畦灌技术研究进展

阚常庆，廖梓龙，龙胤慧，2

（1.河北工程大学水电学院，河北邯郸056021；2.水利部牧区水利科学研究所，呼和浩特010020；3.中国水利水电科学研究院研究生部，北京100048）

畦灌是我国传统的一种灌溉方式，也是目前大部分灌区地面灌溉的主要方式。畦灌是指用土埂将耕地分割成长条形的畦田，将灌溉水流通过畦田形成薄水层，在灌溉水流推进的过程中，借助重力作用沿畦长方向及土壤吸附力湿润土壤［1］。

1 畦灌

畦灌是我国北方地区目前最主要和使用最广泛的灌水方式之一，与微、喷灌等压力灌溉技术相比，具有田间工程设施简单、运行成本低、易于实施等优点，但畦灌和沟灌同时存在田间水浪费严重和田间灌水效率低等缺点。

畦田根据地形可以分为顺畦和横畦。通常沿地面最大坡度方向布置的畦田，叫顺畦。顺畦水流条件好，适于地面坡度为0.001～0.003的畦田。在地形平坦地区，有时也采用平行等高线方向布置的畦田（即横坡向布置），称为横畦。因水流条件较差，横畦畦田一般较短。

从理论上讲，畦田灌溉为一维垂直非饱和土壤水运动，主要适用于窄行距密植作物或撒播作物，如小麦、谷子、花生等，在蔬菜、牧草和苗圃的灌溉中也常采用。

2 畦灌技术

畦田灌水技术主要包括：畦田规格、入畦单宽流量、综合糙率、改水成数、水肥耦合等要素。其选择对保证适时适量灌水、湿度均匀一致十分重要。

2.1 畦田规格

畦田规格包括：畦田长度、畦田宽度、畦梗高度。主要受供水情况、土壤质地、地形坡度、土地平整等状况的影响。

2.1.1 畦田长度

畦田长度取决于地面坡度、土壤透水性、入畦流量及土地平整程度。

当土壤透水性强、地面坡度小且土地平整差、入畦流量小（如井水）时，畦田宜短些；反之，畦田宜长些。若畦田愈长，则灌水定额愈大，土地平整工作量愈大，灌水质量愈难以掌握。我国大部分渠灌区畦田长度在30～100m。在井灌区，由于水源流量所限，畦长一般较短，通常在20～30m。

2.1.2 畦田宽度

与地形、土壤、入畦流量大小有关，同时还要考虑机械耕作的要求。

在土壤透水性好、地面坡度大、土地平整差时，畦田宽度宜小些，反之宜大些。通常畦愈宽，灌水定额愈大，灌水质量愈难掌握。畦宽应按照当地农机具宽度的整倍数确定。畦田宽度一般为2～3m，最大不超过4m。

2.1.3 畦埂高度

一般为10～15cm，以不跑水为宜，是畦灌管理中很重要的一项。

2.2 入畦单宽流量

入畦单宽流量是指每米畦宽入畦流量，常用单位为L/s·m。入畦单宽流量的大小，取决于地面坡度及土壤透水性。地面坡度小，土壤透水性大，入畦单宽流量要大一些；反之，入畦单宽流量要小些。一般根据土壤质地确定入畦单宽流量，其标准为：轻质土2～4L/s·m，重质土1～3L/s·m。

入畦单宽流量的大小及土壤的渗水能力决定着灌水的均匀性，不合理的流量常使畦首与畦尾所入渗的水量出现较大的差异。当流量较小时，有时甚至水层还未抵达末端，应灌水量即已大部分渗入首端和中部；而当流量较大时，则可能导致畦田尾端水层停留时间过长，渗水量过大。王维汉等对灌水质量进行了敏感性分析，结果表明单宽流量并非越大越好［2］。

入畦单宽流量的大小还直接影响着田间入渗的空间变异，白美健等建立了二维畦灌数值模拟模型，分析了入渗空间变异对畦灌性能的影响，研究结果表明入渗空间变异越强畦灌质量越差［3］。

2.3 综合糙率

畦田上的水流阻力不仅受到田面自身的粗糙程度制约，还受到种植制度、农田耕作、作物覆盖程度等影响［4］，因此，通常将田面水流运动阻力的影响用“综合糙率”来描述。

试验实测法和模型反求法是目前研究畦田土壤糙率的两种主要方法。试验实测法是指采用水力学方法计算入畦单宽流量、畦田水面深度、坡度等测定值来确定综合糙率；而模型反求法是通过不断调整水量平衡模型、零惯量模型等的相关系数，使模拟的水流推进和消退过程与实测过程达到最佳匹配，进而计算糙率系数［5-7］。

但在实际灌溉工程中，不可忽略糙率系数的差异性［8］。为了获得较好的畦灌模拟效果，需要采用各向异性糙率描述畦灌地表水流运动过程［9］。

2.4 改水成数

在实际地面灌溉设计与管理中，改水成数的控制误差不可忽略。周兰香等通过对畦灌的数值模拟发现，改水成数对灌水质量的影响很大［10］。王维汉等对畦灌改水程度的影响进行深入研究，结果表明改水成数控制误差具有较强的变异性，改水成数对灌水均匀度的影响大于灌水效率，而较大的单宽流量有助于减小改水成数的控制误差对灌水质量的影响［11］。

2.5 水肥耦合

水肥耦合是影响畦灌效果的关键因子。白美健等对不同入畦单宽流量和施肥量下冬小麦田土壤水氮空间分布状况及变化趋势开展研究，结果表明入畦流量和施肥量对作物有效根系层土壤水氮贮存效率和均匀度影响较为明显，高施肥大流量下作物有效根系层土壤水氮贮存效率及其沿畦长分布均匀性明显高于低施肥小流量下的相应值［12-13］。采用较大流量和全程施肥的畦灌施肥模式，可为作物高效吸收利用水肥提供相对均布的土壤水氮状态［14］。

3 水平畦灌

水平畦灌是畦灌的一种新技术，其特点是畦灌面积大，最大的可超过8893m2。这种灌溉方法的特点是灌水快、不产生径流、深层渗漏小，还可以拦截部分降雨，其田间水利用系数可达到0.9。张爱萍等以石羊河流域为例，建立了5种常用的土壤入渗Collis-George模型与修正的Kostiakov模型，结果表明水平畦灌技术具有良好的灌溉效果［15］。此外，李益农等在开展激光控制土地精细平整技术应用的基础上，对影响水平畦灌质量的灌水技术要素进行分析和评价，给出适宜水平畦田灌溉方法应用的田间技术参数组合方式［16］，结果表明畦灌系统性能和作物产量随田面平整状况的改善而明显提高［17］。

4 畦灌流动模拟

模拟畦灌流动过程常用的数学模拟方法有水量平衡模型、完全水动力学模型、零惯性量模型、运动波模型等。

4.1 水量平衡模型

水量平衡模型的原理是，假设畦田水面深度不变，并忽略蒸发损失，依据质量守恒原理，输入畦田的总水量等于畦灌入渗量与畦田表层汇水量的总和。1938年，Lewis和Milne教授首先应用水量平衡方程模拟畦灌的水流推进过程［18］，因原理简单、计算过程方便，水量平衡模型得到了广泛的应用［19］，但模型计算结果的精度还不足以满足实际工作的需求。

4.2 完全水动力学模型

完全水动力学模型的原理，是根据质量守恒和动量守恒的基本思想，建立灌水田块内水流的流速、水深（或流量）及截面面积之间满足圣维南方程的水力关系。完全水动力学模型的解决最早是由Kruger针对畦灌问题提出的［20］，随后Walker、Bassett等采用完全水动力学模型研究畦灌水流运动，但模拟结果不够理想，因为这些研究中只考虑了空间的变化，而没有考虑时间变化对水流运动的影响［21-23］。Singh、刘钰等应用完全水动力学模型研究了畦灌，模拟了畦灌水流运动规律，得出了进水距离和退水距离与时间的变化关系曲线，与田间试验对比，其模拟精度较高［24-26］。

完全水动力学模型具有完善理论和较强的实用性，其计算过程稳定、计算结果精度较高，但在实际应用中，该模型求解过程复杂。

4.3 零惯性量模型

针对完全水动力学模型求解过程复杂的缺点，Strelkoff和Katapodes在前人的研究基础上，通过改进和简化完全水动力学模型得到零惯性量模型［27-28］，Souza证明该模型虽经过简化，但在一般情况下均可适用研究畦灌的水流运动过程［29］。1983年，Oweis提出了一个能模拟连续流畦灌过程的线性零惯量模型［30］。零惯量模型的求解方法可分为数值法［27-29］和解析法［31-32］两类。在国内，零惯量模型的应用研究也相继完善［33］。

零惯性量模型简化了大部分的计算过程，且计算时间较快，计算精度高，具有广泛的应用前景。但该模型适用条件为田面坡度较小，进入田间水流的加速度较小时的地面水流运动模拟。

4.4 运动波模型

运动波模型是研究长距离河流洪水运动的预报问题时首先提出的，该模型是基于连续原理和均匀流假定基础上建立的，经修正后首先用于畦灌水流运动，方程基本形式是将圣维南方程组中的能量方程用均匀流方程代替［34］。Singh将该模型与零惯量模型进行了对比分析，发现两者具有较好的一致性，且均与田间试验结果吻合较好［35］。

由于在水流推进过程中，不涉及水流剖面形状，因此该模型适用于畦田坡面呈水平或近于水平状态，且畦尾无挡水边界、水流可以自由出流的水流运动，然而在其他坡面条件下，模型模拟结果的精度较差。

4.5 其他模型

章少辉等将遗传算法与地面灌溉一维模型相结合，实现畦灌土壤入渗参数与田间面糙率系数优化反演过程的自动化运作［36］。此外，章少辉等学者还建立了基于混合数值解法的畦灌模型［37-39］。王维汉等根据地表水深与离畦首的距离之间的指数函数关系，采用线性回归法估算出了土壤入渗参数［40］。

5 结语

（1）如何准确确定畦灌的各参数仍是一个需要继续深入研究的问题，不同条件下地面灌溉地表水流推进、灌溉水分入渗机理和入渗规律及其对灌水质量的影响等相关研究将是畦灌理论下一步研究的重点。

（2）模拟畦灌流动过程的模型有很多，但在实际过程中，还存在很大的局限性和盲目性，畦灌模型的优化不仅需要统筹考虑各技术要素取值的精确性，还要深入分析各要素的相互作用关系，在短时间内快速得出灌水技术要素的优化组合，为具体实施试验方案提供可靠的依据。

（3）需要建立完善的畦灌评价体系，并深入研究不同条件下，畦灌的适应条件及与其他灌溉技术的相互优化组合，为改进和完善现有地面节水灌溉技术提供理论和技术支持。

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