节水灌溉稻田水量平衡模型计算方法探讨

张亚东，郑世宗

(浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020)

水稻是耗水量最大的灌溉作物，传统淹灌种植的水稻平均灌溉用水量接近9000m3/hm2，水分生产效率远远没有达到水资源高效利用的要求，具有较大的节水潜力。随着水资源的日益紧缺和我国灌溉农业的发展，推行高效节水农业成为农业可持续发展的方向，水稻灌溉节水必然成为我国农业节水的重点［1-2］。20世纪80年代以来，水稻节水灌溉技术研究得到了广泛的重视，总结提出了不少水稻节水灌溉技术模式，包括控制灌溉技术、 “薄、浅、湿、晒”灌溉技术、薄露灌溉技术、水稻叶龄灌溉技术以及水稻旱育稀植等技术［3-4］，在水稻节水和增产方面取得了很好的效果。水量平衡模拟是研究水稻节水理论的重要部分，国内外学者对此开展了大量的试验研究，但多数关注的是稻田经常保有水层的常规灌溉，对节水灌溉稻田的研究则较少。因此，研究节水灌溉稻田水量平衡模型计算方法，对指导水稻节水灌溉，推行节水型稻作具有重要的意义。

1 节水灌溉稻田水量平衡模型原理与结构

田间水量平衡模型一般用于灌溉措施的用水效率评价、土壤水渗漏量的估算以及土壤侵蚀过程模拟，具有灵活性和易理解2个明显特征。

施行节水灌溉的稻田，秧苗返青后的生育阶段田面经常不保留灌溉水层，以根层的土壤水分作为控制的指标，来确定灌水定额。所以稻田水量平衡分为田间有水层和无水层2种情况进行分析，需要建立有水层时的田间水量平衡模型和无水层时的作物根系层水量平衡模型。其示意见图1。

图1 节水灌溉稻田水量平衡模型示意图［1］

1.1 田间有水层时水量平衡

式中:Hi为第i日开始时水深，mm;Hi-1为第i-1日开始时水深，mm;Pi-1为第i-1日降雨量，mm;Ii-1为第i-1日灌水量［2］，mm;ETi-1为第i-1日腾发量，mm;Di-1为第i-1日田间排水量，mm;DPi-1为为第i-1深层渗漏量，mm;HPi-1为第i-1日水平渗漏量，mm。

1.2 田间无水层时水量平衡

水稻生长期间田间出现无水层状态时。选定土壤含水率等于饱和含水率(稻田刚好无水层)的日期为起始日期，而后逐日进行水量平衡演算。作物根系层水量平衡可表示为:

式中:θi为第i日土壤含水率，以占饱和含水率百分比，%;ETi-1为第i-1日作物腾发量，mm;Pi-1为第i-1日有效降水，mm;Ii-1为第i-1日灌水量，mm;Si-1为第i-1日渗漏量，mm;A0为土壤孔隙率，根据灌区实际情况和经验值确定;H为作物根系吸水层深度，根据灌区实际情况和经验值确定。

2 节水灌溉稻田水量平衡模型参数的计算方法

稻田水量平衡模型的组成要素一般包括蒸腾蒸发量、稻田渗漏量、灌水量、排水量、降雨量等方面。灌水量和降雨量可以通过仪器观测得到，田间排水量可通过设置排水规则求得，蒸腾蒸发量、稻田渗漏量等则可以通过已有观测数据计算得到。

2.1 蒸腾蒸发量

作物蒸发蒸腾量最常用的估算方法是先计算参考作物蒸发蒸腾量再乘以作物系数KC，得到各计算时段的蒸发蒸腾量。因此有关作物系数的研究亦成为作物需水量研究的关键问题。节水灌溉条件下，水稻田间土壤水分处于非饱和状态，需要考虑土壤水分胁迫系数KS［5］，则非充分灌溉条件下水稻实际腾发量(ETC)可用下式推求:

式中:ETC实际作物腾发量，mm;KC为作物系数;KS为土壤水分修正系数;ET0为参考作物腾发量［3］，mm。

2.1.1 参考作物腾发量计算

参考作物腾发量ET0有很多种计算方法，FAO定义了参照表面为高度均匀、生长旺盛、完全覆盖土表并且供水充足的草地，其高度为0.12m，表面阻力为70s m-1，反射率为0.23。根据参照表面，FAO提出了计算参照作物腾发量的FAO Penman-Monteith公式:

式中:ET0为参考作物腾发量，mm d-1;Rn为冠层表面净辐射，MJ m-2d-1;G为土壤热通量，MJ m-2d-1;T为日平均气温，℃;U2为2m高度处风速，m s-1;ea为饱和水汽压，kPa;es为实际水汽压，kPa;es-ea为饱和水汽压差，kPa;Δ为水汽压曲线斜率，kPa℃-1;γ为湿度计常数，kPa℃-1。

2.1.2 作物系数确定

作物系数受土壤、气候、作物生长状况和管理方式等多种因素的影响，因此，不同作物的作物系数应根据当地的灌溉试验成果确定，需要逐时段的变化过程。对没有试验资料或试验资料不足的作物和地区，可以利用FAO推荐的84种作物的标准作物系数和修正公式，根据当地气候、土壤、作物和灌溉条件进行修正［6］。

从FAO-56中查出水稻在标准条件下的作物系数 (所谓标准条件是指空气湿度约为45%，风速约为2m/s，供水充足，管理良好，生长正常，大面积高产的作物条件)。非标准条件按照下式对作物系数进行修正［7］:

2.1.3 水稻土壤水分修正系数计算

水稻土壤水分修正系数Ksi与土壤含水率存在以下关系［8］:

式中:θi为生育阶段水稻根层土壤含水率(占干土重%);θsi为生育阶段水稻根层土壤饱和含水率(占干土重%);a、b、n为经验系数，可根据灌区实际观测资料回归分析求得。

水稻土壤水分修正系数Ks在土壤水分不是作物蒸发蒸腾的限制因素时，可近似取为1.0［9］。

2.2 渗漏量

稻田渗漏包括深层渗漏和侧渗，其中深层渗漏是指水分沿根区进入地下水的垂直运动［10］，侧渗是水分向田埂四周的侧向运动［11］。由于田埂具体的特性变异较复杂［12］，侧渗比深层渗漏难于推算［13］。到现在，很少有学者单独对水稻田水分侧渗进行研究。由于目前的技术和设备所限，在实际操作中一般将二者放在一起研究，统称为渗漏。

由于地形、土壤条件与水文条件的差异较大，我国各地稻田渗漏量的变幅很大。本研究对田间渗漏的估算分为2种情况:一种是水稻生长前期，田间存有水层或含水率饱和;一种是水稻生长后期，田间出现无水层。

2.2.1 田间有水层时渗漏量

由于渗漏量难以估算，先假设综合地下水补给、水平渗漏、垂直渗漏为一项Si。按照实际观测水层，进行田间水量平衡计算，根据达西定律拟合Si，建立日常水层与Si的关系。

式中:Si为i时段的渗漏量，mm;hi为田间日常水层深度，mm;m、n为拟合系数，通过规划求解方法推求。

2.2.2 田间无水层时渗漏量

水稻生长后期，田间常出现无水层状态。以前，许多专家在进行稻田田间水量平衡计算时，如果稻田无水层，则认为没有渗漏量。相关实验表明，稻田处于非饱和状态时，稻田自由排水通量是不应该被忽略的。因为此时稻田土壤的含水率远大于田间持水率，水稻根层部分的土壤水分下移非常剧烈。根据模拟计算分析，稻田渗漏量可按下式计算［14］:

式中:Si为第i天渗漏量，mm;K0为饱和水力传导度，m/d，主要与土壤质地有关，一般为0.1～1.0，土质愈粘重，其值愈小;α为经验常数，一般为50～250，土质愈粘重，其值愈大;ti为土壤含水率从饱和状态达到第i天水平所经历的天数;H为水稻主要根层深度，根据灌区实际情况及经验值确定。

2.2.3 田间侧渗量

侧渗是指在水田这种特定区域发生的污染物随渗流水平迁移流失的现象，是农业面源污染物输出的重要途径之一［15］，目前国内外关于稻田田间径流的研究较多，而关于侧渗的研究则几乎没有。通过田埂侧渗的水量是排水沟重要的水量输入部分。Huang等［16］在中国台湾省 Hsin-Chu县的田间试验所得稻田的侧渗速率为1.47cm/d。稻田的侧渗速率一是受土壤本身质地的影响，囊水性存在区别;另外与田埂的生成年份有关，受犁底层土壤影响，其密实程度和年份为正相关的关系，土壤水不易纵向运动，提高了侧渗的能力。

田块、田埂和排水沟可看做一典型达西渗流模型，运用达西渗流定律求解，公式为:式中:q为渗流量，m3/s;k为渗透系数，m/s;h为水头差，m;L为渗径长度，m;A为渗流面积，m2。

易知田间水层与沟水位的水头差与田埂的渗透系数影响着渗流量，但达西渗流定律是一种理想的状态，在实际运用中影响因素众多，无法准确反映真实的侧渗状况。

考虑到田间侧渗计算的复杂性，一般可采用经验系数的方法，假设田间渗漏总量的一部分为侧渗量，即取侧渗系数为β。通过建立的稻田水量平衡模型，采用规划求解和反演计算推求。

2.3 田间排水量

如果排水前的稻田蓄水量小于或等于该生育期的最大允许水层深度，则不排水;如果排水前的稻田蓄水量大于该生育期的最大允许蓄水深度，则进行排水。即:

式中:Di为第i天的可排水量，mm;Hut为该生育期最大允许蓄水深度，mm(根据文献 ［17］和灌区实际情况确定)。

3 结语与展望

本文在田间水量平衡的基础上，将稻田水量平衡分为田间有水层时和无水层时2种情况考虑，提出了节水灌溉稻田水量平衡模型的建立过程和计算方法，并逐个分析了模型各组成要素的计算方法，为其他地方建立适合本地区情况的节水灌溉稻田水量平衡模型提供了理论参考。在以后的研究中，可以通过试验数据对节水灌溉稻田水量平衡模型参数进行校准，建立较精确的模型，用于模拟未来年份的稻田水量平衡情况。

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