泾惠渠灌区不同灌水时期畦灌灌水效果分析

徐家屯，马海姣，陈 慧，朱 艳，王云霏，蔡焕杰(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)

畦灌是大田作物广泛采用的一种灌水方法，其灌水质量评价及合理的灌水技术参数优化组合一直是人们长期研究的重要课题[1,2]。而在冬小麦-夏玉米轮作周期内，由于土地翻耕、灌溉、降雨、农作物生长等因素作用，使得土壤入渗特性及综合糙率系数存在着明显的时空变异性，农业灌溉措施在这种变异条件下，其灌溉效果也必然发生较大的变化，采用相同的灌水技术参数则显著地降低了畦灌灌溉质量[3-5]。在实际应用中，对地面灌溉灌水质量评价及灌水方案设计时，应充分考虑这种时空变异性。基于此，国内外学者对其进行了大量的研究[6-9]，取得了一定的成果，但大多数学者集中在土壤入渗特性及糙率系数的空间变异性方面的研究，较少研究夏玉米-冬小麦轮作周期内土壤的入渗特性及糙率系数的时间变异性对灌水过程及灌溉性能的影响。因此，本文以泾惠渠灌区大田试验为基础，分析了不同灌季条件下土壤入渗模型参数值以及田面综合糙率系数的时间变异程度，并利用WinSRFR软件对其影响下的灌水质量评价指标以及对灌水过程及灌水效果的影响进行了模拟分析，从而为提高农业灌溉灌水质量和灌溉水有效利用程度提供依据，达到节约用水、科学用水的目的。

1 材料与方法

1.1 试验概况

试验在陕西省泾阳县桥底镇泾惠渠灌区进行，该地区土壤类型为塿土，土质为粉砂质黏壤土，试验区面积约2 hm2。作物种植模式为夏玉米-冬小麦轮作(夏玉米种植时间为6月-10月，冬小麦种植时间为10月-6月)冬小麦种植品种为西农979，夏玉米种植品种为武科2号。畦灌试验时间为2012年10月到2015年6月，不同灌水时期按照当地灌水经验进行灌溉。具体试验布设图及指标测定方法见文献[10]及文献[11]。

1.2 WinSRFR软件对灌水质量的评价

WinSRFR模型是美国水保实验室开发的一维地面灌溉模拟模型软件，它集地面灌溉评价、设计和模拟为一体[12]。该软件包含零惯量模型(Zero-Ineria)和运动波模型(Kinematic-wave)。当地面坡度小于0.004时采用零惯量模型(Zero-Ineria)，大于0.004时采用运动波模型[13]。由于泾惠渠灌区畦灌试验地块地面坡度较小，且主要研究尾部闭合条件下的灌水质量，所以本文选用零惯量模型进行模拟分析[11]。

模型的输入参数为：畦长L，畦宽W，畦田坡度i，畦尾开闭的状态；入渗参数K及α，田面糙率系数n；作物需水量M，灌水流量Q，灌水时间t或改水成数等。模型输出结果包括水流推进、消退曲线、灌水效率、储水效率及灌水均匀度等。

1.3 灌水质量评价指标

畦灌灌水质量评价指标通常包括：灌水效率Ea、灌水均匀度Ed及储水效率Es，各灌水质量评价指标表达式如下：

(1)

(3)

式中:Ws为灌后储存于土壤计划湿润层中的水量，mm；Wf为灌入田间的总水量，mm；Zmin为田间入渗水量最少部分田块的平均入渗水深，m；Zav为整个畦(沟)长的平均入渗深度，m；Wn为计划湿润层理论需水量，mm。

2 结果与分析

2.1 土壤入渗模型参数值及田面糙率系数的时间变异性

蔡焕杰等[10]根据试验区实测的水流推进及消退数据资料，采用WinSRFR4.1对泾惠渠灌区考斯加科夫土壤入渗模型两参数值及田面综合糙率系数值进行了模拟优化求解，得出2013-2015年夏玉米-冬小麦轮作体系下不同灌水时期的优化参数值，为了探究夏玉米-冬小麦轮作周期内的变异特征，选取2014-2015年进行分析，如表1所示。

引入变异系数CV评价土壤入渗模型参数值及综合糙率系数的时间变异性。当CV≤0.1时，为弱变异性；0.1

表1 泾惠渠灌区不同灌水时期入渗参数及综合糙率系数优化值Tab.1 Soil infiltration parameters and surface roughness coefficients in different irrigation date in Jinghui Canal irrigation area

2.2 时间变异性因子对灌水质量的影响

为了探究土壤入渗参数值及田面综合糙率系数等单个时间变异性对灌水质量的影响，本文利用WinSRFR4.1软件对其进行模拟研究。模拟畦田长度及宽度取当地较为常见的组合，即120 m、4 m；计划灌水定额取100 mm，改水成数为当地灌水最常用的8成改水法。采用WinSRFR4.1软件模拟在不同时间变异性因子作用下，灌水效率Ea、储水效率Es，灌水均匀度Ed的变化规律。模拟时控制其他灌水技术参数不变，探求单个变异性因子对灌水质量指标的影响，模拟结果如图1所示。

图1 不同时间变异性因子对畦灌灌水质量的影响Fig.1 Effects of different temporal variation factors on border irrigation quality

(1)入渗系数K。由图1(a)可见，灌水效率Ea、灌水均匀度Ed和储水效率Es均随着入渗系数值的增大呈现先增大后减小的趋势。其原因为入渗系数值较小时，土壤入渗速度小，水流推进速度较快，从而导致储存在计划湿润层中的水量远小于计划灌水量，并且在畦尾部形成大量积水，深层渗漏率较大，使得畦尾入渗水量远大于其他部分，故灌水效率Ea、灌水均匀度Ed和储水效率Es均较低；随着入渗系数值的增大，土壤入渗速度增大，储存在计划湿润层中的水量增大，畦尾部积水逐渐减少，田面受水时间较充分且相对均匀，使得灌水效率Ea、储水效率Es及灌水均匀度Ed增大；当入渗系数增大到一定程度时，水流推进速度变慢，使畦田上游段入渗水量过大并导致大量深层渗漏但畦尾部灌水不足，使得灌水效率Ea、灌水均匀度Ed、储水效率Es再次降低。

(2)入渗指数α。由图1(b)可知，灌水效率Ea随着入渗指数的增大总体呈现增大的趋势，灌水均匀度Ed呈现减小的趋势，储水效率Es呈现先不变后减小的趋势。其原因是入渗指数较小时，水流推进慢，再加上畦田受水时间长，土壤入渗量大，使得储存在计划湿润层中的水量超过计划灌水定额，深层渗漏量较大，故储水效率Es达到100%，灌水效率Ea较低；随着入渗指数的增大，水流运动加快，使得深层渗漏量减少，灌水效率Ea增大，储存在计划湿润层中的水分继续减少，使得储水效率Es不断减小；8成改水使畦尾部一直存在积水，当计划湿润层中的水分不断降低时，相应的灌水均匀度Ed也呈现出减小的趋势。

(3)田面糙率系数n。由图1(c)可知，灌水效率Ea随着田面综合糙率系数n的增大呈现减小趋势，而灌水均匀度Ed呈现先增大后减小的趋势，储水效率Es呈现先增大后不变的趋势。田面糙率系数较小时，水流推进阻力小，速度快，无深层渗漏率，故具有较高的灌水效率Ea，随着糙率系数的增大，水流阻力变大，灌水时间增长，深层渗漏率逐渐变大，故灌水效率Ea呈减小趋势；在较小的田面糙率情况下，容易导致畦尾部灌水不足，灌水均匀度Ed较低，当田面糙率较大时，灌水时间增长，容易导致畦尾产生积水，灌水均匀度Ed减小；同样的，田面糙率系数小，灌水时间短，田间灌水不足，储水效率Es低，当田面糙率系数较大时，灌水时间增大，使得储存在计划湿润层中的水量远远大于计划灌水定额，储水效率Es达到100%。

2.3 土壤入渗模型参数值及糙率系数综合时间变异性对畦灌灌水的影响

由上述分析得出，土壤入渗模型参数值及田面糙率系数等单个时间变异性因子对各灌水质量指标具有明显的影响。在生产实践中，土壤入渗模型参数值及田面糙率系数等因子往往是同时变化的，为了研究这种变异性对灌水质量的影响作用，有必要更深入地在入渗参数及田面糙率系数的综合变异作用下，研究其对灌水过程及灌水质量的影响。由于田间实际灌水过程中，灌水流量很难保持一致，因此利用WinSRFR4.1对泾惠渠灌区不同灌水时期田块畦灌过程进行模拟，模拟地块长度为120 m，宽为4 m，地面坡度为0.003，计划灌水定额为100 mm，采用8成改水法。图2为2014-2015年土壤入渗模型参数值及其田面综合糙率系数的时间变异性对畦灌水流推进、水流消退过程及土壤入渗受水时间的影响。

图2 土壤入渗参数及田面糙率系数时间变异性对畦灌过程的影响Fig.2 Effects of Combination temporal variation factors of infiltration parameters and surface roughness coefficient on irrigation process

(1)土壤入渗参数及田面糙率系数时间变异性对畦灌过程的影响。图2(a)～(c)反映了2014-2015年夏玉米-冬小麦轮作周期内，土壤入渗模型参数值及田间糙率系数的综合时间变异性对水流推进时间、水流消退时间及土壤受水时间的影响。受土壤入渗参数及田面糙率系数的综合影响，灌溉水流推进到畦尾部的时间差异较明显，在轮作周期内不同灌水时期的推进时间值在15.6～34.3 min之间变化；水流消退时间变化在前期差异性较小，受畦尾部不同积水程度的影响，灌溉水流消退至100 m之后差异性较明显，直至畦尾部积水消失时消退时间值在9～219.7 min之间剧烈变化；土壤受水时间即灌溉水流消退时间与推进时间的差值，受灌溉水流推进及消退过程的共同作用，轮作周期内的差异较明显。随着土壤入渗系数K值的增加，水流在向畦田下游推进的过程中，入渗速率变大，水流推进速度减慢，土壤受水时间减小，入渗系数K值较小时，入渗速率小，水流推进较快，同时大量灌溉水积累在畦尾，使得水流短时间内难以消退；入渗指数α增大，水流推进时，入渗速率变小，水流推进速度加快，土壤受水时间减少，同时水分入渗量减少，水流消退速度加快；随着田面糙率系数n的增加，田面水流推进过程阻力加大，水流推进速度减慢，土壤受水时间增加，水流消退时间加大。

图2(d)显示了土壤入渗参数及田面糙率系数时间变异性分别对水流推进、消退过程及土壤入渗受水时间沿畦长方向各点的变异系数值的变化规律，由图2(d)可以看出，土壤入渗参数及田面糙率系数的时间变异性对水流推进、消退过程及土壤受水时间影响的变异程度均达到了中等变异水平以上。其中，对水流消退过程及土壤入渗受水时间的变异程度较大且在畦尾部均达到了极高的变异程度。其原因主要是，在相同的单宽流量及改水成数下，不同的入渗参数及田面糙率系数的组合导致不同灌水时期土壤水分入渗不均匀性的加剧，土壤入渗参数大且田面糙率系数较大时，深层渗漏量较大，并且在畦尾部产生较多的积水，土壤入渗参数小且田面糙率系数也较小时，深层渗漏量较少甚至无深层渗漏量，畦尾部产生较少积水，从而使得这种变异程度加剧。

(2)土壤入渗参数及田面糙率系数时间变异性对畦灌质量的影响。土壤入渗参数及田面糙率系数的时间变异性对畦田水流推进、消退及土壤受水时间的影响直接导致土壤入渗水量的分布，从而直接影响到畦灌灌水质量。图3是在相同单宽流量及改水成数下，对夏玉米-冬小麦轮作周期内不同灌水时期模拟的入渗水分在土壤中沿畦长方向的分布图，可以较为直观地显示出灌溉水进入田间后沿畦长方向不同位置的水分分布状况。在设定灌水量为100 mm的条件下，2014年11月3日以及2015年1月14日两次灌水沿畦长方向前半段水分分布明显不足，而在后半段又造成了较严重的深层渗漏；其他3次灌水则在前半段造成了严重的深层渗漏，后半段又明显灌水不足。由于入渗参数值及田面综合糙率系数的时间变异性影响，造成了畦田严重的灌水水量分布不均。

图3 模拟不同灌溉时期土壤入渗水量分布图Fig.3 Simulated distribution of infiltration water in different irrigation date

表2为2014-2015年模拟的不同灌水时期，相同单宽流量及改水成数下灌水质量指标值及统计特征值分布表。由表2可以看出，在其他条件保持一致的条件下，土壤入渗参数及田面综合糙率系数的时间变异性对灌水质量指标值的影响较大，均呈现中等变异程度。在两个轮作周期内，对储水效率的影响程度均最大，极差值及变异系数值分别为46，0.24和51,0.32；对灌水均匀度及灌水效率的影响程度则相对较小，极差值及变异系数值最大分别为37和0.19。

表2 2014-2015年不同灌水时期灌水质量指标值及其统计特征值表Tab.2 Simulated values of water quality indexes and its statistical characteristic values in different irrigation date during 2014-2015

3 结 语

本文基于大田灌水试验数据，分析了不同灌季条件下土壤入渗模型参数值以及田面综合糙率系数的时间变异程度，并利用WinSRFR软件对其影响下的灌水质量评价指标以及对灌水过程及灌水效果的影响进行了模拟分析，主要得到以下结论。

(1)泾惠渠灌区冬小麦-夏玉米轮作下，不同灌水时期土壤水分入渗模型系数K、入渗指数α及田面综合糙率系数值n差异性较为显著，变异系数值分别为0.27,0.18,0.51.均达到了中等变异程度。

(2)通过模拟比较土壤水分入渗参数值及田面糙率系数对灌水质量的影响，分析得出入渗系数、入渗指数、田面综合糙率系数值单个时间变异性因子对灌水效率Ea、灌水均匀度Ed、储水效率Es均有较大的影响。

(3)不同灌水时期，土壤水分入渗参数值及田面糙率系数的综合变异性作用对畦灌水流推进、消退过程及土壤受水时间均达到了显著性的影响。

垂向调控措施的作用区域主要在0～60 cm土层，其中，40～60 cm土层的土壤含水量及根长密度受调控影响最显著。以灌溉水利用效率为衡量指标，来评价各处理节水效果。本研究发现，过大或过小的计划湿润层深度都有可能减小灌溉水利用效率，最优调控方案为：灌水下限为65%田间持水量，苗期计划湿润层深度为40 cm，拔节期计划湿润层深度为50 cm，抽穗期至成熟期的计划湿润层深度为60 cm。

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