 Wt:时段末储水量 Wr:计划湿润层增加 而增加的水量 P0:有效降水量 K:地下水补给量 M:时段灌溉水量 ET:田间需水量 l初始储水量W0 蒸发消耗至Wmin,灌水 无降水情况下: Wmin=W0-(ET-K)=W0-(e-k)t 灌水时间:t=(W0-Wmin)/(e-k) 灌水定额:m=Wmax-Wmin 降水、灌溉后: Wt=Wt+P0+M l基本资料: 土壤计划湿润层深度:与作物、生育阶段有关 土壤适宜含水率及允许最大、最小含水率 有效降水量: 地下水(深层土壤水利用量): 由于计划湿润层增加而增加的水量 华北(北京)主要作物灌溉时期 作物频率灌溉时期 冬小麦平均冬前,拔节,抽穗,灌浆 50%分蘖,起身,
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