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15.4渠道灌溉工程灌排工程是属于农田水利学的研究内容，农田水利学是一门研究农田水分状况和地区水情的变化规律及其调节措施，消减水旱灾害和充分利用水资源，为创造良好农业生态环境和发展农业生产服务的科学。农田水分状况一般指农田中的土壤水、地面水和地下水的状况及与其相关的养分、通气和热量状况。农田水分不足或过多，都会影响作物的正常生长和产量。引起农田水分过多或不足的主要原因是水旱灾害。调节农田水分不足或过多的主要措施是灌溉和排水。5.4.1灌溉用水量分析计算灌溉用水量及其年内变化过程，是灌区水利计算的基本内容之一，并为灌溉工程的规划设计和用水管理以及水资源的合理开发利用提供重要的依据。而作物需水量和灌溉制度又是进行作物灌溉和计算灌溉用水量的主要依据。农田水分状况则是分析作物需水量、制定作物灌溉制度和计算灌溉用水量的基础。1土壤水农田水分存在三种基本形式。即地面水、土壤水和地下水，而土壤水是与作物生长关系最密切的水分存在形式。土壤水主要来自降水和灌水，按其形态不同可分为汽态水、吸着水、毛管水和重力水等。（1）汽态水：是存在于土壤空隙中的水汽，有利于微生物的活动，故对植物根系有利。由于数量很少，在计算时常略而不计。（2）吸着水：包括吸湿水和薄膜水两种形式；吸湿水被紧束干土粒表面，不能在重力和毛管力的作用下自由移动；吸湿水达到最大时的土壤含水率称为吸湿系数。薄膜水吸附于吸湿水外部，只能沿土粒表面进行速度极小的移动；薄膜水达到最大时的土壤含水率．称为土壤的最大分子持水率。（3）毛管水：毛管水是在毛管作用下土壤中所能保持的那部分水分，亦即在重力作用下不易排除的水分中超出吸着水的部分。毛管水是能被作物吸收利用的最主要的土壤水分。（4）重力水：土壤中超出毛管含水率的水分在重力作用下很容易排出，这种水称为重力水。重力水虽能被作物吸收，但由于它在根系分布层中停留的时间很短，可被作物利用的数量是很少的。2土壤水分的有效性土壤中持有的水分，并不是都能被作物吸收利用的，这取决于作物根系和土壤对水分吸力的对比。作物根系的吸水力因作物种类、品种等而异，大约在0.3～3.0MPa之间，平均在1.5MPa左右。土壤对水分的吸力为1.5MPa时，是有效水和无效水的分界限，这时相应的土壤含水率叫做凋萎系数。土壤对水分的吸力超过1.5MPa，也就是土壤实际含水率小于凋萎系数时，作物很难从土壤中吸收到水分而呈现永久性凋萎，所以，这时的土壤含水率又叫永久凋萎系数，它是作物吸收土壤水分的下限含水率，约相当于吸湿系数的1.5～2倍。田间持水率是土壤有效水分的上限，常用田。所以，永久凋萎系数至田间持水率之间的那部分水量是土壤的最大有效水量。不同土壤的田间持水率及最大有效水量如表5.4-1所示。表5.4-1不同土壤的田间持水率田及有效水量（占干土质量分数）2土壤质地田间持水率（％）凋萎系数（％）有效水量（％）砂土8～163～55～11砂壤土、轻壤土12～225～77～15中壤土20～288～912～19重壤土22～289～1213～15粘土23～3012～1711～13根据上述分析可知，土壤中的吸湿水为无效水；膜状水中的大部分为无效水，少部分为有效水；毛管水为有效水。当土壤含水率降至永久凋萎系数时，作物将呈现永久性凋萎，这时再灌水已为时过晚，因此，在生产实践中，通常以作物生长开始受到抑制，下部叶子开始萎蔫时的土壤含水率作为控制土壤含水率的下限，并把它叫做初期凋萎系数。这时相应的土壤对水分的吸力约为0.8MPa，其值约为田间持水率的60%左右。即当土壤含水率降至初期凋萎系数时，作物吸水不足，呈现旱象，需要及时灌水。3农田水分状况农田水分状况是指农田中的地面水、土壤水和地下水的数量、分布、形态及其变化的状况。一切农田水利设施，归根结底都是为了调节和控制农田水分状况，从而改善土壤的水、肥、气、热状况和农田小气候，以达到促进农业生产的目的。农田中的地面水、土壤水和地下水的状况必须适宜，才能有利于作物的生长发育。首先明确一个概念——土壤含水率，又叫土壤含水量，也叫土壤湿度，它是衡量土壤含水多少的指标。它的表示方法有多种，如：以土壤水分质量占干土质量百分数表示；以土壤水分体积占土壤体积百分数表示等，这里用土壤实际含水率占田间持水率的百分数表示。（1）旱作地区适宜的农田水分状况旱作地区的土壤水分形态及其对作物的有效性已如前述，结论是：适宜土壤含水率的下限是初期凋萎系数，上限是田间持水率，即适宜于作物生长的土壤含水率应在(0.6～1)田之间。旱作地区的农田田面是不允许长期积水的，一般只允许地面积水1～2d，淹水深度10cm左右。作物对地下水的要求主要是地下水位适宜。地下水位过高，会使作物遭受渍害，甚至造成土壤盐碱化。为了防止渍害和土壤盐碱化，不同土壤、各种作物要求的地下水埋深一般应距地面l米以下。（2）水稻地区适宜的农田水分状况水稻是一种喜水作物，除烤田期外，田面需要经常维持一定深度的水层，以满足水稻的生理要求，调节稻田温度，减少昼夜温差，防止过冷或过热对水稻生长的不利影响，使土壤中有较多的营养物质处于有效状态，便于水稻根系吸收，还可抑制某些杂草的滋生。但是，稻田的淹水也不宜深度过大和时间过长，否则，会使土壤空气缺乏，微生物活动减弱，有机质分解缓慢，有毒物质增多，根系发育不良，吸收能力衰减，且易造成发病条件。因此，生产实践中，多采用浅水勤灌、适时晒田的灌水技术，使淹水层经常处于适宜水层的上、下限之间。适宜水层的上、下限，随水稻种类、品种和生育阶段而不同，应根据灌溉试验成果和群众丰产灌水经验确定。表5.4-2给出长江中下游地区水稻各生育阶段的适宜水层深度，可供参考。3表5.4-2水稻各生育阶段适宜水层下限～上限～最大蓄水深度表（mm）水稻地区的地下水状况，因地形、土壤等条件而不同。地势低平、出流条件差的地区，地下水可与地面水连为一体；地势较高、出流条件好的地区，地下水与地面保持一定的距离。水稻地区地下水位过高或过低，对水稻生长都不利。据广东省农科院调查，高产稻田的地下水埋深应在0.5～0.7m之间。4作物需水量作物在生长发育过程中必定要消耗水量。研究作物的需水特性和需水规律，对及时满足作物需水要求，促进作物生长发育，有着积极的意义。确定作物需水量是制定灌溉制度、计算灌溉用水量和灌溉引水流量的基本参数，也是进行灌溉工程规划设计重要依据。（1）农田水分消耗的途径农田水分消耗的途径主要有植株蒸腾、株间蒸发和深层渗漏（或田间渗漏）。植株蒸腾是指作物根系从土壤中吸入体内的水分，通过叶片的气孔扩散到大气中去的现象。试验证明，植株蒸腾要消耗大量水分，作物根系吸入体内的水分有99％以上是消耗于蒸腾，只有不足1％的水量是留在植物体内，成为植物体的组成部分。株间蒸发是指植株间土壤或田面的水分蒸发。株间蒸发相植株蒸腾都受气象因素的影响，但蒸腾因植株的繁茂而增加，株间蒸发因植株造成的地面覆盖率加大而减小，所以蒸腾与株间蒸发二者互为消长。深层渗漏是指旱田中由于降雨量或灌溉水量太多，使土壤水分超过了田间持水量．向根系活动层以下的土层产生渗漏的现象。深层渗漏一般是无益的，且会造成水分和养分的流失。田间渗漏是指水稻田的渗漏。由于水稻田经常保持一定的水层，所以水稻田经常产生渗漏，且数量较大。在上述几项水量消耗中，植株蒸腾和株间蒸发合称为腾发，两者消耗的水量合称为腾发量，通常又把腾发量称为作物需水量。腾发量的大小及其变化规律，主要决定于气象条件、作物特性、土壤性质和农业技术措施等，而渗漏量的大小与土壤性质、水文地质条件等因素有关，它和腾发量的性质完全不同。因此，一般都是将腾发量与渗漏量分别进行计算。对水稻田来说，也有将稻田渗漏量计入需水量之内，通常则称之为“田间耗水量”，以使与需水量概念有所区别。根据大量灌溉试验资料分析，作物需水量的大小与气象条件（温度、日照、湿度、风速）、土壤含水状况、作物种类及其生长发育阶段、农业技术措施、灌溉排水措施等有关。这些因素对需水量的影响是互相联系的，也是错综复杂的．目前尚难从理论上对作物需水量进行精确的计算。在生产实践中，一方面是通过田间试验的方法直接测定作物需水量；一方面常采用某些计算方法确定作物需水量。（2）作物需水量的确定作物需水量受上述诸多因素的影响，在不同地区和不同水文年份里都有很大的变化。但是，由于气候条件是主要影响因素，所以，作物需水量的变化也有一定的规律，如干旱年比湿润年多；干旱地区比湿润地区多，生长期长的比生长期短的多；灌水技术差的比灌水技术好的多等。我国主要作物的需水量4如表5.4-3所示，可供参考。在土地整理项目中，设计单位可以从项目区所在地的水利部门收集相关作物需水量的资料，不需要计算，但是如果相关资料无法搜集，可以采用计算法计算出需水量。表5.4-3几种主要作物需水量大致范围表（m3/亩）5作物灌溉制度的确定农作物的灌溉制度是指作物播种前（或水稻栽秧前）及全生育期内的灌水次数、每次的灌水日期和灌水定额以及灌溉定额。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。灌水定额和灌溉定额常以m3/亩或mm表示，它是灌区规划及管理的重要依据。充分灌溉条件下的灌溉制度，是指灌溉供水能够充分满足作物各生育阶段的需水量要求而设计制定的灌溉制度。长期以来，人们都是按充分灌溉条件下的灌溉制度来规划、设计灌溉工程的。灌溉制度的确定常采用以下三种方法：（1）总结群众丰产灌水经验多年来进行灌水的实践经验是制定灌溉制度的重要依据。灌溉制度调查应根据设计要求的干旱年份，调查这些年份的不同生育期的作物田间耗水强度（mm/d）及灌水次数、灌水时间间距、灌水定额及灌溉定额。根据调查资料，可以分析确定这些年份的灌溉制度。一些实际调查的灌溉制度举例如表5.4-4。对于旱作物，湿润年份及南方地区的灌水次数少，灌溉定额小；干旱年份及北方地区的灌水次数多，灌溉定额大。我国北方地区几种主要作物的灌溉制度如表5.4-5。5表5.4-4湖北省水稻泡田定额及生育期灌溉定额调查成果表（中等干旱年）表5.4-5我国北方地区几种旱作物的灌溉制度（调查）（2）根据灌溉试验资料制定灌溉制度我国许多灌区设置了灌溉试验站，试验项目一般包括作物需水量、灌溉制度、灌水技术。试验站积累的试验资料，是制定灌溉制度的主要依据。但是，在选用试验资料时，必须注意原试验的条件，不能一概照搬。（3）按水量平衡原理分析制定作物灌溉制度根据农田水量平衡原理分析制定作物灌溉制度，利用这种方法分析计算比较复杂，在土地整理项目中，灌溉制度的确定，一般由项目区所在地的相关部门提供，不属于土地整项目中的主要研究内容，在此不做详细介绍，需要时可参考农田水利学相关资料。6作物灌溉用水量和灌溉用水流量灌溉用水量和灌溉用水流量是指灌区需要从水源引入的水量和流量。它们可以根据灌溉面积、作物组成、灌溉制度及灌水延续时间等直接计算。但当灌溉面积较大，渠道及渠系建筑物较多时，如果逐个计算，工作量很大。为了简化计算，常用灌水模数来推求灌溉用水流量。（1）灌水模数灌水模数是指单位灌溉面积上的作物所需要的净灌水流量，又叫灌水率。这里所指的灌溉面积不是某次灌水的实际受水面积，而是灌区的总灌溉面积。根据灌水模数的定义，可以得出它的计算公式为：0.360.36iiiiiiiiiAmamqTtATt（5.4-1）式中iq——某种作物某次灌水的净灌水模数，[m3/（s·万亩）]；iA——某种作物的种植面积，万亩；A——灌区总灌溉面积，万亩，；ia——某种作物种植比例，ia＝iA/A×100（％）；6im——某种作物某次灌水的净灌水定额，m3/亩；iT——某种作物某次灌水的延续时间，d；it——每天灌水的小时数，h；自流灌区按24h计，抽水灌区按18～22h计。灌水延续时间是指某种作物灌一次水所需要的天数。它与作物种类和种植面积及农业技术条件等因素有关。它的长短直接影响着灌水模数的大小。灌水延续时间越短，作物的需水越容易得到及时满足，但灌水模数越大，渠道和渠道建筑物的设计流量也越大，这不仅会提高工程造价，而且还会造成灌水时劳力紧张和灌水后耕作困难；反之，