聶衛(wèi)波,費良軍,馬孝義,馬鮮花

(1.西安理工大學(xué)水資源研究所,陜西西安710048;2.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室,陜西楊凌712100;3.武功縣氣象局,陜西武功712200)

合理的地面灌水技術(shù)要素組合是人們長期探討的問題,國內(nèi)外學(xué)者對其進行了大量的研究[1-7],但目前的研究大多集中在田間尺度上,對于區(qū)域尺度內(nèi)的地面灌水技術(shù)指標研究較少,由于大范圍內(nèi)的土壤空間變異性較大且管理模式的不同,也難以給出系統(tǒng)性的規(guī)律和適合區(qū)域特征的灌水技術(shù)指標。對于區(qū)域尺度上合理灌水技術(shù)要素組合的研究,若通過田間試驗比較不同灌水方案的灌水質(zhì)量進行選擇,其不但費時費力,且可能遺漏最優(yōu)組合,這就有必要采用理論分析方法,應(yīng)用數(shù)學(xué)模型模擬不同灌水技術(shù)要素組合的灌水質(zhì)量,便于多種灌水方案的分析比較,以求得最優(yōu)的灌水方案。

影響地面灌溉灌水質(zhì)量的因素很多,主要因素大致可分為兩類:第一類屬于自然性能因素,包括土壤質(zhì)地、入滲性能、田面糙率、灌前土壤含水率、作物種類和種植方式等;第二類屬于灌水技術(shù)要素,包括田塊長度、寬度、灌水流量、改口成數(shù)、田面坡降和平整程度等。自然性能因素是不易人為控制的,而灌水技術(shù)要素是可改變的。故本文以楊凌示范區(qū)砂壤土和黏壤土進行的畦灌和溝灌大田灌水試驗為基礎(chǔ),然后采用SRFR軟件對其灌水質(zhì)量進行模擬,將實測結(jié)果與模擬結(jié)果進行對比,以保證其軟件模擬灌水質(zhì)量的可靠性;以SRFR軟件模擬為基礎(chǔ),通過改變不同灌水技術(shù)要素組合,找出不同因素對畦灌和溝灌灌水效率和灌水均勻度的影響規(guī)律,以期得到研究區(qū)域內(nèi)不同條件下畦灌和溝灌灌水技術(shù)要素的優(yōu)化組合。

1 田間灌溉試驗灌水質(zhì)量評價

1.1 田間試驗簡介

大田灌水試驗于2005年春、冬季,2007年冬季分別在楊凌的1級階地和3級階地上進行。2種不同土壤質(zhì)地的田塊種植的主要作物為小麥和果樹,灌溉形式為畦灌和溝灌,其中溝灌采用梯形斷面,溝底寬20 cm、溝深15 cm、邊坡1∶1。灌水前測定土壤容重和初始含水率(層深15—25 cm,測深1 m),以及進行土壤入滲試驗,其中畦灌田塊采用雙環(huán)入滲試驗,溝灌田塊采用溝段積水測滲法[8],采用Kostiakov入滲公式,各田塊入滲參數(shù)取多點測定均值;灌水時,沿田塊長度方向,每5或10 m打一木樁作為測點,觀測水流推進和消退到各點的時間,用三角堰板計量進入田塊流量,對其實施動態(tài)監(jiān)測;灌水后1 d,沿田塊長度方向選取4～5個斷面,分層(層深15—25 cm)測量土壤灌后含水率,測量深度1 m。其各田塊的基本參數(shù)見表1。

表1 各田塊基本參數(shù)

1.2 灌水質(zhì)量評價指標

式中:Ws——灌后儲存于土壤計劃濕潤層中的水量(mm);Wf——灌入田間的總水量(mm);ZLq——沿田塊長度方向土壤受水最少的l/4段內(nèi)平均入滲水深(mm);Zav——田塊上的平均入滲水深(mm)。用式(1)和式(2)對表1中各田塊的灌水質(zhì)量進行計算,具體結(jié)果見表2。

1.3 SRFR軟件對灌水質(zhì)量的模擬

大量研究表明影響灌水質(zhì)量的因素很多[10-13],灌水質(zhì)量隨著各種灌水技術(shù)要素的變化有著較大的起伏,若通過大田灌水試驗尋找灌水技術(shù)要素的最優(yōu)組合,其需要大量的試驗樣本,而大田灌水試驗費時費力,且田間試驗不易控制,易產(chǎn)生誤差并可能漏選最優(yōu)結(jié)果,使得通過大田試驗尋找灌水技術(shù)要素優(yōu)化組合的方法具有很大的局限性。SRFR軟件是由美國農(nóng)業(yè)部灌溉研究中心開發(fā)的地面灌溉模擬模型,其輸入的數(shù)據(jù)分為3類:(1)幾何參數(shù),包括田塊長度、寬度和田面地形條件等;(2)土壤參數(shù),包括入滲參數(shù)和田面糙率等;(3)管理參數(shù),包括灌溉需水量、進入田塊的流量和灌水時間或停水距離等。這些參數(shù)可從大田實測資料得到或采用模型反推的方法求得。將表1中的各參數(shù)輸入SRFR軟件中,其中輸入所需糙率值,可根據(jù)文獻[14]方法求得。采用SRFR軟件對表1中各田塊的灌水質(zhì)量進行評價,具體結(jié)果見表3。

表2 各田塊灌水質(zhì)量評價

表3 SRFR軟件模擬灌水質(zhì)量評價

由表3可知,灌水效率的誤差較大,畦灌時灌水效率誤差絕對值均值為14.91%,溝灌時灌水效率誤差絕對值均值為16.53%;而灌水均勻度的誤差較小,畦灌時灌水均勻度誤差絕對值均值為6.35%,溝灌時灌水均勻度 誤差絕對值均值為7.61%;由表3中的誤差絕對值均值并結(jié)合田間工程實際來看,可認為其誤差在一個合理的范圍了,表明SRFR軟件模擬得出的灌水質(zhì)量評價指標是可靠的。

2 區(qū)域尺度內(nèi)灌水技術(shù)指標的確定

由以上面分析可知,SRFR軟件模擬灌水質(zhì)量評價指標是可靠的,故可采用其模擬不同灌水技術(shù)要素組合下的灌水質(zhì)量,以找出研究區(qū)域尺度內(nèi)合理的灌水技術(shù)指標。但對于大尺度范圍內(nèi)灌水技術(shù)要素組合,確定的難點在于如何獲得土壤參數(shù)和田面糙率值,由于SRFR軟件輸入的參數(shù)值須具有一定的代表性,而不同田塊的入滲參數(shù)與糙率的取值是有所差異的,若對每個田塊的入滲參數(shù)與糙率值進行研究顯然是不現(xiàn)實的,故土壤入滲參數(shù)值和田面糙率值的確定對SRFR軟件的模擬結(jié)果十分重要。

2.1 土壤入滲參數(shù)的確定

畦灌土壤入滲參數(shù)的確定,分析各田塊的累積入滲量與入滲時間的關(guān)系,其有著較高的聚合性,具體見圖1。由圖1可看出,對于區(qū)域內(nèi)黏壤土和砂壤土畦灌累積入滲量與入滲時間可簡化為:

畦灌土壤糙率值的確定,采用文獻[14]方法,以水量平衡原理為基礎(chǔ),根據(jù)水流推進資料反推求得黏壤土質(zhì)地的冬小麥畦灌糙率值在0.34～0.36之間,砂壤土質(zhì)地的多年生果樹畦灌糙率值在0.10～0.13之間。為保證SRFR軟件輸入?yún)?shù)的簡便性,綜合考慮黏壤土小麥畦灌糙率系數(shù)取統(tǒng)一值0.35,砂壤土果樹畦灌糙率系數(shù)取統(tǒng)一值0.12,其值與史學(xué)斌等[15]研究結(jié)果一致。

對于溝灌土壤入滲參數(shù)的確定,可沿用畦灌土壤入滲參數(shù)值確定的思路,以此確定溝灌入滲參數(shù)值。經(jīng)擬合得出區(qū)域內(nèi)黏壤土和砂壤土溝灌累積入滲量與入滲時間可簡化為:

圖1 不同土壤質(zhì)地的累積入滲量擬合

對于溝灌土壤糙率值的確定,由于黏壤土質(zhì)地多年生果樹溝灌田間糙率系數(shù)值在0.12～0.18之間變化,砂壤土質(zhì)地多年生果樹溝灌田間糙率系數(shù)值在0.06～0.10之間變化[16],綜合考慮黏壤土果樹溝灌糙率系數(shù)n取統(tǒng)一值0.15,砂壤土果樹溝灌糙率系數(shù)取統(tǒng)一值0.08。將上述分析所得參數(shù)進行整理,可得SRFR軟件輸入所需的土壤參數(shù)值見表4。

表4 土壤參數(shù)值

2.2 畦灌灌水技術(shù)要素組合的分析

尋找合理灌水技術(shù)要素組合的原則為:流量不宜過大,以免造成對灌水田面的沖刷;田面長度不易過短,這樣將增加田間工作量且過多占用耕地;灌水效率,灌水均勻度[17]。采用SRFR軟件模擬得出楊凌砂壤土多年生果樹和黏壤土小麥畦灌時不同坡度、畦長和單寬流量等灌水技術(shù)要素組合下的灌水效率 和灌水均勻度值,以找出合理灌水技術(shù)要素組合。應(yīng)用SPSS統(tǒng)計軟件對采用SRFR軟件模擬得出的數(shù)據(jù)進行分析,確定出畦灌時砂壤土果樹和黏壤土小麥在不同坡度條件下的灌水效率、灌水均勻度值與畦長和單寬流量的關(guān)系,并用Matlab軟件編寫程序,分別作出其等勢線圖,列舉部分結(jié)果見圖2。

圖2 畦灌不同坡降下灌水效率Ea,灌水均勻度Ed與畦長和單寬流量的關(guān)系

由圖2可見,砂壤土多年生果樹和黏壤土小麥進行畦灌時,當畦長為定值,隨單寬流量的增加,灌水效率Ea和灌水均勻度Ed值隨之提高,但單寬流量的增加到一定程度后,其值到達最大值后就會降低。綜合考慮畦灌灌水技術(shù)要素組合的原則,并結(jié)合模擬結(jié)果,可得出不同坡降條件下砂壤土和黏壤土畦灌時灌水技術(shù)要素的優(yōu)化組合。

(1)砂壤土果樹畦田坡降1‰條件下,畦長應(yīng)以40～50 m,流量以 3.0～4.0 L/(s?m)為宜;畦田坡降3‰條件下,畦長應(yīng)以50～60 m,流量為4.0～5.0 L/(s?m)為宜;畦田坡降5‰條件下,畦長應(yīng)以70 m左右,流量為5.0～6.0 L/(s?m)為宜;畦田坡降7‰條件下,畦長應(yīng)以80 m左右,流量為5.0～6.0 L/(s?m)為宜。

(2)黏壤土小麥畦田坡降1‰條件下,畦長應(yīng)以40 m 左右,流量為 2.0～3.0 L/(s?m)為宜;畦田坡降3‰條件下,畦長應(yīng)以50 m左右,流量為2.5～3.5 L/(s?m)為宜;畦田坡降5‰條件下,畦長應(yīng)以60 m左右,流量為 3.0～4.0 L/(s?m)為宜;畦田坡降7‰條件下,畦長應(yīng)以70～80 m,流量為4.0～5.0 L/(s?m)為宜。

2.3 溝灌灌水技術(shù)要素組合的分析

對于溝灌灌水技術(shù)指標的確定,采用與畦灌灌水技術(shù)要素相同的處理技術(shù)和方法,繪制砂壤土和黏壤土多年生果樹在不同坡度條件下的灌水效率、灌水均勻度與溝長和流量關(guān)系的等勢線圖,列舉部分結(jié)果如圖3所示。

圖3 溝灌不同坡降下灌水效率Ea,灌水均勻度Ed與溝長和流量的關(guān)系

綜合考慮溝灌灌水技術(shù)要素組合的原則,可得出不同坡降條件下砂壤土和黏壤土多年生果樹溝灌時灌水技術(shù)要素的優(yōu)化組合(列舉部分研究成果):

(1)砂壤土果樹溝灌坡降1‰條件下,溝長應(yīng)以40～50 m,入溝流量為2.5～3.0 L/s為宜;灌水溝坡降3‰條件下,溝長應(yīng)以50～60 m,入溝流量為3.0～3.5 L/s為宜;灌水溝坡降5‰條件下,溝長應(yīng)以70～80 m,入溝流量為3.0～4.0 L/s為宜;灌水溝坡降7‰條件下,溝長應(yīng)以60～70 m,入溝流量為3.0～3.5 L/s為宜。

(2)黏壤土果樹溝灌坡降1‰條件下,溝長應(yīng)以60～70 m,入溝流量為4.5～5.0 L/s為宜;灌水溝坡降3‰條件下,溝長應(yīng)為100 m左右,入溝流量為4.0～5.0 L/s為宜;灌水溝坡降5‰條件下,溝長應(yīng)為85 m左右,入溝流量為3.5～4.5 L/s為宜;灌水溝坡降7‰條件下,溝長應(yīng)以90 m左右,入溝流量為3.0～4.0 L/s為宜。

3 結(jié)論

通過對楊凌示范區(qū)大田灌水試驗的灌水質(zhì)量進行評價,在采用SRFR軟件對大田灌水試驗的灌水質(zhì)量進行模擬,將實測結(jié)果與模擬結(jié)果進行對比,結(jié)合田間工程實際,可認為兩者誤差在一個合理的范圍內(nèi),表明SRFR軟件模擬畦灌和溝灌灌水質(zhì)量是可靠的。以SRFR軟件模擬為基礎(chǔ),通過改變不同灌水技術(shù)要素組合,找出了研究區(qū)域內(nèi)不同條件下的畦灌和溝灌灌水技術(shù)要素的優(yōu)化組合。但由于本文采用SRFR軟件模擬灌水質(zhì)量時未考慮改口成數(shù),對于不同改口成數(shù)下的灌水技術(shù)組合還有待進一步研究。

[1]Raghuwanshi N S,Wallender W W.Forecasting and optimizing furrow irrigation management decision variables[J].Irrg.Sci.,1999,19(1):1-6.

[2]王文焰,汪志榮,費良軍,等.波涌灌溉的灌水質(zhì)量評價及計算[J].水利學(xué)報,2000,31(3):53-58.

[3]Eldeiry A,Garcia L,El-Zaher A S A,et al.Furrow irrigation system design for clay soils in arid regions[C]∥Colorado State University,Colorado,USA:Conference proceedings of AGU Hydrology Days,2004:42-54.

[4]Horst M G,Shamutalov S S,Pereira L S,et al.Field assessment of the water saving potential with furrow irrigation in Fergana,Aral Sea basin[J].Agric.Water Manage.,2005,77(3):210-231.

[5]閆慶健,李久生.地面灌溉水流特性及水分利用率的數(shù)學(xué)模擬[J].灌溉排水學(xué)報,2005,24(2):62-64.

[6]王京,史學(xué)斌,宋玲,等.畦田水流特性及灌水質(zhì)量的分析[J].中國農(nóng)村水利水電,2005(6):4-7.

[7]鄭和祥,史海濱,程滿金,等.畦田灌水質(zhì)量評價及水分利用效率分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2009,25(6):1-6.

[8]路京選,劉亶仁,惠士博.溝畦灌溉水流運動數(shù)學(xué)模型簡介[J].資源科學(xué),1989,25(1):74-80.

[9]李益農(nóng),許迪,李福祥.田面平整精度對畦灌系統(tǒng)性能影響的模擬分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2001,17(4):43-48.

[10]朱艷,繳錫云,王維漢,等.微地形及溝斷面形狀變異性對溝灌性能影響的試驗研究[J].灌溉排水學(xué)報,2009,27(1):1-4.

[11]白美健,許迪,李益農(nóng).微地形分布差異對畦灌過程及性能的影響模擬[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2008,24(4):1-6.

[12]朱艷,繳錫云,王維漢,等.畦灌土壤入滲參數(shù)的空間變異性及其對灌水質(zhì)量的影響[J].灌溉排水學(xué)報,2009,28(3):46-49.

[13]王維漢,朱艷,繳錫云,等.畦灌改水成數(shù)的控制誤差及其對灌水質(zhì)量的影響[J].中國農(nóng)學(xué)通報,2010,26(2):291-294.

[14]聶衛(wèi)波,馬孝義,康銀紅.基于畦灌水流推進過程推求田面平均糙率的簡化解析模型[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報,2007,15(4):489-495.

[15]史學(xué)斌.畦灌水流運動數(shù)值模擬與關(guān)中西部灌水技術(shù)指標研究[D].陜西楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué),2005.

[16]聶衛(wèi)波.畦溝灌溉水流運動模型與數(shù)值模擬研究[D].陜西楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué),2009.

[17]汪志農(nóng).灌溉排水工程學(xué)[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2000:52-53.