农田水利学基本概念及计算

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＝１．１５

Ｅ0--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。