区域尺度内畦沟灌溉灌水技术要素组合的优化研究

聂卫波,费良军,马孝义,马鲜花

(1.西安理工大学水资源研究所,陕西西安710048;2.西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室,陕西杨凌712100;3.武功县气象局,陕西武功712200)

合理的地面灌水技术要素组合是人们长期探讨的问题,国内外学者对其进行了大量的研究[1-7],但目前的研究大多集中在田间尺度上,对于区域尺度内的地面灌水技术指标研究较少,由于大范围内的土壤空间变异性较大且管理模式的不同,也难以给出系统性的规律和适合区域特征的灌水技术指标。对于区域尺度上合理灌水技术要素组合的研究,若通过田间试验比较不同灌水方案的灌水质量进行选择,其不但费时费力,且可能遗漏最优组合,这就有必要采用理论分析方法,应用数学模型模拟不同灌水技术要素组合的灌水质量,便于多种灌水方案的分析比较,以求得最优的灌水方案。

影响地面灌溉灌水质量的因素很多,主要因素大致可分为两类:第一类属于自然性能因素,包括土壤质地、入渗性能、田面糙率、灌前土壤含水率、作物种类和种植方式等;第二类属于灌水技术要素,包括田块长度、宽度、灌水流量、改口成数、田面坡降和平整程度等。自然性能因素是不易人为控制的,而灌水技术要素是可改变的。故本文以杨凌示范区砂壤土和黏壤土进行的畦灌和沟灌大田灌水试验为基础,然后采用SRFR软件对其灌水质量进行模拟,将实测结果与模拟结果进行对比,以保证其软件模拟灌水质量的可靠性;以SRFR软件模拟为基础,通过改变不同灌水技术要素组合,找出不同因素对畦灌和沟灌灌水效率和灌水均匀度的影响规律,以期得到研究区域内不同条件下畦灌和沟灌灌水技术要素的优化组合。

1 田间灌溉试验灌水质量评价

1.1 田间试验简介

大田灌水试验于2005年春、冬季,2007年冬季分别在杨凌的1级阶地和3级阶地上进行。2种不同土壤质地的田块种植的主要作物为小麦和果树,灌溉形式为畦灌和沟灌,其中沟灌采用梯形断面,沟底宽20 cm、沟深15 cm、边坡1∶1。灌水前测定土壤容重和初始含水率(层深15—25 cm,测深1 m),以及进行土壤入渗试验,其中畦灌田块采用双环入渗试验,沟灌田块采用沟段积水测渗法[8],采用Kostiakov入渗公式,各田块入渗参数取多点测定均值;灌水时,沿田块长度方向,每5或10 m打一木桩作为测点,观测水流推进和消退到各点的时间,用三角堰板计量进入田块流量,对其实施动态监测;灌水后1 d,沿田块长度方向选取4～5个断面,分层(层深15—25 cm)测量土壤灌后含水率,测量深度1 m。其各田块的基本参数见表1。

表1 各田块基本参数

1.2 灌水质量评价指标

式中:Ws——灌后储存于土壤计划湿润层中的水量(mm);Wf——灌入田间的总水量(mm);ZLq——沿田块长度方向土壤受水最少的l/4段内平均入渗水深(mm);Zav——田块上的平均入渗水深(mm)。用式(1)和式(2)对表1中各田块的灌水质量进行计算,具体结果见表2。

1.3 SRFR软件对灌水质量的模拟

大量研究表明影响灌水质量的因素很多[10-13],灌水质量随着各种灌水技术要素的变化有着较大的起伏,若通过大田灌水试验寻找灌水技术要素的最优组合,其需要大量的试验样本,而大田灌水试验费时费力,且田间试验不易控制,易产生误差并可能漏选最优结果,使得通过大田试验寻找灌水技术要素优化组合的方法具有很大的局限性。SRFR软件是由美国农业部灌溉研究中心开发的地面灌溉模拟模型,其输入的数据分为3类:(1)几何参数,包括田块长度、宽度和田面地形条件等;(2)土壤参数,包括入渗参数和田面糙率等;(3)管理参数,包括灌溉需水量、进入田块的流量和灌水时间或停水距离等。这些参数可从大田实测资料得到或采用模型反推的方法求得。将表1中的各参数输入SRFR软件中,其中输入所需糙率值,可根据文献[14]方法求得。采用SRFR软件对表1中各田块的灌水质量进行评价,具体结果见表3。

表2 各田块灌水质量评价

表3 SRFR软件模拟灌水质量评价

由表3可知,灌水效率的误差较大,畦灌时灌水效率误差绝对值均值为14.91%,沟灌时灌水效率误差绝对值均值为16.53%;而灌水均匀度的误差较小,畦灌时灌水均匀度误差绝对值均值为6.35%,沟灌时灌水均匀度 误差绝对值均值为7.61%;由表3中的误差绝对值均值并结合田间工程实际来看,可认为其误差在一个合理的范围了,表明SRFR软件模拟得出的灌水质量评价指标是可靠的。

2 区域尺度内灌水技术指标的确定

由以上面分析可知,SRFR软件模拟灌水质量评价指标是可靠的,故可采用其模拟不同灌水技术要素组合下的灌水质量,以找出研究区域尺度内合理的灌水技术指标。但对于大尺度范围内灌水技术要素组合,确定的难点在于如何获得土壤参数和田面糙率值,由于SRFR软件输入的参数值须具有一定的代表性,而不同田块的入渗参数与糙率的取值是有所差异的,若对每个田块的入渗参数与糙率值进行研究显然是不现实的,故土壤入渗参数值和田面糙率值的确定对SRFR软件的模拟结果十分重要。

2.1 土壤入渗参数的确定

畦灌土壤入渗参数的确定,分析各田块的累积入渗量与入渗时间的关系,其有着较高的聚合性,具体见图1。由图1可看出,对于区域内黏壤土和砂壤土畦灌累积入渗量与入渗时间可简化为:

畦灌土壤糙率值的确定,采用文献[14]方法,以水量平衡原理为基础,根据水流推进资料反推求得黏壤土质地的冬小麦畦灌糙率值在0.34～0.36之间,砂壤土质地的多年生果树畦灌糙率值在0.10～0.13之间。为保证SRFR软件输入参数的简便性,综合考虑黏壤土小麦畦灌糙率系数取统一值0.35,砂壤土果树畦灌糙率系数取统一值0.12,其值与史学斌等[15]研究结果一致。

对于沟灌土壤入渗参数的确定,可沿用畦灌土壤入渗参数值确定的思路,以此确定沟灌入渗参数值。经拟合得出区域内黏壤土和砂壤土沟灌累积入渗量与入渗时间可简化为:

图1 不同土壤质地的累积入渗量拟合

对于沟灌土壤糙率值的确定,由于黏壤土质地多年生果树沟灌田间糙率系数值在0.12～0.18之间变化,砂壤土质地多年生果树沟灌田间糙率系数值在0.06～0.10之间变化[16],综合考虑黏壤土果树沟灌糙率系数n取统一值0.15,砂壤土果树沟灌糙率系数取统一值0.08。将上述分析所得参数进行整理,可得SRFR软件输入所需的土壤参数值见表4。

表4 土壤参数值

2.2 畦灌灌水技术要素组合的分析

寻找合理灌水技术要素组合的原则为:流量不宜过大,以免造成对灌水田面的冲刷;田面长度不易过短,这样将增加田间工作量且过多占用耕地;灌水效率,灌水均匀度[17]。采用SRFR软件模拟得出杨凌砂壤土多年生果树和黏壤土小麦畦灌时不同坡度、畦长和单宽流量等灌水技术要素组合下的灌水效率 和灌水均匀度值,以找出合理灌水技术要素组合。应用SPSS统计软件对采用SRFR软件模拟得出的数据进行分析,确定出畦灌时砂壤土果树和黏壤土小麦在不同坡度条件下的灌水效率、灌水均匀度值与畦长和单宽流量的关系,并用Matlab软件编写程序,分别作出其等势线图,列举部分结果见图2。

图2 畦灌不同坡降下灌水效率Ea,灌水均匀度Ed与畦长和单宽流量的关系

由图2可见,砂壤土多年生果树和黏壤土小麦进行畦灌时,当畦长为定值,随单宽流量的增加,灌水效率Ea和灌水均匀度Ed值随之提高,但单宽流量的增加到一定程度后,其值到达最大值后就会降低。综合考虑畦灌灌水技术要素组合的原则,并结合模拟结果,可得出不同坡降条件下砂壤土和黏壤土畦灌时灌水技术要素的优化组合。

(1)砂壤土果树畦田坡降1‰条件下,畦长应以40～50 m,流量以 3.0～4.0 L/(s◦m)为宜;畦田坡降3‰条件下,畦长应以50～60 m,流量为4.0～5.0 L/(s◦m)为宜;畦田坡降5‰条件下,畦长应以70 m左右,流量为5.0～6.0 L/(s◦m)为宜;畦田坡降7‰条件下,畦长应以80 m左右,流量为5.0～6.0 L/(s◦m)为宜。

(2)黏壤土小麦畦田坡降1‰条件下,畦长应以40 m 左右,流量为 2.0～3.0 L/(s◦m)为宜;畦田坡降3‰条件下,畦长应以50 m左右,流量为2.5～3.5 L/(s◦m)为宜;畦田坡降5‰条件下,畦长应以60 m左右,流量为 3.0～4.0 L/(s◦m)为宜;畦田坡降7‰条件下,畦长应以70～80 m,流量为4.0～5.0 L/(s◦m)为宜。

2.3 沟灌灌水技术要素组合的分析

对于沟灌灌水技术指标的确定,采用与畦灌灌水技术要素相同的处理技术和方法,绘制砂壤土和黏壤土多年生果树在不同坡度条件下的灌水效率、灌水均匀度与沟长和流量关系的等势线图,列举部分结果如图3所示。

图3 沟灌不同坡降下灌水效率Ea,灌水均匀度Ed与沟长和流量的关系

综合考虑沟灌灌水技术要素组合的原则,可得出不同坡降条件下砂壤土和黏壤土多年生果树沟灌时灌水技术要素的优化组合(列举部分研究成果):

(1)砂壤土果树沟灌坡降1‰条件下,沟长应以40～50 m,入沟流量为2.5～3.0 L/s为宜;灌水沟坡降3‰条件下,沟长应以50～60 m,入沟流量为3.0～3.5 L/s为宜;灌水沟坡降5‰条件下,沟长应以70～80 m,入沟流量为3.0～4.0 L/s为宜;灌水沟坡降7‰条件下,沟长应以60～70 m,入沟流量为3.0～3.5 L/s为宜。

(2)黏壤土果树沟灌坡降1‰条件下,沟长应以60～70 m,入沟流量为4.5～5.0 L/s为宜;灌水沟坡降3‰条件下,沟长应为100 m左右,入沟流量为4.0～5.0 L/s为宜;灌水沟坡降5‰条件下,沟长应为85 m左右,入沟流量为3.5～4.5 L/s为宜;灌水沟坡降7‰条件下,沟长应以90 m左右,入沟流量为3.0～4.0 L/s为宜。

3 结论

通过对杨凌示范区大田灌水试验的灌水质量进行评价,在采用SRFR软件对大田灌水试验的灌水质量进行模拟,将实测结果与模拟结果进行对比,结合田间工程实际,可认为两者误差在一个合理的范围内,表明SRFR软件模拟畦灌和沟灌灌水质量是可靠的。以SRFR软件模拟为基础,通过改变不同灌水技术要素组合,找出了研究区域内不同条件下的畦灌和沟灌灌水技术要素的优化组合。但由于本文采用SRFR软件模拟灌水质量时未考虑改口成数,对于不同改口成数下的灌水技术组合还有待进一步研究。

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