《灌溉排水工程学》ppt课件

第一章 农田灌溉原理
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第一节 农田土壤水分状况
•地面水
农田水分
•地下水 •土壤水
•土 壤 水 是 作 物 生长环境的核心
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一、农田土壤水分存在的基本形式
•固态：在土壤冻结时存在 •汽态：存在于未被水分占据的土壤空隙
土壤水分
•吸着水：不能被利用，其上限（最大分 子持水率）以下的水分为无效水。 •液态：•毛管水：田间持水率和无效水之间的水 ，容易为农作物利用，称为有效水。 •重力水：如地下水位高，停留在根系层 的重力水影响土壤的通气，这部分水称 为过剩水。
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1、旱作物对农田水分状况的要求
地面水
•
•根 系 吸 水 层 的 土 壤 水 分
地下水
•
地表积水 •引起水涝灾害
•农作物
•
地下水位到达根系吸水层 •影响土壤的通气
•
毛管水最容易被旱作物吸收
•旱作物根系吸水层的允许平均最大含水率为根系 吸水层的田间持水率
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干旱
•大气干旱 •土壤干旱 •生理干旱
•土壤溶液浓度不超过作物在各个生育期所容许的最高 值是确定根系吸水层的土壤最低含水率的个重要指标。 •以盐渍土为例：
dt时间内，流人和流出单元体的土壤水分质量差总计为 •dt时间内单元体内土壤水分质量的变化量为 •由质量守恒定律知两者在数值上相等，即： •将（1—2）式代入（1—4），得 ： •即为非饱和土壤水运动的9基本方程式 。
•D(θ )称为扩散度，表示单位含水率梯度下通过单位面 积的土壤水流量。 •则非饱和土壤水运动方程又可写为
•θ min：为按盐类溶液浓度要求所规定的最小含水率 •结论：旱作物根系吸水层含水率
•
最大：田间持水率
•
最小：作物适6 宜的土壤含水率下限
2、水稻地区的农田水分状况要求
水稻喜湿好水
•田间经常需要水层
•生理上要求土壤水分达到饱和（除萌芽和成熟期 ） •水稻的灌溉以保证田间有适宜的浅水 层
•为水分、养分的供应提供良好条 •适 宜 的 件 浅水层
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（2）入渗量的计算：采用公式计算入渗速度i t和入渗量I 1）考斯加可夫公式
•壤末式的的中人水：渗层i速厚t是度度任；(m一tm为／时人m间i渗n的或别入c间m渗/(h速m)i计度n或；，hi以)；1是单α第位为一时经单间验位渗指时入数间土,
决定于土壤性质和初始合水牟,α =0.3-0.8,—般土壤取 0.5。
•式中：
•C(h)=dθ ／d h表示压力水头减少一个单位时，单位体
积土壤中所能释放出来的水体积，其量纲为[ L-1 ]，称
为容水度或比水容量，它是土壤水分特征曲线上的斜率
。
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2、入渗条件下土壤水运动 （1）入渗过程的一般规律
•就路接水入量近接径渗I该近的与前土饱加时θ壤和大间0很的含，t小的渗水入，关透率渗地系系θ速面曲数s度,初,线Ki见。始描t图通不入述1常断渗-入3用减速渗。入度小规随渗i，律时速1最。间很度后的大i趋延，t于长和短i，累时f入积间，渗渗内即
(1 ——17 )
式中：a、b：与土壤性质有关的两个系数
E0 ：水面蒸发强度。
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第三阶段： 当地表土壤含水率很低时，表土输水能力较弱，地表形 成一干土层。干土层下的水分向上运移至于土层底部 时，以水汽扩散的形式穿过干土层进人大气，此时蒸发 强度不仅取决于干土层厚度，而且取决于干土层内水汽 扩散的能力。 三个阶段的划分只具有相对意义，事实上整个蒸发过程 的蒸发强度都是随外界蒸发力和土壤输水能力而变化。
•田间持水率：灌水两天后土壤所能保持的含水率，它是重力 水和毛管水、有效水分和过剩水分的分界线。
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二、作物生长对农田水分状况的要求
水对作物的生长的影响： （1）水是作为进行光合作用、制造有机物的原料； （2）水使作物保持正常、稳定状态； （3）水是作物营养元素、矿物质的载体； （4）水分是作物细胞原生质的重要成分； （5）水分可以调节作物体温。
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第二阶段：
开始于土壤含水率减少到θ=θk 时，由于土壤含水率降 低，土壤向上输送水分的能力减弱，土壤水分的蒸发强
度取决于大气蒸发力与土壤向上输送水分能力二者的制
约关系。该阶段的土壤水蒸发强度随含水率减小而逐渐
减小，所以称为蒸发强度递减阶段。
该阶段土壤蒸发强度ε由下式计算；
ε =（aθ+b）E0
•（2）地下水补给条件下的蒸发 •若地下水埋藏较浅，表土蒸发消耗的水分在毛管力的 作 •用下有地下水补给。如果外界蒸发力不随时间而变， 土 •壤水分蒸发强度与地下水1向6 上补给的通量处于相对平
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四、土壤—植物—大气连续体水分运移 （SPAC）
土壤 （S）
水分连续体
大气（A）
植物（P） •应用统一的能量指标“水势”来定量研究整个系统中各 个环节能量水平的变化：
•将实验资料I、t按时序求出i=△I／△t，取lg i及1g
t，点绘于双对数纸上，可拟合成一条直线，如图1—5 所示。
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由于（lg i1-lg i2）/ （lg t1-lg t2）=-t gθ=-α 即α为拟合直线与横轴的夹角的正切值
拟和直线与纵轴的截距即为l g i1 则累积入渗量I与入渗时间t的关系
•调节和改善水稻生长环境条件 •水层的适宜深度：由作物品种、生育阶段、自然环境 、人为条件由经验来决定。
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三、农田土壤水分运动
1、土壤水分运动基本方程 非饱和土壤水流动空间中点(x,y,z)上取单元体(dx,
dy,dz), 由达西定律知x,y,z轴向的水流通量为
•k(θ ) 土壤的非饱和导水率 •分别为x、 y、 z方向的水势梯 8 度
•式中i 0为第一单位时间内土壤渗吸的平均速度
•用式（1—10） I
•t
•2) 菲利普入渗公式
•式中：S为渗吸系数，
=i (∞)]
i 13f 为稳定入渗速度[ i f
3、蒸发条件下土壤水分运动 （1）无地下水位补给条件下的土壤水分蒸发 当地下水位较深时，上层土壤的含水率可以看作不受地 下水补给的影响。蒸发过程可以分为三个阶段： 第一阶段： 稳定蒸发阶段：指灌水、降雨入渗刚结束，土壤含水量 高，向上输送水分的能力强，此时土壤水分的蒸发强度 ε主要取决于大气的蒸发力，其接近于水面蒸发强度， 与土壤含水率无关，当土壤含水率降至某一临界值θk， 时，稳定蒸发阶段结束，该阶段又称为大气蒸发力控制 阶段。