农田水利学作物需水量及作物灌溉制度

本章的教学目的：1、要求学生掌握作物需水量的估算方法，了解农作物灌溉制度制订的一般方法，掌握作物灌溉制度制定中有关参数（如土壤含水量上下限、计划湿润层、有效降雨量、地下水利用量等）的拟定方法；2、掌握利用农田水量平衡方程式制定农作物灌溉制度的方法；了解我国主要农作物的灌溉制度；了解非充分灌溉原理与作物水分生产函数的一般概念。3、净灌溉用水量和毛灌溉用水量概念及计算方法；单一作物一次灌溉用水量和灌区多种作物灌溉用水量；灌水流量与灌水率；灌水率图的绘制与修正。生态环境需水量研究进展

(1)强化生态环境需水量的基础理论(概念、分类和计算方法等)研究；(2)加强对生态环境需水量的内在与外在影响因素及保障生态环境需水量的途径与措施等方面的研究；(3)拓展生态需水量的应用性研究等。学习提纲第一部分：1、作物需水量及影响因素2、作物需水量的估算（重点）主要讲授：1、作物需水量、田间耗水量的概念；2、作物需水量的估算：作物需水量是研究农田水分变化规律、水分资源开发利用、农田水利工程规划和设计、分析和计算灌溉用水量等的依据之一。植株蒸腾棵间蒸发深层渗漏或田间渗漏地表径流组成植株体的一部分1．作物需水量农田水分消耗的途径一、作物需水量与影响因素植株蒸腾：作物将根系从土壤中吸收的水分，通过叶片的气孔蒸散到大气中的现象。棵间蒸发：植株间土壤或田面的水分蒸发。深层渗漏：旱地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，向根系吸水层以下土层渗漏的现象。作物需水量：生长在大面积上的无病虫害作物，土壤水分和肥力适宜时，在给定的生长环境中能取得高产潜力的条件下为满足植株蒸腾、棵间蒸发、组成植株体所需要的水量。1．作物需水量一、作物需水量与影响因素作物耗水量就某一地区而言，指具体条件下作物获得一定产量时实际所消耗的水量。需水量是一个理论值，又称为潜在蒸散量（或潜在腾发量），而耗水量是一个实际值，又称实际蒸散量。常以m3亩-1或mm水层表示。1．作物需水量一、作物需水量与影响因素

生态需水量应该是指一个特定区域内的生态系统的需水量，而并不是指单单的生物体的需水量或者耗水量.

作物需水量就等于植株蒸腾量和棵间蒸发量之和，即所谓的“蒸发蒸腾量”，气象学、水文学和地理学中称为“蒸散量”或“农田总蒸发量”，国内也有人称之为“腾发量”。作物需水量包含生理和生态需水两个方面。作物生理需水：作物生命过程中各种生理活动（如蒸腾作用、光合作用等）所需要的水分。植株蒸腾实际上是作物生理需水的一部分。作物生态需水：指生育过程中，为给作物正常生长发育创造良好的生长环境所需要的水分。棵间蒸发即属于作物的生态需水。一、作物需水量与影响因素作物在不同生长阶段的需水规律为：随着作物的生长和叶面积的增加，需水量值也不断增大，在作物苗期，需水量值较小，当作物进入生长盛期，需水量增加很快，叶面积最大时，作物需水量出现高峰；到作物成熟期，需水量值又迅速下降。一、作物需水量与影响因素

在整个作物的生育期内，植株蒸腾和棵间蒸发两者互为消长。每种作物都有需水高峰期，需水高峰期一般处于作物生长旺盛阶段。

作物在不同生育时期对缺水的敏感程度不同，在作物整个生育期中通常把对缺水最敏感、缺水对产量影响最大的时期称为作物需水临界期或需水关键期。一、作物需水量与影响因素

各种作物需水临界期不完全相同，但大多数出现在从营养生长向生殖生长的过渡阶段，在作物需水临界期缺水，会对产量产生很大影响。作物需水系数：生产单位产量作物（如1kg小麦）的需水量（mmkg-1）。作物水分利用效率：作物每消耗单位水量所能生产的产量(kg/mm或kg/m3。一、作物需水量与影响因素2．影响作物需水量的主要因素一、作物需水量与影响因素1）作物因素

①不同种类的作物需水量有很大的差异；②不同品种的作物需水量有很大差异；③不同生育阶段需水量不同；④不同长势的作物需水量不同。（2）气象因素气象因素是影响作物需水量的主要因素，它不仅影响蒸腾速率，也直接影响作物的生长发育。当气温高、日照时数多、相对湿度小时，需水量会增加。2．影响作物需水量的主要因素一、作物需水量与影响因素2．影响作物需水量的主要因素冬小麦生长期气象要素与需水量一、作物需水量与影响因素（3）土壤因素

①影响作物需水量的土壤因素主要有质地、颜色、含水量、有机质含量、养分状况等。砂土持水力弱，蒸发较快，因此，在砂土上的作物需水量就大。2．影响作物需水量的主要因素

一、作物需水量与影响因素②土壤颜色而言，黑褐色土壤吸热较多，其蒸发较大，而颜色较浅的黄白色土壤反射较强，相对蒸发较少。③土壤含水量较高时，蒸发强烈，作物需水量较大；相反，土壤含水量较低时，作物需水量较少。（4）农业技术农业栽培技术水平的高低直接影响水量消耗的速度。粗放的农业栽培技术，可导致土壤水分的无效消耗。灌水后适时耕耙保墒、中耕松土，将使土壤表面形成一个疏松层，这样可减少水量的消耗。2．影响作物需水量的主要因素一、作物需水量与影响因素

作物需水量是农业用水的主要组成部分，也是整个国民经济中消耗水分的最主要部分。它是水资源合理开发、利用所必需的重要资料，同时也是灌排工程规划、设计、管理的基本依据。2．影响作物需水量的主要因素

一、作物需水量与影响因素ETc的估算方法有两类，一类是直接计算法，另一类是通过参考作物蒸发蒸腾量ET0与作物系数Kc估算的方法。直接计算作物蒸发蒸腾量的方法均为经验公式法，即根据作物蒸发蒸腾量和主要气象要素以及作物产量等实测成果，用回归分析方法确定。二、作物需水量（蒸发蒸腾量）的估算（一）直接计算1．水面蒸发量法（蒸发皿法或α

值法）：水面蒸发量与作物需水量之间存在一定程度的相关关系，因此可用水面蒸发量这一参数来计算作物需水量：ETc=αE0

或

ETc=aE0＋b二、作物需水量（蒸发蒸腾量）的估算α—需水系数或蒸发系数，为需水量与水面蒸发量的比值，由实测资料确定，一般水稻田的α=0.9～1.3，旱作的α=0.3～0.7。一般水稻用α

值法比较好。1．水面蒸发量法（蒸发皿法或α

值法）：二、作物需水量（蒸发蒸腾量）的估算2．产量法：作物产量反映了水、土、肥、热、气、光等因素的协调及农业措施的综合作用。在一定条件下，作物需水量将随产量的提高而增加。但是需水量的增加并不与产量成比例，二、作物需水量（蒸发蒸腾量）的估算

单位产量的需水量随产量的增加而逐渐减小，说明当作物产量达到一定水平后，要进一步提高产量就不能仅靠增加水量，而必须同时改善作物生长所必需的其它条件。

2．产量法（K值法）：用作物产量计算作物需水量的表达式为：式中：ET―全生育期的需水量（mm）；Y―作物单位面积的产量（kg亩-1）；K―需水系数（m3kg-1），为单位产量的需水量。二、作物需水量（蒸发蒸腾量）的估算

对于旱作物，在土壤水分不足而影响高产的情况下，需水量随产量的提高而增大，用产量法推算较可靠。

在生产实践中，习惯采用所谓模系数法估算作物各生育阶段的需水量，即先确定全生育期作物需水量，然后按照各生育阶段需水规律，以一定比例进行分配。（一）直接计算二、作物需水量（蒸发蒸腾量）的估算

ETi=KiET式中：ETi—某一生育阶段作物需水量；Ki—需水量模比系数，即作物各生育阶段需水量占全生育期作物需水量的百分数，可以从试验资料中取得。阶段作物需水量某一生育阶段的作物需水量模比系数通过计算参照作物需水量来计算实际作物需水量

土壤水分充足、地面完全覆盖、生长正常、高矮整齐的开阔（地块的长度和宽度都大于200m）矮草地（草高8-15cm）上的腾发量参照作物需水量通过计算参照作物需水量来计算实际作物需水量

计算参照作物需水量的方法有很多，最著名的、应用最广泛的是Penman公式实际需水量的计算作物系数：随作物不同，随生育阶段不同参照作物需水量实际作物需水量思考题：1、解释作物需水量、作物耗水量，有何区别？2、解释作物需水关键期、作物需水系数、作物水分利用效率；3、作物需水量的估算方法有哪些？各有何特点？4、解释参照作物。学习提纲第二部分：灌溉制度的内涵及确定方法水量平衡法确定旱作物的灌溉制度主要讲授：充分灌水条件下灌溉制度的确定（重点）（一）灌溉制度的定义灌溉制度：指特定作物在一定的气候、土壤、供水等自然条件和一定的农业技术措施下，为了获得高产或高效，所制订的向农田灌水的适时适量的方案。包括作物播种前(或水稻栽秧前)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。一、灌溉制度的内涵及确定方法灌水定额：指一次灌水单位面积上的灌水量。灌溉定额：指作物全生育期各次灌水定额之和。灌水定额及灌溉定额，单位：㎜，m3/hm2。灌水次数：农作物在整个生育期中实施灌溉的次数。灌水时间以作物生育期或年、月、日表示。

灌溉制度随作物种类、品种和自然条件及农业技术措施的不同而变化。由于拟建灌区规划设计或已建灌区管理工作的需要，灌溉制度一般都需在灌水季节前加以确定，带有部分估算（预报）性质。一、灌溉制度的内涵及确定方法

以作物需水规律和气象条件（特别是降水）等作为主要依据，从当地具体条件出发，针对不同水文年份，拟定湿润年（频率为25%）、一般年（频率为50%）和中等干旱年（频率为75%）及特旱年（频率为95%）四种类型的灌溉制度。1）灌溉制度是灌溉工程规划设计的基础，是已建成灌区编制和执行用水计划，合理用水的重要依据。2）灌溉制度关系到灌区内作物产量（效益）和品质的提高，及灌区水土资源的充分利用和灌溉工程设施效益的发挥。（二）研究灌溉制度的意义一、灌溉制度的内涵及确定方法1）根据群众丰产灌水经验确定经过多年的实践、摸索，各地群众都积累了不少确定灌溉制度的经验与方法。这些经验是制定灌溉制度的重要依据，应成为制定灌溉制度最宝贵的资料。（三）制定灌溉制度的方法

灌溉制度调查应根据设计要求的水文年份，仔细调查这些年份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、灌水定额及灌溉定额，并由此确定这些年份的灌溉制度。我国北方地区几种主要旱作物的灌溉制度[调查]2）根据灌溉试验资料制定长期以来，我国各地的灌溉试验站已进行了多年灌溉试验工作，积累了一大批相关的试验观测资料，这些资料为制定灌溉制度提供了重要的依据。

3）根据作物的生理、生态指标制定作物对水分的生理反应可从多方面反映出来，利用作物各种水分生理特征和变化规律作为灌溉的指标，能更合理地保证作物的正常生长发育和它对水分的需要。

4）按水量平衡原理分析制定灌溉制度水量平衡法以作物各生育期内水层变化（水田）或土壤水分变化（旱田）为依据，从对作物充分供水的观点出发，要求土壤含水量降至下限时则应进行灌水，以保证作物充分供水。

不同之处：水稻不同生育阶段需在田面维持一定深度的水层，根系层土壤多数时间处于饱和状态，应考虑稻田的深层渗漏问题（排水）；确定水稻灌溉制度时，应以淹灌水层深度的变化为依据。（一）原理：水量平衡原理确定灌溉制度二、水量平衡法确定水稻的灌溉制度我国水稻栽培主要采用育秧移栽方式稻田灌溉秧田灌溉本田灌溉泡田灌溉生育期内灌溉根据灌区当地条件采用先进的育秧方法确定（一）原理二、水量平衡法确定水稻的灌溉制度

M1：泡田定额；h0：插秧时田面所需水层深度（mm）；s1：泡田期的渗漏量，即开始泡田到插秧期间的总渗漏量(mm)；e1：泡田期水田田面平均蒸发强度(mm/d),可用水面蒸发强度代替；

t1：泡田期日数（d）；

P1：泡田期内的降雨量。1、泡田定额M1

M1

=(h0+

s1+

e1t1

－P1)(mm)=0.667(h0+s1+e1t1－P1)(m3/亩)在水稻生育期任何一个时段（t）内，农田水分的平衡关系可表示为：

h1＋P

＋m－WC－d=h22、生育期灌溉定额M2h1、h2：时段始、末田面水层深度（mm）时段内的排水量水稻生育期内任一时段农田水分变化图解法如果时段初的农田水分处于适宜水层(水田上限(hmax)，经过一个时段的消耗，田面水层降到适宜水层的下限(hmin)，这时如果没有降雨则需进行灌溉，灌水定额即为：

（一）农田水量平衡方程旱作物的生育期任一时段内，土壤计划湿润层（根系层）H内的水量平衡可表示为：三、水量平衡法确定旱作物的灌溉制度K=kt，k为t时段内平均每昼夜地下水补给量(mm或m3/hm2)；ET=et,e为t时段内平均每昼夜的作物田间需水量（mm或m3/hm2）

为了满足作物正常生长的要求，土壤计划湿润层内的土壤含水量（或储水量）必须经常保持在一定的范围之内，即通常要求不小于最小允许含水量θmin（或最小允许储水量Wmin）和不大于最大允许含水量θmax（或最大允许储水量Wmax）。（二）原理

当计划湿润层内的平均土壤含水量（或储水量）降低到或接近于最小允许值（θmin或Wmin）时，即需进行灌溉，以补充土壤水分，维持作物的正常生长。例如某时段内没有灌溉也没有降雨，土壤计划湿润层也无变化，随着时间的推移，土壤储水量将降至下限，其水量平衡方程可写为：（二）原理土壤计划湿润层(H)内储水量变化

判断是否需要灌时段末的灌水定额（m3／hm2或mm）则为（注意单位换算）:（二）原理（大白话！！！）

什么时候灌

灌多少比较θ0（

W0）与

θmin（Wmin）土壤计划湿润层深度：实施灌水时计划调节、控制土壤水分状况的土层深度。一般可取为作物的主要根系活动层，需根据当地实际情况确定。与作物种类、品种、生育阶段、土壤性质以及地下水埋深等因素有关。对某一特定作物其深度随作物的生长而增加。1、土壤计划湿润层深度（三）水量平衡法资料的确定

冬小麦、棉花、玉米各生育期较典型的计划湿润层深度

1、土壤计划湿润层深度土壤适宜含水量：最适宜作物生长的含水量，介于θmax与θmin之间。冬小麦、棉花和玉米各生育阶段要求的土壤适宜含水量2、土壤适宜含水量及上、下限的确定土壤含水量应满足以下两个条件：1）既不产生深层渗漏，又要满足作物对土壤空气含量的要求，故一般可取为田间持水量。2）土壤含水量的下限土壤允许最小含水率[θmin]应大于凋萎系数，以作物生长不受抑制为准，一般以占田间持水量的百分数计。根据经验取60%左右的田间持水量（毛管断裂点）比较适宜。（1）设计降水量对当地多年降水资料进行频率分析，按25%、50%、75%的降水保证率（指多年期间降水量能够得到充分满足的机率，与"灌溉设计保证率"类似）选定三个降水典型年，根据典型年中的降水量、降水分布情况，设计不同保证率条件下的降水量及其出现的时间。3、有效降水量P0（1）选择降水典型年的方法有三种：a）按年降水的频率选择典型年。因降水量在年内分布不均，尤其是在灌溉季节内降水变差大的地区，雨情往往会不符合设计要求。3、有效降水量P0b)按作物生长时期降水量的频率选择典型年。如果灌区主要作物的生长期大致相同时，用此法可得到满意的结果。c)按年降水的变化特征分阶段选择典型年，例如可以按干、湿季分别统计计算降水量发生的频率。P0=P-P径

-P渗（2）有效降水量的计算有效降水：能被田间作物有效利用的当地降水。一般认为小于2mm（亦有认为小于5mm）的降水对作物无实际意义，为无效降水；降水过大将产生径流和深层渗漏，此两者也为无效降水。因此，有效降水量一般采用如下公式计算：3、有效降水量P0（2）有效降水量的计算生产实践中通常采用下列简化方法求取P0：

P0=σP

式中：σ为降水有效利用系数，其值与降水量、降水强度、降水延续时间、土壤性质、作物生长状况、地面坡度及覆盖情况以及计划湿润层深度等因素有关，应根据具体条件通过实验确定。3、有效降水量P0

地下水补给量：地下水借毛细管作用上升至作物根系活动层内而被作物利用的水量。其大小与地下水埋藏深度、土壤性质、作物种类、作物需水强度、气象条件、根系层土壤含水量等有关。地下水位越接近根系活动层，毛管作用越强，地下水补给量也越多。4、地下水补给量

一般要通过田间试验来确定地下水对农田的补给强度。地下水（或下部土层）对根系层的补给可在实测两层间土壤含水量（或基质势）变化趋势的基础上，通过计算土壤水分通量获得。作物生育期内计划湿润层的深度是不断变化的。若计算时段内计划湿润层深度无变化，则WT

项可设定为零；若时段内计划湿润层变化较大，由于计划湿润层的增加，将增加部分有效水量，此时，WT可近似按下式计算：

5、计划土壤湿润层增加而增加的可利用水量

播前灌水的目的在于保证作物种子发芽和出苗所必须的土壤含水量或储水于土壤中以供作物生育后期之用。播前灌水往往只进行一次。一般可按下式计算：

（四）旱作物播前的灌水定额(M1)的确定在采用水量平衡图解分析法拟定灌溉制度时，其步骤为：1)根据各旬的计划湿润层深度H和作物所要求的计划湿润层内土壤含水量的上限和下限，求出H土层内允许储水量上限Wmax及下限Wmin，绘于图上。（五）根据水量平衡图解法拟定旱作物的灌溉制度2)绘制作物田间需水量(ET)累积曲线，由于计划湿润层加大而获得的水量(WT）累积曲线、地下水补给量(K)累积曲线以及净耗水量(ET－WT－K)曲线。3)根据设计年雨量．求出渗入土壤的降雨量P0，逐时段绘于图上。4)自作物生长初期土壤计划湿润层储水量W0,逐旬减去(ET-WT-K)值，即至A点引直线平行于(ET-WT-K)曲线，当遇有降雨时再加上降雨入渗量P0，即得计划湿润土层实际储水量(W)曲线。5)当W曲线接近于Wmin时，即进行灌水。灌水定额的大小要适当，不应使灌水后土壤储水量大于Wmax，也不宜给灌水技术的实施造成困难。灌水定额值也象降雨入渗量一样加在W曲线上。6)如此继续进行，即可得到全生育期的各次灌水定额、灌水时间和灌水次数。7)生育期灌溉定额M2=∑m，m为各次灌水定额。根据上述原理，也可列表计算，计算时段采用一旬或五天。计算也十分简便。

把播前灌水定额加上生育期灌溉定额，即得旱作物的总灌溉定额M，即：M＝M1+M2

按水量平衡方法估灌溉制度，如果作物耗水量和降雨量资料比较精确，其计算结果比较接近实际情况。对于比较大的灌区，由于自然地理条件差别较大，应分区制定灌溉制度，并与前面调查和试验结果相互核对，以求比较切合实际。思考题1、试述作物灌溉制度的内容和确定方法?2、试述旱作区水量平衡方程中各要素的含义及用图解法确定旱作物灌溉制度的步骤?3、某一时段灌水定额如何计算？第三节灌溉用水量

灌溉用水量：指灌溉地需从水源取用的水量。

影响因素：灌溉面积、作物的种植情况、土壤、水文地质和气象条件等，灌溉用水量的大小直接影响着灌溉工程的规模。一、设计典型年的确定

农作物所消耗的水量主要来自灌溉，降雨和地下水每年灌溉用水量与降雨量有关。1、设计典型年：由于降雨量在年际之间变化很大，各年的灌溉用水量差异很大。因此，需确定一个特殊的水文年份，作为规划设计的依据。2、设计典型年的灌溉制度根据：设计典型年的的气象资料计算出来的灌溉制度称为设计灌溉制度，相应的灌溉用水量称为“设计灌溉用水量”。利用频率分析法，确定不同干旱程度的典型年份，中等年（降雨频率为50％），中等干旱年（75％），干旱年（85－90％）。

1、

灌水定额计算法（直接推算法）灌区种有多种作物，多次灌溉，那末：对于任何一种作物的某一次灌水：

W净＝mA二、计算典型年灌溉用水量及用水过程线。有两种方法可用来确定典型年灌溉用水量及用水过程。W毛＝

当作物的灌溉面积、灌溉制度确定后，即可利用上式推算出各次各种作物灌水的净灌溉用水量。

水称为灌溉水利用系数影响因素：

水与各级渠道长度、流量、土壤、水文地质条件、渠道工程状况、灌溉管理水平，灌水技术措施等有关。我国大中型灌区平均只有0.4左右利用

水我们可以直接根据W净推求W毛

式中：m1、m2──第1种，第2种作物在该时段内的灌水定额。

1、

2──各种作物灌溉积占灌区的灌溉面积的比值。2、综合灌水定额计算法

任何时段内全灌区的综合灌水定额，是该时段内各种物灌水定额的面积加权平均值：m综净＝

1m1＋

2m2＋…全灌区的某时段内净灌溉用水量：

W净＝m综净A3、综合灌水定额推算与直接推算的比较。

①简繁程度类似

②综合法的一些作用

A、反映全灌区用水的一项指标。衡量全灌区用水是否合适的一项重要指标，与条件相近的其它灌区互相比较。

B、可由局部推算全灌区（条件类似）,由一条支渠推算全灌区。

C、灌区的作物种植面积比例已经定好了，但灌区总灌溉面积还须根据水源等条件决定.第四节灌水率2、用途：计算灌区渠道的引水流量和灌溉渠道的设计流量一、灌水率的定义与用途1、定义：灌水率指灌区单位面积（例如以万亩计）上所需灌溉的净流量q净（反映时间和大小），又称为灌水模数，它是根据灌溉制度确定的。

①灌区总面积为A，作物:甲、乙、丙……

面积:A1、A2、A3………

灌水定额:m1、m2、m3……

延续时间:T1T2,T3……

②分作物品种计算，即分别计算各种作物的每次的灌水率。③计算公式：二、灌水率的计算：根据定义有：

式