入沟流量对灌水质量和水流特性的研究

胡 昊，李欢欢，汪顺生，王 兴，史 尚

(1.华北水利水电大学，郑州 450045；2.江西省灌溉排水发展中心，南昌 330013)

数年来，有关地面灌溉技术取了很大的发展，特别是一体化垄作沟灌技术取得了较多的成果[1]。农业多年平均用水量约占全国总用水量的70%[2]，农田灌溉用水量占整个农业用水的91.36%，采取合理的灌溉技术措施已迫在眉睫[3]。而灌水质量可直接反映了灌溉水的利用效率，Blair[4]等对灌水质量综合评价体系进行了定义，而林性粹[5,6]等对Blair定义的灌水质量评价体系进行了修正。Lewis 和Levien[7,8]分别应用水量平衡模型研究了畦灌和沟灌的地表水流推进过程，但该模型一般用于研究精度要求较低的地面灌溉问题。聂卫波(2010年)[9]建立基于水量平衡原理的沟灌水流推进解析模型，分析了地表储水形状系数不同取值对模型计算精度的影响。以上多是在模型的基础上研究的，而且关于入沟流量对灌水质量和灌溉水流运动的研究在国内外少有报道。本文选取不同的入沟流量、沟宽、沟深、沟宽以及田面坡降来研究其对灌水质量和灌溉水流特性的影响，研究结果可为选择合适的灌水技术参数和入沟流量从而达到节水增产的研究奠定基础。

1 试验与方法

1.1 试验区概况

试验于2012年10月-2013年6月在华北水利水电大学河南省节水农业重点实验室农水试验场进行。地理位置为北纬34°47′，东经113°46′，海拔110.4 m。采用沉降法分析试验区土壤颗粒，级配组成见表1。按照国际制分类标准，供试土壤质地为粉沙壤土。同时通过室内理化分析，测定土壤平均干密度为1.35 g/cm3，田间持水量为24%，试验地块长度为60 m，面积大约3 600 m2，田块地势平坦，灌排方便。试验场内设有自动气象站，自动检测太阳辐射强度、空气温度与湿度、风速等相关气象资料。

表1 供试土壤颗粒级配组成Tab.1 Grain size distribution of the tested soil

1.2 田间实验设计

试验选取垄宽110 cm，设置40、50和60 cm共3种不同沟宽，15、20和25 cm共3种不同沟深，0.000 1%、0.000 2%和0.000 3%共3种不同沟底纵坡，为了研究不同入沟流量对灌水质量的影响选取2.25、2.40和2.55 L/s 3种入沟流量，试验4因素3水平正交表设计试验方案，结合农田的灌溉经验，灌水定额选450 m3/hm2。

1.3 试验测定指标

(1)土壤含水率的测定：灌水结束12和24 h，采用土钻取土、烘箱烘干的方法，分别测定沿灌水沟方向距离沟首10、30和50 m处测定沟、坡、垄不同层深(测深间隔20 cm)内的土壤含水率，测深为1 m，周年连作沟灌分别选取沟、坡、垄作为观测点，土壤含水率取三者平均值。

(2)水流推进和消退的测定： 灌溉试验开始前，沿灌水沟中线位置处，每隔10 m插入一根毫米刻度的塑料直尺，保持竖直，秒表归零。灌溉水进入沟首的时开始计时，当水流推进前锋锋面的2/3水面宽度到达竖尺横断面时，作为水流推进到该观测点处的推进时间，并读取水流前锋之前经过的观测点的即时水深。在灌水结束，立刻读取每隔观测点的水深，之后每隔15 min进行一次水流消退水深的观测，直至消退过程完全结束。

2 结果与分析

2.1 灌水质量评价指标研究

地面灌溉条件下，田间灌水质量是评价灌水技术参数是否合理的关键参数，通常情况下，灌水质量评价指标包括灌溉水有效利用效率Ea、灌水储存率Es和灌水均匀度Ed3项内容。

灌水质量评价指标灌溉水有效利用效率Ea、储水效率Es、灌水均匀度Ed的计算公式如下：

(3)

其中，W1的计算公式为：

(4)

式中：γ为土壤干密度，g/cm3；i为土壤分层号数，无量纲；n为土壤分层总数，无量纲；Hi为第i层土壤厚度，cm；θi1、θi2分别为第i层土壤灌水前、后的土壤含水率，%。

2.2 入沟流量对灌水质量的影响

2.2.1入沟流量对灌水质量影响的试验方案

入沟流量对灌水质量的影响采用4因素3水平的正交试验，其试验方案如表2所示。

表2 灌溉技术参数试验方案设计正交表Tab.2 The design orthogonal table of irrigation technical parameters testing scheme

注：A1代表入沟流量为2.25 L/s，A2代表入沟流量为2.4 L/s ，A3代表入沟流量为2.55 L/s；B1代表沟深15 cm，B2代表沟深20 cm，B3代表沟深25 cm；C1代表沟底纵坡0.000 1%，C2代表沟底纵坡0.000 2%，C3代表沟底纵坡0.000 3%;D1代表沟宽40 cm，D2代表沟宽50 cm，D3代表沟宽60 cm。

2.2.2入沟流量对灌水质量影响的极差分析

极差分析[10]是在正交试验结果的基础上进行的，分析各因素与试验指标之间的关系，判断各个因素对试验指标影响的显著程度，并可判断出各个影响因素的主次顺序，其中ki为各因素在第i水平下所对应试验指标的平均值，本试验指标有灌水均匀度Ed、灌水效率Ea、储水效率Es，各因素有3个水平，由ki值的大小可以判断该因素的优水平和各因素的优水平组合，即最优组合[1]。R为各因素的极差值，R为各因素在各水平下的试验指标的最大值与最小值之差，R的大小反映各因素的水平波动，以及相应试验指标的变化幅度，R值越大说明该因素对相应试验指标的影响越大，通过R值的大小可以判断各因素的主次关系。

灌水质量评价指标灌水均匀度Ed、灌水效率Ea、储水效率Es，沟灌各处理的灌水均匀度Ed、灌水效率Ea、储水效率Es、的计算公式分别为公式(1)～(3)。正交试验结果及极差分析结果如表3所示。

表3 灌水质量正交试验评价指标结果Tab.3 The calculation result of water quality of the orthogonal experiment evaluation index

表4～表6是根据表3经过极差分析得出的各因素在相应水平ki条件下的指标值和R值，由表4～表6知，入沟流量和沟宽对灌水均匀度Ed的影响较小，沟底纵坡对灌水均匀度Ed的影响最大，其次是沟深；入沟流量对灌水效率Ea的影响最大，其次是沟底纵坡，沟宽和沟深对其影响最小；入沟流量对储水效率影响最大，其次依次为：沟底纵坡、沟深和沟宽。

表4 灌水均匀度Ed在各因素相应水平下通过极差分析的值 %

表5 灌水效率Ea在各因素相应水平下通过极差分析的值 %

表6 储水效率Es在各因素相应水平下通过极差分析的值 %

综上可知：入沟流量对灌水效率和储水效率的影响最大，而对灌水均匀度的影响最小；沟底纵坡对灌水均匀度的影响最大，对灌水效率和储水效率的影响次之。由表4～表6知，灌水均匀度、灌水效率和储水效率都随着沟底纵坡的增大而减小，随沟宽的增大呈先增大后减小的趋势，故沟底纵坡应选择0.000 1%，沟宽应选择50 cm；而灌水效率和储水效率随入沟流量的增大呈先增大后减小的趋势，灌水均匀度则随入沟流量的增大而呈减小的趋势，过大或过小的入沟流量都达不到高效节水的目的，因此应选择的入沟流量为2.4 L/s。综合考虑灌水质量最优的组合为入沟流量为2.4 L/s、沟底纵坡0.000 1%、沟宽50 cm、沟深20 cm，且此组合的灌水质量3项评价指标之和最大。

2.3 入沟流量对水流特性的影响

2.3.1入沟流量对水流推进过程的影响

本试验对不同入沟流量的水流推进数据进行测定分析，观察表7可知，5种入沟流量的水流推进过程均符合幂函数[9]t=axb分布，其中t为推进时间(s)，x为推进距离(m)，a，b均为拟合指数，拟合相关度全部在0.99以上，其中推进指数b值范围为1.062 8～1.255 4，a值范围3.810 9～5.782 3，并存在较高的相关性，不同入沟流量的水流推进过程如图1所示。

表7 水流推进距离与水流推进时间的函数关系Tab.7 The function relation between water flow advance distance and time

从图1可看出，各流量处理下的水流耗时差别很大，且水流推进时间随着入沟流量的增大逐渐减少，推进速度逐渐加快，流量为1.65 L/s的水流推进耗时在推进到距沟首60 m出分别较1.80、2.00、2.20、2.40 L/s增加了12.76%、23.02%、37.35%、43.10%。相同流量下的水流推进速度均在水流推进前期较快，但随着水流前锋推进距离的增大，地面水流推进的速度减小。以2.00 L/s的入沟流量为例，水流推进至距沟首20 m时，水流推进速度为0.138 9 m/s，水流推进至40 m时，推进速度为0.123 5 m/s，水流推进至沟尾时，推进速度为0.107 9 m/s。

图1 不同入沟流量下水流推进距离与时间的关系Fig.1 The relationship between water advance distance and time under the condition of different flows

2.3.2入沟流量对水流消退过程的影响

本试验对不同入沟流量的水流消退数据进行测定分析，不同入沟流量的水流消退进程如图2所示。

由图2可知，水流消退耗时受入沟流量的影响较大，各处理的水流消退耗时差异较显著，消退耗时随入沟流量的增大而逐渐增大，消退速度随入沟流量的增大而逐渐减小，流量为2.40 L/s的消退耗时分别较1.65、1.80、2.00、2.25 L/s增加38、29、19和10 min，尽管入沟流量的增大会导致瞬间的水深加深，此会使沟中水流的重力势增大，有利于垂直入渗，但灌水历时也大大减小，这严重削弱了灌溉过程中的水平和垂直入渗，致使入沟流量大的处理消退历时变大。

图2 不同入沟流量下水流消退时间与距离的关系Fig.2 The relationship between water flow recession time and the distance under the condition of different flows

分析图3中的数据可知，沟灌不同入沟流量的地面面水流消退时间与距沟首距离呈幂函数关系，其关系为：

t=axb

(5)

式中：t为水流消退时间，min；x为观测入渗点距沟首的距离，m；a、b为拟合参数，通过实测资料确定。

图3是不同入沟流量条件下的水流消退时间与距沟首距离的拟合回归分析结果，其拟合相关系数全部大于0.98，其中推进指数b值范围为0.291 0～0.327 4，水流消退时间与距沟首距离的相关性较好。

图3 不同入沟流量条件下的水流消退时间与距离的函数关系Fig.3 The function relation between water flow recession time and the distance on the condition of different flows

3 结 语

本试验是在一体化垄作沟灌的条件下通过控制灌水技术参数来进行的，通过试验和分析可得出以下结论。

(1)通过极差分析知，入沟流量对灌水效率和储水效率的影响最大，而对灌水均匀度的影响最小；沟底纵坡对灌水均匀度的影响最大，对灌水效率和储水效率的影响次之。

(2)以灌水质量的综合评价为指标，并通过极差分析可知， 110 cm垄宽的灌水技术参数的最优组合为入沟流量2.4 L/s，沟底纵坡为0.000 1%，沟宽为50 cm、沟深为25 cm。且此组合条件下的灌水均匀度为88.48%、灌水效率为93.87%、储水效率为80.56%。

(3)入沟流量与水流推进时间呈幂函数关系，二者相关性甚好，相关程度均大于0.99， 水流推进时间随着入沟流量的增大逐渐减少，推进速度逐渐加快，同流量下的水流推进速度均在水流推进前期较快，但随着水流前锋推进距离的增大，地面水流推进的速度逐渐减小。

(4)入沟流量与水流推进时间呈幂函数关系，二者相关性较好，相关程度均大于0.98，消退耗时随入沟流量的增大而逐渐增大，消退速度随入沟流量的增大而逐渐减小。

(5)虽然本次试验研究的时间有限，但研究成果可为一体化垄作沟灌的入沟流量以及水流特性的研究提供一定的理论基础。当应用于不同地区时，应根据当地的具体情况而运用，进而达到节水增产的目的。

[1] 汪顺生.一体化垄作沟灌沟垄田规格参数与作物需水特性研究[D].西安：西安理工大学,2013.

[2] 朱 伟，刘春成，冯宝清，等. “十一五”期间我国灌溉水利用率变化分析[J].灌溉排水学报，2013,32(2)：26-29.

[3] 许 迪，康绍忠.现代节水农业技术研究进展与发展趋势[J].高科技通讯，2002,(12)：103-108.

[4] Blair A W，Smerdon E T. Unimodal surface irrigation efficiency[J].Journal of Irrigation and Drainage Engineering ASCE，1988，114(1)：156-168.

[5] 林性粹，王 智，孟 文，等．农田灌水方法及灌水技术的质量评估[J]．西北农业大学学报，1995，23(5)：17-22.

[6] Zhi Wang, Dawit Zerhun, Jan Feyen. General irrigation efficiency for field water management[J].Agricultural Water Managerment，1996，30(2)：123-132.

[7] Lewis M R，Milne W E. Analysis of border irrigation [J]. Agric. Eng.，1938,19:267-272.

[8] Levien S L A， Souza F. Algebraic computation of flow in furrow irrigation [J]. Journal of Irrigation and Drainage Engineering ASCE， 1987,113(3):367-377．

[9] 李久生,饶敏杰.地面灌溉水流特性及水分利用率的田间试验研究[J].农业工程学报,2003,19(3):54-58.

[10] 杨艳丽.薄膜催化臭氧化去除消毒副产物前体物研究[D].兰州：兰州大学，2007.