辽河口生态经济区彭曼法芦苇灌溉制度设计

冯 硕

(辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110006)

湿地是陆生生态系统和水生生态系统的过渡带，芦苇作为一种多年生湿生植物能为湿地生产、生活提供丰富的物质资源和巨大的生态效益，它和其他植物一样都要适应于本身生长所需的水分、养分和其它生存条件。水是芦苇生长的首要条件，芦苇对水分的需求直接关系到灌溉制度的建立，必须从多方面考虑。国内虽有芦苇灌溉制度方面的研究，但大多是采用芦苇灌溉实验确定不同水分条件下芦苇生育状态[1]，或采用以水面蒸发为参数的需水系数法[2]计算作物需水量，进而计算典型年份的灌溉制度，而没有采用理论研究较为完善的彭曼法长系列逐日制定芦苇灌溉制度。本文参照世界粮农组织(FAO)推荐的彭曼公式计算参照作物需水量，采用作物系数法研究项目区芦苇充分灌溉条件下的作物需水量利用水量平衡原理逐日逐年分析制定芦苇灌溉制度，并选择灌溉设计保证率P=50%的典型年确定芦苇灌溉定额。

1 项目区概况

项目区位于盘锦市辽河口生态经济区，属于北温带季风大陆性气候，多年平均降水量为621.4mm，多年平均蒸发量为1640.7mm，多年平均日照时数2786.6h，最大冻土深度为117cm，最大积雪深度为22cm。项目区内地下水位较高，埋藏深度一般为0.7～1.0m，汛期接近地表。全年无霜期170d，终霜为4月上旬，初霜为10月中旬。

2 芦苇灌溉制度的确定

2.1 生育期划分

根据联合国粮农组织(FAO)建议[3]和项目区气候及土壤条件，结合历年生产实践情况，芦苇各阶段起止时间见表1。

表1 芦苇生育阶段划分表

2.2 作物需水量计算

作物需水量是维持作物正常生长发育的需求，是芦苇用水的主要组成部分，也是确定灌溉定额的基础。由于作物需水量的长期实测较为困难，采用临近灌溉试验站数值估算较当地实际成果相差较大，因此本次利用彭曼公式(1)计算参照作物需水量。作物系数Kc是计算作物需水量的重要参数，它不仅随作物而变化，更主要的是随作物生育阶段而异[4]。作物系数在生育期内随时间的变化具有很好的趋势性[5]。参考FAO推荐的沼泽湿地作物系数和修正公式，对参照作物需水量进行修正得出作物需水量，见公式(1)。根据湿地地理位置，结合附近气象站的气象要素完整性和资料年限长短，采用1956—2011年气象资料计算得出的逐年作物需水量如图1所示。

(1)

式中，P0—标准大气压，P0=1013.25hPa；P—计算地点平均气压,hPa；Δ—平均气温时饱和水汽压随温度的变率，Δ=dea/dt；ea—饱和水气压,hPa；t—平均气温,hPa；γ—温度计常数，γ=0.66hPa/℃；Rn—太阳净辐射，以所能蒸发的水层深度计,mm/d；Ea—干燥力,mm/d。

图1 逐年作物需水量过程图

由图1可以看出，项目区芦苇作物需水量最小值在2010年，不足650mm，峰值出现在1965年及2000年，均为850mm左右，其余年份作物需水量基本在750～850mm之间，且近年来作物需水量基本呈现下降趋势。芦苇各生育时期叶面蒸腾量与气温及相对湿度有一定的相关性，随芦苇幼苗增大及功能叶片增多，叶面积增大，蒸腾耗水增加[6]，随着芦苇成熟，功能叶片减少，叶面积减少，耗水量逐渐下降。选取典型年1971年芦苇不同生育阶段作物需水量见表2。

2.3 芦苇灌溉定额的确定

芦苇灌溉定额包括芽前期和生育期两部分。

芽前期灌水量包括化冻饱和土壤补水量、建立水层水量及芽前蒸发渗漏补水量，通过公式(2)～(4)计算典型年芽前期灌溉定额为78m3/亩。

m=m1+m2+m3

(2)

式中，m—芽前期灌溉定额，m3/亩；m1—饱和土壤补水量，m3/亩；m2—建立水层水量，m3/亩；m3—芽前蒸发渗漏补水量，m3/亩。

饱和土壤水量：

表2 芦苇各生育阶段作物需水量表

m1=667HA(1-β)

(3)

式中，H—饱和土壤深度，即三月下旬解冻深度，m；A—土壤孔隙率，%；β—土壤自然含水量，%。

建立水层水量：

m2=667h

(4)

式中，h—芽前期建立水层深度，m。

芽前蒸发渗漏补水量：

(5)

式中，e—芽前灌水期平均日蒸发量，mm/d；P0—芽前灌水期平均日降水量，mm/d；T—芽前灌水期天数，d。

芦苇是一种多年生湿生植物，在水源充足的条件下，应力争多灌多排，促进芦苇根系生长和呼吸作用，为芦苇生长发育创造干湿交替的环境条件，以创造高产[7]。生育期内灌水次数、灌水时间和灌水定额，应根据苇田生育期内水分变化及该时段的来水量通过逐时段水量平衡演算拟定，见公式(6)。

h2=h1+P-ET-F-C

(6)

式中，h2—时段末田面水层深度，mm，不小于允许水深下限；h1—时段初田面水层深度，mm，不大于允许水深上限；P—时段内降水量，mm；F—时段内芦苇适宜渗漏量，mm；C—时段内芦苇排水量，mm。

生育期灌溉定额应结合项目区的水源条件、地势和土壤盐分，在参考以往灌溉制度分析成果的基础上，依据不同时期芦苇对水分的需求确定各阶段控制水层深度[8]、晒田次数及田间渗漏量，确定典型年生育期灌溉制度，芦苇生育期灌水控制水层深度见表3。经计算，芦苇生育期净灌溉定额为414m3/亩，生育期灌溉制度计算结果见表4。

从表3—4可以看出，芦苇灌溉定额随芦苇生长到成熟基本呈现从小到大再减小的趋势，这与生育阶段所需水分变化趋势基本吻合。同时，由于5—6月为非汛期，7月上旬—9月上旬处于汛期，因此生长期前期和中期灌溉定额较大，生长期后期、孕穗期及抽穗期定额均较小。

综上所述，芦苇芽前期净灌溉定额为78m3/亩，生育期净灌溉定额为414m3/亩，芦苇净灌溉定额为492m3/亩。

3 灌水率

根据计算得到的典型年的灌溉制度，不考虑输水配水和田间的各项损失，只考虑灌入田间有效水量[9]，计算全生育期的作物灌水率，见公式(6)。

(7)

式中，q净—各次灌水要求的净灌水率，m3/(s·万亩)；m—各次灌水定额，m3/万亩；T—各次灌水延续天数，d。

表3 芦苇生育期灌水控制水层深度表 单位：mm

表4 芦苇生育期灌溉制度计算表

由于各时期的灌水率大小相差悬殊，渠道输水变化较大，不利于管理和工程的稳定运行，因此，必须对初步算得的灌水率图进行必要的修正，尽可能使全生育期内各次灌水率大小比较均匀，经修正后的灌水率图见图2，设计灌水率为0.80m3/(s·万亩)，最小灌水率为0.39m3/(s·万亩)。

图2 芦苇芽前期及生育期灌水率图

4 结语

本文在研究充分灌溉条件下芦苇作物需水量、作物系数的基础上，结合项目区气象、水文、土壤等条件，确立了采用彭曼法计算的芦苇灌溉制度，主要结论如下。

(1)利用项目区1956—2011的长系列日气象资料，用Penman-Monteith公式计算参照作物需水量，得到项目区长系列芦苇生育期参照作物需水量。

(2)采用作物系数法，参考FAO推荐的沼泽湿地作物系数和修正公式，确定芦苇不同生育阶段作物需水量，确定典型年芦苇生长不同时期对水分的需求变化。

(3)通过对芦苇芽前期及生育期各阶段的灌水定额分析，利用水量平衡法确定芦苇灌溉制度，选择灌溉设计保证率P=50%的典型年1971年，分析各阶段灌水定额与需水变化、降雨量相关性，确定芦苇净灌溉定额为492m3/亩。

(4)依据典型年份的灌溉次数、灌水时间、灌水定额制定灌水率图并修正，得到项目区设计灌水率为0.80m3/(s·万亩)。

通过采用彭曼法计算出的作物需水量，能较准确地确定芦苇不同生育阶段的作物需水量，进而使芦苇的需水和灌水得到更合理的调整和平衡，达到省水低耗、高产稳产技术目标，对辽宁省芦苇栽培灌溉及提高产量具有一定的借鉴和指导意义。