(完整版)农田水利学

第一章§1 农田水分状况农田水分：指农田中的地表水、土壤水和地下水。

地表水：地表积水。

土壤水：包气带中的水分。

地下水：饱水带中的水分（可自由流动的水体）。

与作物生长最密切的是土壤水。

一、土壤水（一）土壤水分形态土壤水又可分为吸着水、毛管水和重力水等几种水分形态。

1．吸着水（1）吸湿水分子力、紧紧束缚在土粒表面、不能移动、分子状态水吸湿水达到最大时的土壤含水率称为吸湿系数。

（2）膜状水分子力、束缚在土粒表面、可沿表面移动但不能脱离土粒表面、液态水膜膜状水达到最大时的土壤含水率称为最大分子持水率。

2．毛管水对于单个土粒,只能依靠分子力吸附水分, 但对于由许多土粒集合而成的土壤,其连续不断的孔隙相当于毛细管,因此还存在一种毛管力,依靠毛管力保持在土壤中的水分称为毛管水。

按水份供给情况不同，分悬着毛管水和上升毛管水。

（1）悬着毛管水灌溉或降雨后，在毛管力作用下保持在上部土层中的水分。

土壤储存水的主要形式。

悬着毛管水达到最大时的土壤含水率称为田间持水率。

（2）上升毛管水在地下水位以上附近土层中，由于毛细管作用所保持的水分。

上升毛管水达到根系，则可被作物吸收利用，但地下水位不允许上升到根系，以防渍害。

盐碱地区应严格控制地下水位，发防发生次生盐碱化。

3．重力水土壤中超过田间持水率的那部分水为重力水。

重力水以深层渗漏的形式进入更下的土层，或地下水。

旱地应避免深层渗漏，以防止水的浪费和肥料的流失。

水田保持适宜的深层渗漏是有益的，会增加根部氧分，有利于根系发育。

（二）土壤水分的有效性土壤对水分的吸力：1000MPa—0.0001MPa作物根系对水分的吸力： 1.5 MPa左右(1 MPa=9.87大气压=100m水柱)如果水分受土壤的吸力小于1.5 MPa, 作物可吸收利用;如水分受土壤的吸力大于1.5 MPa, 则作物不能吸收利用。

1.5 MPa是有效水和无效水的分界点。

土壤水分的有效性可以用下图来说明：（图：土壤水分有效性图）二、农田水分状况(一)旱田适宜的农田水分状况不允许地表积水土壤适宜含水率: 凋萎系数~田间持水率凋萎系数=0.6β田地下水水质较好,则地下水位可较高, 但一下水位不能达到根系层。

有盐碱威胁地区,应严格控制地下水位,以免发生盐碱化。

(二)水田适宜的农田水分状况水稻是喜水作物,除适时晒田处,田面要经常维持一定的水层。

但水层不能过深, 否则会使根系缺氧,使根部发生无氧呼吸,有毒物质增加, 影响根系生长发育,甚至烂根。

目前多用浅水勤灌, 适时晒田。

缺水地区应推广控制灌溉技术。

地下水位不宜过高, 应保证一定的深层渗漏。

适量的深层渗漏对水稻生长有利, 可增加根部氧分。

深层渗漏也不宜过大, 会浪费水, 流失肥料。

(三)农田水分状况的调节农田水分状况并不是总处于适宜的水分状况, 农田水分可能过多,也可能过少, 水分过多和过少都对作物生长不利。

下面分析农田水分过多的原因及调节措施。

1．农田水分过多的原因及措施原因: 降水量大; 洪水泛滥; 地下水位过高等。

形成的灾害洪灾——河湖泛滥而形成的灾害。

涝灾——降水过多，积水难排，造成灾害。

渍害——土壤长期过湿，危害作物生长，造成灾害。

措施：防洪——整治排洪河道，兴算修水库，加固堤防等。

防涝——开挖排水河道，修建排涝闸、站等。

防渍——开挖田间排水沟，防止过量灌溉等。

2．农田水分过少的原因及调节措施原因：降雨少，土壤滞水能力差（山丘区）等。

措施：灌溉——主要措施；疏松土层——切断毛细管，减少土壤蒸发；地表覆盖——用麦桔、地膜覆盖，阻止土壤蒸发；化学抗旱——减少叶面蒸腾。

§2 土壤水分运动土壤水分运动的两种途径：毛管理论、水势理论。

毛管理论仅适用于对一些简单的问题分析。

水势理论则是根据在土壤水势基础上推导出的扩散方程，研究土壤的水分运动。

这种方法理论严谨，适用于各种边界条件，因而具有广阔的应有前景。

一、土壤水运动基本方程在一般情况下，达西定律同样适用于非饱和土壤水分运动。

根据达西定律和质量守恒原则，可推导出水壤水运动基本方程。

土壤水运动基本方程的两种形式：式（1-11）和式（1-14。

在初始条件和边界条件已知的情况下，可求解式（1-11）和式（1-14），得各点土壤含水率（或负压）和土壤水流量的计算公式，或用数值计算法，直接计算各点土壤含水率（或负压）和土壤水流量。

二、入渗条件下土壤水分运动除雨和灌水入渗是补给农田水分的主要来源。

教材中针对地面已形成一薄水层情况，推导了如下基本公式：（1）剖面含水率分布，式（1-19'）（2）入渗速度公式，式（1-20）（3）入渗速度挖计算公式，式（1-21）（3）在单间t内入渗入总量计算公式，式（1-21'）菲利普根据严格的数学推导，由一维土壤水运动方程，推导出了入渗速度的近似计算式，式（1-22），以及t时间内总入渗量计算公式，式（1-23）。

我国习惯采用考斯加可夫经营公式计算入渗速度和入渗水量。

即式（1-25）和式(1-26）。

本课程专门安排了一个实验来验证考斯大林加可夫公式。

第二章§1 作物需水量一、作物田间水分的消耗(三种途径：叶面蒸腾、棵间蒸发和深层渗漏)叶面蒸腾：作物植株内水分通过叶面气孔散发到大气中的现象；棵间蒸发：植株间土壤或水面（水稻田）的水分蒸发；深层渗漏：土壤水分超过了田间持水率而向根系以下土层产生渗漏的现象。

解释：棵间蒸发能增加地面附近空气的湿度，对作物生长环境有利，但大部分是无益的消耗，因此在缺水地区或干旱季节应尽量采取措施，减少棵间蒸发（如滴灌<局部灌溉>、水田不建立水层）和地面覆盖等措施。

深层渗漏对旱田是无益的，会浪费水源，流失养分，地下水含盐较多的地区，易形成次生盐碱化。

但对水稻来说，适当的深层渗漏是有益的，可增加根部氧分，消除有毒物质，促进根系生长，常熟、沙河、涟水等灌溉试验站结果都表明：有渗漏的水稻产量比无渗漏的水稻产量高3.9%~ 26.5%。

叶面蒸滕量＋棵间蒸发量＝腾发量＝作物田间需水量水田：田间需水量＋渗漏量＝田间耗水量由于水田不同土壤渗漏量大小差别很大，为了使不同土质田块水稻需水具有可比性，因此水稻的田间需水量不包括渗漏量，如计入渗漏量，则称为田间耗水量。

二、作物需水规律（一）影响作物需水量的因素１、气象条件主要因素，气温高、日照时间长、空气湿度低、风速大、气压低等使需水量增加；２、土壤条件含水量大，砂性大，则需水量大（棵间蒸发大）３、作物条件水稻需水量较大，麦类、棉花需水量中等，高粱、薯类需水量较少；４、农业技术措施地面覆盖、采用滴灌、水稻控灌等能减少作物需水量。

（二）作物需水特性１、中间多，两头少；开花结实期需水量最大２、存在需水临界期需水临界期：在作物全生育期中，对缺水最敏感，影响产量最大的时期。

几种作物的需水临界期：水稻孕穗至开花期棉花开花至幼铃形成期小麦拨节至灌浆期了解作物需水临界期的意义：１、合理安排作物布局，使用水不至过分集中；２、在干旱情况下，优先灌溉正处需水临界期的作物。

三、经验公式法确定作物田间需水量（一）全生育期作物田间需水量的确定１、α值法（蒸发皿法）前面已讲过，气温、日照、湿度、风速、气压等气象因素是影响作物需水量的最重要的因素，而水面蒸发正是上述各种气象因素综合作用结果，因此作物的田间需水量与水面蒸发量之间存在一定程度的相关关系。

因此我们可以用水面蒸发量作为参数来估计作物田间需水量。

Ｅ＝αＥ0式中：Ｅ--全生育期作物田间需水量（mm）α--需水系数，江苏中稻α＝１．１５Ｅ0--与Ｅ同时段的水面蒸发量（mm）。

α值法适用于水稻。

(旱作物的E与E0相关不显著)２、Ｋ值法（产量法）实践表明作物的产量与田间需水量之间存在一定的相关关系，在一定范围内Ｅ随作物产量的提高而提高。

因此可以用产量作为参数来估计作物的田间需水量。

Ｅ＝ＫＹ式中Ｅ--需水量，m3/亩；Ｋ--需水系数（ｍ3/Kg)，由试验资料确定；Ｙ--作物产量（ｋｇ/亩）由于Ｅ与Ｙ实际上并不是成线性关系，因此有人对上式作了修正。

E0为保证作物存活下来，但产量为零（棵粒无收）。

E=KY n + C式中：n--经验指数；Ｃ--经验常数。

K值法适用于旱作。

（二）各生育阶段田间需水量的确定（1）利用需水模系数有了全生育期田间需水量，可以借助需水模系数，把总需水量按各生育阶段进行分配。

需水模系数是作物某一生育阶段田需水量占生生育期需水量的百分比。

Ei=Ki E式中Ei --第i阶段作物田间需水量；Ki --第i阶段作物需水模系数。

需水模系数通过试验取得，表2-7列出了几种主要作物的需水模系数。

（2）利用阶段需水系数（水稻）式中αi--第i阶段需水系数；Ｅ0i --第i阶段的水面蒸发量（mm）。

（三）需水强度的确定需水强度即为某一天的需水量。

单位：mm/d 或m3/(亩d)公式：ei=Ei/ti式中ei--第i阶段的需水强度；Ei--第i阶段的需水量；ti--第i阶段的天数。

四、彭曼法计算作物需水量英国科学家彭曼于1949年首次提出，又于1963年简化了他的公式。

联合国粮农组织推荐采用彭曼法计算作物需水量。

彭曼法的特点是：理论基础可靠，计算精度较高；但计算较复杂，所需基础数数较多。

计算时分两步。

（一）计算出潜在需水量（参考作物需水量）潜在需水量指：参考作物（如苜蓿mu xu、牧草)在供水充足条件下的需水量。

式中P0--标准大气压；P--计算地点平均大气压；Δ--平均气温时饱和水气压Ea随温度变化的变率；γ--湿度计常数；Rn--太阳净幅射。

（二）计算实际作物的需水量E=Kc×Ep式中Kc--作物系数。

§2 作物灌溉制度天然降雨可满足作物的部分需水要求，但降水不强能完全满足作物的需水要求。

在干旱和半干旱地区更是如此，因此为实现农业的高产稳产，必须进行灌溉。

要灌溉就牵涉到什么时候灌、灌多少等问题。

本节讨论的作物灌溉制度就是解决上述问题。

一、概述1．什么是灌溉制度灌溉制度：为了保证作物适时播种（或栽秧）和正常生长，通过灌溉向田间补充水量的灌溉方案。

灌溉制度的内容：灌水定额、灌水时间、灌水次数和灌溉定额。

灌水定额：一次灌水在单位面积上的灌水量。

单位：水田可用mm，旱田用m3/亩。

换算：1mm= 0.667m3/亩灌溉定额：生育期各次灌水的灌水定额之和。

总灌溉定额：播前灌水定额（或泡田定额）+ 灌溉定额2．为什么要制定灌溉制度（1）为灌溉工程规划设计提供依据。

（2）为灌区用水管理提供依据。

3．制定灌溉制度的方法（1）总结群众丰产经验；（2）进行灌溉试验；（3）按水量平衡原理进行计算。

在生产实践中，常把上述三种方法结合起来使用。

具体做法是：根据设计年份的气象资料和作物的需水要求，参照群众丰产经验和灌溉试验资料，根据水量平衡原理拟定作物灌溉制度。