作物需水量和灌溉制度讲解

一、直接计算需水量的方法
1、以水面蒸发为参数的需水系数法(简称“α值法” 或称蒸发皿法)
ET= α E0 ET= a E0 +b
(2-1) (2-2)
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。一般 采用80cm口径蒸发皿的蒸发值； a，b — 经验常数； α— 需水系数，或称蒸发系数，为需水量与水面蒸发量之比 值。
第二节 作物灌溉制度
农作物的灌溉制度是指作物播种前(或水稻栽秧前)及全 生育期内的灌水次数、每次的灌水日期和灌水定额以及 灌溉定额。
灌水定额(m): 一次灌水单位灌溉面积上的灌水量; 灌溉定额(M): 各次灌水定额之和; 单位：(1) m3／667m2 = m3/亩；
(2) mm
一、充分灌溉条件下的灌溉制度
影响作物需水量的影响因素
气象条件
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
作物特性
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；
土壤性质
含水量大，砂性大，则需水量大（棵间蒸发大）
农作物技术措 地面覆盖、采用滴灌、水稻控灌等能减少
施
作物需水量。
作物需水规律
中间多，两头少；开花结实期需水量最大 存在需水临界期
m = hmax -hmin
Hp hmax hmin
hmin hmax hp
例题，见教材P55.
泡田定额为80 m3/亩 水稻生育期灌溉水量为227 m3/亩 总灌溉定额为307 m3/亩
（二）旱作物灌溉制度
通常以作物主要根系吸水层作为灌水时的土壤计划湿
润层（H），并要求该土层内的储水量能保持在作物所
定义 ：灌溉供水能够充分满足作物各生育阶段的需水 量要求而设计制定的灌溉制度。
确定方法： 总结群众丰产灌水经验 根据灌溉试验资料制定灌溉制度 按水量平衡原理分析制定作物灌溉制度
（一） 水稻灌溉制度
水稻本田的灌溉制度，可分别针对泡田期和插秧以后 的生育时期进行设计。
泡田定额的目的（M1） 使一定土层达到饱和时所需水量 建立插秧时田面水层深度 泡田期的田间渗漏量和田面蒸发量
(1) 土壤计划湿润层深度(H) 是指在旱田进行灌溉时，计划调节控制土壤水分状 况的土层深度。
(2)土壤最适宜含水率及允许的最大、最小含水率
适宜含水率因作物种类、生育阶段的需水特点、施肥情 况和土壤性质(包括含盐状况)等因素而异；
采用θmax=θ田， θmin为凋萎系数
(3) 降雨入渗量(P0) 指降雨量(P)减去地面径流损失(P地)后的水量，
(2-4)
ET—作物全生育期内总需水量，m3／亩； Y— 作物单位面积产量，kg／亩； K— 以产量为指标的需水系数。 ET = KY公式，则K代表单位产量的需水量，m3／kg； n、c — 分别为经验指数和常数，可以通过试验确定。
对于旱作物，在土壤水分不足而影响高产的情况下， 需水量随产量的提高而增大，用此法推算较可靠。
FAO-56推荐使用的公式形式为
作物表面的净辐 射，MJ/（m2.d)
土壤热通量， 平均日或月 MJ/（m2.d) 气温， ℃
饱和水汽 压，kPa
0.408(Rn G) 900 2(es ea)
ET0
T 273
(1 0.342) 实际水汽
压，kPa
饱和水汽压ea与温度曲 线的斜率，kPa/℃
二、通过计算参照作物需水量来计算实际作物需水量的方 法
参照作物需水量ET0 指土壤水分充足、地面完全覆盖、 生长正常、高矮整齐的开阔(地块的长度和宽度都大于 200m) 矮草地(草高8～15cm)上的蒸发量， 一般是指 在这种条件下的苜蓿草的需水量而言。
参照作物需水量主要受气象条件的影响，所以都是根 据当地的气象条件分阶段(月和旬)计算。
对于土壤水分充足的旱田以及水稻田，需水量主要 受气象条件控制，产量与需水量关系不明确，用此法 推算的误差较大。
模系数法
如何估算各生育阶段需水量
先确定全生育期作物需水量，然后按照各生育阶段需 水规律，以一定比例进行分配。
ETi = Ki ET /100 （3-5） K=ETi / ET
ETi— 某一生育阶段作物需水量； Ki— 需水量模比系数，即生育阶段作物需水量占全生育期作 物需水量的百分数
如果能在农田中测算出腾发消耗的总热量，便能由此 推算出相应的作物需水量的数值。
英国的彭曼(Penman)公式是1948年提出来的， 后来经过多次的修正。
1979年，联合国世界粮农组织对彭曼公式又作 了进一步修正，并正式认可向各国推荐作为计算 参照作物需水量的通用公式。
海拔高度影响温度函数的改 正系数，p0为海平面的平均 气压，p为计算点的平均气 压
任一时段内土壤计划湿润层的储水量必须经常保持在 一定的适宜范围内，处于 Wmin ~ Wmax之间。
当无有效降雨时，计划湿润层中的储水量由于作物的 消耗接近于Wmin，此时需要进行灌溉，补充水量。
Wmin= W0 – ET + K
则，推算出开始进行灌水时的时间间距
t= (W0-Wmin) / (e-k)
1、泡田期的灌溉用水量的计算
M1=0.667（h0+S1+e1t1-P1）
泡田定额取决于土壤、地势、地下水埋深和犁耕深 度等因素。一般h0=30 ~ 50 mm。
泡田定额：m3/亩
土壤质地 粘土和粘壤土
地下水埋深 地下水埋深
大于2m
小于2m
50~80
中壤土和沙壤土 80~120
70~100
轻沙壤土
太阳净辐射
干燥力，
Ea=0.26(1+0.54u)(eaed)。ea为饱和水汽压， ed为当地的实际水汽压， u为离地面2m高处的风 速
ET0
p0 Rn Ea
p
p0 1
p
参照作物需水量
标准大气压下的温度函数，其/dt，ea为饱 和水汽压，t为平均气温，γ为湿度计常数 γ=0.66hPa/℃
要求的范围内。
ET
ET
ET
m
P0
K
1、水量平衡方程
Wt - W0 = Wr + P0 + K + M - ET
式中： Wt, W0 — 时段初和任一时间t时的土壤计划湿润层 内的储水量； Wr — 由于计划湿润层增加而增加的水量； P0 — 保存在土壤计划湿润层内的有效雨量 K— 时段t内的地下水补给量，即K =kt； M— 时段t内的灌溉水量； ET—时段t内的作物田间需水量，即ET=et，e为t时段内平 均每昼夜的作物田间需水量。mm 或 m3/亩
“α值法”只要水面蒸发量资料，易于获得且比较稳定， 适宜水稻等作物，不适宜于旱作物。
注意事项
水面蒸发皿的规格、安设方式及观测场地规范化 注意非气象条件(如土壤、水文地质、农业技术措 施、水利措施等)对а值的影响
2．以产量为参数的需水系数法(简称“K值法”)
ET=KY （2-3）
ET=KYn + c
而这一时段末灌水定额m
m =Wmax -Wmin= 667nH（θmax – θmin) m =Wmax -Wmin= 667H（θ′max – θ′min)
式中 m— 灌水定额，m3/亩； H— 该时段内土壤计划湿润层深度，m； n—计划湿润层内土壤的空隙率（以占土壤体积的%计）
2、基本资料的收集
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。
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： 合理安排作物布局，使用水不至过分集中； 在干旱情况下，优先灌溉正处需水临界期的作物。
课后作业
请你选择你熟悉的一种作物，通过图书馆及中 国知网查阅相关文献，就这种作物的需水规律 写一篇1000字的论文，并列出你引用的文献。
计算思路
计算ET0； 根据作物系数Kc对ET0进行修正即可求出 作物的实际需水量ET；ET=KcET0 作物实际需水量则可根据作物生育阶段分 段计算。
(一)参照作物需水量的计算
其基本思想是：将作物腾发看作能量消耗的过程，通 过平衡计算求出腾发所消耗的能量，然后再将能量折 算为水量，即作物需水量。
农业水资源利用与管理
作物需水量和灌溉制度
主讲教师：谭军利 博士 宁夏大学土木与水利工程学院
2012年9月
内容提要
作物需水量（概念及计算方法）
作物灌溉制度（充分灌溉） 灌溉用水量 灌水率
第一节 作物需水量 为什么要学习作物需水量？？？
水资源规划和开发利用的必需资料 灌排工程规划、设计、管理的依据
农田水分消耗的途径 植株蒸腾 株间土壤蒸发 深层渗漏 田间渗漏：水稻田的渗漏
植株蒸腾和株间土壤蒸发合称为腾发，两者消耗的水量 合称为腾发量，通常把腾发量称为作物需水量。
灌溉需水量：除降雨之外而获得期望的作物产量 和品质并使作物根区保持适宜的盐分平衡所需的 灌溉水量或水深。《美国国家灌溉工程手册》P59
储水量，WT可按下式计算：
WT =667γs(H2－ H1)θ′/γw
或
WT =667 (H2－ H1)nθ
式中： H1—计划时段初计划湿润层深度， m； H2—计划时段末计划湿润层深度，m； θ— (H2-H1)深度的土层中的平均含水率， 以占孔隙率的百
分数计，一般θ<θ田； n — 土壤孔隙率，以占土体积的百分数计； θ´— 同θ，但以占干土重的百分数计；
第三节 灌水率
灌水率：灌区单位面积(例如以万亩计)上所需灌溉的
净流量q净又称灌水模数。 作用：计算灌区渠首的引水流量和灌溉渠道的设计流 量。单位：m3/(s /104×667m2 )
设计方法 ：灌水率q净应分别根据灌区各种作物的每 次灌水定额，逐一进行计算。
设灌区面积为A（亩），种有甲、乙、丙…种作物， 面积各为α1 A、 α2A、 α3A、…； α1、 α2 、α3 …分别为各种作物的种植面积占灌区面积 的百分数。
Penman-Monteith 公式估算参考作物蒸发蒸腾量， 并根据公式的要求，对参考作物蒸发蒸腾量做了新 的定义
参考作物蒸发蒸腾量：假设作物高度为0.12m，固 定的叶面阻力为70s/m，反射率为0.23，非常类似于 表面开阔、高度一致、生长旺盛、完全覆盖地面且 不缺水的绿色草地的蒸发蒸腾速率。
(4) 地下水补给量(K) 地下水补给量系指地下水借土壤毛细管作用上升至
作物根系吸水层而被作物利用的水量，其大小与地下 水埋藏深度、土壤性质、作物种类、作物需水强度、 计划湿润土层含水量等有关。
(5)由于计划湿润层增加而增加的水量(WT) 在作物生育期内计划湿润层是变化的，由于
计划湿润层增加，可利用一部分深层土壤的原有
100~160
80~130
生育期灌溉制度的制定
1）按照各地试验资料，合理写出水稻不同生长阶段 的适宜淹灌水层的上限（hmax）和下限（hmin） 2）根据生育期任何一个时段t的农田来水与耗水，用 水量平衡方法确定各时段的灌溉制度。
水量平衡方程式如下
h1 + P + m – WC – d = h2
γs 、γ水 — 分别为土壤干容重和水的容重，t／m3。
3、旱作物播前的灌水定额(M1)的确定 M1=667γsH（θmax－ θ0)/γw
H— 土壤计划湿润层深度(m)，应根据播前灌水要求决定； n— 相应于H土层内的土壤孔隙率，以占土壤体积百分数计； θmax— 一般为田间持水率，以占孔隙的百分数计； θ0— 播前H土层内的平均含水率，以占孔隙率的百分数计； θ′max、θ′0—同θmax、θ0，但以占干土重的百分数计。
干湿表常数， kPa/℃
2m高处平均 风速，m/s
(二) 实际需水量的计算
ET=Kc (ET0) Kc—作物系数。
作物需水系数Kc不仅随作物而变化，更主要的是随作 物的生育阶段而异。生育初期和末期的Kc较小，而中 期的Kc较大。
山西省冬小麦作物需水系数Kc值
生育 播种～ 越冬～ 返青～ 拔节～ 抽穗～ 灌浆～ 全生 阶段 越冬 返青 拔节 抽穗 灌浆 收获 育期 Kc 0.86 0.48 0.82 1.00 1.16 0.87 0.87
P0=P-P地
(2-15)
降雨入渗量也可用降雨入渗系数来表示：
P0=αP
(2-16)
α—降雨入渗系数，其值与一次降雨量、降雨强度、降雨延续时
间以及土壤性质、地面覆盖及地形等因素有关。
一般认为一次降雨量小于5mm时，α为0； 当一次降雨量在5～50mm时，α约为0.1.～0.8； 当次降雨量大于50mm时，α=0.7～0.8。