灌溉排水概论

1、第三讲 灌溉排水概论清华大学 水利系 尚松浩Email: 第一页，共九十八页。要求：熟悉北方主要作物需水规律，掌握灌溉制度的方法熟悉农田土壤水分特征参数及基本运动规律掌握灌溉排水工程类型及适用条件掌握灌溉系统（渠道、管道）的组成、渠系建筑物的分类及其作用熟悉不同灌水方法及其技术特点了解排水系统及特点掌握灌溉、排水管理基本内容第二页，共九十八页。参考教材郭元裕主编. 农田水利学（第3版）. 北京：中国水利水电出版社. 1997第三页，共九十八页。第四页，共九十八页。1 土壤水分特征参数及基本运动规律要求：熟悉农田土壤水分特征参数及基本运动规律主要内容：农田土壤水分特征参数土壤水分基本运动规律第五

2、页，共九十八页。1.1 农田水分状况与水分特征参数农田水分状况(Field water regime)： 农田中地表水、土壤水和地下水的状态、变化规律及对作物生长影响的总称农田水分调控(Regulation of field water regime)：利用农田水利措施对农田水分状况进行调节与控制，以改善土壤中的气、热、养分状况及农田小气候，达到农业增产的目的。第六页，共九十八页。土壤含水量（soil water content）：105烘干至恒重时失去的水量。以单位质量干土中水的质量或单位土壤总容 积中水的容积表示（质量含水量、体积含水量）主要测定方法称重法（烘干法）核技术测量：中子仪， 射

3、线仪电磁测量：时域反射仪(TDR)核磁共振测量热脉冲测量遥感测量：大面积地表含水率第七页，共九十八页。土壤水的形态与水分常数类型形态作用力水分常数吸湿水束缚在土粒表面的水汽吸附力最外层3MPa最大吸湿量（吸湿常数）薄膜水吸湿水外层连续水膜吸着力最外层0.625MPa最大分子持水量(薄膜水不能被植物吸收)1.5MPa凋萎系数毛管水土壤孔隙(毛管)，水气界面为一弯月面。分毛管上升水、毛管悬着水表面张力作用 毛管力1030KPa田间持水量(毛管悬着水达到最大)，田持重力水大孔隙中的水重力饱和含水率第八页，共九十八页。土壤水分常数（soil water constant）：根据土壤水分形态不同而定义的

4、土壤特征含水量，如田间持水量、凋萎系数等田间持水量（field (moisture) capacity）：农田土壤某一深度内保持吸湿水、膜状水和毛管悬着水的最大水量凋萎系数（wilting coefficient）：植物开始发生永久凋萎时的土壤含水率，也称凋萎含水率或萎蔫点土壤有效含水量（available water content of soil）：土壤中能被作物吸收利用的水量，即田间持水量与凋萎系数之间的土壤含水量第九页，共九十八页。土壤含水率与水分常数的应用：估计水分对植物生长的影响计算灌溉水量根据土壤水分的动态变化估算腾发量（地面蒸发植物蒸腾）第十页，共九十八页。华北平原不同质地土壤

5、的水分常数土壤质地重量百分比(%)体积百分比(%)最 大吸湿量凋萎系数田 间持水量饱 和含水量最 大吸湿量凋萎系数田 间持水量饱 和含水量砂壤土1-24-622-3030-402-35-932-4245-52轻壤土1-24-922-2928-402-36-1230-3640-52中壤土2-36-1022-2830-383-58-1530-3544-54重壤土2-36-1322-2828-383-49-1832-4240-50轻粘土1528-3232-402040-4545-54中粘土12-1725-3535-4017-2435-4548-53重粘土30-3538-4240-5048-55第十一

6、页，共九十八页。1.2 土壤水分运动入渗条件下的土壤水分运动土壤水分再分布蒸发条件下的土壤水分运动第十二页，共九十八页。1.2.1 降水/灌溉入渗入渗：水分进入土壤的过程入渗类型：一维垂直入渗：降水、灌溉入渗二维垂直、水平入渗：河道、渠道入渗三维垂直、水平入渗：水库、湖泊入渗入渗条件下土壤水分运动非饱和土壤水运动饱和非饱和土壤水运动第十三页，共九十八页。积水条件下的干土入渗：分区：饱和区过渡区传导区湿润区饱和区、过渡区 一般不存在第十四页，共九十八页。积水条件下的干土入渗：积水后，表土含水率很快增加到0 (s )地表处含水率梯度由大变小，t足够大时地表含水率不变地表入渗率逐渐减小湿润锋不断下移

7、，含水率变化平缓第十五页，共九十八页。描述土壤入渗过程的物理量：入渗率i：单位时间内通过单位面积的入渗水量（地表水通量），mm/min, mm/h, mm/d累积入渗量I：从入渗开始到某一时刻通过单位面积的总水量，mmi与I的关系：i(t)=dI(t)/dt第十六页，共九十八页。入渗过程的影响因素：供水速率P（降水强度）、土壤入渗能力fPf，入渗率I 取决于入渗能力f （剖面控制）， 超过f的部分产生 地表积水、径流（超渗产流）第十七页，共九十八页。1.2.2 土壤水分再分布再分布：降水、灌溉之后，水分在土壤剖面中的运动表层水分由于蒸发、继续向下运动而减小深层水分继续向下运动，湿润锋下移田间持

8、水量第十八页，共九十八页。1.2.3 蒸发陆面蒸发：土面蒸发：soil evaporation植物蒸腾（散发）：plant transpiration腾发（蒸散）：evapotranspiration第十九页，共九十八页。蒸发强度的决定性因素：外界条件：辐射、气温、湿度、风速等气象因素决定了大气蒸发能力水分蒸发过程中的能量供给蒸发面水汽向大气的扩散过程土壤条件：土壤表层的含水率状况决定了土壤供水能力潜在蒸发强度：土壤供水充分时，由大气蒸发能力决定的最大可能蒸发强度，一般用水面蒸发强度表示第二十页，共九十八页。土面蒸发的阶段性(大气蒸发能力不变)稳定蒸发阶段：AB，k；蒸发强度E0；k取决于土质

9、和大气蒸发能力，毛管破裂点（50%70%田持）第二十一页，共九十八页。土面蒸发强度随含水率变化阶段：BC。随着含水率的降低，向表层土壤的供水减小，地表水汽压降低，蒸发强度减小水汽扩散阶段：表土含水率很低时，形成干土层，干土层底部蒸发水汽扩散第二十二页，共九十八页。2 作物需水量与灌溉制度要求：熟悉北方主要作物需水规律，掌握灌溉制度的方法主要内容：作物需水量及其确定方法北方主要作物需水规律作物灌溉制度的确定方法第二十三页，共九十八页。2.1 作物需水量及其确定方法农田水分消耗：植株蒸腾(Transpiration)颗间蒸发(Evaporation)深层渗漏(Percolation)腾发(Evap

10、otranspiration)：蒸发蒸腾 ET作物需水量(Crop water requirement)影响因素：气象、土壤水分状况、作物类型及生育阶段确定方法：试验测定，计算第二十四页，共九十八页。需水量的直接计算方法全生育阶段：需水系数法值法（水面蒸发）： ET=E0 ET=E0+bK值法（产量）： ET=KY ET=KYn+c生育阶段：模系数法ETi=Ki ET/100第二十五页，共九十八页。根据参考作物腾发量计算ETETc=kc ET0Kc：作物系数ET0：参考作物腾发量，计算以往常用FAO（1979）的修正Penman法，最新FAO（1998）Penman-Monteith法第二十六

11、页，共九十八页。华北地区主要作物的作物系数：冬小麦10月1112123456全生育期kc0.560.560.200.200.200.931.691.121.080.88藁城北京夏玉米6月789全生育期全生育期kc0.650.840.941.340.891.05第二十七页，共九十八页。2.2 北方主要作物需水规律作物kcET0ETc冬小麦0.88568500夏玉米1.05358375北京：第二十八页，共九十八页。冬小麦需水强度变化规律：播种越冬（10月11月）：较小越冬期（12月2月）：最小返青后逐渐增大，抽穗期达到最大，此后又有所减小第二十九页，共九十八页。2.3 作物灌溉制度的确定方法灌溉制

12、度：作物播种前、生育期内的灌水次数、每次灌水时间及灌水定额、灌溉定额充分灌溉制度的确定方法：总结群众丰产灌水经验根据灌溉试验资料制定灌溉制度根据水量平衡原理制定灌溉制度非充分灌溉下的灌溉制度经济灌溉制度：确定效益最大的灌溉定额优化灌溉制度：灌溉水量在生育期内分配第三十页，共九十八页。根据水量平衡原理制定灌溉制度旱作水量平衡：(单位：mm, m3/亩， m3/ha) Wt-W0=Wr+P0+K+M-ETW0 :时段初储水量Wt:时段末储水量Wr:计划湿润层增加 而增加的水量P0:有效降水量K:地下水补给量M:时段灌溉水量ET:田间需水量第三十一页，共九十八页。初始储水量W0 蒸发消耗至Wmin，

13、灌水无降水情况下： Wmin=W0-(ET-K)=W0-(e-k)t 灌水时间：t=(W0-Wmin)/(e-k) 灌水定额：m=Wmax-Wmin降水、灌溉后： Wt=Wt+P0+M第三十二页，共九十八页。基本资料：土壤计划湿润层深度：与作物、生育阶段有关土壤适宜含水率及允许最大、最小含水率有效降水量：地下水（深层土壤水利用量）：由于计划湿润层增加而增加的水量第三十三页，共九十八页。华北（北京）主要作物灌溉时期作物频率灌溉时期冬小麦平均冬前，拔节，抽穗，灌浆50%分蘖，起身，拔节，灌浆75%冬前，起身，拔节，抽穗，灌浆夏玉米平均50%75%95%播种，抽雄第三十四页，共九十八页。灌溉用水量的

14、确定：各种作物灌溉定额、种植结构、面积 净需水量渠系利用系数 毛需水量第三十五页，共九十八页。3 灌溉排水工程类型及适用条件要求：掌握灌溉排水工程类型及适用条件主要内容：灌溉工程类型排水工程类型第三十六页，共九十八页。3.1 灌溉工程类型按照水源分类：渠灌区：以地表水为主要灌溉水源井灌区：以地下水为主要灌溉水源井渠结合灌区：地表水、地下水联合调度按照输水方式分类：渠系输水管道输水第三十七页，共九十八页。渠灌区：以地表水为主要灌溉水源无坝引水：河流水位、流量能满足灌溉要求有坝引水：河流流量满足灌溉要求，水位较低水库取水：河流水位、流量不满足灌溉要求抽水取水：河流水量丰富，灌区位置较高其中前三类为

15、自流灌区，最后一类为扬水灌区第三十八页，共九十八页。井灌区：垂直取水：管井：适用于开采深层承压水、浅层水，有完整井和非完整井之分筒井：适宜于开采浅层地下水水平采水工程：坎儿井：新疆等干旱地区引取山前地下水卧管井：埋设于地下水位以下的水平集水管截潜流工程：河道渗漏，地下径流丰富双向取水：辐射井第三十九页，共九十八页。井渠结合灌区：地表水、地下水联合调度，在北方水资源不足的地区有助于丰、枯水量调剂能有效控制地下水位及土壤次生盐碱化第四十页，共九十八页。3.2 排水工程类型水平排水工程：排水沟：开挖量大，易坍、易淤、易生杂草排水管：减少占地，利用机械化耕作，造价高竖井排水：地下水埋深较浅，水质符合灌

16、溉要求。井灌井排相结合，可增加灌溉水源、降低地下水位第四十一页，共九十八页。4 灌溉系统要求：掌握灌溉系统（渠道、管道）的组成、渠系建筑物的分类及其作用主要内容：渠道系统管道系统第四十二页，共九十八页。4.1 渠道系统渠道系统：从水源取水、通过渠道及其附属建筑物向农田供水、经由田间工程进行农田灌水的工程系统渠道系统组成：渠首工程输配水工程田间工程第四十三页，共九十八页。灌溉渠系：组成：由各级灌溉渠道和退水渠组成按使用时间分类：固定渠道、临时渠道按控制面积大小和水量分配层次分类：干渠（总干渠、分干渠）支渠斗渠农渠毛渠：临时渠道第四十四页，共九十八页。渠系建筑物：按作用可分为以下类型：引水建筑物：

17、配水建筑物交叉建筑物衔接建筑物泄水建筑物量水建筑物第四十五页，共九十八页。引水建筑物：引水方式引水建筑物作用无坝引水渠首进水闸调节引入干渠的流量有坝引水由拦河坝、冲沙闸、进水闸等组成的灌溉引水枢纽雍高水位，冲刷进水闸前的淤沙，调节干渠的进水流量，满足灌溉对水位及流量的要求水库取水大坝、进水闸等调节河道流量抽水取水水泵站提高水位第四十六页，共九十八页。配水建筑物分水闸：上级渠道向下级渠道分水的闸门，同时是下级渠道的进水闸。作用是控制和调节向下级渠道的配水流量节制闸：垂直渠道中心线布置，其作用是根据需要抬高上游渠道的水位或阻止渠水继续流向下游渠道进水口渠低高程较高，进水困难，在分水口下游设节制闸下

18、级渠道轮灌时，在轮灌组分界处设节制闸在泄水闸和被保护建筑物之间设节制闸第四十七页，共九十八页。交叉建筑物作用：穿越山岗、河沟、道路类型：隧洞：穿越山岗渡槽：穿越河沟、道路，渠低高程较高倒虹吸：穿越河沟、道路，渠低高程较低涵洞：与道路相交，渠道水位低于路面且流量较小；与河沟相交，河沟洪水位低、流量小，排洪涵洞桥梁：与道路相交，渠道水位低于路面且流量大、水面宽第四十八页，共九十八页。衔接建筑物渠道通过坡度较大的地段时，为防止渠道冲刷，保持渠道的设计比降，将渠道分为上下两段，中间用衔接建筑物联结跌水：用于跌差较小的陡坎陡坡：用于跌差较大、地形变化均匀第四十九页，共九十八页。泄水建筑物作用：防止由于沿

19、渠坡面径流汇入渠道或因下级（游）渠道事故停水而使渠道水位突然升高，进而威胁渠道安全位置：重要建筑物和大填方段的上游山洪入渠处的下游类型：溢流堰，泄水闸第五十页，共九十八页。量水建筑物作用：控制和量测水量，以维持灌溉工程的正常运行，实施科学的用水管理位置：各级渠道进水口：量测入渠水量末级渠道：量测进入田间水量退水渠：量测退泄水量类型：量水堰（三角形、矩形、梯形薄壁堰）巴歇尔水槽水位流量流速仪第五十一页，共九十八页。4.2 管道系统优点：部分或全部输配水管网埋在地下，少占7%10% 耕地，提高土地利用率，减少对交通和耕作影响输水损失（蒸发、渗漏）小，节约用水，提高灌溉水利用系数有压输水、无压输水，

20、能满足地面灌水方法和喷灌、滴灌、微喷灌等有压灌水方法的要求使用方便，便于控制，便于与施肥、施农药结合，便于实现自动控制在地形复杂情况下易于布置管道清淤工作量小，无杂草影响第五十二页，共九十八页。组成：首部枢纽：从水源取水，并进行处理以符合管道系统与灌溉的要求（水量、水压、水质）输配水管网：干管、支管、毛管环状管网：压力均匀，保证率高；管道长树枝状管网：保证率低；管道短混合管网灌水器：将水均匀地分配到田间和湿润土壤的设备或装置。滴头：滴灌微喷头：微喷灌渗头：渗灌第五十三页，共九十八页。5 灌水方法要求：熟悉不同灌水方法及其技术特点第五十四页，共九十八页。漫灌第五十五页，共九十八页。畦灌第五十六页

21、，共九十八页。第五十七页，共九十八页。涌灌第五十八页，共九十八页。喷灌（sprinkler)第五十九页，共九十八页。滴灌（drip）微喷（micro sprinkler）第六十页，共九十八页。膜上（下）灌第六十一页，共九十八页。穴灌第六十二页，共九十八页。灌水方法及其适用条件灌水方法作物地形水源土壤全面灌溉地面灌溉畦灌密植作物、牧草、部分蔬菜坡度均匀，0.2%水量充足中等透水性沟灌宽行作物、部分蔬菜坡度均匀，70%80%水量分布图水滴打击强度第六十七页，共九十八页。喷灌(2)喷灌技术参数：喷头水量分布图喷头沿支管的间距支管间距喷头组合形式矩形三角形支管方向喷头组合间距：几何组合法修正几何组合法

22、经验系数法支管方向地形、风向第六十八页，共九十八页。滴灌(1)滴头的种类：微管式滴头管式滴头孔口式滴头涡流式滴头双壁毛管滴头选择：流量：组合后满足作物需要、不产生深层渗漏和径流，一般68 l/h工作可靠，不易堵塞性能规格整齐划一，制造误差小结构简单，价格便宜第六十九页，共九十八页。滴灌(2)滴头与毛管的布置单行直线布置双行直线布置单行带环状布置单行带微管布置滴灌灌水质量指标灌水均匀系数灌溉效率滴灌堵塞的原因悬浮固体堵塞化学沉淀堵塞有机物堵塞滴灌系统堵塞的处理酸液冲洗压力疏通第七十页，共九十八页。6 排水系统要求：了解排水系统及特点第七十一页，共九十八页。排水类型：排除地表水：除涝排水，防止作物

23、受淹在设计暴雨时保证农田积水不超过作物允许的耐淹历时和水深雨后在允许的时间内将田间积水排除排除地下水防渍排水防盐碱化排水第七十二页，共九十八页。设计排涝标准：在设计暴雨时保证农田积水不超过作物允许的耐淹历时和水深设计暴雨重现期：510a设计暴雨历时和排除时间：作物耐淹水深和耐淹历时第七十三页，共九十八页。排水系统的组成：田间沟系输水沟系排水枢纽工程容泄区农田排水方式水平排水：明沟排水暗管排水垂直排水竖井排水第七十四页，共九十八页。排水系统的规划布置原则：充分利用水土资源，扩大自流排水，减少占地面积，节省投资分级合理，长短适当，以便于机耕和统一管理减少交叉，建筑物尽量集中尽量利用现有水利设施，保

24、证排水流畅线路直、短、安全灌排配套排水系统的规划方法：划分排水区输水系统布置容泄区的选择第七十五页，共九十八页。6.1 明沟排水技术地面排水系统的组成：干、支、斗、农沟类型：除涝防渍防止土壤盐碱化田间排水系统布置灌排相邻布置：灌排相间布置灌排合一第七十六页，共九十八页。明沟排水系统的特点：排水速度快排水效果好缺点：工程量大地面建筑物多占地面积大沟坡易坍塌不利于交通和机械化耕作第七十七页，共九十八页。6.2 暗管排水技术地下暗管系统的组成吸水管集水管闸阀通气孔检修孔出水口暗管和明沟配合布置特点：排水速度快排水效果好优点：工程量小地面建筑物少土地利用率高沟坡易坍塌利于交通和机械耕作第七十八页，共九

25、十八页。鼠道排水系统：用鼠道梨形成的无衬砌地下排水通道截面：椭圆形不需要管材和滤料（无材管道）适宜地区：粘土、重壤土、中壤土，田面平整优点：投资省，用工少，节省人力、物力缺点：易坍塌，使用年限短类型：单层、双层第七十九页，共九十八页。6.3 竖井排水技术竖井排水的特点：降低地下水位，防止土壤返盐防涝防渍，增加灌溉水源（调控地下水库）抽咸补淡，改善水源土方工程量小，占地少，便于机耕缺点：消耗能源，运行管理费高，需要有合适的水文地质条件第八十页，共九十八页。7 灌溉、排水管理要求：掌握灌溉、排水管理基本内容主要内容：灌溉用水管理排水管理灌排试验第八十一页，共九十八页。灌溉排水管理的任务：通过对灌溉

26、排水工程的管理运行，充分利用水资源，合理调配灌、排水量根据灌排试验研究成果实行科学用水和排水，促进农作物高产、稳产发挥灌排工程最大效益第八十二页，共九十八页。灌溉排水管理的内容：工程管理：灌排工程的检查、观测、养护、维修、改建、扩建、防汛、抢险用水管理：灌、排水量、流量的时空调配生产管理：结合工程管理、用水管理开展的综合利用、多种经营、水费征收等组织管理：建立、健全专业与群众性的灌区管理组织基础中心手段保证第八十三页，共九十八页。7.1 灌溉用水管理用水计划编制水源取水计划：根据水源来水、灌溉需水预测进行供需平衡分析灌区配水计划编制水量分配：面积、毛灌溉定额配水流量、配水时间配水计划表用水计划

27、的执行第八十四页，共九十八页。灌溉用水管理技术第八十五页，共九十八页。监测技术第八十六页，共九十八页。预测技术(1)在监测数据的基础上对计划期内的灌溉可利用水量、土壤墒情、作物需水量与产量等进行预测，是制订合理的灌溉水资源配置方案的基本依据灌溉可利用水量预测：河道径流预测：流域水文模型方法时间序列分析方法混沌、模糊、灰色系统等非线性方法地下水位预测确定性模型：地下水均衡，地下水动力学模拟随机性模型：回归，时间序列，考虑影响因子随机性的机理性模型第八十七页，共九十八页。预测技术(2)作物需水量预测：墒情预报与灌溉预报：确定性模型：农田水量平衡，土壤水动力学模型，SPAC模型随机性模型：统计回归模型，时间序列模型，人工神经网络模型，随机性水量平衡模型，随机性水动力学模型 作物产量预报：作物水分生产函数模型第八十八页，共九十八页。灌溉用水调度技术(1)可用水量灌溉需水量按需水分配灌溉水量不足按灌溉面积比例分配按毛灌溉用水量比例分配按灌区总效益最大分配地表水、地下水联合调度第八十九页，共九十八页。灌溉用水调度技术(2)灌溉用水优化配置：作物优化灌溉制度（时间分配）优化模型、模拟模型区域水量调配第九十页，共九十八页。决策技术与决策支持系统第九十