引黄灌区畦田灌水技术试验研究

张立志，徐立荣，徐征和，庞桂斌，王 通，赵志强(济南大学资源与环境学院，济南 250022)

0 引 言

现阶段，引黄下游灌区灌溉方式依然为大田畦灌，由于田间工程设施不完善、畦田规格不合理并且田间灌溉管理模式粗放等，灌溉水资源浪费和渗漏严重，造成地下水位抬升，土壤盐碱化等一系列问题[1]。目前，黄河的来水条件下降，灌区发展受到一定的制约，发展节水畦灌成为一种必要的方式。因此，合理的减少农业用水量成为现代灌区发展的必经之路，其中提高灌溉用水效率的重要措施就是改进现行的田间灌水技术[2,3]。在李益农、许迪、李福祥等人的研究中，指出影响水平畦田灌溉系统性能的因素包括：土壤入渗性能、畦田微地形、入畦单宽流量、畦田规格、灌溉供水时间[4,5]。在张庄内进行的试验，通过分析不同灌水技术参数组合对灌水质量的影响，并结合计算机软件分析初步确定张庄管道灌溉条件下合理的畦田规格和技术要素，指导农业生产。

1 材料与方法

试验在山东省引黄灌区德州市张庄管道灌溉示范区内进行，采用田间灌水试验与计算机模拟相配合的方法，分析当前田间灌水技术存在的问题，利用 SRFR 软件进行模拟，对比灌区内不同畦田状况的灌水技术改进方案，提出管道灌溉条件较优的灌水技术改进方案。

项目区种植作物主要为冬小麦和夏玉米。试验在2014-2015年冬小麦春灌期间进行，试验田块土壤质地为壤土，平均土壤干密度为1.41 g/cm3，田间持水率为25%。试验区周边一般畦田宽度为6、8、10 m多种规格，而畦长过长，一般在150 m以上，本次试验畦田是在原畦田规格的基础上进行改畦。试验区内，使用低压管道灌溉，末级管道规格确定，为满足畦田灌溉最优化，需要优化畦田规格。据现场调查可知：灌区末级管道使用DN110类型管道，满足这种规格并且管道流速在经济流速以内而且要大于不淤流速1.3 m3/s。本次试验选择流速范围为1.3～1.5 m/s，经过计算得出给水栓的出水量为12.3～14.3 L/s，因此畦田规格的选择要在这个出水量之间考虑。

1.1 试验方案

采用田间小区试验的方法进行，共分为4个畦灌小区，分别为：长60 m，宽3 m(1号畦田)、长60 m，宽5 m(2号畦田)、长90 m，宽3 m(3号畦田)、长90 m，宽5 m(4号畦田)。畦埂高通常为0.15～0.20 m。

1.2 观测项目

试验期间观测内容包括：①田面坡度；②灌溉前后24 h的土壤含水量；③给水栓设置流量计测定入畦流量；④水流推进时间：每隔5 m设立标杆，记录水流前锋到达标杆的时间；⑤水流消退时间：每隔5 m记录一次地面明水落干时间。

1.3 评价指标

本文灌水质量的评价指标主要采用灌水效率和均匀度。

(1)灌水效率(Ea)：

(1)

(2)灌水均匀度(Ed)：

(2)

式中：Ed为田间灌水均匀度，%；ΔZ为入渗水深的平均偏差；Za为灌水后沿田面各观测点土壤入渗水深的平均值；n为测点数；Zi为田面各观测点土壤入渗水深，i=1，2，…，n。

2 模型参数率定与优化

WinSRFR4.1模型是由美国农业部灌溉研究中心开发的地面灌溉(畦灌、沟灌等)模拟模型[6-9]。模型有4个不同的模块：①Event Analysis；②Hydraulic Simulation；③Physical Design；④Operation Analysis。WinSRFR4.1模型的输入参数主要有：灌溉系统的几何参数(畦宽、畦长、田面纵坡等)、灌溉管理参数(入畦流量、改水成数等)、土壤参数(田间糙率系数、土壤入渗参数等)。三项输入参数按照田间实测数据进行输入。

WinSRFR4.1模型模拟结果与实测数据十分吻合[10-12]，本次试验中是通过软件模拟得到土壤入渗参数。使用WinSRFR4.1模型模拟土壤入渗参数是基于Kostiakov公式：

Z=Ktα

(3)

式中：Z为累计入渗水深，mm；t为累计入渗时间，h；K为土壤入渗指数；α为入渗系数。

本此试验中，利用野外双环入渗试验得到的土壤参数作为软件模拟的原始值，模拟水流推进和消退过程，对照模拟曲线和实测曲线，不断调整土壤入渗参数和入渗系数，使模拟曲线与实测曲线拟合度最高，此时得到的土壤入渗指数K和入渗参数α，可以作为每个畦田的入渗参数。

WinSRFR4.1软件模拟和实测的水流推进和消退的过程如图1所示，从图中可以看出模拟值与实测值之间基本吻合，不同畦块的模拟参数见表1。

表1 模型参数模拟结果Tab.1 The simulation results of model parameters

由图1和表1可以得出，使用WinSRFR4.1模型模拟得到的畦田水流推进和消退与实测值吻合度很高，可以认为软件模拟畦灌过程是符合实际情况的。因此，本文用此方法模拟不同规格畦田的灌溉过程。

3 结果与分析

3.1 灌水质量评价

使用WinSRFR4.1软件与实测相结合的方法计算得出的结果可以真实地反映田间实际状况。考虑研究区的灌水特征并结合他人研究成果，使用公式(1)、式(2)计算，计算结果见表2，根据数据显示，宽3 m的畦田灌水效率明显要比宽5 m的畦田高。畦宽过宽使得畦田在横向断面上的入渗不均匀，在整块畦田达到灌水要求的条件下，会出现严重的深层渗漏，使得灌水效率低下，反而会使得灌水均匀度有所升高，导致最终灌水均匀度的差别不大，但极大的浪费了灌溉水。因此，建议该地区宽畦改窄畦。

图1 畦田水流推进、消退过程的实测与模拟Fig.1 Measurement and Simulation of irrigation water advance and recession process

表2 灌水效率和灌水均匀度计算结果Tab.2 Calculation results of irrigation efficiency and irrigation uniformity

3.2 田间灌水技术参数优化分析

使用WinSRFR4.1软件模拟不同畦长条件下的畦田灌溉，从中选出灌水均匀度和灌水效率达到灌水要求并且适合当地条件的灌水组合方案。模拟数据包括灌水效率和灌水均匀度与畦长、单宽流量、畦宽和坡度的变化关系，根据模拟结果分析得到适合于该地区的畦田灌水参数。灌水效率和灌水均匀度模拟结果见图2、图3、图4、图5。

图2 灌水效率随畦长变化图Fig.2 Ea with border length change chart

图3 灌水均匀度随畦长变化图Fig.3 Ed with border length change chart

图4 灌水效率和灌水均匀度随单宽流量变化图Fig.4 Ea and Ed with Single wide flow change chart

图5 灌水效率和灌水均匀度随畦宽变化图Fig.5 Ea and Ed with wide change chart

由图2和图3可以看出在同一坡度下，灌水效率和灌水均匀度都随畦长的增加先增大后降低，在畦长为50 m时灌溉性能最优。畦长较小时，推流推进速度相对较快，下游畦田会出现深层渗漏的现象，上、下游水分分布不均匀，灌水效果差；畦田长度较大时，水流推进速度相对较慢，上游受水时间较长，出现渗漏，导致上、下游入渗水分分布不均匀，灌水质量低，灌水效果差。

由图4模拟结果看出：灌水均匀度和灌水效率随着单宽流量的增加呈现出了先增加后减小的趋势，并且在单宽流量为1.5 L/(s·m)时，达到最大值。单宽流量较小时，水流推进速度较为缓慢，水流前锋到达畦尾所需要的时间较多，畦田上游受水时间长，深层渗漏较为严重，导致灌水效率低下，灌水均匀度上、下游差距明显。相反，单宽流量太大，一方面会造成冲刷畦田的现象；另一方面，水流到达畦田下游所需时间少，而我们普遍采用畦长比例作为改水成数，水流到达下游后，需要进行改畦，畦田下游受水时间较短。虽然此时深层渗漏现象明显改善，由于下游水分入渗时间很短，上下游灌水深度差异明显，导致Ed值很小。与此同时畦田的整体入渗时间也会大大缩短，致使灌溉难以达到畦田需水要求。

由图5得到畦宽为1 m，Ea和Ed随畦宽的增加，现有小幅度的增加，当畦宽增加到1.3 m时，Ea、Ed分别达到最大值 86%、91.3%，当畦宽继续增加时，灌水质量开始变差。畦宽较小时，配水建筑物的尺寸一定，入畦流量变化幅度有限，单宽流量就会大幅度提升，导致下游出现深层渗漏，上、下游水分入渗不均匀且畦田难以达到计划湿润层深度；畦宽较大时，使单宽流量严重减小，导致上游出现深层渗漏的现象，下游水分入渗较少，畦田灌溉不均匀，灌水效果差。

以50 m畦长为例，当畦田坡度为0.001时，由于灌溉水流推进速度缓慢，上游水流停留时间相对较长，下游灌溉水停留时间较少，造成畦田上游深层渗漏较为严重，下游入渗量较少且入渗时间较短难以达到灌水需求。在整块畦田上，入渗水量分布不均匀，Ea和Ed值较小，难以达到节水灌溉要求。当田面坡度逐渐增大时，重力作用导致灌溉水的推进速度不断加快，畦田上游水流停留时间一定有所减少，并且灌溉水向下游的推进速度一定会不断加快，使得水流在下游的停留和入渗时间不断增加，畦田整体的水分入渗分布逐渐变得均匀，Ea和Ed也在逐渐增加，直到田面坡度增加到0.003时，Ea和Ed到达最大值 87.8%和 95.2%；但是当畦田坡度继续增加时，水流推进速度进一步加快，灌溉时间大大缩短，灌溉水流在整个畦田上的停留时间减少，因此，水分入渗减少，难以达到灌水计划湿润层，若是增加灌水时间来到达畦田的需水要求，致使灌水水流长期在下游累计，一方面可能会冲垮拦水畦，另一方面导致畦田下游大量水分下渗，造成严重的深层渗漏，Ea和Ed数值很低，难以达到现代灌区的用水要求。模拟结果图见图6。

图6 50 m畦田灌水效率和灌水均匀度随坡度变化图Fig.6 50 m Ea and Ed with the slope change chart

因此，管道灌溉区内，在末级管道配置和当地农用机具的约束下，宽为1.5 m、长为50 m，坡度为0.003的畦田更能适宜于管道布设以及灌区的发展。并且根据模拟结果图的变化趋势，建议此地区最好选用0.003的畦田坡度，并且在灌水效率和灌水均匀度都大于80%的情况下，畦长不应大于60 m，在此范围内，灌水性能较优。

4 结 语

(1)使用WinSRFR4.1模型模拟得到的畦田水流推进和消退与实测值吻合度很高，相对误差仅在3.56%～4.68%之间，证实了该地面水流模拟软件模拟畦灌过程是符合实际情况的，因此，可以采用参数率定后的模型模拟不同规格畦田的灌水过程。

(2)目前，灌区内的畦田规格大小不一，但都存在畦田宽度和长度过宽等问题。现阶段因灌区灌溉工程配置未达到畦田灌溉要求而不被农民采用，导致了资源浪费。通过试验分析以及模拟分析，建议灌区单宽流量为1.5 L/(s·m)，畦田规格更改为1.5 m宽，坡度为0.003，长度在50～60 m。这种畦田规格既能节省灌溉水量又可以降低末级管道配置要求，减少灌区建设的经济投入。同时建议灌区内推广精细平地技术，提高田面平整度。

(3)灌水均匀度和灌水效率都是反映灌水性能的重要指标，两个指标相结合，能够真实反映灌水质量优劣。但灌水均匀度与灌溉水量成正相关变化，而灌水效率随灌水量的增加，先增加，后减小。因此，在评价不同灌溉方案灌水效果时，应该综合考虑两者同时处在较高水平。

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