畦灌关口时间优化改善灌水质量分析

白美健，李益农，涂书芳，刘群昌（1. 国家节水灌溉工程技术研究中心（北京），北京 100048；　2. 中国水利水电科学研究院水利所，北京 100048）



畦灌关口时间优化改善灌水质量分析

白美健，李益农，涂书芳，刘群昌
（1. 国家节水灌溉工程技术研究中心（北京），北京 100048；2. 中国水利水电科学研究院水利所，北京 100048）

摘要：灌溉关口时间是灌溉管理中的重要要素之一，合理关口时间的确定能有效改善田间灌水质量。该文在提出畦灌控制指标R和畦灌关口时间优化方法的基础上，将畦灌模拟模型与关口时间优化方法相结合，对土质、畦长、坡度、田面平整精度和入流量不同的106 176个灌溉事件进行灌溉模拟及关口时间寻优分析，提出了不同灌溉条件下畦灌关口控制模式。畦长小于70 m下R值不宜小于1，若同时坡度大于3‰且田面平整精度很好则R值不宜小于1.1；畦长大于70 m下坡度小于1‰时，R的范围为0.8～1；坡度大于1‰时，R的范围为0.75～0.95。研究结果对畦灌关口控制依据具有重要的指导意义，实际灌溉中R准确取值可参考表2给出的建议值。

关键词：灌溉；调控；模型；畦灌控制；关口控制指标；灌溉模拟；最优关口时间；灌水质量

白美健，李益农，涂书芳，刘群昌. 畦灌关口时间优化改善灌水质量分析[J]. 农业工程学报，2016，32（2）：105－110. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.02.016http://www.tcsae.org

Bai Meijian， Li Yinong， Tu Shufang， Liu Qunchang. Analysis on cutoff time optimization of border irrigation to improve irrigated water quality[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering （Transactions of the CSAE）， 2016， 32（2）: 105－110. （in Chinese with English abstract）doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.02.016http://www.tcsae.org

0　引　言

畦灌是目前中国应用最为广泛的田间灌水方法，但现有畦灌田间管理粗放，灌溉水及肥利用率普遍偏低。优化畦灌技术要素，提高田间灌溉管理水平具有较大节水潜力。围绕灌水技术要素的优化国内外开展了大量研究工作，许多学者[1-6]将田间试验与数值模拟相结合分析了不同地形和流量条件下，畦灌系统优化布局模式，得出了适合不同地域条件的最优灌水技术要素组合。但对于条件各异的畦田适宜的灌水时间的确定也是提高田间灌水效率的重要措施。以往的研究通常采用改水成数作为灌溉关口控制依据，大量研究结果表明改水成数对灌溉性能影响显著。Hector[7]模拟研究表明改水成数对灌水效率和尾部弃水量影响明显；Santos[8]在分析入流量和改水成数对灌水均匀度影响的基础上，给出了研究区最适宜的入流量和改水成数组合；王维汉[9]分析了畦灌改水成数及控制误差对灌水质量的影响，结果表明随着改水成数的增加，灌水效率逐渐减小，灌水均匀度增加，且其影响趋势与入流量大小关系明显。现有关于合理关口时间方面的研究多针对典型条件，且主要考虑关口距离小于畦长的情况。目前中国多数地方采用小畦灌，畦长小于100 m的畦田比例较大，部分畦田为了达到较佳的灌水质量，关口时间需要晚于水流推进到畦尾的时间，此时不宜采用改水成数作为关口依据；另一方面现有相关规范给出了畦灌改水成数不宜低于0.75，但合理的改水成数受田面平整精度、坡度、畦长和入流量等多因素影响，针对不同灌溉条件采取何种关口控制指标，目前没有系统的成果可供参考。为此，本文旨在提出更为全面的灌溉关口控制指标的基础上，通过系统模拟分析给出任意灌溉条件下的灌溉关口控制依据。

1　研究方法与试验设计

1.1数值模拟试验设计

灌溉模拟试验中考虑土质、田面平整精度，同一田面平整精度下微地形空间分布差异，畦田长度、田面坡度和入畦单宽流量6个要素。土质考虑砂壤土和黏壤土2种，根据相关文献[10-13]和研究团队在华北、西北和东北等多地的入渗实测值，对砂壤土、黏壤土的入渗参数k，ɑ和f0进行取值，即砂壤土：k＝55 mm/ha，ɑ＝0.4，f0＝24 mm/h；黏壤土：k＝73 mm/ha，ɑ＝0.33，f0＝2.4 mm/h；田面平整精度Sd取5个水平：2、3、4、5和6 cm，根据白美健（2007）[14]的研究结果，不同田面平整精度下考虑微地形空间分布差异时，Sd＝2、3、4、5和6 cm下需随机生成的田面微地形分布分别为4、12、15、20和28组；畦长L取16个水平，最小值为50 m，最大值为200 m，每个水平间隔10 m；田面坡度Sp取6个水平：0、1‰、2‰、3‰、4‰和5‰；入畦单宽流量q取7个水平：2、3、4、5、6、7和8 L/s。对上述灌溉要素及水平进行排列组合得到106 176个灌溉事件。对各设计灌溉事件进行数值模拟时，灌溉关口时间采取最优关口时间优化方法进行确定（优化方法见1.5（流程见图1）），田面糙率系数根据以往田间灌溉试验资料，综合考虑土质、作物和田面平整条件等影响取均值0.1。同一田面平整精度下n组微地形空间分布会模拟得到相应的n组灌溉性能指标值，分析某一平整精度下的灌溉性能指标值时，取n组微地形分布对应的灌溉性能指标值的均值。

图1　畦灌最优关口时间计算流程Fig.1　Calculation flow diagram of optimum cutoff time for basin irrigation

1.2畦灌关口控制指标

灌溉关口时间是地面灌溉管理中主要的控制参数，其适宜值受畦长、田面平整状况、田面坡度、入畦流量等要素影响显著，对于任意给定田块很难直接给出地面灌溉技术要素约束下的最优关口时间。基于简单可行、易于指导用户进行合理灌溉为原则，本研究采用改水成数和灌溉延时率作为畦灌关口控制指标R。对于水流不需要推到畦尾就关口的畦田采用改水成数作为关口控制指标，指标值R为关口时水流推进距离与畦长的比值，其值小于1；对于水流推到畦尾后才能关口的畦田采用灌溉延时率作为关口控制指标，指标值R为灌溉关口时间与水流推进到畦尾所需时间的比值，其值大于1。

1.3畦灌模拟模型

本研究采用基于混合数值解法的一维全水动力学畦灌模型[15]对畦灌水流运动过程进行模拟。模型输入参数为：畦田规格、田面各点高程、入畦单宽流量、关口时间、Kostiakov入渗参数及糙率系数、作物灌溉需水量；模型输出结果为：田面各点水流推进、消退时间，地表水深，入渗深度；灌水效率、灌水均匀度和储水效率等。

一维全水动力学模型方程

式中x为水平向坐标，m；t为水流运动时间，s；h为地表水深，m；g为重力加速度，m/s2；U为沿x水平坐标向的垂向均布流速，m/s；q为沿x水平坐标向的单宽流量，m3/（s·m）；ic为地表水入渗率，m3/（s·m2）；b为畦面高程，m；n为曼宁糙率系数，m/s1/3。

1.4畦灌性能评价指标

本研究采用灌水效率Ea、灌水均匀度CU（Irrigation uniformity）和储水效率Es对灌溉性能进行评价。计算公式如下

式中hi为灌后储存在根区的平均灌水深度，m；Zavg为畦田内平均灌水深度，m；Zi为田面各点的灌水深度，m；Zreq为作物灌溉需水量，m。

1.5畦灌最优关口时间的确定方法

依据地面灌溉水流运动特点，农户在实际灌溉时最基本的要求是灌溉水流能覆盖田面各点，及最小入渗水深Zmin＞0，同时基于《地面灌溉工程技术管理规程》的要求，灌溉不能使田面各点都满足作物需水量时，建议储水效率（Es）不应低于80%。基于以上原则，以Zmin＞0 和Es＞80%为目标函数，根据图1流程，自动寻求各设计灌溉事件下最优关口时间，获得相应的灌溉性能指标值和灌溉关口控制指标值。

1.6田间验证试验田块基本信息

为了评价本研究分析提出的畦灌关口控制模式的合理性，选取了研究团队以往在山东、河北和新疆等地实测的具有不同畦长、坡度、田面平整精度和入畦单宽流量的典型田块进行对比分析。典型田块灌溉基本资料见表1。

表1　典型田块灌溉基本信息Table 1　Basic irrigation information of typical fields

2　结果与分析

2.1灌溉关口控制指标值对灌溉技术要素的响应分析

图2a～d分别给出了粘壤土质下不同田面平整精度、入畦单宽流量、和畦长下灌溉关口控制指标值R随坡度的变化曲线。总体来看，R随畦长增加而减小，但大于50 m后趋势变弱，不同畦长间差异不明显；R随坡度先略微减小后增加，多数条件下坡度为0.002是分界点，但田面平整精度较差时，这种趋势变弱；R随流量增加而略微减小；除短畦坡度大的情况外田面平整精度越差R越大。这与田面平整精度越好，入畦流量和田面坡度越大，灌溉水流覆盖田面各点所需时间越短有关，此时对于50 m的短畦而言Zmin＞0后，Es通常小于80%，故会适当延长灌水时间，R值也越大；反之灌溉水流覆盖田面各点所需时间越长。R取何值能同时满足Zmin＞0和Es＞80%受坡度、入流量和田面平整精度的共同作用。

图2　灌溉关口控制指标值随灌溉条件的变化趋势图Fig.2　Change trend of cutoff control index of irrigation with irrigation conditions

2.1.1田面坡度对灌溉关口控制指标的影响分析

多元回归分析结果表明，田面坡度与灌溉关口控制指标R呈一元二次多项式相关关系，不同田面平整精度，畦长、入畦流量下，相关程度存在差异，相关系数最大值为0.996，最小值为0.586，平均值为0.893。图3给出3种典型相关程度下R与Sp的相关关系曲线。田面平整精度较好（Sd＝2 cm），L为50和100 m时的相关程度较高，相关系数都大于0.95，R随Sp呈现出明显的高低高趋势；而L为150和200 m时相关程度略微低一些，R 随Sp的变化趋势小。田面平整精度较差（Sd＝4和Sd＝6 cm），L为50 m时，当坡度大于0.002后，R增加趋势较为明显，但其他畦长下变化趋势不太明显。

图3　典型相关程度下R与坡度间的相关曲线Fig.3　Correlation between R and Sp for typical case

2.1.2畦长对灌溉关口控制指标的影响分析

图4给出了不同田面平整精度、坡度和入畦流量下，灌溉关口控制指标值R随畦长L的变化趋势线。总体上R 随L增大而减小，但畦长大于100 m后趋势变弱，两者呈中度线性相关；同一畦长下由于其他条件不同R值间存在明显差异，变幅约为0.6，且R＝50 m时变幅最大。

2.1.3田面平整精度对灌溉关口控制指标的影响分析

图4　灌溉关口控制指标R随畦长L的变化趋势线Fig. 4　Change trend of R With L

图5a～d给出了不同畦长下灌溉关口控制指标值R随田面平整精度Sd的变化趋势。L＝50 m时总体上R随Sd的增加而减小，对于50 m畦田，当田面平整精度较好时灌溉水流能快速覆盖整个田面，此时尽管Zmin＞0，但Es不能满足要求，需适当延长灌水时间，当田面平整精度较差时，水流推进延缓，当满足Zmin＞0时，Es也基本能满足要求。L＝100 m时，Sd对R的影响最不明显；L＝150 m 和200 m时，Sd增加R略微增大，主要因为长畦下灌溉时间相对较长，通常Es会先于Zmin达到目标，故田面平整精度较差时，需适当延长灌水时间，以便保证Zmin＞0。

2.1.4入畦流量对灌溉关口控制指标的影响分析

图6a～c分别给出了所有组合和2个典型组合下灌溉关口控制指标值R随入畦单宽流量q的变化趋势。结果表明R随着q增大而减小，二者成高度线性相关，相关系数均在0.95以上；平整精度好，无坡度畦田变化趋势更为显著，反之较平缓。q＝2时，R受其他灌溉条件的影响相对较小，其变化幅度也相对小，而q为4，6，和8时，不同灌溉条件下R的变幅相对大。

图5　不同畦长下灌溉关口控制指标R随田面平整精度Sd的变化趋势Fig.5　Change trend of R with Sdunder different basin length

图6　不同灌溉条件下灌溉关口控制指标值R随入畦单宽流量的变化曲线Fig.6　Change trend of R with q under different irrigation conditions

综上以粘质土壤为例的分析结果表明，坡度和入畦流量对适宜的灌溉关口控制指标值影响显著，畦长的影响趋势在小于100 m情况下较为明显，大于100后不十分明显。田面平整精度的影响趋势受其他条件的影响非常显著，畦长小于100 m时具有减小趋势、大于100 m时具有增加趋势。砂壤土条件下趋势性结果与粘壤土一致，只是针对具体灌溉条件R值大小存在差异。

2.2畦灌关口控制模式

表2　不同灌溉条件下适宜的灌溉关口控制指标值RTable 2　Proposed irrigation control indexr R for different irrigation conditions

根据2.1分析所得灌溉关口控制指标值R对各灌溉要素的响应趋势，归纳提出不同灌溉条件下的控制模式，各类型下相应的R值根据模拟所得灌溉要素与R的对应值，以及田间灌溉经验概况提出。表2给出了黏壤土质24种灌溉条件下的灌溉关口控制指标值。由2.1的分析结果知，50 m畦长下不同灌溉条件对应的R值与其他畦长下差异显著，而其他畦长下差异不明显，故分类时考虑短畦（30～70 m）和中长畦（＞70 m）2种。对于30～70 m长的畦田，随着田面坡度、平整精度和入流量条件的不同，适宜的灌溉关口控制指标值范围为0.9～1.15，同一类型对应的R值变幅不大，故表中给出了各类型下R的确定值；对于大于70 m的畦田，不同灌溉条件下适宜的灌溉关口控制指标值的范围为0.75～1，由于同一类型的R值存在一定变幅，故同一类型下表中给出了R值的范围。砂壤土质下所得各类型的R值与粘壤土质下的平均差距约为0.05，故建议实际应用中以表2的建议值为依据，根据具体土质不同按±0.05的范围进行调整。

2.3畦灌关口控制模式的合理性验证

根据表1给出的典型畦田灌溉基本资料，借助灌溉模型模拟得到采用实际灌溉关口控制指标和本研究建议采用的关口控制指标下的畦灌性能指标值。表3给出了实际和建议控制模式下的灌溉关口控制指标取值及相应的畦灌性能指标值。结果表明，采用本文研究提出的灌溉关口控制模式可获得较佳的畦灌性能指标值。5个典型试验田块中田块20swd7和Lq06的实际灌溉关口控制指标与文中建议值差异较大，其中20swd7因为畦田较短坡度较大土地平整精度较高，实际灌溉中水流能快速到达畦尾，实际灌溉所采用关口控制指标值R为1，比推荐值1.15小，畦田灌溉关口太早，使得储水效率偏低，而R采用推荐值时所得储水效率值能得到大幅提高；根据田块Lq06的灌溉条件本文推荐关口控制指标R为0.75～0.85，实际灌溉时R取0.96，过晚的关口使得灌水效率偏低，而采用本文推荐的R值，在均匀度和储水效率变化不大的情况下，灌水效率可从37%提高到59%。因此，本研究提出的不同灌溉条件下的灌溉关口控制指标推荐值是可行的。

表3　实际与推荐灌溉关口控制指标下的灌溉性能值Table 3　Irrigation performances under actual and proposed cutoff control index

3　结　论

将灌溉模拟模型与畦灌关口时间优化方法相结合，对设计的106176种灌溉事件进行模拟；基于模拟结果分析灌溉控制指标对灌溉技术要素的响应，提出不同灌溉条件下畦灌关口控制技术模式；根据典型田块灌溉资料，对本研究提出的灌溉关口控制模式可行性进行验证。综合分析得出以下结论。

1）合理的畦灌关口时间可有效改善灌水质量，不同畦长、坡度、田面平整精度和入流条件下畦灌关口控制指标值R存在差异。其中，坡度和入畦流量对R值影响最显著；R随入流量增大而减小；畦长小于70 m时R随坡度增大而增大，其他畦长下R随坡度增大而减小；畦长的影响在小于100 m下明显，大于100后不十分明显；田面平整精度的影响受其他条件影响显著，畦长小于70 时Sd越大R越小、大于70 m时具有增加趋势。

2）针对不同灌溉条件下的典型田块，采用本研究提出的R值控制灌溉关口可明显改善灌水质量，表2给出的控制模式可较好的指导田间灌溉。实际应用中对畦长小于70 m的田块，R值建议不小于1，若坡度大于3‰，田面平整精度又很好的情况R值建议不小于1.1；对大于70 m的畦田，坡度小于1‰时，R的范围为0.8～1.0；坡度大于1‰时，R的范围为0.75～0.95，准确取值可针对具体条件参照表2给出的建议值，也可以根据R对各要素的响应趋势，在相应范围内进行适当取值。

畦田灌溉条件千差万别，实际灌溉中合理灌溉时间难以确定，本研究提出灌溉控制指标R，并通过系统模拟分析给出不同灌溉条件下R的合理取值范围，研究结果对畦灌合理关口控制具有重要的实际指导意义。

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Analysis on cutoff time optimization of border irrigation to improve irrigated water quality

Bai Meijian, Li Yinong, Tu Shufang, Liu Qunchang
（1. Nɑtionɑl Center of Efficient Irrigɑtion Engineering ɑnd Technology Reseɑrch, Beijing; 100048， Chinɑ; 2. Irrigɑtion ɑnd drɑinɑge depɑrtment,Chinɑ Institute of Wɑter Resources ɑnd Hydropower Reseɑrch, Beijing 100048， Chinɑ）

Abstract:Irrigation cutoff time is one of the important factors of irrigation management， and the determination of optimum cutoff time can effectively improve the irrigation performances. But for different irrigation conditions， the cutoff time of irrigation is very different， and it is difficult to directly determine the cutoff time of any given irrigation event. So， the cutoff control index of basin irrigation is used to study the cutoff control modes of basin irrigation. When the irrigation water is closed before the water advance to the end of basin， cutoff control index is equal to the ratio between the water advance distance when the irrigation water is closed and the basin length. On the contrary， R is equal to the ratio between the cutoff time and the time that water advance to the end. The optimization method of optimum cutoff time for basin irrigation was presented， and the minimum infiltration depth larger than zero and storage efficiency larger than 80% were set as the objective function to optimize cutoff time. One-dimensional hydrodynamic model of basin irrigation based on the hybrid numerical method was used to simulate the basin irrigation process. Combining the irrigation model with optimization method of cutoff time， the irrigation processes of 106176 irrigation events with different soil type， basin length， basin slope， land leveling precision and inflow rate were simulated， and for the same land leveling precision， the spatial variability of surface elevation was considered. For land leveling precision of 2， 3， 4， 5 and 6 cm， 4， 12， 15， 20 and 28 groups micro-topography data were respectively generated. The corresponding optimum cutoff time for each irrigation event was obtained， the influence of the irrigation factors on the optimum cutoff time was discussed， and the irrigation cutoff control modes were proposed. The irrigation data of typical fields were used to validate the rationality of the proposed cutoff control modes by comparing the irrigation performances under different cutoff time. Results showed that the optimum cutoff time of irrigation event was up to different irrigation factors. Cutoff control index changed with the basin length， basin slope， inflow rate and land leveling precision. Among these irrigation factors， the influence of slope and inflow rate on cutoff control index was the most obvious. Cutoff control index decreased with the increase of inflow rate. For the basins with the length of lower than 70 m， cutoff control index increased with the increase of slope， and for the basins with other lengths， cutoff control index conversely decreased with the increase of slope. Generally， cutoff control index decreased with the increase of basin length， but the influence of basin length on cutoff control index was obvious for the basins with ＞100 m length， when basin length was not more than 100 m， the influence weakened. The influence of land leveling precision was related with other irrigation factors，cutoff control index decreased with the increase of land leveling precision for ＜70 m basin， and increased with the increase of land leveling precision for other basins. By comparing the irrigation performances of typical basins under actual irrigation cutoff time and proposed cutoff control index， the rationality of proposed cutoff control index of basin irrigation was validated. For different basin length， slope， land leveling precision and inflow rate， the values of irrigation cutoff control index were presented. For the basins with the length of less than 70 m， the range of cutoff control index was 0.9-1.15. For most conditions cutoff control index should not be less than 1， but when basin slope was middle and leveling precision was not good， cutoff control index was about 0.9; and if slope was greater than 3‰ and land leveling precision was good， cutoff control index should not be less than 1.1. For the basins with the length of greater than 70 m and basin slope was less than 1‰， the range of cutoff control index was 0.8-1; but when basin slope was greater than 1‰， the range of cutoff control index was 0.75-0.95. The research results can supply reference for the cutoff control of basin irrigations， and the cutoff control index can be chosen according to the practical irrigation events.

Keywords:irrigation; control; models; border irrigation control; cutoff control index; irrigation simulation; optimum cutoff time; irrigation performance

作者简介：白美健，女，汉族，四川人，教授级高工，博士，主要从事节水灌溉技术研究。北京国家节水灌溉工程技术研究中心（北京），100048。Email：baimj@iwhr.com

基金项目：国家自然科学基金项目（51279225）；国家863计划重点项目课题（2011AA100505）；国家支撑课题（2012BAD08B05）

收稿日期：2015-08-07

修订日期：2015-12-20

中图分类号：S275.3

文献标志码：A

文章编号：1002-6819（2016）-02-0105-06

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.02.016