农田水利学第一章灌溉工程剖析

1、 灌溉与排水工程学-绪论 农田水利学第一章灌溉工程剖析 第二节 灌排工程学的研究对象 一、研究对象 1.调节农田水分状况 通过灌溉和排水设施 农田小气候 2.改变和调节地区水情：改变水资源的时空分布 （1）蓄水与保水措施：面上工程与点、线状工程 水库、沟道、田间工程 （2）跨区域的调水、排水措施：地区和流域间的 水资源调剂。 灌溉与排水工程学-绪论 农田水利学第一章灌溉工程剖析 第一章第一章 灌溉工程灌溉工程 第一节 农田土壤水分状况 第二节 作物需水量与灌溉制度 灌溉与排水工程学-绪论 农田水利学第一章灌溉工程剖析 第一节第一节 农田土壤水分状况农田土壤水分状况 一、一、土壤水分存在形式及其

2、有效性 1.农田水分存在的形式 地面水、地下水和土壤水。土壤水分是农田灌溉研究重点 2.土壤水分存在的形态 气态水：数量少，有利于微生物活动。 吸着水：吸附于土壤表面，难以被作物利用的水分。 毛管水：毛管作用下保持在土壤中的水分. 重力水：过剩水 灌溉与排水工程学-绪论 农田水利学第一章灌溉工程剖析 吸着水 吸湿水：被颗粒吸附于表面，无法移动.属于无效水。 吸湿系数：吸湿水达到最大时的土壤含水量为 吸湿系数。 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。 部分有效 凋萎系数：作物因干旱发生永久性凋萎时的土壤含水率。 1.5-2倍于吸湿系数。 最大分子持水量：。薄膜水达到最大

3、时的土壤含水量为土 壤最大分子持水率。 灌溉与排水工程学-绪论 农田水利学第一章灌溉工程剖析 毛管水毛管水 属于有效水分，是灌溉研究的重点。 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。 灌溉与排水工程学-绪论 农田水利学第一章灌溉工程剖析 重力水 超过毛管含水率

4、，容易为重力所排出的水分； 可以被利用，但难以保持在土壤中。 渗漏到根系层外。 灌溉与排水工程学-绪论 农田水利学第一章灌溉工程剖析 3.土壤水分有效性 土壤水分能够被作物利用的难易程度； 有效水通常是指田间持水量和凋萎系数之间的水量。 通常以土水势表示。 有效性与土壤质地、结构和有机质含量、温度、作物种类有关。 灌排措施应当使得土壤含水量处于适宜的负压范围内。 变为有效水分。 灌溉与排水工程学-绪论 农田水利学第一章灌溉工程剖析 农田水分状况与农田小气候 农田水分状况通常是指农田地面水、土壤水和地下水 的状况以及相应的养分、通气和热状况。 农田小气候是指农田贴地气层与土层同作物群体间的 生物

5、过程和物理过程相互作用所形成的一种局部气候。 土壤温度和湿度； 田间近地层空气温度和湿度； 贴地层与作物层中的辐射和光照、风速和二氧化碳 浓度等。 灌溉与排水工程学-绪论 农田水利学第一章灌溉工程剖析 4、土壤水势与土壤水分特征曲线（略） 表示水势与含水量关系的曲线； 与突然那个质地、结构有关。 相同土壤含水率下，沙土的有效性高于粘土和壤土； 相同吸力下，粘土的含水率高于沙土和壤土 灌溉与排水工程学-绪论 农田水利学第一章灌溉工程剖析 二、作物生长对农田水分状况的要求 1.水分的作用（简略） 作物组成； 光合原料； 生理和生化反应的场所； 保持形状； 降低叶温。 灌溉与排水工程学-绪论 农田水

6、利学第一章灌溉工程剖析 2.旱作物对土壤水分状况的要求 作物需要适宜的土壤含水率，水、气、温合适； 水分太多：受涝、渍灾害-排水； 水分太少：干旱胁迫-灌溉 适宜的土壤含水率范围： 上限为田持（不是最好），下限一般为田持的 60%-80%。 协调水、气比例；改善品质。 调节措施： 灌溉与排水 灌溉与排水工程学-绪论 农田水利学第一章灌溉工程剖析 2.水田适宜水分状况 一定的水深变化范围对水稻等作物生长有利； 水层太深：受淹； 水分太少：受旱 适宜的水分范围： 传统采用淹灌； 节水灌溉模式下，灌水下限一般低于饱和含水率 蓄水控灌、控制灌溉 灌溉与排水工程学-绪论 农田水利学第一章灌溉工程剖析 水

7、稻节水灌溉 灌溉与排水工程学-绪论 农田水利学第一章灌溉工程剖析 三、土壤水分运动 一、土壤入渗（试验部分） （一）入渗规律 （1）入渗速率逐渐降低，并逐渐趋于平稳； （2）表层土壤含水率较高，随着深度增加，逐渐降低； （3）饱和层逐渐下移，并可能与地下水连接。 （二）土壤入渗公式： 灌溉与排水工程学-绪论 农田水利学第一章灌溉工程剖析 （二）土壤蒸发 一般过程（非稳定蒸发）： （1）稳定蒸发阶段。含水率高于临界值时； 受制于大气蒸发能力； （2）蒸发速率随土壤含水率减小而降低； 受制于土壤供水速率和大气蒸发能力共同影响。 （3）表土风干，水汽扩散阶段 采用秸秆覆盖；中耕切断毛管。 当地下水位

8、较高且稳定时，可处于稳定蒸发状态。 蒸发状态下，土壤水分上低下高。 灌溉与排水工程学-绪论 农田水利学第一章灌溉工程剖析 四、SPAC系统（略） Soil（土壤）-Plant（植物）-Atmosphere（大 气） 水势驱动水分从高水势的土壤，进入低水势的大气； 灌溉与排水工程学-绪论 农田水利学第一章灌溉工程剖析 五、土壤水分调控 1.农田水分不足的原因； 来水少-灌溉 损失多，蒸发、径流、渗漏； 蓄水能力差（内部）-改善结构； 损失多（外部） 2.水分过多的原因 降雨、洪水；高地下水位；排水条件差。 灌溉与排水工程学-绪论 农田水利学第一章灌溉工程剖析 第二节 作物需水量与灌溉制度 一、作

9、物需水量（crop water requirement） 1.农田水分消耗的形式 （1）蒸发、蒸腾（腾发量），即作物需水量； 作物需水量是农业用水最主要的消耗方式， 属于真实耗水。 （2）深层渗漏（percolation）； （3）地表径流（runoff）。 灌溉与排水工程学-绪论 农田水利学第一章灌溉工程剖析 2、作物需水量的影响因素 （1）气象因素 （2）作物因素 种类、生长状况、生长阶段 （3）土壤因素 供水状况、土壤类型 （4）农业技术措施因素 需水强度： 灌溉与排水工程学-绪论 农田水利学第一章灌溉工程剖析 二、作物需水量计算方法 1.直接计算方法 （1）以水面蒸发为参数（湿润地区）

10、 （2）以产量为参数的计算地区（干旱地区） 用于宏观水资源管理。 灌溉与排水工程学-绪论 农田水利学第一章灌溉工程剖析 2、基于参考参考作物需水量的计算方法 （1）参考作物需水量（reference crop evaportranspiration） 8-15cm高绿色草地的腾发量 生长旺盛；完全覆盖；充分供水。 仅取决于气象因素。 考虑作物和土壤因素的影响，修正参考作物需水量。 灌溉与排水工程学-绪论 农田水利学第一章灌溉工程剖析 （2）参考作物需水量的计算方法 原理：根据气象资料，按时段（日、旬、月等） 进行计算 a.布莱尼-克雷多法（略） 考虑参数：平均气温、相对日照时数、湿度、风速；

11、属于经验公式。 b.水汽扩散法（略） 基于水汽扩散理论，精度较高，但参数不容易获得。 考虑了风速、比湿等参数。 灌溉与排水工程学-绪论 农田水利学第一章灌溉工程剖析 c.波纹比法： 根据获取的能量在潜热（腾发耗水消耗）与 感热（气温上升）之间分配确定 不考虑土壤热通量、横向迁移热量。 热量仅用于腾发和加热空气。 较大面积，且下垫面较均匀。 灌溉与排水工程学-绪论 农田水利学第一章灌溉工程剖析 D 。Penman-Monteith公式（常用） 理论基础 能量平衡、水汽扩散理论 获得的热量、传递给土壤的热量； 水汽扩散导致的潜热损失。 是FAO推荐的参考作物需水量计算方法 需要的参数： 1）位置参

12、数： 纬度、高度。计算大气压、太阳角度、理论日照时数 确定获得的理论太阳辐射 2）气象参数 最高和最低气温、最大和最小相对湿度、日照时数量、风速 3）土壤热通量。 灌溉与排水工程学-绪论 农田水利学第一章灌溉工程剖析 对参考作物的重新定义 作物高度12cm； 叶面阻力70s/s， 相当于充分供水； 影响水汽扩散速率 叶面反射率0.23 灌溉与排水工程学-绪论 农田水利学第一章灌溉工程剖析 （3）实际作物的腾发量 1）计算作物充分供水条件下的潜在腾发量ET0； 2）利用作物系数计算实际腾发量。 ET=Kc*ET0 Kc综合作物系数，与作物种类，生育阶段有关。 充分供水模式下，不同水文年份间较为稳

13、定。 灌溉与排水工程学-绪论 农田水利学第一章灌溉工程剖析 3）胁迫条件下作物腾发量估算 遭受干旱胁迫时，作物吸水困难，腾发减少； 当根区消耗的水分，超过容易利用的水分时，或者 含水率低于适宜含水率时，胁迫发生； 需要考虑土壤因素系数进行修正。 灌溉与排水工程学-绪论 农田水利学第一章灌溉工程剖析 三、灌溉制度 一定的自然和农业技术措施下，为获得高产或高 效，实现节约用水，所制定定的农田灌溉方案。 包括灌水日期、灌水次数、灌水定额和灌溉定额； 涵盖播种前和生育期内。 灌溉制度本身应该是节水、高（产）效。 灌溉与排水工程学-绪论 农田水利学第一章灌溉工程剖析 1.灌溉制度的制定方法 （1）根据已

14、有灌水经验； （2）根据灌溉试验资料； （3）根据作物的生理和生态指标确定； 确定合理的下限控制指标 土水势、叶水势、土壤含水率、叶气温差； 土壤含水率较为常用。 （4）水量平衡法制定灌溉制度。 灌溉与排水工程学-绪论 农田水利学第一章灌溉工程剖析 3. 水量平衡法制定灌溉制度 （1）基本思路 当土壤中储存的水分，达到适宜水量（率）下限时， 进行灌溉； 灌水至适宜的含水量（率）上限； 其差值即为灌水定额。 灌溉与排水工程学-绪论 农田水利学第一章灌溉工程剖析 （2）制定灌溉制度需要确定的参数 1）计划是润层（root zone） 旱作物灌水时计划湿润的土层深度 Designed moistin

15、g layer of soil 与根系分布有关，随生育进程而增加。 2）地下水补给量K 补给强度，mm/d,或者m3/hm2/d T时段内的补给量：K=k*t；或者占需水量的比例。 灌溉与排水工程学-绪论 农田水利学第一章灌溉工程剖析 3）计划湿润层增加而增加的（可用）水量WT 随着根系的下扎，吸收范围扩大，可利用的水分 增加。 )(W 12T HH )(W 12T HH 灌溉与排水工程学-绪论 农田水利学第一章灌溉工程剖析 4）有效降雨 降雨中除去截留、深层渗漏和地表径流后，储 存于计划湿润层中的水量； 常采用有效降雨系数计算。 灌溉与排水工程学-绪论 农田水利学第一章灌溉工程剖析 （3）举

16、例 某地旱作物，当前计划湿润层50cm，孔隙率60%，田间 持水量为土壤空隙的80%；适宜含水率下限为田间持水 量的60%，上限为田间持水量。 当前（3月5日）含水率为田间持水量的75%；日耗水量 为4mm/d； 1）哪天需要灌溉？灌水定额是多少？若地下水补给强 度为1mm/d，何时灌溉？ 2）若3月10号降雨50mm，需要哪天灌溉？若降300mm？ 3）若3月15日时，计划湿润层达到70cm（田持的75%）。 灌溉与排水工程学-绪论 农田水利学第一章灌溉工程剖析 作业 某地玉米作物，当前计划湿润层50cm，土壤干容重 1.2g/cm3, 田间持水量为土壤干容重的25%；适宜含水率 下限为田间持水量的60%。深层土壤初始含水率为田持的 75%。当前（3月5日）含水率为田间持水量的75%；日耗 水量为5mm/d，地下水补给强度为1mm/d。 1）确定下次灌水日期和灌水定额。 2）若3月10号降雨30mm，需要哪天灌溉？若降300mm？ 3）若3月15日时，计划湿润层达到70cm