張立志，徐立榮，徐征和，龐桂斌，王 通，趙志強(qiáng)(濟(jì)南大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，濟(jì)南 250022)

0 引 言

現(xiàn)階段，引黃下游灌區(qū)灌溉方式依然為大田畦灌，由于田間工程設(shè)施不完善、畦田規(guī)格不合理并且田間灌溉管理模式粗放等，灌溉水資源浪費(fèi)和滲漏嚴(yán)重，造成地下水位抬升，土壤鹽堿化等一系列問題[1]。目前，黃河的來水條件下降，灌區(qū)發(fā)展受到一定的制約，發(fā)展節(jié)水畦灌成為一種必要的方式。因此，合理的減少農(nóng)業(yè)用水量成為現(xiàn)代灌區(qū)發(fā)展的必經(jīng)之路，其中提高灌溉用水效率的重要措施就是改進(jìn)現(xiàn)行的田間灌水技術(shù)[2,3]。在李益農(nóng)、許迪、李福祥等人的研究中，指出影響水平畦田灌溉系統(tǒng)性能的因素包括：土壤入滲性能、畦田微地形、入畦單寬流量、畦田規(guī)格、灌溉供水時間[4,5]。在張莊內(nèi)進(jìn)行的試驗(yàn)，通過分析不同灌水技術(shù)參數(shù)組合對灌水質(zhì)量的影響，并結(jié)合計(jì)算機(jī)軟件分析初步確定張莊管道灌溉條件下合理的畦田規(guī)格和技術(shù)要素，指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

1 材料與方法

試驗(yàn)在山東省引黃灌區(qū)德州市張莊管道灌溉示范區(qū)內(nèi)進(jìn)行，采用田間灌水試驗(yàn)與計(jì)算機(jī)模擬相配合的方法，分析當(dāng)前田間灌水技術(shù)存在的問題，利用 SRFR 軟件進(jìn)行模擬，對比灌區(qū)內(nèi)不同畦田狀況的灌水技術(shù)改進(jìn)方案，提出管道灌溉條件較優(yōu)的灌水技術(shù)改進(jìn)方案。

項(xiàng)目區(qū)種植作物主要為冬小麥和夏玉米。試驗(yàn)在2014-2015年冬小麥春灌期間進(jìn)行，試驗(yàn)田塊土壤質(zhì)地為壤土，平均土壤干密度為1.41 g/cm3，田間持水率為25%。試驗(yàn)區(qū)周邊一般畦田寬度為6、8、10 m多種規(guī)格，而畦長過長，一般在150 m以上，本次試驗(yàn)畦田是在原畦田規(guī)格的基礎(chǔ)上進(jìn)行改畦。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)，使用低壓管道灌溉，末級管道規(guī)格確定，為滿足畦田灌溉最優(yōu)化，需要優(yōu)化畦田規(guī)格。據(jù)現(xiàn)場調(diào)查可知：灌區(qū)末級管道使用DN110類型管道，滿足這種規(guī)格并且管道流速在經(jīng)濟(jì)流速以內(nèi)而且要大于不淤流速1.3 m3/s。本次試驗(yàn)選擇流速范圍為1.3～1.5 m/s，經(jīng)過計(jì)算得出給水栓的出水量為12.3～14.3 L/s，因此畦田規(guī)格的選擇要在這個出水量之間考慮。

1.1 試驗(yàn)方案

采用田間小區(qū)試驗(yàn)的方法進(jìn)行，共分為4個畦灌小區(qū)，分別為：長60 m，寬3 m(1號畦田)、長60 m，寬5 m(2號畦田)、長90 m，寬3 m(3號畦田)、長90 m，寬5 m(4號畦田)。畦埂高通常為0.15～0.20 m。

1.2 觀測項(xiàng)目

試驗(yàn)期間觀測內(nèi)容包括：①田面坡度；②灌溉前后24 h的土壤含水量；③給水栓設(shè)置流量計(jì)測定入畦流量；④水流推進(jìn)時間：每隔5 m設(shè)立標(biāo)桿，記錄水流前鋒到達(dá)標(biāo)桿的時間；⑤水流消退時間：每隔5 m記錄一次地面明水落干時間。

1.3 評價指標(biāo)

本文灌水質(zhì)量的評價指標(biāo)主要采用灌水效率和均勻度。

(1)灌水效率(Ea)：

(1)

(2)灌水均勻度(Ed)：

(2)

式中：Ed為田間灌水均勻度，%；ΔZ為入滲水深的平均偏差；Za為灌水后沿田面各觀測點(diǎn)土壤入滲水深的平均值；n為測點(diǎn)數(shù)；Zi為田面各觀測點(diǎn)土壤入滲水深，i=1，2，…，n。

2 模型參數(shù)率定與優(yōu)化

WinSRFR4.1模型是由美國農(nóng)業(yè)部灌溉研究中心開發(fā)的地面灌溉(畦灌、溝灌等)模擬模型[6-9]。模型有4個不同的模塊：①Event Analysis；②Hydraulic Simulation；③Physical Design；④Operation Analysis。WinSRFR4.1模型的輸入?yún)?shù)主要有：灌溉系統(tǒng)的幾何參數(shù)(畦寬、畦長、田面縱坡等)、灌溉管理參數(shù)(入畦流量、改水成數(shù)等)、土壤參數(shù)(田間糙率系數(shù)、土壤入滲參數(shù)等)。三項(xiàng)輸入?yún)?shù)按照田間實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入。

WinSRFR4.1模型模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)十分吻合[10-12]，本次試驗(yàn)中是通過軟件模擬得到土壤入滲參數(shù)。使用WinSRFR4.1模型模擬土壤入滲參數(shù)是基于Kostiakov公式：

Z=Ktα

(3)

式中：Z為累計(jì)入滲水深，mm；t為累計(jì)入滲時間，h；K為土壤入滲指數(shù)；α為入滲系數(shù)。

本此試驗(yàn)中，利用野外雙環(huán)入滲試驗(yàn)得到的土壤參數(shù)作為軟件模擬的原始值，模擬水流推進(jìn)和消退過程，對照模擬曲線和實(shí)測曲線，不斷調(diào)整土壤入滲參數(shù)和入滲系數(shù)，使模擬曲線與實(shí)測曲線擬合度最高，此時得到的土壤入滲指數(shù)K和入滲參數(shù)α，可以作為每個畦田的入滲參數(shù)。

WinSRFR4.1軟件模擬和實(shí)測的水流推進(jìn)和消退的過程如圖1所示，從圖中可以看出模擬值與實(shí)測值之間基本吻合，不同畦塊的模擬參數(shù)見表1。

表1 模型參數(shù)模擬結(jié)果Tab.1 The simulation results of model parameters

由圖1和表1可以得出，使用WinSRFR4.1模型模擬得到的畦田水流推進(jìn)和消退與實(shí)測值吻合度很高，可以認(rèn)為軟件模擬畦灌過程是符合實(shí)際情況的。因此，本文用此方法模擬不同規(guī)格畦田的灌溉過程。

3 結(jié)果與分析

3.1 灌水質(zhì)量評價

使用WinSRFR4.1軟件與實(shí)測相結(jié)合的方法計(jì)算得出的結(jié)果可以真實(shí)地反映田間實(shí)際狀況?？紤]研究區(qū)的灌水特征并結(jié)合他人研究成果，使用公式(1)、式(2)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2，根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，寬3 m的畦田灌水效率明顯要比寬5 m的畦田高。畦寬過寬使得畦田在橫向斷面上的入滲不均勻，在整塊畦田達(dá)到灌水要求的條件下，會出現(xiàn)嚴(yán)重的深層滲漏，使得灌水效率低下，反而會使得灌水均勻度有所升高，導(dǎo)致最終灌水均勻度的差別不大，但極大的浪費(fèi)了灌溉水。因此，建議該地區(qū)寬畦改窄畦。

圖1 畦田水流推進(jìn)、消退過程的實(shí)測與模擬Fig.1 Measurement and Simulation of irrigation water advance and recession process

表2 灌水效率和灌水均勻度計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation results of irrigation efficiency and irrigation uniformity

3.2 田間灌水技術(shù)參數(shù)優(yōu)化分析

使用WinSRFR4.1軟件模擬不同畦長條件下的畦田灌溉，從中選出灌水均勻度和灌水效率達(dá)到灌水要求并且適合當(dāng)?shù)貤l件的灌水組合方案。模擬數(shù)據(jù)包括灌水效率和灌水均勻度與畦長、單寬流量、畦寬和坡度的變化關(guān)系，根據(jù)模擬結(jié)果分析得到適合于該地區(qū)的畦田灌水參數(shù)。灌水效率和灌水均勻度模擬結(jié)果見圖2、圖3、圖4、圖5。

圖2 灌水效率隨畦長變化圖Fig.2 Ea with border length change chart

圖3 灌水均勻度隨畦長變化圖Fig.3 Ed with border length change chart

圖4 灌水效率和灌水均勻度隨單寬流量變化圖Fig.4 Ea and Ed with Single wide flow change chart

圖5 灌水效率和灌水均勻度隨畦寬變化圖Fig.5 Ea and Ed with wide change chart

由圖2和圖3可以看出在同一坡度下，灌水效率和灌水均勻度都隨畦長的增加先增大后降低，在畦長為50 m時灌溉性能最優(yōu)。畦長較小時，推流推進(jìn)速度相對較快，下游畦田會出現(xiàn)深層滲漏的現(xiàn)象，上、下游水分分布不均勻，灌水效果差；畦田長度較大時，水流推進(jìn)速度相對較慢，上游受水時間較長，出現(xiàn)滲漏，導(dǎo)致上、下游入滲水分分布不均勻，灌水質(zhì)量低，灌水效果差。

由圖4模擬結(jié)果看出：灌水均勻度和灌水效率隨著單寬流量的增加呈現(xiàn)出了先增加后減小的趨勢，并且在單寬流量為1.5 L/(s·m)時，達(dá)到最大值。單寬流量較小時，水流推進(jìn)速度較為緩慢，水流前鋒到達(dá)畦尾所需要的時間較多，畦田上游受水時間長，深層滲漏較為嚴(yán)重，導(dǎo)致灌水效率低下，灌水均勻度上、下游差距明顯。相反，單寬流量太大，一方面會造成沖刷畦田的現(xiàn)象；另一方面，水流到達(dá)畦田下游所需時間少，而我們普遍采用畦長比例作為改水成數(shù)，水流到達(dá)下游后，需要進(jìn)行改畦，畦田下游受水時間較短。雖然此時深層滲漏現(xiàn)象明顯改善，由于下游水分入滲時間很短，上下游灌水深度差異明顯，導(dǎo)致Ed值很小。與此同時畦田的整體入滲時間也會大大縮短，致使灌溉難以達(dá)到畦田需水要求。

由圖5得到畦寬為1 m，Ea和Ed隨畦寬的增加，現(xiàn)有小幅度的增加，當(dāng)畦寬增加到1.3 m時，Ea、Ed分別達(dá)到最大值 86%、91.3%，當(dāng)畦寬繼續(xù)增加時，灌水質(zhì)量開始變差。畦寬較小時，配水建筑物的尺寸一定，入畦流量變化幅度有限，單寬流量就會大幅度提升，導(dǎo)致下游出現(xiàn)深層滲漏，上、下游水分入滲不均勻且畦田難以達(dá)到計(jì)劃濕潤層深度；畦寬較大時，使單寬流量嚴(yán)重減小，導(dǎo)致上游出現(xiàn)深層滲漏的現(xiàn)象，下游水分入滲較少，畦田灌溉不均勻，灌水效果差。

以50 m畦長為例，當(dāng)畦田坡度為0.001時，由于灌溉水流推進(jìn)速度緩慢，上游水流停留時間相對較長，下游灌溉水停留時間較少，造成畦田上游深層滲漏較為嚴(yán)重，下游入滲量較少且入滲時間較短難以達(dá)到灌水需求。在整塊畦田上，入滲水量分布不均勻，Ea和Ed值較小，難以達(dá)到節(jié)水灌溉要求。當(dāng)田面坡度逐漸增大時，重力作用導(dǎo)致灌溉水的推進(jìn)速度不斷加快，畦田上游水流停留時間一定有所減少，并且灌溉水向下游的推進(jìn)速度一定會不斷加快，使得水流在下游的停留和入滲時間不斷增加，畦田整體的水分入滲分布逐漸變得均勻，Ea和Ed也在逐漸增加，直到田面坡度增加到0.003時，Ea和Ed到達(dá)最大值 87.8%和 95.2%；但是當(dāng)畦田坡度繼續(xù)增加時，水流推進(jìn)速度進(jìn)一步加快，灌溉時間大大縮短，灌溉水流在整個畦田上的停留時間減少，因此，水分入滲減少，難以達(dá)到灌水計(jì)劃濕潤層，若是增加灌水時間來到達(dá)畦田的需水要求，致使灌水水流長期在下游累計(jì)，一方面可能會沖垮攔水畦，另一方面導(dǎo)致畦田下游大量水分下滲，造成嚴(yán)重的深層滲漏，Ea和Ed數(shù)值很低，難以達(dá)到現(xiàn)代灌區(qū)的用水要求。模擬結(jié)果圖見圖6。

圖6 50 m畦田灌水效率和灌水均勻度隨坡度變化圖Fig.6 50 m Ea and Ed with the slope change chart

因此，管道灌溉區(qū)內(nèi)，在末級管道配置和當(dāng)?shù)剞r(nóng)用機(jī)具的約束下，寬為1.5 m、長為50 m，坡度為0.003的畦田更能適宜于管道布設(shè)以及灌區(qū)的發(fā)展。并且根據(jù)模擬結(jié)果圖的變化趨勢，建議此地區(qū)最好選用0.003的畦田坡度，并且在灌水效率和灌水均勻度都大于80%的情況下，畦長不應(yīng)大于60 m，在此范圍內(nèi)，灌水性能較優(yōu)。

4 結(jié) 語

(1)使用WinSRFR4.1模型模擬得到的畦田水流推進(jìn)和消退與實(shí)測值吻合度很高，相對誤差僅在3.56%～4.68%之間，證實(shí)了該地面水流模擬軟件模擬畦灌過程是符合實(shí)際情況的，因此，可以采用參數(shù)率定后的模型模擬不同規(guī)格畦田的灌水過程。

(2)目前，灌區(qū)內(nèi)的畦田規(guī)格大小不一，但都存在畦田寬度和長度過寬等問題?，F(xiàn)階段因灌區(qū)灌溉工程配置未達(dá)到畦田灌溉要求而不被農(nóng)民采用，導(dǎo)致了資源浪費(fèi)。通過試驗(yàn)分析以及模擬分析，建議灌區(qū)單寬流量為1.5 L/(s·m)，畦田規(guī)格更改為1.5 m寬，坡度為0.003，長度在50～60 m。這種畦田規(guī)格既能節(jié)省灌溉水量又可以降低末級管道配置要求，減少灌區(qū)建設(shè)的經(jīng)濟(jì)投入。同時建議灌區(qū)內(nèi)推廣精細(xì)平地技術(shù)，提高田面平整度。

(3)灌水均勻度和灌水效率都是反映灌水性能的重要指標(biāo)，兩個指標(biāo)相結(jié)合，能夠真實(shí)反映灌水質(zhì)量優(yōu)劣。但灌水均勻度與灌溉水量成正相關(guān)變化，而灌水效率隨灌水量的增加，先增加，后減小。因此，在評價不同灌溉方案灌水效果時，應(yīng)該綜合考慮兩者同時處在較高水平。

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