灌溉排水新技术

灌溉排水新技术第一讲闫玉民第一章水分与作物一、作物对水分状况的要求1、水对作物的生理作用•水对作物的生理作用主要表现在以下几个方面：⑴水是作物细胞原生质的重要组成部分原生质是细胞的主体，很多生理过程都在原生质中进行。在正常情况下，原生质内含水量为80%以上。如果水分不足，原生质内的生理活动便会减弱，甚至停止。⑵水是光合作用的重要原料在光合作用中,水是不可缺少的原料,水分不足,就会使光合作用受到抑制。⑶水是一切生化反应的介质各种有机质的合成与分解也必须以水为介质,在水的参与下才能进行。⑷水是养分溶解和输送的载体作物所需的矿质养分必须溶解于水中才能被利用;各种有机质也只有溶于水才能输送至植物的各个部位。⑸水可使作物保持一定的形态作物体内水分充足时，细胞常保持数个大气压的膨压，以维持细胞及作物的形态，使正常的生长，生理活动得以进行。2、水对作物的生态作用•水对作物的生态作用，主要表现在以下五个方面：①水分可以调节土壤空气在一定土壤中，土壤水分与土壤空气共同占有土壤孔隙，水多则气少，水少则气多，二者互为消长。②水分能够调节土壤温度水的热容量和水的导热率比空气大得多。为了调节农田土壤温度或稻田水温，常常通过调控土壤水的含量来解决。③水分可以调节土壤肥力养分的吸收和转化，都是以一定的水分条件为基础的，土壤水分的多少直接影响土壤肥力状况。④水分能够改善农田小气候通过合理的灌排措施，不仅可以调节土壤温度而且也可以调节农田内部一定空气层的气温，空气湿度等因素。当农田水分多时，蒸发蒸腾强烈，空气湿度就高，气温就低；反之亦然。⑤水分可提高耕作质量和效率旱田土壤含水量适宜，土壤的物理机械性介于粘结性与可塑性之间时，耕作质量和效率最佳；水稻田泡田以及边耕边放水的方法，也是通过调节水分来满足耕作要求的措施。3、衡量作物蒸腾的强弱有三个指标:①蒸腾速率是指作物在一定时间内单位叶面面积蒸腾的水量，一般用每小时每平方分米叶面蒸腾水量的克数表示。②蒸腾系数作物制造每克干物质所需要的水的克数，通常在100~500之间。③蒸腾效率作物每消耗一千克水所形成的干物质的克数，通常在2~10之间。二、土壤水分运动的基本理论.1、土壤水分状况土壤中水分分为气态和液态两种，气态水分难以被作物吸收，能够被作物吸收的主要是液态水，根据作用力的类型和被作物利用的难易程度，通常把土壤水中的液态水划分为以下几种类型：⑴吸湿水与膜状水①吸湿水：又称紧束缚水，是在分子引力作用下，干燥土粒从土壤空气中吸附的气态水分。②膜状水：又称松束缚水，当吸湿水达到最大量之后，在吸湿水层的外面形成膜态的液态水叫膜状水。⑵毛管水：受毛管力作用,被吸附于土壤细小孔隙中的水称为毛管水.它又可以分为以下两种：①毛管悬着水：若地形部位较高，地下水埋藏较深，降雨和灌溉后借助毛管力而保持在上层土壤中的水分。②毛管上升水：如果地下水埋藏较浅，在毛管力作用下上升至根区的水称为毛管上升水。⑶重力水：当土壤含水量达到毛管悬着水的最大含量时，多余水分由于不能为毛管力所保持，在重力作用下，沿着土壤中大孔隙向下渗透至根区以下，这部分水叫做重力水。2、几个重要的土壤水分常数和土壤含水量的表示方法⑴常用的土壤水分常数有以下几种：①最大分子持水量：当膜状水达到最大数量时的土壤含水量称为最大分子持水量。②田间持水量：当毛管悬着水达到最大数量时的土壤含水量称为田间持水量。③毛管持水量：当毛管上升水达到最大数量时的土壤含水量称为毛管持水量。④饱和含水量：当土壤全部孔隙被水分所充满时，土壤便处于水分饱和状态，这时土壤的含水量称为饱和含水量或全持水量。⑤凋萎系数：当土壤含水量降至一定程度时，由于植物的吸水力小于土壤的持水力，植物便因水分亏缺而发生永久性凋萎，此时的土壤含水量称做凋萎系数，也叫永久凋萎含水量。⑵土壤含水量表示方法土壤含水量表示方法有以下几种：①以重量百分数表示土壤含水量土壤含水量以土壤中所含水分重量占烘干土重的百分数表示;②以容积百分数表示土壤含水量土壤含水量以土壤水分容积占单位土壤容积的百分数表示;③以水层厚度表示土壤含水量将一定深度土层中的含水量换算成水层深度的mm表示;④相对含水量将土壤含水量换算成占田间持水量或全蓄水量的百分数,以表示土壤水的相对含量.3、土壤水分运动的基本方程:•在质量守恒定律基础上运用运动方程和连续方程建立了描述土壤水分运动的基本方程：式中，称为扩散度，表示单位含水率梯度下通过单位面积的土壤水流量，其值为土壤含水率的函数；K(θ)称为水力传导度，其物理意义与渗透系数相近。•由于土壤含水率与土壤压力水头之间存在着函数关系，渗透系数K也可以写成压力水头（非饱和土壤中的为负值）的函数，因此，土壤水运动基本方程也可以写成另一种以为变量的形式。式中，表示压力水头减小一个单位时，自单位体积土壤中所能释放出来的水的体积，被称为土壤的容水度。上述基本方程配以一定的定解条件，可解决灌溉排水中的实际问题。例如入渗条件下土壤水分运动和蒸发条件下土壤水分运动。灌溉排水新技术第二讲闫玉民第二章作物水分生产函数一、作物水分生产函数概念•农业生产的本质就是如何充分利用自然资源,物质资源和劳动资源，获得尽可能多的产出,以满足人类需要。一般情况下，生产资源投入数量不同,所能获得的产出数量也就不同。反映这种投入与产出之间技术经济数量关系的函数称为生产函数。•影响作物产量的因素分为可控因素(如水量,种子,肥料等)和不可控因素(如气候)。在研究作物与水分生产关系时，主要探求可控制且数量有限的水分施加量与产量之间的函数关系，对于不能控制的和供应数量变化的另外一些因素，一般视为固定因素,构成单因子的水分生产函数。•作物产量与水分因子之间的数学关系称为作物水分生产函数。•水分作为生产函数的自变量一般用三种指标表示：灌水量，实际腾发量，土壤含水量•表示因变量产量的指标也有三种:单位面积产量，平均产量，边际产量①因变量的确定因变量只有一个,即产量。按经济目标不同，产量可以是果实，根茎或整个地上部分。产量可以表示成绝对值，亦可取相对值如实际产量与最高产量的比值。②自变量的确定为了方便，现有的作物水分生产函数模型多以腾发量或其相对值作为自变量。许多学者，都对腾发量ET与产量之间的关系进行过研究，文字教材图2-1至图2-3列举了这方面一些结果，同学们可参考。二、按总量计算的作物水分生产函数这种函数是在供水受限制的条件下，可以按全生育期内总供水量满足作物最大需水量程度及其对最终产量的影响来确定的。这种生产函数通常是以产量反应系数解释相对产量的下降与全生育期相对腾发量差额之间的关系，因此可简称为值法。三、分阶段考虑的作物水分生产函数上面介绍的按总量计算的作物水分生产函数，不能反映不同阶段多次缺水对作物产量的影响。因此，许多学者相继研究了分阶段考虑的作物水分生产函数模型。按阶段缺水效应的综合方式不同,可将生产函数模型分为下列三种：（1）加法模型这种模型不考虑各阶段之间缺水对产量影响，同时认为各阶段的缺水效应可简单地叠加。例如，斯梯瓦尔特提出的模型。该模型考虑了各阶段不同水平缺水对总产量的影响,使用也较简单。但是，它将各阶段缺水对产量的影响孤立起来，并简单地叠加，显然不够合理，在干旱地区是否适用，须根据当地情况分析评价或用实验资料进行验证与改进。（2）相乘函数模型这种模型以乘法形式反映各阶段缺水效应之间的联系。这样，每一阶段的缺水不仅影响本阶段，还对以后的阶段产生影响。若其中某一阶段严重缺水，相对腾发量接近于零，则最后形成的产量亦接近于零。这一概念符合干旱，半干旱地区的籽实或块根为产量的作物情况。在相乘模型中，詹森(Jensen)公式最为典型，它是用各阶段相对腾发量来计算相对产量。该模型在我国应用较多,原武汉水利电力大学,中国农科院等多家单位对此进行了研究,相关成果见文字教材第二章第二节表2-2.⑶综合模型•它是由加法与乘法两类模型式综合而成，也可看成是加法模型的改进。保加利亚学者提出用三项积和式建立产量增值与阶段供水的函数关系。•该函数的优点是采用了灌溉定额来反映供水的充分程度，其资料容易获得，但是，公式过于复杂，而且未发现有更多的试验验证资料。以上各模型中符号的物理意义见文字教材第二章第二节。四、灌溉供水准则•作物水分生产函数为确定灌溉供水准则提供了有力的基础。为了便于说明，我们选择以供水量为自变量的模型进行讨论。•投入水量与作物产量之间存在一定的关系，可写成函数。•从生产函数还可得到边际产量。为了说明他们之间的相互关系,我们结合下图予以描述。•大量的灌溉试验证明了作物产量和投入水量的关系曲线如图中上半部分所示,图中的下半部分为供水效率,边际产量与投入水量的关系曲线.从图中我们可以看出他们之间的关系,存在着三个明显的变化阶段,图中在阶段1内作物产量与投入水量的关系近似直线,产量随投入水量的增加而增加,阶段2内产量随投入水量的增加也呈增加趋势,但其增加幅度较阶段1有明显的降低,阶段3内作物产量随投入水量的增加而减少,水量投入越多减产幅度越大。•另外,第一阶段中,供水效率随增加而增大.边际产量总是大于平均产量,至阶段末,两者才相等,也就是此阶段产量增加的幅度大于投入量的增加幅度.因此,只要供水条件允许,就不应对供水量限制,而应以获得最大产量为追求目标。•第二阶段是从平均产量最高点到总产量最高点的阶段.其特点是边际产量低于平均产量,即产量增加幅度小于水的投入量增加幅度.因此,出现了“报酬递减”规律,水量投入仍可继续增高,直至边际产量为零时,产量达到最高。•第三阶段为边际产量转为负值阶段,投入的水越多越减产.显然这是不合理阶段。•如果以获得最高产量为目标，则应根据第二阶段末对应的值确定灌溉供水准则，如果以获得最高的供水效率为目标,则应根据第二阶段初对应的值确定灌溉供水准则。显然，这两种目标不可能同时达到。由于我国幅员辽阔，各地自然条件不同，应根据具体情况确定灌溉供水准则，这也是在试验基础上确定出作物水分生产函数的原因。五、灌溉制度•概括的讲灌溉制度是指一种科学的灌水方案,它包括灌水次数,灌水日期,灌水定额和灌溉定额。•灌水定额和灌溉定额•灌水定额是指一次灌水单位灌溉面积上的灌水量，各次灌水定额之和，叫灌溉定额。通常用以下三种方法和途径确定灌溉制度：⑴总结群众丰富灌水经验⑵根据灌溉试验资料制定灌溉制度⑶按水量平衡原理分析制定作物灌溉制度•该方法理论基础是水量平衡原理•为了加深对此平衡方程的理解,我们结合下图来说明式中各符号的物理意义。•图中将计划湿润层厚度H视为一平衡体,从图中可以看出,P0,M,K,Wr为平衡体水量补给项;ET为消耗项.其中P0为计算时段内保存在平衡体内的有效降雨量,M为灌溉水量,K为地下水补给量,Wr为由于计划湿润增加而增加的土壤含水量.ET为计算时段内的作物田间需水量。•使用水量平衡原理方法确定灌溉制度,可采用列表法或图解法逐时段进行推求,详细过程可参见文字教材第二章第三节有关内容。•上述三种方法各有其优缺点,实际应用中要酌情考虑,有条件时可将三种方法结合使用.灌溉排水新技术第三讲闫玉民第三章节水灌溉技术本章重点：1、渠道防渗技术；2、低压管道输水灌溉规划设计；3、喷灌规划设计内容与方法。一、节水灌溉的内涵•节水灌溉是根据供水条件和作物需水规律，采用各种方法和措施，提高自然降水和灌溉水的利用率和利用效率，获取农业最佳经济效益,社会效益和生态环境效益。灌溉水从水源到田间的各个环节都存在水量的无益损耗，凡是在这些环节中能够减少水量损耗，提高灌溉水利用率的各种措施，均属于节水灌溉范畴。•因此，把“节水灌溉“仅仅理解为节约灌溉用水是不全面的，广义的节水灌溉内涵不仅包括灌溉过程中的节水工程措施，还包括提高农业用水效率的其它措施，如雨水集蓄，非充分灌溉，水资源优化管理技术等。二、节水灌溉的主要技术措施节水灌溉的技术措施很多,按其性质不同分为以下三类：(1)减少输水损失的措施这一环节的节水措施主要包括渠系配套和渠道衬砌防渗措施。(2)节水型灌水方法节水型灌水方法主要有:喷灌,微灌,渗灌和改进的地面灌溉等技术。水稻节水灌溉常用的技术主要包括:湿润灌溉,薄