农田水利学 2

§2 作物需水量和灌溉用水量
§2.1 作物需水量
§2.2 作物灌溉制度
§2.3 灌溉用水量
§2.4 灌水率
§2.1作物需水量
农田水分消耗的主要途径
A 植株蒸腾(transpirarion)
B 棵间蒸发(evaporation)
C深层渗漏（田间渗漏）
作物需水量
A、旱田作物需水量
植株蒸腾和棵间蒸发合称腾发量(evapotranspiration)，也称为作物需水量(Water requirement of crops)
田间耗水量:腾发量与渗漏量之和.
作物需水量是农业用水的主要组成部分，是水资源开发利用的基础资料，是灌溉工程规划、设计、管理的依据。

B 影响需水量的因素
作物需水量的大小与气象条件、土壤含水状况、作物生长阶段、农田技术措施、灌排措施等密切相关。

作物需水量计算方法
影响作物需水量的因素
气象条件：气温、大气湿度、风速、日照时间、辐射强度
作物条件：作物品种、叶面积指数（单位土地面积上的叶片面积〕、生育阶段；
土壤因素：土壤含水量、土壤质地、地下水埋深等；
作物生长状况受到气象和土壤条件的限制。

如当土壤水分较少时，作物生长受到抑制，叶面积指数较小，同时气孔开度减小，蒸腾和蒸发量减少。

作物充分灌溉条件下需水量是气象因素、叶面积指数和生育阶段等因素综合影响决定的。

计算方法
从影响作物需水量的因素中选择主要因素，如水面蒸发、气温、湿度、日照和辐射等，结合试验观测资料，作物需水量计算方法主要可以归纳为：直接计算法、间接计算方法。

一直接计算法
1、以水面蒸发为参数(α值法)
基本原理：水面蒸发量与作物周边气象条件关系密切，可以通过两者之间的相关关系进行计算。

ET＝ɑE0
ET=aE0＋b
ET——某时段内的作物需水量，以水层深度mm计；
E0——与ET同时段的水面蒸发量，以水层深度mm计；
a、b——经验常数；
ɑ——需水系数；
α值法特点：
•蒸发量数据简单易得，可以通过蒸发皿采集数据。

•除正确使用蒸发皿外，还需考虑作物周边大气条件和土壤地质条件和采取的农业措施。

•方法具有较强的域局限性
2、以产量为参数(K值法)
原理:一定气象条件下，作物需水量随着产量提高而增加。

一般情况下，产量与需水量呈抛物线或指数关系。

需水量达到一定水平后，产量会停止增加甚至减少。

常用经验公式:
ET=KY或ET=KY n+C
ET－需水量；
K，C，n－经验常数和经验指数；
Y－单位面积经济产量产量
3、模系数法
用于各生育阶段需水量计算。

原理：首先根据灌区资料确定作物全生育期需水量，然后按照各生育阶段的需水规律，按照一定比例进行分配。

Et i=1/100×K i×ET
Et i－第I个生育阶段的需水量
K i为需水量模比系数，可由试验资料确定，其他各项意义同前。

二间接法
通过计算参照作物的需水量来计算作物实际需水量ET0，乘以相应的作物系数，得到作物实际需水量，理论相对完善。

参照作物需水量ET0(Reference crop Evapotranspiration)是指土壤水分充足、地面完全覆盖、生长正常、高矮整齐的开阔矮草地的腾发量。

该条件下，需水量主要受气象条件影响。

根据参照作物的需水量ET0，采用作物系数k c进行修正，计算出作物的实际需水量ET。

1参考作物需水量计算
基本方法：能量平衡法
原理：作物腾发过程实际是一个能量耗散过程，通过平衡计算求出腾发耗能，折算成水量，即为作物需水量。

•能量平衡法目前最主要的需水量计算公式；
•需水量取决于辐射、气温和干燥力；
2实际需水量计算
原理：已知参照物需水量ET0，采用作物系数K c对ET0进行修正，计算得到作物实际需水量。

ET＝k c（ET0）
§2.2 作物灌溉制度(Irrigation Schedule)
基本概念：
作物灌溉制度是指作物播种前（或水稻插秧）及全生育期内灌水次数、灌水日期和灌水定额及其灌溉定额。

灌溉制度是灌区规划管理的依据，用以确定灌区建筑物规模和控制面积。

灌水定额：单位面积上一次灌水量
灌溉定额：各次灌水定额之和
灌水定额和灌溉定额计量单位：mm或m3/ha。

一、充分灌溉条件下的灌溉制度(Full Irrigation)•充分灌溉
作物各生育阶段所需的水分都能够得到要求，作物处于最佳分条件，产量最高。

•非充分灌溉（Deficit Irrigation)
灌溉供水不足，不能充分满足作物各阶段的需水量要求，其实际腾发量小于充分灌溉条件下的需水量。

充分灌溉条件下灌溉制度确定的基本方法
•总结群众灌水经验
灌水经验是制定灌溉制度的重要依据。

灌溉制度调查应根据设计要求的干旱年份，调查作物不同生育阶段的需水量、灌水次数、灌水定额、灌溉定额等。

•根据灌溉试验资料制定
在有灌溉试验站的地区，可根据设计代表年的灌溉试验资料确定。

•按照水量平衡法制定灌溉制定
原理：
A：作物在一定的土壤含水量或水层深度范围内能够生长良好，如果超过该范围，生长和产量受到抑制和降低。

合理的灌溉制度应使得作物土壤含水量或水层深度处于该范围内。

B：任何时段内农田水分变化，等于该时段来水与耗水之间的消长。

（一）水稻灌溉制度：
1、泡田定额：
M1＝0.667(h0＋S1＋e1t1－P1)
式中:M1－泡田定额，m3/亩；
-h0－插秧时所需水深，mm；
-S1－泡田期渗漏量，mm；
-e1－泡田期水田平均蒸发强度，mm/d；
-t1―泡田时间，d,
-P1－泡田期间的降雨量，mm。

•2、生育期水量平衡方程
H1+P+m-WC-d=h2
h1、h2－时段初、末水田水深；
P－时段内降雨，mm；
d－时段排水量，mm；
m－时段灌水量，mm;
WC－时段内耗水量（蒸腾＋渗漏），mm
水稻适宜的水层深度范围：h min~h max
当水层深度降低到灌水下限时，开始灌溉，灌水量为：
m=h max－h min
若雨后田内水深大于允许蓄水深度，排水量
d=ha－hp
ha－雨后水深，hp－雨后允许蓄水深度。

•3、水稻灌溉制定
（1）收集基本资料，主要包括：
•水稻各生育阶段的耗水强度;
•各生育阶段降雨量;
•各生育阶段适宜水深及最大蓄水深度。

雨后最大蓄水深度：为充分利用降雨量而允许短期水深。

（2）逐日计算水层变化。

低于下限时灌溉，高于雨后最大蓄水深度时排水至该值。

灌水至适宜水深上限，灌水定额一般取整数。

•水稻生育期水分变化及需求
•5、说明
一般情况下灌水量为整数，便于计算。

水稻烤田期间水层可能出现负数。

烤田的作用在于减少无效分蘖及水肥浪费。

负数表示土壤含水量低于饱和含水率。

（二）旱作物灌溉制度
原理：以作物主要根系吸水层
作为灌水计划湿润层，将该层
内的土壤含水量保持在作物所
要求的范围内（最大，最小含
水率）。

当计划湿润层(平均)土壤含水
量低于设计灌水下限时，需要
灌水，高于上限时，一般需要
排水(通常在渍涝危害情况下)。

地表水下渗转
换为土壤水
地下水补给
δh
土壤水分
Hohai University
1.水量平衡方程
计划湿润层含水量变化可用下式表示：
W t-W0=W r+P0+K+M-ET
W0、W t－时段末和任意时间的土壤储水量；
W r－由于计划湿润层增加而增加的水量；
K－地下水补给水量；
M－灌水量；
ET－作物需水量
P0－保存在计划湿润层中的有效雨量。

A、无降雨条件下土壤水分平衡方程
W min=W0－ET＋K
W min-土壤计划湿润层允许最小储水量;
若已知初始土壤储水量W0，可推算出下次灌水间距:
t=(W0-W min+K)/e
t=(W0-W min)/(e-k)
k-地下水日补给量.
B、灌水定额计算
1)m=667nh(θmax-θmin)
m-灌水定额，m3/亩；
Θmax，θmin－允许含水量上下限;
n-土壤孔隙率；
H-计划湿润层深度，m
2)m=10000nh(θmax-θmin)或
m－灌水定额，m3/ha
Θmax，θmin允许含水量上下限;
n-土壤孔隙率;γ-土壤干容重,t/m3 H-计划湿润层深度,m
2、基本资料收集
•土壤计划湿润层深度
指旱田灌溉时，计划调节土壤水分状况的土层深度。

与作物种类、生育阶段和土壤性质、地下水位有关。

•土壤适宜含水率和最大、最小含水率
与作物种类、土壤理化性质和土壤状况有关。

旱田灌溉中通常以田间持水量为最大含水率，作为灌水上限。

盐碱地含水率应满足盐类溶液浓度要求的最小含水率。

以允许含水率上下限控制，可以减少灌溉次数。

3〕降雨入渗量
储存于计划湿润层内的雨量。

P０＝αΡ
α－降雨入渗系数，α与次降雨量、地形及土壤质地和覆盖有关。

超过计划湿润层田间持水量的降雨是无效水量。

4〕地下水补给量
通过毛管上升到作物根系层而被作物吸收的水量。

K与地下水埋深、土壤质地、作物根系分布、计划湿润层深度有关。

可用占需水量的百分数表示
5〕由于计划湿润层增加而增加的水量W T
由于根系下扎，计划湿润层加大，可利用深层土壤水分。

W T＝667(H2-H1)nθ单位:m3/亩
W T＝1000(H2-H1)nθ单位:m3/ha
θ -增加土层中的平均含水率
3、旱作物播前灌水定额
M1＝667 H ×(θmax-θ0) ×n 单位:m3/亩
M1＝10000 (θmax-θ0) ×H×n 单位:m3/ha H-计划湿润层厚度，m；
n-土壤孔隙率(占土壤体积的百分数)
Θ0－初始含水率。

4、水量平衡图解法拟定灌溉制度
一般步骤：
1) 根据各旬的计划湿润层厚度和作物要求的含水率上、下限，计算出允许储水量上下限，绘于图中。

W max=667×n×h×θmax
W min=667×n×h×θmin
2〕绘制作物需水量累积曲线ET、计划湿润层增加而增加的水量累积量W T、地下水累积补给量K以及净耗水量曲线（ET－W T－K）
3)根据设计降雨量，计算渗入土壤的降雨量P0，绘制于图上。

4)自初始值W0，逐旬减去ET-W T-K，即从起始点引平行线平行于ET-W T-K线，遇到降雨时加上P0即得计划湿润层实际储水量W曲线.
5)若W曲线接近于W min，即土壤含水率达到下限，开始灌水。

灌水量为储水上下限之差.
6)如此往复计算，可得到灌水次数和灌溉定额.
说明
灌溉除考虑水量盈亏外，还应该考虑作物本身的生理要求，并与农业措施相结合.
如灌水量过小，可能无法依靠地面灌溉技术实施.
对于微灌技术，其灌水上限可能低于田间持水量.
二、非充分灌溉条件下的灌溉制度
非充分灌溉制度是指允许作物受一定程度的缺水和减产，使得单位供水量获得最大经济效益的一种灌溉制度，也称为不充足灌溉、部分灌溉、限额灌溉或经济灌溉。

(1)水分生产函数
定义：指作物生长发育过程中，各阶段水分状况对产量影响的数学关系，用以预测水分亏缺对产量的定量影响。

常用表达式：Y a=Y m[a+bW-cW2]
地表水下渗转
换为土壤水
地下水补给
δh
土壤水分
Hohai University
（2）非充分灌溉原理
在水源短缺地区，减少用水量及其相应生产费用(劳动力和燃料等)，单位面积产量可能降低，但是由于费用降低，或者有限水量可以灌溉更多土地，使得总效益最高。

（3）原非充分灌溉制度
原理:减少非关键期的灌水，保证关键期用水。

•主要通过作物-水模型的缺水敏感指数合理分配有限水量，或者采用其他优化方法在有限水量下获得最大收益。

•多用控制下限含水量的方法。

•常用非充分灌溉理论
•调亏灌溉、控制性分根交替灌溉、水稻旱种技术等。

§2.3 灌溉用水量
定义：灌溉土地需从水源所取水量
影响灌用水量的因素：灌溉面积、作物种植比例、土壤、水文和气象等
灌溉用水量影响灌溉工程规模。

•设计典型年的选择
•典型年灌溉用水量及用水过程线
•多年灌溉用水量的确定和灌溉用水频率曲线
•乡镇供水量
设计典型年选择
对灌区而言，地下水补给相对稳定，降雨量年变化较大，各年灌水量变化也较大。

在规划灌溉工程时，需要选择特定的水文年份作为规划和设计依据。

该特定水文年份称为设计典型年。

设计典型年的灌溉用水量称为设计灌溉用水量。

根据历年降雨统计资料，可以确定不同干旱的典型年份：•中等年（降雨量频率50%）
•中等干旱年（降雨量频率75%）
•干旱年（降雨量频率85%~90%）
二、典型年灌溉用水量及用水工程线
•净灌溉用水量：某作物一次灌水灌到田间的水量：
W＝m×A
A－作物面积，m-灌水定额
通过累加可得到某种作物和灌区总的用水过程线
•毛灌水量和毛用水过程线
水量损失及其原因
灌溉水利用系数：净灌溉用水量于毛灌溉用水量之比η水=W净/W毛
将净用水量换成毛用水量即得到毛用水过程线。

•综合灌水定额
某时段的综合灌水定额是全灌区该时段内各种作物灌水定额的加权平均数。

m综合=m1α1+m2α2+m3α3+…..
式中α1、α2－不同作物种植面积与全灌区面积的比值。

m1、m2为不同作物的灌水定额
∑=⨯=n i i
i A m
W 1时段用水量灌溉定额
W 总＝A×m 综合，净
计算毛灌水定额的意义
或者直接利用各作物的用水量之和计算。

三、多年灌溉用水量和灌溉用水频率曲线
计算方法：配线法皮III型曲线。

步骤：
1、收集多年降雨资料和作物资料
2、计算每年的灌溉用水量
3、进行灌溉用水量频率计算
4、选择设计频率的灌溉用水量
四、乡镇供水
新建灌区必须考虑乡镇供水问题
老灌区可采用扩大供水能力和压缩农业用水的方法实现。

乡镇供水量指标根据当地实际情况确定
§2.4 灌水率
概念:灌水率是指灌区单位面积所需灌溉的净流量，也称为灌水模数，由灌区灌溉制度确定，目的在于计算灌区渠首的引水流量和灌溉渠道的设计流量。

灌水率可以根据灌区内不同作物的每次灌水定额逐一计算，每种作物每次灌水率为：
第一次灌水：
第二次灌水：
第n次灌水：
影响灌水率的因素
•1灌水延续时间
灌水延续时间直接影响灌水率的大小，进而影响渠道工程设计，需要结合作物生长特性确定不同生长时段的灌水时间。

•2灌水定额
灌水定额与作物相关，可考虑提高灌水效率，进行节水灌溉。

•3作物种植比例
针对灌区的特定，调整作物种植品种，优先种植需水较少的作物。

我国主要作物灌水持续时间统计结果：
•水稻泡田期灌水7~15昼夜，生育期灌水3~5昼夜•小麦播前灌10~20昼夜，拔节后灌水10~15昼夜•棉花苗期、花铃期8~12昼夜，吐絮期8~15昼夜•玉米拔节抽穗10~15昼夜，开花期8~13昼夜。