《灌溉排水工程学》教学用课件-第一章

第一章农田灌溉原理第一节农田土壤水分状况地面水地下水土壤水土壤水是作物生长环境的核心农田水分一、农田土壤水分存在的基本形式土壤水分存在于未被水分占据的土壤空隙田间持水率：灌水两天后土壤所能保持的含水率，它是重力水和毛管水、有效水分和过剩水分的分界线。固态：汽态：液态：在土壤冻结时存在吸着水：毛管水：重力水：不能被利用，其上限以下的水分为无效水。田间持水率和无效水之间的水，容易为农作物利用，称为有效水。地下水位高，停留在根系层的水影响土壤的通气，这部分水称为过剩水，地下水位低，水很快排出根系层而不能被使用。凋萎系数：作物产生不可逆转性凋萎时对应的土壤含水量。土壤含水率：水量与土量的比值。①质量比：②体积比：土水mmm土mv土水VVv关系：测定方法：直接法和间接法。本书所指灌溉水量：mm、m3/hm2。二、作物生长对农田水分状况的要求水对作物的生长的影响：（1）水是作为进行光合作用、制造有机物的原料；（2）水使作物保持正常、稳定状态；（3）水是作物营养元素、矿物质的载体；（4）水分是作物细胞原生质的重要成分；（5）水分可以调节作物体温。1、旱作物对农田水分状况的要求根系吸水层的土壤水分农作物引起水涝灾害影响土壤的通气旱作物根系吸水层的允许平均最大含水率为根系吸水层的田间持水率。要求：地面不容许积水，地下水位不容许上升到根系吸水层。地面水地下水地表积水地下水位到达根系吸水层毛管水最容易被旱作物吸收干旱大气干旱土壤干旱生理干旱土壤溶液浓度不超过作物在各个生育期所容许的最高值是确定根系吸水层的土壤最低含水率的重要指标。S：根系土层中易溶于水的盐分含量（占干土%）；C：允许的盐类溶液浓度（占水重%）；θmin：为按盐类溶液浓度要求所规定的最小含水率以盐渍土为例：结论：旱作物根系吸水层含水率最大：田间持水率最小：作物适宜的土壤含水率下限2、水稻地区的农田水分状况要求田间经常需要水层生理上要求土壤水分达到饱和（除萌芽和成熟期）水稻的灌溉以保证田间有适宜的浅水层。适宜的浅水层为水分、养分的供应提供良好条件水层的适宜深度：由作物品种、生育阶段、自然环境、人为条件及经验来决定。水稻喜湿好水调节和改善水稻生长环境条件三、农田土壤水分运动1、土壤水分运动基本方程非饱和土壤水流动空间中点(x,y,z)上取单元体(dx,dy,dz),由达西定律知x,y,z轴向的水流通量为k(θ)土壤的非饱和导水率分别为x、y、z方向的水势梯度dt时间内，流入和流出单元体的土壤水分质量差总计为dt时间内单元体内土壤水分质量的变化量为由质量守恒定律知两者在数值上相等，即：将（1—2）式代入（1—4），得：即为非饱和土壤水运动的基本方程式。D(θ)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。则非饱和土壤水运动方程又可写为式中：C(h)=dθ／dh表示压力水头减少一个单位时，单位体积土壤中所能释放出来的水体积，其量纲为L-1]，称为容水度或比水容量，它是土壤水分特征曲线上的斜率。2、入渗条件下土壤水运动入渗前θ0很小，地面初始入渗速度i1很大，短时间内就接近饱和含水率θs，见图1-3。随时间的延长，入渗路径的加大，入渗速度it不断减小，最后趋于if，即接近该土壤的渗透系数K。通常用入渗速度it和累积渗水量I与时间t的关系曲线描述入渗规律。（1）入渗过程的一般规律2）入渗量的计算：采用公式计算入渗速度it和入渗量I式中：it是任一时间的入渗速度，以单位时间渗入土壤的水层厚度(mm／min或cm/h)计；i1是第一单位时间末的入渗速度；t为入渗时间(min或h)；α为经验指数，决定于土壤性质和初始含水率,α=0.3～0.8，一般土壤取0.5。将实验资料I、t按时序求出i=△I／△t，取lgi及1gt，点绘于双对数纸上，可拟合成一条直线，如图所示：1）考斯加可夫公式tiit1由于即α为拟合直线与横轴的夹角的正切值拟和直线与纵轴的截距即为lgi1则累积入渗量I与入渗时间t的关系式中i0为第一单位时间内土壤渗吸的平均速度。用式（1—10）Ittgttii2121lglglglg2)菲利普入渗公式式中：S为渗吸系数，if为稳定入渗速度[if=i(∞)]3、蒸发条件下土壤水分运动（1）无地下水位补给条件下的土壤水分蒸发当地下水位较深时，上层土壤的含水率可以看作不受地下水补给的影响。蒸发过程可以分为三个阶段：第一阶段：稳定蒸发阶段：指灌水、降雨入渗刚结束，土壤含水量高，向上输送水分的能力强，此时土壤水分的蒸发强度ε主要取决于大气的蒸发力，其接近于水面蒸发强度，与土壤含水率无关，当土壤含水率降至某一临界值θk，时，稳定蒸发阶段结束，该阶段又称为大气蒸发力控制阶段。ε≈E0第二阶段：蒸发强度递减阶段：开始于土壤含水率减少到θ=θk时，由于土壤含水率降低，土壤向上输送水分的能力减弱，土壤水分的蒸发强度取决于大气蒸发力与土壤向上输送水分能力二者的制约关系。该阶段的土壤水蒸发强度随含水率减小而逐渐减小。该阶段土壤蒸发强度ε由下式计算；ε=（aθ+b）E0式中：a、b：与土壤性质有关的两个系数E0：水面蒸发强度。第三阶段：当地表土壤含水率很低时，表土输水能力较弱，地表形成一干土层。干土层下的水分向上运移至于土层底部时，以水汽扩散的形式穿过干土层进入大气，此时蒸发强度不仅取决于干土层厚度，而且取决于干土层内水汽扩散的能力。三个阶段的划分只具有相对意义，事实上整个蒸发过程的蒸发强度都是随外界蒸发力和土壤输水能力而变化。（2）有地下水补给条件下的蒸发若地下水埋藏较浅，表土蒸发消耗的水分在毛管力的作用下有地下水补给。如果外界蒸发力不随时间而变，土壤水分蒸发强度与地下水向上补给的通量处于相对平衡状态，就形成稳定蒸发：)1)(()()(dzdhhKdzzhdhKqq：地下水补给通量；h：土壤基质势（负的土壤吸力）；K：土壤非饱和水力传导度。四、土壤—植物—大气连续体水分运移土壤（S）水分连续体（C）大气A）植物（P）应用统一的能量指标“水势”来定量研究整个系统中各个环节能量水平的变化：Rsr、Rrl、Rla:分别为土壤水分通过土壤到达根表皮，由根表皮到达叶面，由叶面到达空气中各段路径的水流阻力。五、农田土壤水调控1、农田水分不足的原因及调节措施农田水分不足的原因：（1）降雨量不足；（2）降雨入渗量少，径流损失较多；（3）土壤保水能力差，渗漏及蒸发损失水量过大。调节措施：（1）灌溉：播前和生育期灌溉、储水灌溉及其它灌溉；（2）改善土壤结构：提高透水性、蓄水性。2、农田水分过多的原因、灾害及其调节措施农田水分过多的原因（1）大气降水过多（2）低洼地区积水（3）地下水位过高（4）排水不畅灾害类型：洪灾：河水泛滥涝灾：积水难排渍害：土壤过湿次生盐碱化：地下水位高、蒸发强调节措施：（1）截流（2）排出地表水（3）降低地下水位（4）排除根系层过多水分（5）改善土壤性能可将农田水分过多部分积蓄以用于灌溉。第二节作物需水量与灌溉制度一、作物需水量及影响因素作物根系吸水，也称植株蒸腾①植株间水分蒸发，也称棵间蒸发②渗漏③深层渗漏：旱作物田间渗漏：水稻作物需水量：指生长在大面积上的无病虫害作物，在最佳水、肥等土壤条件和生长环境中，取得高产潜力所需满足的植株蒸腾①和棵间蒸发②之和，又称作物蒸发蒸腾量。蒸发蒸腾量与渗漏量之和(①+②+③)统称为农田耗水量。农田水分消耗影响作物需水量的因素：自然因素：气象条件、土壤特征、作物性状等人为因素：农田灌排措施、农业耕作措施等作物需水量的特点：（1）作物种类不同对水分要求不同（2）同一作物不同生育阶段对水分要求不同（3）地区自然条件不同作物需水量不同（4）农业技术措施不同，作物需水情况不同因素阶段需水模数：作物各生育阶段的需水量占全生育期总需水量的百分数。日需水量：作物每日所需水量。作物的日需水量和阶段需水模数，是制定灌溉制度和合理用水的重要依据。二、作物需水量计算两类计算方法：1、直接计算出作物需水量的方法；2、基于参照作物蒸发蒸腾量的半经验方法。一般而言，水稻比旱作物更适用α值法。1、直接计算需水量的方法（1）α值法：以水面蒸发为参数的需水量计算法式中：ET为某时段内的作物需水量，以水层深度mm计；E0为与ET同时段的水面蒸发量，以水层深度mm计。（2）K值法：以产量为参数的需水量计算法式中：ET为作物全生育期内总需水量(mm或m3／hm2)；Y为作物单位面积产量(kg/hm2)；K代表单位产量的需水量（m3/kg）。K、n、c由实验确定。K值法主要用于计算旱作物的需水量。（3）以多因素为参数：选取几个影响因素，推求其与作物需水量之间的关系；如水面蒸发、土壤含水率。cKYETn实践中的模比系数法：先确定全生育期作物需水量，估算出作物各生育阶段的需水量，然后按照各生育阶段需水规律，以一定比例进行分配，即式中：ETi某一生育阶段作物需水量；Ki为某阶段需水模系数，可以从试验资料中取得。ETKETii2、基于参照作物蒸发蒸腾量的作物需水量计算方法理论、实验证明：①土壤水分充足，气象条件是影响需水量的主要因素；②土壤水分不足，各因素对需水量都有较大影响。参照作物需水量ET0：指的是土壤水分充足，地面完全覆盖、生长正常、高矮整齐的开阔(长、宽均在200m以上)绿草地(高3~15cm)的蒸发蒸腾量。参照作物需水量只受气象条件的影响。目前采用的计算作物需水量方法，大致分为以下两步：第一步：考虑气象因素对作物需水量的影响，计算参照作物蒸发蒸腾量ET0；第二步：考虑土壤水分及作物条件的影响，对参照作物需水量进行调整或修正，从而计算出实际需水量ET。第一步：参照作物需水量ET0的计算846.00tCPET式中：ET0：考虑月份的参照作物蒸发蒸腾量(mm／d)；t：月平均气温(℃)；C：修正系数；P：各月昼长时间占全年昼长时间百分数。2）以辐射为参数的计算方法式中：ET0:计算时段内参照作物蒸发蒸腾量(mm/d)；RS:计算时段内太阳辐射，以等效水面蒸发量计(mm/d);W:取决于日平均温度与高程的权重系数；C：取决于平均相对湿度与白天风速的修正系数。1）布莱尼----克莱多法SCWRET0网上查询ET0国际水管理研究院第二步：实际作物需水量ET的计算Kc：作物系数，与作物种类、品种、生育期、作物群体叶面积有关。实测结果表明，Kc在作物全生育期的变化规律是：前期和后期相对较小，生长盛期较大。实际作物的需水量与参考作物需水量两者受气象因素的影响具有同步性的。因此，此时作物需水量可由参照作物蒸发蒸腾量乘以作物系数得到。ET0的计算只考虑了气象因素对需水量的影响，实际作物需水量ET还应考虑作物与土壤因素进行修正。1）土壤水分充足：0ETKETc2）土壤水分不足土壤含水率对作物蒸发蒸腾的影响可分为两个阶段：第一阶段：土壤含水率高时，导水率大，土壤水分向根系及地表移动的速度足以满足作物蒸发蒸腾所耗水分。第二阶段：当土壤含水率低于一定的临界含水率，向根系供水的速度不能满足作物蒸腾的要求。土壤水分不足时的作物需水量可由土壤水分充足时的作物需水量ET乘以土壤水分修正系数Kθ而得到，即：Kθ：土壤水分修正系数。ETKKETKETca三、农作物的灌溉制度农作物的灌溉制度：是指旱作物播种前(或水田栽秧前)及全生育期内的灌水次数，每次灌水的灌水日期、灌水定额以及灌溉定额。灌水定额：是指一次灌水单位面积上的灌水量。灌溉定额：农作物在全生育期各次灌水定额之和。以m3／hm2或mm表示，它是灌区规划及管理的依据。灌溉制度的3种确定方法：（1）根据群众丰产灌水经验来确定；（2）根据灌溉实验资料来确定；（3）按水量平衡原理分析、确定。生产实践中，第3种方法结合第1、2种方法的实际资料，得出的制度比较完善。水生作物和旱作物的灌溉制度的制定方法截然不同。1、水稻的灌溉制度111111PteSaM式中：a1:插秧时田面所需的水层深度(mm)；S1:泡田期的渗漏量，开始泡田到插秧期间的总渗漏量mm;t1:泡田期的天数；e