河套灌区畦灌畦田规格对灌水效果影响的模拟分析

徐红梅 郑和祥

Simulation of Impact Border Sizes to Irrigation Quality in Hetao Irrigation Area

摘要： 适宜的畦田长度和畦田宽度是减小深层渗漏量、改善灌水效果、提高灌溉水利用效率的重要保证，通过激光平地和一般机械平地条件下畦灌灌水技术参数组合，对不同畦田规格与灌水效果进行对比试验分析，主要结果为：得出了不同平地技术条件畦灌灌水技术参数组合对灌水均匀度和灌水效率的影响规律，确定了河套灌区不同平地技术条件下的灌水技术参数组合和适宜畦田规格；推荐的畦田长度为45～60m，畦田宽度不大于10m；由于灌区畦田入口流量较小，建议灌溉时应采用较大的单宽流量；在畦田长度、畦田宽度、灌水定额和单宽流量等参数相同的条件下，激光平地比一般机械平地对应的适宜畦田坡度降低显著，降低幅度在25.0%左右，对应的灌水效率和灌水均匀度增长3.0～6.0%。

Abstract： Suitable border length and width are to improve irrigation uniformity， reduce deep percolation of irrigation water， and are important guarantee for improving the irrigation utilization， study of technical parameters combinations of different specifications of irrigation and water-saving effect comparison test by border irrigation under different conditions. The main results are： draw a border irrigation technology parameters in different conditions the influence of a combination of irrigation efficiency， irrigation uniformity and irrigation efficiency， determine reasonable border specifications and features a combination of irrigation technology under different conditions Hetao irrigation area； its recommend the suitable border sizes is that border length control from forty-five to sixty meters， border width less than ten meters； border irrigation should try using a larger single-wide traffic in smaller irrigation furrow flow； the best slope of laser-controlled land grading procedures is laser significantly lower than conventional machine， and reduce the rate of about twenty-five percent， and irrigation uniformity is improve about three to six percent in the same parameters as irrigation quantity， single-wide， border length and width.

关键词： 畦田灌溉；畦田规格；灌水质量；灌水效率

Key words： border irrigation；border sizes；irrigation quality；irrigation efficiency

中图分类号：S275.3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）15-0011-04

0 引言

目前畦灌仍是中国最常用的灌水技术，其灌水质量不高是大中型灌区普遍存在的问题[1-3]。灌水质量评价是灌区灌溉管理水平的重要依据，而畦田规格是影响灌水质量的一个重要因子。畦田规格是指畦田长度与宽度[4]。畦田宽度应考虑当地耕作现状和作物类型，以及畦田的入口流量等；畦田宽度过大，入口流量一定时会造成单宽流量较小，水流推进速度较慢，畦首受水时间长，入渗量大，深层渗漏量大，造成水的浪费，降低灌溉水的利用率；畦田宽度過小，一方面会增加畦埂的数量，增大工作量，另一方面不利于农机具的耕作[5-7]。畦田长度与畦田坡度、灌水定额、入口流量和土壤透水性有关，畦田长度过大，水流平均推进速度相对较慢，畦首受水时间长，畦尾受水时间短，深层渗漏量大，灌水效率和灌水均匀度均较低；畦田长度过小，不利于耕作且增大了工作量[8-9]。

河套灌区是中国最大的自流灌区，传统的畦灌仍是其最主要的灌水方式，目前畦田田块的大小多以责任田块为单位，田块规格不统一，面积多在1334～2001m2，乱串灌现象严重，灌水质量不高[10]。为提高灌区灌溉水利用效率，保证节水改造的顺利进行，须对现有田块进行改造。本文主要针对不同畦田规格与节水效果对比进行试验研究。

1 试验材料和方法

1.1 试验区概况

内蒙古河套灌区是国家重要的商品粮油基地，其南临黄河，北靠阴山，西至乌兰布和沙漠，东至包头市，总面积105.3万ha；灌区土壤肥沃，以盐渍化浅色草甸土和盐土为主。河套灌区属于典型的温带大陆性干旱气候，热量充足，降水稀少，年平均降水量仅130～250mm；而年平均蒸发量达2000～2400mm；全年日照充足，达3100～3200h，大于10℃积温2700～3200℃；无霜期120～150d。灌区灌溉农业发展历史悠久，作物种类较多，主要有玉米、小麦、葵花、甜菜、胡麻、瓜果、蔬菜等。灌区地形平坦，西南高，东北低，海拔1007～1050m，坡度很小，多在0.125～0.2‰。灌区渠系系统较为完善，设七级渠道， 即总干、 干、 分干、 支、 斗、 农、 毛等七级渠系。现共有干渠13条，分干渠40条，支渠222条，斗渠1056条、 农、毛渠19375条，各级渠道总长度16800km。

试验区选定在内蒙古河套灌区代表性地区，位于临河区永刚分干渠；试验在小麦田中进行，灌溉方式为畦灌。试验区渠道坡度小，流速低，多数畦田的入口流量在0.0150 m3/s～0.0300m3/s。

1.2 试验品种

田间试验作物采用目前内蒙古河套灌区使用的常规品种小麦永良4号，该小麦品种产量高，品质好，在河套灌区代表性较好，生育期115天左右。

1.3 试验设计

根据河套灌区临河区的生产实际以及畦田参数对灌水质量影响的研究成果，对不同畦田长度和畦田宽度进行不同组合灌溉模拟，以找出适合的畦田规格。根据当地机耕、播种机和收割机等主要农机具的规格，畦田宽度应设置为2.5m的整数倍，模拟灌溉组合设计见表1。

模拟时采用的具体参数根据河套灌区代表性畦田得出的各最优参数选定。模拟时田面平整精度选用一般机械平地的一般效果时的平整精度5.0cm；灌水量取灌溉需水量60mm；田面糙率取中值0.15，入渗系数和入渗指数选用河套灌区代表性畦块的实测数据，各田面参数见表2。若采用激光平地其平整精度采用1.50cm；灌溉需水量取60mm；田面糙率取中值0.12，入渗系数和入渗指数选用灌区代表性畦田的实测数据，各选定田面参数见表2。

该地区最大入口流量一般不超过0.0300m3/s，设计畦田宽度为5.0m时模拟的单宽流量分别取2.0、4.0和6.0 L·s-1·m-1；设计畦田宽度为7.5m时的模拟的单宽流量分别取2.0、3.0和4.0L·s-1·m-1；随着畦田宽度的增大，根据生产实际测定，当畦田宽度为10.0和12.5m的畦田，应采用较大的入口流量，因此在试验模拟时，根据最大入口流量和畦田宽度协同确定畦田宽度为10.0m时的单宽流量取3.0L·s-1·m-1；畦田宽度为12.5m时的单宽流量取2.4 L·s-1·m-1；通过反复模拟得到对应单宽流量时的适宜畦田坡度。

1.4 试验方法

采用SIRMOD模型模拟和实测数据对比验证的方法进行分析，该模型原理为水动力守恒，灌溉水运移区域包括3部分：小麦根层区、未渗到根层区和深层渗漏区[5-6]。未渗到根层区是检验田尾灌水是否满足计划湿润层要求，当未渗到根层区趋近于零，同时深层渗漏区较小时，认为是最优的灌水方案，借助SIRMOD模型对应得出适宜的灌水参数。

畦田长度按式（1）确定：

式中m为灌水定额（mm）；L为畦田长度（m）；q为入口流量（L·s-1·m-1）；t为灌水时间（s）。

2 结果与分析

根据已有畦田灌溉研究成果，不同的畦田规格对应于不同的适宜畦田坡度，模拟中在其它畦田参数不变的情况下，依据畦田规格不同的设计方案反复调整畦田坡度，分别开展灌溉模拟，激光平地和一般机械平地模拟结果分别见表3和表4，表中位不同畦田规格适宜畦田坡度时的灌水均匀度和灌水效率。

根据生产实际畦田灌溉为封闭状态，无畦尾排水，当实际灌水定额恰好为理论灌溉需水量时，灌水效率和储水效率达到一致，本研究中不同参数组合对储水效率的影响规律与对灌水效率影响具有类似的结果。

2.1 一般机械平地模拟结果分析

通过一般机械平地模拟结果研究得出：

①在畦田长度、畦田宽度和灌水定额等相同的条件下，随着畦田灌溉单宽流量的增大，适宜畦田坡度逐渐减小，对应适宜畦田坡度时的灌水均匀度和灌水效率逐渐提高。以畦田长度为30m、畦田宽度为5.0m的畦田为例分析，当单宽流量由2.0L·s-1·m-1增加到4.0L·s-1·m-1，再增加到6.0L·s-1·m-1时，适宜畦田坡度则由2.15‰分别降低至1.60‰和1.20‰，相应的灌水均匀度由92.49%分别增大至93.33%和94.36%，灌水效率由93.13%分别增大至95.28%和96.05%。因此，河套灌区畦田灌溉时建议采用较大的单宽流量，其一方面可以提高灌水效果，另一方面可以减小畦田坡度，有效降低土地平整工程量。

②在畦田宽度、灌水量和单宽流量等相同的情况下，随着畦田长度的增大，适宜畦田坡度也逐渐增大，对应适宜畦田坡度时的灌水均匀度和灌水效率逐渐减小。以单宽流量为2.0L·s-1·m-1、畦田宽度为5.0m、畦田长度分别为30m、45m、60m和75m为例分析，随着畦田长度的增大，适宜畦田坡度由2.15‰分别提高至2.30‰、2.45‰和2.60‰，相应的灌水均匀度由92.49%分别减小至91.60%、89.39%和85.47%，灌水效率由93.13%分别减小至92.42%、90.22%和86.27%。分析得出若畦田长度过大，不但降低了灌水效果，而且增大了畦田坡度。根據灌溉模拟结果，另一方面当畦田长度过小时不利于农田耕作，由此建议该区域的畦田长度控制在45～60m，该结果与目前灌区现状基本一致。

③在畦田长度、单宽流量和灌水定额等相同的条件下，随着畦田宽度的增大，适宜畦田坡度基本相同，而对应适宜畦田坡度时的灌水均匀度和灌水效率均逐渐减小。以畦田长度为30m、单宽流量为4.0L·s-1·m-1的畦田为例研究得出：当畦田宽度由5.0m提高到7.5m时，适宜畦田坡度均为1.60‰，但灌水均匀度由93.33%减小至92.41%，灌水效率由95.28%减小至94.29%；以畦田长度为75m、畦田宽度为5.0m、单宽流量为3.0L·s-1·m-1的畦田为例研究得出：当畦田宽度由7.5m提高至10.0m时，适宜畦田坡度均为2.20‰，而灌水均匀度由85.82%减小至84.11%，灌水效率由86.91%减小至85.79%。由此分析得出畦田宽度对灌水效果的影响较大，建议畦田长度为45～60m的条件下，畦田宽度应不大于10m。

2.2 激光平地模拟结果分析

根据模拟分析结果得出：激光平地的畦田长度、畦田宽度对灌水效果的影响与一般机械平地的影响规律基本一致，差异主要是采用激光平地在单宽流量、畦田长度、畦田宽度和灌水定额等参数相同的情况下，相应的适宜畦田坡度显著降低，对应的灌水均匀度和灌水效率明显提高。以畦田长度为45m、畦田宽度为5.0m、单宽流量为4.0L·s-1·m-1的畦田为例分析采用激光平地和一般机械平地的差异，前者的适宜畦田坡度比前者减小了23.53%，而对应的灌水均匀度和灌水效率分别由94.13%、92.48%提高到96.85%、96.81%。

尤其是当单宽流量较小时，适宜畦田坡度降低最显著，灌水效果提高最明显。通过不同畦田长度和畦田宽度组合的模拟结果，若采用激光平地，畦田长度在45～60m，畦田宽度不大于10m时，可获得良好的灌水效果。

综上所述：适宜的单宽流量、畦田长度和畦田宽度是提高灌水质量，减小深层渗漏量，提高灌溉水利用效率的重要保证。由此得出，畦灌采用适宜的单宽流量、畦田长度和畦田宽度对提高灌水质量具有重要作用。畦灌适宜的灌水技术参数组合是长期以来研究的难点问题，本文通过不同条件下畦灌灌水技术参数组合，对其灌水效果的影响规律进行了模拟分析，得出不同条件畦灌灌水技术参数组合对灌水均匀度和灌水效率的影响规律，确定了河套灌区不同平地技术条件下适宜的畦田规格和灌水技术参数组合。

3 结论

①通过分别对激光平地和一般机械平地不断调整畦田坡度进行灌溉模拟，分析给出了不同参数时各畦田规格的适宜畦田坡度；并根据模拟结果得出适宜的畦田长度为45～60m，畦田宽度不大于10m。②内蒙古河套灌区畦田灌溉入口流量普遍较小，建议灌溉时应采用较大的单宽流量，一方面可以提高灌水效果，另一方面可以减小畦田坡度，降低土地平整工程量。③激光平地与一般机械平地在畦田长度、畦田宽度对灌水质量的影响规律基本相同，但采用激光平地效果更为显著时，在畦田长度、畦田宽度、灌水定额和单宽流量等相同的条件下，对应的适宜畦田坡度降低显著，降低幅度在25.0%左右，对应的灌水效率和灌水均匀度增长3.0～6.0%。

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