田間水利用系數研究進展

張 勇，孫西歡，郭向紅，馬娟娟

（太原理工大學水利科學與工程學院，山西 太原 030024）

我國水資源總量居世界第4位，人均水資源量2 200 m3，約為世界人均的1/4，排在世界第121位，是世界13個貧水國家之一。水資源是國民經濟發(fā)展與生態(tài)環(huán)境建設的重要物質基礎，在我國水資源緊缺的情況下，科學合理利用水資源對實現國民經濟的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。因此，節(jié)水成為可持續(xù)發(fā)展與水資源合理利用的重要戰(zhàn)略措施之一。在全國水資源利用結構中，農業(yè)用水是一個大戶，占國民經濟總用水量的70%，而農田灌溉用水占農業(yè)用水的90%以上。傳統(tǒng)的地面灌溉方法仍為目前廣泛使用的灌水方法，其灌溉面積占總灌溉面積的98%以上。就目前的灌溉水利用系數而言，全國各類灌區(qū)的平均水平為0.45，而農業(yè)技術先進國家可達0.8～0.9，由此可見，灌溉節(jié)水潛力很大。而田間水利用系數是灌溉水有效利用系數的一個重要組成部分，又是評價田間灌溉管理與節(jié)水的一個重要指標。田間水利用系數有諸多影響因素，如灌水定額、畦塊大小、土壤質地、灌溉計劃濕潤層深度等，這些影響因素交織在一起，大大增加了田間水利用系數研究的復雜性。同時，田間水利用系數研究多以田間實測為基礎，而田間實測費時、費力、耗資大，因而田間水利用系數研究的難度較大。因此，下文將對田間水利用系數的確定方法及田間水利用系數的主要影響因素進行分析，以期為田間水利用系數的量測計算和進一步研究提供參考。

1 田間水利用系數的確定方法

田間水利用系數是指實際灌入田間的有效水量和末級固定渠道放出水量的比值?！豆?jié)水技術規(guī)范》（SL207-98）提供的田間水利用系數量測計算方法有計算法和實測法兩種，另外常見的還有數值計算法。

1.1 計算法

式中：η——田間水利用系數；

m——設計灌水定額，m3/hm2；

A——末級固定渠道控制的實際灌溉面積，hm2；

W——末級固定渠道放出的總水量，m3。

1.2 實測法

在灌區(qū)中應選擇有代表性的地塊，通過實測灌水前后（1～3 d）土壤含水率的變化計算灌水定額，然后再算出田間水利用系數：

式中：β1，β2——分別為灌水前后土壤濕潤層的含水率（以干土重的百分數表示）；

γ——土壤干容重，t/m3；

H——土壤計劃濕潤層深度，m。

1.3 數值計算法

田間水利用系數數值模擬計算方法的基本原理是通過田面水流運動模型與土壤水分運動模型結合起來，完整地描述畦灌的地面水流運動過程和田面水分入滲過程，最終求得灌前和灌后田間含水率分布，并由此計算田間水利用系數。

地面水流運動模型可采用零慣量模型：

式中：x——沿畦長方向距畦首的距離，m；

t——灌水時間，s；

y——田面水流的水深，m；

A，Q——田面水流的斷面面積與流量，m2，m3/s；

Z——累積入滲水深，m；

K——土壤入滲系數，m/s；

α——入滲指數；

S0——田面坡度；

Sf——阻力坡度為經驗形狀系數，n為田面糙率。

土壤水分運動模型采用非均質土壤水分運動基本方程：

式中：h——負壓水頭，cm；

C（h）——比水容量，1/cm；

K（h）——導水率，cm/min；

z——距地面的距離，m。

零慣量模型的計算結果為土壤水分運動模型提供了運動的地表邊界條件，兩者結合起來可求得灌后的土壤含水率分布。根據水量平衡原理，可得田間水利用系數的計算模型如下：

式中：Δw——計劃濕潤層內增加的水量，m3；

L——畦（溝）長，m；

q——入畦（溝）流量，m3/s；

t1——畦（溝）口斷水時間，s。

以上三種方法各有優(yōu)缺點：計算法公式簡單，需要資料少，但在公式中隱含設計灌水定額即為儲存在計劃濕潤層中的有效含水量，在實際中設計灌水定額并不一定等于儲存在計劃濕潤層中的有效含水量；實測法原理簡單，計算精度較高，但測定灌前和灌后含水率分布需要大量的人力和物力，且田間含水率的取樣位置和數量直接影響田間水利用系數的計算精度；數值計算法相對實測法具有省時、省工等優(yōu)點，并且可用于灌溉前預測田間水利用系數，但模型需輸入的參數較多。因此，在使用時可根據實際情況選用。

2 田間水利用系數的主要影響因素

田間水利用系數受多種因素影響，主要包括土壤類因素、田間工程類因素及灌水技術類因素等。就某一具體田塊而言，田間水利用系數受土壤質地、土壤結構、畦長與畦寬、田面坡度、田面平整程度、灌水定額、田間灌水單寬流量、閉口成數及灌水計劃濕潤層深度等諸多因素影響。也就是說，凡是影響田間水流運動與分布及水流入滲與分布的因素，都會對田間水利用系數產生影響。

計劃濕潤層深度是計算田間水利用系數中需要確定的重要參數之一，計劃濕潤層深度與土壤類型、作物種類和作物生育階段等因素有關。計劃濕潤層深度的取值大小直接影響田間水利用系數的計算結果。研究表明，在畦塊的一次灌水中，田間水利用系數隨著計劃濕潤層深度的增加而增大，且呈對數規(guī)律增大。這主要是由于隨著土壤計劃濕潤層深度的增加，一部分深層滲漏水轉化為有效水，使得在此范圍內的土壤有效持水能力增大，提高了田間水利用系數。因此，在植物根系生長范圍內，適當增大計劃濕潤層深度可提高田間水利用率。

灌水定額的大小也直接影響田間水利用系數的計算結果，有關研究表明，田間水利用系數隨著灌水定額的增大而減小，并且二者的變化關系可以用對數函數描述。從土壤持水能力的觀點分析，土壤中毛管空隙所能保持的水分十分有限，當灌水定額較小時，土體中的水分除蒸發(fā)損失外，基本上能以有效水的形式保存在計劃濕潤層以內。隨著灌水定額的增大，土體中的水分逐漸增大，直到毛管空隙全部充滿水分，此時，土壤中的有效水達到上限。如果再繼續(xù)灌水，土體中的水分不會繼續(xù)增加，而是以重力水的形式繼續(xù)下滲濕潤下層土壤，即造成深層滲漏。深層滲漏一般是無益的，且會造成水分和養(yǎng)分的流失浪費，不利于節(jié)水。所以，灌水定額過大會造成深層滲漏損失加大，土體中水分增量相對于入畦水量而言增幅就小，從而田間水利用系數就減小。

畦田規(guī)格、田面坡度、田面糙率、入畦單寬流量等因素主要通過影響地面灌水時水流的推進和消退過程來影響田間水利用系數。閆慶健，李久生對地面灌溉水流特性對水分利用率影響進行了研究，結果表明，當其他灌水條件一致時，畦田長度對灌水效率有很大影響，畦長過大和過小都會導致田間水利用系數減??；畦田寬度（單寬流量）與灌水效率同樣有著一定的關系，當其他灌水條件相同時，畦寬為2～3 m時的灌水效率最高。

3 結語

田間水利用系數是衡量田間灌水質量的重要指標之一，田間水利用系數的確定方法有很多，使用時應根據實際情況選用恰當的方法。田間水利用系數大小的影響因素很多，在實際中，可采用適當的畦長、畦寬、田面坡度、田面糙率、灌水定額等來提高田間水利用系數，具體措施有長畦短灌、小灌水定額勤灌，平田整地等。

［1］石玉林，盧良恕.中國農業(yè)需水與節(jié)水農業(yè)高效農業(yè)建設[M].北京：中國水利水電出版社，2001：286-289.

［2］郭元峪.農田水利學（第三版）[M].北京:中國水利水電出版社，1997:100.

［3］孫西歡.閘管灌配套技術及其灌水技術研究驗收報告[R].太原：太原理工大學，2005.

［4］李遠華.節(jié)水灌溉理論與技術[M].武漢：武漢水利電力大學出版社，1999.

［5］雷志棟.土壤水動力學 [M].北京：清華大學出版社，1988，220-261.

［6］趙運革.不同畦灌計劃濕潤層深度的田間水利用系數分析[J].山西水利，2003（2）：32-33.

［7］楊玫，孫西歡，栗巖峰，等.灌水定額對田間水利用系數的影響[J].太原理工大學學報，2003，34（3）：354-366.

［8］閆慶健，李久生.地面灌溉水流特性及水分利用率的數學模擬[J].灌溉與排水學報，2005，24（2）：62-66.