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农田水利学IrrigationandDrainage合肥工业大学土木与水利工程学院绪论Introduction1我国的农田水利事业2世界灌溉与排水的发展状况3本课程的研究对象及基本内容4本课程的基本要求名词解释【农田水利】为防治干旱、渍、涝和盐碱灾害，对农田实施灌溉、排水等人工措施的总称。——农田水利技术术语HohaiUniversity中国干湿区、季风区划分季风、非季风分界线黄河长江数据统计耕地面积14.2亿亩灌溉面积8.5亿亩灌溉用水4000亿m3，约占总用水量的70％灌溉水利用率0.4～0.5水分生产效率1kg/m32001年6月北方受旱面积一度达4.2亿亩排水问题也不小世界观察研究所地球政策研究所布朗的观点？绪论Introduction1我国的农田水利事业2世界灌溉与排水的发展状况3本课程的研究对象及基本内容4本课程的基本要求世界的灌溉排水灌溉历史5000多年排水历史2000多年灌溉用水4000亿m3，约占总用水量的70％世界平均地面灌溉95％美国地面灌溉55％，喷灌44％中国与之相当绪论Introduction1我国的农田水利事业2世界灌溉与排水的发展状况3本课程的研究对象及基本内容4本课程的基本要求HohaiUniversity研究对象与基本内容1调节农田水分状况（1）灌溉措施：补充水分不足（2）排水措施：控水，排盐土壤水、地表水、地下水以及气、热、养分的状况需要研究的内容（1）农田水盐运动规律（2）节水灌溉理论与技术（3）灌排系统布置（4）灌排系统管理研究对象2改变和调节地区水情（1）蓄水保水措施：水库等（2）调水排水措施：渠道等需要研究的内容（1）制定水土资源规划（2）水资源合理配置（3）洪涝规律（4）工程经济绪论Introduction1我国的农田水利事业2世界灌溉与排水的发展状况3本课程的研究对象及基本内容4本课程的基本要求基本要求1总课时322考察形式考试/考察3其它内容§1农田水分状况和土壤水分运动本章主要内容：1农田水分状况2土壤水分运动3土壤－作物－大气连续系统名词解释【农田水分状况】指农田地面水、土壤水、地下水的多少及其在时间上的变化。地质上称包气带水关系到作物的水、气、热以及养分状况农田水分状况是农田地面水、土壤水和地下水的数量及其在时间上的变化。农田水利措施的目的在于改变和控制农田水分状况。调节土壤中气、热和养分状况，改善田间小气候，使得作物处于良好的生长条件下，达到提高产量和品质的目的。§1.1农田水分状况1土壤水存在的形式（按形态分）（1）汽态水：孔隙中的水汽（2）吸着水：吸湿水&薄膜水（3）毛管水：毛管作用下能保持的水（4）重力水：超出毛管含水率的部分多孔介质吸湿系数最大分子持水率不含吸着水地面水、地下水和土壤水。土壤水分是农田灌溉研究重点土壤水的形态：1、气态水－存在于土壤孔隙，数量较少。有利于微生物活动。•2、吸着水包括吸湿水和薄膜水。•A、吸湿水：被紧紧束缚于土壤颗粒表面，无法在重力和毛管力作用下移动。吸湿水达到最大时的土壤含水量为吸湿系数。土壤颗粒对吸湿水的吸附力在31～2000atm,无法被作物利用。•B、薄膜水：吸附于土壤颗粒表面，只能沿土壤表面进行速度较小的移动。薄膜水达到最大时的土壤含水量为土壤最大分子持水率。最外层水分子所受到的吸附力约为6.25atm。•3、毛管水–毛管水是在重力作用下土壤中能够保持的水分。即重力作用下土壤中超出吸着水的部分。或者说在毛管力作用下能够保持在土壤中的水分。–上升毛管水：地下水能沿土壤毛细管上升的水分。当地下水位较高时，下层水分可通过毛管上升。–毛管悬着水：降雨或灌溉后，上层土壤中由于毛细管作用所能保持在土壤孔隙中的水分（由地面渗入〕。–毛管悬着水达到最大时的土壤含水量为田间持水量，此时土壤毛管力在0.1~0.3atm之间。该指标是农田灌溉中应用最广泛的指标之一。–生产中通常将灌水两后土壤所能够保持的含水量称为田间持水量。4、重力水•毛管力随着毛管直径的增加而减小。当土壤含水量超过田间持水量，多余水分在无法为毛管所保持，在重力作用下沿非毛管孔隙下渗排除。这部分水分称为重力水。–当土壤中全部孔隙为水分所充满时的含水量为饱和含水量或全蓄水量。土壤水存在的形式（按有效性分）（1）无效水：＝吸着水（2）有效水：＝田间持水量－凋萎系数（3）过剩水：＝重力水不同的土壤质地，吸力特性不同注意：不等于毛管水土壤水分特征曲线•土壤水吸力：可以简单理解为土壤颗粒对水分的吸附力。是基质势与溶质势之和的负数。•表示土壤水分和土壤吸力（负压）之间的关系曲线称为土壤水分特征曲线。•土壤水分特征曲线不是单值函数。土壤在水和吸水时土壤吸力不同，存在滞后效应。•瓶颈作用是产生滞后效应的原因。土壤水分特征曲线的作用•进行含水量和土壤吸力之间的转换•间接反映土壤孔隙的大小s=4σ／d•分析不同质地土壤的持水性能•为土壤水分定量分析提供参数。干旱的种类及其原因•根系吸收水分破坏植物体内水分平衡和协调称为干旱•大气干旱:大气温度过高或者辐射过强，干热风等导致蒸发大于吸水速度，所形成的干旱。西北和华北地区较多。此时土壤含水量不一定很低。•防止方法：微灌、遮阳网等•土壤干旱：土壤水分过少，植物无法正常吸收以补偿叶片蒸发所形成的干旱。是对植物危害最大的干旱。•其他[生理(?)干旱]：其他非土壤水分条件引起的植物干旱。如土壤溶液浓度过大(PEG试验)、土壤通气不佳（二氧化碳浓度过高)等。土壤盐分浓度与植物吸收水分•1、含水量减少，土壤溶液浓度增加，土壤溶液渗透压力提高。若其高于根系细胞液的渗透压力，细胞失水，造成生理干旱。•盐碱地、溶液胁迫(pegorsalt)、盐水滴灌处理措施•2、溶液中某些离子对植物有毒害作用，并可能引起土壤结构恶化。如Fe离子、CL离子等。•根系吸水层土壤含水量的临界值:•θmin＝S/C×100％S－可溶性盐数量（百分比)，C－允许盐类溶液浓度(占水的百分数)土壤水分形态小节•1、土壤水分各形态之间并无严格的分界线，其所占比例与土壤质地、结构和有机质含量以及温度有关。相同的含水量下，粘土土壤水吸力大于砂土；相同的土壤吸力下，有机质多的土壤含水量亦高于有机质低的土壤。•2、根据水分对作物的有效性，土壤水可分为有效水、无效水和多余水。•凋萎系数：当土壤含水量低于吸湿系数的1.5~2.0倍，土壤吸力在7～40×104Pa时(一般人为在15个大气压左右)，土壤中的水分无法被作物吸收，作物发生永久性凋萎。§1.1农田水分状况2旱作地区农田水分运动的几个过程（1）灌水、降雨入渗（2）水分再分布（向着水分低处）（3）灌溉水、降雨补给地下水（4）地下水向上补给土壤水，甚至腾发HohaiUniversity地表水下渗转换为土壤水地下水补给土壤水分δh2旱作地区农田水分•根系是作物的吸收器官，毛管水是作物水分的最主要来源。各种形态的水分转化成土壤水才能被作物根系所吸收。•重力水和凋萎系数以上的水分无法利用。•地面积水和地下水位过高会引起渍、涝灾害。地下水位必须在根系吸水层以下才能保持良好的通气和热状况。不同条件下的土壤入渗•1、地下水埋深较大和上层土壤干燥时，降雨或者灌溉水首先湿润表层，并逐渐向土壤下层入渗。土壤上湿下干。•停止灌溉后，在重力和毛管力作用下，上层土壤含水量降低，下层含水量增加。•在水分重新分布过程中，由于蒸发作用和根系吸收，上层土壤含水量开始降低，土壤吸力增加，入渗逐渐停止，可能出现零通量面(该断面水通量为0)。其后下层土壤水可能向上运动，也可能向下运动。零通量面是分界线。•2、地下水位较浅时土壤水入渗•下层受毛管上升水影响，上层受灌溉或降雨影响。•入渗增加了土壤中悬着水的数量，同时毛管上升水也增加。当地面供水超过田间持水量时，水分补给地下水，造成地下水位升高和水分的浪费。•高地下水位的危害•陕西宝鸡峡灌区不合理灌溉造成大量农田沼泽化•盐碱化旱田土壤水分状况小节•凋萎系数和田间持水量农田作物根系层土壤的含水量下限和上限。据此决定灌水时间和定额•土壤保持在某一适宜的范围内，才能使得作物生长良好。不同作物和不同生育阶段对土壤水分的要求。三、水稻地区农田水分状况•传统淹灌处在烤田期外，其他时间均维持水层存在，•地下水较浅地区，深层渗漏可使地下水位上升，与地面水连为一体，土壤处于饱和状态。。•地下水位较深地区，或出流条件较好，地下水位保持在一定深度。土壤水分至上而下存在梯度，土壤不一定饱和。•水稻可以在一定水层中生存。水层对改善田间小气候和抑制杂草有一定作用。但是若水层过深，土壤通气和热控制恶化，处于还原状态，所产生有害物质对生长不利。四、农田水分状况的调节措施•一不良土壤水分状况及其原因•1、土壤水分过多原因：降雨、洪涝灾害、渍害、不合理灌溉•2、农田水分不足原因:降雨不足(主要原因)；降雨径流损失(水土保持较差)；土壤保水性能差(有机质少)过度蒸发(原因和防治方法)二几中有关农田水分状况的灾害•干旱：农田水分不足(或其他原因引起作物水分失调)。干旱是我国北方农业上层的主要灾害•涝灾：旱田积水或水田淹水过深，导致农业减产。•洪灾：•渍害：地下水位过高或土壤上层滞水，土壤潮湿，影响作物生长发育和产量。渍涝灾害是南方农业生产的主要灾害三调节农田水分的措施•1、灌溉措施：调节土壤水分状况和田间小气候。•灌水方法:地面灌溉：目前最主要的灌水方法喷灌：模拟降雨微灌：局部灌溉2、非灌溉措施调节农田水分•1)地膜覆盖•2)秸秆还田•3)中耕•4)增加土壤有机质•5)采用保水剂排水措施•目的：排除土壤多余水分，改善土壤通气和热状况，起到以水调气、以水调肥和以水调温的作用。这种作用在灌溉和排水措施中均有明显效果。•排水方法：开挖排水明沟、地下鼠洞、埋设地下暗管等。通过井群进行水平排水等。（一）质量含水量•指土壤中水分的质量与干土质量的比值。土壤含水量(%)=土壤水质量/干土质量*100θm=(W1-W2)/W2*100θm:土壤质量含水量(%)W1:湿土质量W2:干土质量土壤水分含量的表示方法(二)容积含水量•指土壤总容积中水所占的容积分数,又称容积湿度、土壤水的容积分数土壤容积含水量（%）=（土壤水容积/土壤总容积）*100(三)相对含水量•指土壤含水量占田间持水量的百分数•土壤相对含水量=土壤含水量/田间持水量(四)土壤水贮量•指一定面积和厚度土壤中含水的绝对数量.•在土壤物理、农田水利学、水文学等学科中经常使用。•土壤含水率：指土壤含水量占土壤孔隙体积的百分数•土壤相对含水率=土壤含水率/田间持水率（1）水深（Dw）指在一定厚度（h）和一定面积土壤中所含水量相当于同面积水层的厚度。Dw=θv.h单位可以用cm或mm，（2）绝对水体积（容量）•指一定面积一定厚度土壤所含水量的体积，量纲为L3。V方/公顷第二节土壤水分运动•一、土壤水分运动的基本方程•二、入渗条件下土壤水分运动•三、蒸发条件下土壤水分运动一、土壤水分运动的基本方程•根据扩散方程，利用势能理论(土壤水分有势能高的点向势能低的点运动)，研究土壤水分在时间和空间上的变化。•由边界条件和初始条件可以获得任意在任意时间的水分状况，如含水量或土壤吸力。（1）水分进入土壤的过程称为入渗（2）入渗公式t为入渗时间；i为入渗强度；I为单位土壤面积上的累积入渗量；S、α为入渗参数，α＝0.3～0.8。二、入渗条件下土壤水分运动三、蒸发条件下土壤水分运动•土壤蒸发•影响蒸发强度的因素：•A外界蒸发能力B土壤输水能力描述土壤水分运动方程存在的问题:•(1)模型参数不容确定:过程复杂、空间变异性大。•(2)在有作物条件下，根系吸水项不容确定。•(3)边界条件难以决定。§1.3土壤－作物－大气系统（SPAC）简介作物根系吸取土壤水水分在作物体内依靠根压及叶水势的作用向叶面输送叶面水分向大气蒸腾。（蒸腾transpiration、蒸发evaporation、腾发＝蒸散evapotranspiration）第二章作物需水量和灌溉用水量•第一节作物需水量•1、农田水分消耗的主要途径•A植株蒸腾(transpirarion)•B