《灌溉排水工程學(xué)》教學(xué)用課件-第一章

1、第一章 農(nóng)田灌溉原理,第一節(jié) 農(nóng)田土壤水分狀況,農(nóng)田水分,,地面水地下水土壤水,,,,,土壤水是作物生長(zhǎng)環(huán)境的核心,一、農(nóng)田土壤水分存在的基本形式,土壤水分,,固態(tài)：在土壤凍結(jié)時(shí)存在汽態(tài)：存在于未被水分占據(jù)的土壤空隙液態(tài)：,,吸著水：不能被利用，其上限（最大分子持水率）以下的水分為無(wú)效水。毛管水：田間持水率和無(wú)效水之間的水，容易為農(nóng)作物利用，稱為有效水。重力水：如地下水位高，停留在根系層的重力水影響土壤的通氣，這部分水

2、稱為過剩水。,田間持水率：灌水兩天后土壤所能保持的含水率，它是重力水和毛管水、有效水分和過剩水分的分界線。,二、作物生長(zhǎng)對(duì)農(nóng)田水分狀況的要求,水對(duì)作物的生長(zhǎng)的影響：（1）水是作為進(jìn)行光合作用、制造有機(jī)物的原料；（2）水使作物保持正常、穩(wěn)定狀態(tài)；（3）水是作物營(yíng)養(yǎng)元素、礦物質(zhì)的載體；（4）水分是作物細(xì)胞原生質(zhì)的重要成分；（5）水分可以調(diào)節(jié)作物體溫。,1、旱作物對(duì)農(nóng)田水分狀況的要求 地面水

3、 地下水,,,根系吸水層的土壤水分,,農(nóng)作物,地表積水 地下水位到達(dá)根系吸水層 毛管水最容易被旱作物吸收,,引起水澇災(zāi)害,,影響土壤的通氣,,,旱作物根系吸水層的允許平均最大含水率為根系吸水層的田間持水率,干旱,,大氣干旱土壤干旱生理干旱,,,土壤溶液濃度不超過作物在各個(gè)生育期所容許的最高值是確定根系吸水層的土壤最低含水率的個(gè)重要指標(biāo)。以鹽漬土為例：,θmin：為按鹽類溶液濃度要求所規(guī)定的最小含水

4、率結(jié)論：旱作物根系吸水層含水率 最大：田間持水率 最小：作物適宜的土壤含水率下限,2、水稻地區(qū)的農(nóng)田水分狀況要求 水稻喜濕好水,,田間經(jīng)常需要水層,生理上要求土壤水分達(dá)到飽和（除萌芽和成熟期）,,,水稻的灌溉以保證田間有適宜的淺水層,適宜的淺水層,,為水分、養(yǎng)分的供應(yīng)提供良好條件調(diào)節(jié)和改善水稻生長(zhǎng)環(huán)境條件,水層的適宜深度：由作物品種、生育階段、自然環(huán)境、人為條件由經(jīng)驗(yàn)來(lái)決

5、定。,三、農(nóng)田土壤水分運(yùn)動(dòng),1、土壤水分運(yùn)動(dòng)基本方程非飽和土壤水流動(dòng)空間中點(diǎn)(x,y,z)上取單元體(dx, dy,dz),由達(dá)西定律知x,y,z軸向的水流通量為,k(θ) 土壤的非飽和導(dǎo)水率,分別為x、 y、 z方向的水勢(shì)梯度,dt時(shí)間內(nèi)，流人和流出單元體的土壤水分質(zhì)量差總計(jì)為,dt時(shí)間內(nèi)單元體內(nèi)土壤水分質(zhì)量的變化量為,由質(zhì)量守恒定律知兩者在數(shù)值上相等，即：,將（1—2）式代入（1—4），得：,即為非飽和土壤水運(yùn)動(dòng)的基本方程式。

6、,D(θ)稱為擴(kuò)散度，表示單位含水率梯度下通過單位面積的土壤水流量。,則非飽和土壤水運(yùn)動(dòng)方程又可寫為,式中：C(h)=dθ／d h表示壓力水頭減少一個(gè)單位時(shí)，單位體積土壤中所能釋放出來(lái)的水體積，其量綱為[ L-1 ]，稱為容水度或比水容量，它是土壤水分特征曲線上的斜率。,2、入滲條件下土壤水運(yùn)動(dòng)（1）入滲過程的一般規(guī)律,入滲前θ0很小，地面初始入滲速度i 1很大，短時(shí)間內(nèi)就接近飽和含水率θs,,見圖1-3。隨時(shí)間的延長(zhǎng)，入滲路徑的加

7、大，入滲速度i t不斷減小，最后趨于i f，即接近該土壤的滲透系數(shù)K。通常用入滲速度i t和累積滲水量I與時(shí)間t的關(guān)系曲線描述入滲規(guī)律。,（2）入滲量的計(jì)算：采用公式計(jì)算入滲速度i t和入滲量I1）考斯加可夫公式,式中：i t是任一時(shí)間的入滲速度，以單位時(shí)間滲入土壤的水層厚度(mm／min或cm/h)計(jì)；i 1是第一單位時(shí)間末的人滲速度；t為人滲別間(min或h)；α為經(jīng)驗(yàn)指數(shù),決定于土壤性質(zhì)和初始合水牟,α =0.3-0.8,—般土

8、壤取0.5。,將實(shí)驗(yàn)資料I、t按時(shí)序求出i=△I／△t，取lg i及1g t，點(diǎn)繪于雙對(duì)數(shù)紙上，可擬合成一條直線，如圖1—5所示。,由于（lg i1-lg i2）/ （lg t1-lg t2）=-t gθ=-α即α為擬合直線與橫軸的夾角的正切值擬和直線與縱軸的截距即為l g i1則累積入滲量I與入滲時(shí)間t的關(guān)系,式中i 0為第一單位時(shí)間內(nèi)土壤滲吸的平均速度用式（1—10） I,,t,2) 菲利普入滲公式,式中：S為滲吸系數(shù)，

9、i f 為穩(wěn)定入滲速度[ i f =i (∞)],3、蒸發(fā)條件下土壤水分運(yùn)動(dòng)（1）無(wú)地下水位補(bǔ)給條件下的土壤水分蒸發(fā)當(dāng)?shù)叵滤惠^深時(shí)，上層土壤的含水率可以看作不受地下水補(bǔ)給的影響。蒸發(fā)過程可以分為三個(gè)階段：第一階段：穩(wěn)定蒸發(fā)階段：指灌水、降雨入滲剛結(jié)束，土壤含水量高，向上輸送水分的能力強(qiáng)，此時(shí)土壤水分的蒸發(fā)強(qiáng)度 ε主要取決于大氣的蒸發(fā)力，其接近于水面蒸發(fā)強(qiáng)度，與土壤含水率無(wú)關(guān)，當(dāng)土壤含水率降至某一臨界值θk，時(shí)，穩(wěn)定蒸

10、發(fā)階段結(jié)束，該階段又稱為大氣蒸發(fā)力控制階段。,第二階段：開始于土壤含水率減少到θ=θk 時(shí)，由于土壤含水率降低，土壤向上輸送水分的能力減弱，土壤水分的蒸發(fā)強(qiáng)度取決于大氣蒸發(fā)力與土壤向上輸送水分能力二者的制約關(guān)系。該階段的土壤水蒸發(fā)強(qiáng)度隨含水率減小而逐漸減小，所以稱為蒸發(fā)強(qiáng)度遞減階段。該階段土壤蒸發(fā)強(qiáng)度ε由下式計(jì)算； ε =（aθ+b）E0 (1 ——17

11、 )式中：a、b：與土壤性質(zhì)有關(guān)的兩個(gè)系數(shù) E0 ：水面蒸發(fā)強(qiáng)度。,第三階段：當(dāng)?shù)乇硗寥篮屎艿蜁r(shí)，表土輸水能力較弱，地表形成一干土層。干土層下的水分向上運(yùn)移至于土層底部時(shí)，以水汽擴(kuò)散的形式穿過干土層進(jìn)人大氣，此時(shí)蒸發(fā)強(qiáng)度不僅取決于干土層厚度，而且取決于干土層內(nèi)水汽擴(kuò)散的能力。三個(gè)階段的劃分只具有相對(duì)意義，事實(shí)上整個(gè)蒸發(fā)過程的蒸發(fā)強(qiáng)度都是隨外界蒸發(fā)力和土壤輸水能力而變化。,（2

12、）地下水補(bǔ)給條件下的蒸發(fā)若地下水埋藏較淺，表土蒸發(fā)消耗的水分在毛管力的作用下有地下水補(bǔ)給。如果外界蒸發(fā)力不隨時(shí)間而變，土壤水分蒸發(fā)強(qiáng)度與地下水向上補(bǔ)給的通量處于相對(duì)平衡狀態(tài)，就形成穩(wěn)定蒸發(fā)。,四、土壤—植物—大氣連續(xù)體水分運(yùn)移（SPAC）,土壤 （S） 水分連續(xù)體 大氣（A）

13、 植物（P）,,,,應(yīng)用統(tǒng)一的能量指標(biāo)“水勢(shì)”來(lái)定量研究整個(gè)系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)能量水平的變化：,Rsr、Rrl、Rla:分別為土壤水分通過土壤到達(dá)根表皮，由根表皮到達(dá)葉面，由葉面到達(dá)空氣中各段路徑的水流阻力。,五、農(nóng)田土壤水調(diào)控,1、農(nóng)田水分不足的原因及調(diào)節(jié)措施農(nóng)田水分不足的原因：（1）降雨量不足；（2）降雨入滲量少，徑流損失較多；（3）土壤保水能力差，滲漏及蒸發(fā)損失水量過大。

14、調(diào)節(jié)措施：（1）灌溉：播前和生育期灌溉、儲(chǔ)水灌溉及其它灌溉；（2）改善土壤結(jié)構(gòu)：提高透水性、蓄水性。,2、農(nóng)田水分過多的原因、災(zāi)害及其調(diào)節(jié)措施農(nóng)田水分過多的原因（1）大氣降水過多 （2）低洼地區(qū)積水（3）地下水位過高 （4）排水不暢災(zāi)害類型：洪災(zāi)：河水泛濫 澇災(zāi)：積水難排 漬害：土壤過濕 次生鹽堿化：地下水位高、蒸發(fā)強(qiáng)調(diào)節(jié)措施：（1）截流

15、 （2）排出地表水（3）降低地下水位 （4）排除根系層過多水分（5）改善土壤性能可將農(nóng)田水分過多部分積蓄以用于灌溉。,第二節(jié) 作物需水量與灌溉制度,一、作物需水量及影響因素農(nóng)田水分消耗,,作物根系吸水，也稱植株蒸騰①植株間水分蒸發(fā)，也稱棵間蒸發(fā)②滲漏③,,深層滲漏：旱作物田間滲漏：水稻,作物需水量：是指生長(zhǎng)在大面積上的無(wú)病蟲害作物，在最佳水、肥等土壤條件和生長(zhǎng)環(huán)境中，取得高產(chǎn)

16、潛力所需滿足的植株蒸騰①和棵間蒸發(fā)②之和，又稱為作物蒸發(fā)蒸騰量。蒸發(fā)蒸騰量與滲漏量之和(① +② +③)統(tǒng)稱為農(nóng)田耗水量。,影響作物需水量的因素因素,,自然因素：氣象條件、土壤特征、作物性狀等人為因素：農(nóng)田灌排措施、農(nóng)業(yè)耕作措施等,作物需水量的特點(diǎn)：（1）作物種類不同對(duì)水分要求不同（2）同一作物不同生育階段對(duì)水分要求不同（3）地區(qū)自然條件不同作物需水量不同（4）農(nóng)業(yè)技術(shù)措施不同，作物需水情況不同階段需水模數(shù)：作物各生育階

17、段的需水量占全生育期總需水量的百分?jǐn)?shù)。日需水量：作物每日所需水量。作物的日需水量和階段需水模數(shù)，是制定灌溉制度和合理用水的重要依據(jù)。,二、作物需水量計(jì)算兩類計(jì)算方法： 1、直接計(jì)算出作物需水量的方法； 2、基于參照作物蒸發(fā)蒸騰量的半經(jīng)驗(yàn)方法。1、直接計(jì)算需水量的方法（1）α值法：以水面蒸發(fā)為參數(shù)的需水量計(jì)算法式中：ET 為某時(shí)段內(nèi)的作物需水量，以水層深度mm計(jì)；E0為與ET 同時(shí)段的水面蒸發(fā)量，以水層深

18、度mm計(jì)。,,一般而言，水稻比旱作物更適用α值法。,（2）K 值法：以產(chǎn)量為參數(shù)的需水量計(jì)算法,式中：ET 為作物全生育期內(nèi)總需水量(mm或m3／hm2)； Y 為作物單位面積產(chǎn)量(kg/hm2 )；K 代表單位產(chǎn)量的需水量（m3/kg）。K 、 n、c由實(shí)驗(yàn)確定。K 值法主要用于計(jì)算旱作物的需水量。,（3）以多因素為參數(shù)：

19、 以模比系數(shù)法為例：估算作物各生育階段的需水量，先確定全生育期作物需水量，然后按照各生育階段需水規(guī)律，以一定比例進(jìn)行分配，即式中：ETi 某一生育階段作物需水量；K i 為某階段需水模系數(shù)，可以從試驗(yàn)資料中取得。,2、基于參照作物蒸發(fā)蒸騰量的作物需水量計(jì)算方法理論、實(shí)驗(yàn)證明：①土壤水分充足，氣象條件是影響需水量的主要因素；②土壤水分不足，各因素對(duì)需水量都有較大影響。參照作物需水量ET0：指的是土壤水分充足，地面完全覆蓋

20、、生長(zhǎng)正常、高矮整齊的開闊(長(zhǎng)、寬均在200m以上)綠草地(高3~15cm)的蒸發(fā)蒸騰量。參照作物需水量只受氣象條件的影響。目前采用的計(jì)算作物需水量方法，大致分為以下兩步：第一步：考慮氣象因素對(duì)作物需水量的影響，計(jì)算參照作物蒸發(fā)蒸騰量ET0 ；第二步：考慮土壤水分及作物條件的影響，對(duì)參照作物需水量進(jìn)行調(diào)整或修正，從而計(jì)算出實(shí)際需水量ET 。,第一步：參照作物需水量ET0 的計(jì)算1）布萊尼一克萊多法：,式中：ET0：考慮

21、月份的參照作物蒸發(fā)蒸騰量(mm／d)；T ：月平均氣溫(℃)； C ：修正系數(shù)；P ：各月晝長(zhǎng)時(shí)間占全年晝長(zhǎng)時(shí)間百分?jǐn)?shù)。,2）以輻射為參數(shù)的計(jì)算方法,式中：ET0 : 計(jì)算時(shí)段內(nèi)參照作物蒸發(fā)蒸騰量(mm/d)；RS : 計(jì)算時(shí)段內(nèi)太陽(yáng)輻射，以等效水面蒸發(fā)量計(jì)(mm/d);W : 取決于日平均溫度與高程的權(quán)重系數(shù)；c ：取決于平均相對(duì)濕度與白天風(fēng)速的修正系數(shù)。,第二步：實(shí)際作物需水量ET 的計(jì)算

22、ET0 的計(jì)算只考慮了氣象因素對(duì)需水量的影響，實(shí)際作物需水量ET 還應(yīng)考慮作物與土壤因素進(jìn)行修正。1）土壤水分充足：,Kc ： 作物系數(shù)，與作物種類、品種、生育期、作物群體葉面積有關(guān)。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，作物系數(shù)Kc 在作物全生育期內(nèi)的變化規(guī)律是：前期和后期相對(duì)較小，生長(zhǎng)盛期較大。實(shí)際作物的需水量與參考作物需水量?jī)烧呤軞庀笠蛩氐挠绊懢哂型叫缘?。因此，此時(shí)作物需水量可由參照作物蒸發(fā)蒸騰量乘以作物系數(shù)得到。,2）土壤水分不足土壤含水率對(duì)

23、作物蒸發(fā)蒸騰的影響可分為兩個(gè)階段：第一階段：土壤含水率高時(shí)，導(dǎo)水率大，土壤水分向根系及地表移動(dòng)的速度足以滿足作物蒸發(fā)蒸騰所耗水分。第二階段：當(dāng)土壤含水率低于一定的臨界含水率，向根系供水的速度不能滿足作物蒸騰的要求。土壤水分不足時(shí)的作物需水量可由土壤水分充足時(shí)的作物需水量乘以土壤水分修正系數(shù)而得到，即：,KW ：土壤水分修正系數(shù)；AW ：相對(duì)有效含水率，,θp、θf(wàn)分別為凋萎系數(shù)和田間持水率。,三、農(nóng)作物的灌溉制度農(nóng)作物的

24、灌溉制度：是指旱作物播種前(或水田栽秧前)及全生育期內(nèi)的灌水次數(shù)，每次灌水的灌水日期、灌水定額以及灌溉定額。灌水定額：是指一次灌水單位面積上的灌水量。灌溉定額：農(nóng)作物在全生育期各次灌水定額之和。以m3／hm2或mm表示，它是灌區(qū)規(guī)劃及管理的依據(jù)。灌溉制度的3種確定方法：（1）根據(jù)群眾豐產(chǎn)灌水經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定；（2）根據(jù)灌溉實(shí)驗(yàn)資料來(lái)確定；（3）按水量平衡原理分析、確定。生產(chǎn)實(shí)踐中，第3種方法結(jié)合第1、2種方法的實(shí)際資料，

25、得出的制度比較完善，以水稻和旱作物為例進(jìn)行介紹：,1、水稻的灌溉制度（1）泡水定額：泡田期的灌溉用水量M1 (m3/hm2或mm) ：,,,式中：a1:插秧時(shí)田面所需的水層深度(cm)；S1:泡田期的滲漏量，開始泡田到插秧期間的總滲漏量mm;t1:泡田期的天數(shù)； e1:t1時(shí)期內(nèi)田面平均蒸發(fā)強(qiáng)度(mm/d); P1 : t1時(shí)期內(nèi)的降雨量(mm)；,（2）水稻生育期內(nèi)灌溉制度：水量平衡方程,h1: 時(shí)段初田面水層深度；h2

26、：時(shí)段末田面水層深度；P ：時(shí)段內(nèi)降雨量；m：時(shí)段內(nèi)的灌水量； E ：時(shí)段內(nèi)田間耗水量；c：時(shí)段內(nèi)排水量，式中各式均以mm計(jì)。,如果時(shí)段初的農(nóng)田水分處于適宜水層上限(hmax)，經(jīng)過一個(gè)時(shí)段的消耗,田面水層降到適宜水層的下限(hmin)，這時(shí)如果沒有降雨，則需進(jìn)行灌溉，灌水定額即為：,任意時(shí)段農(nóng)田水分變化圖解：1、在時(shí)段初A點(diǎn)，水田應(yīng)按① 線耗水，至B點(diǎn)田面水層降至適宜水層下限，即需要灌水，灌水定額為m ;2、如果時(shí)段內(nèi)有降雨

27、P，則在降雨后，田面水層回升降雨深P，再按②線耗水至C點(diǎn)時(shí)進(jìn)行灌溉；3、如降雨P(guān) ’很大，田間水面超過最大蓄水深度Hp,多余水需要排除,排水量為 c，然后按③線耗水至D點(diǎn)時(shí)進(jìn)行灌溉。 根據(jù)上述原理可知，當(dāng)確定了各生育階段的適宜水層 h max、h min、H p 以及階段需水強(qiáng)度e i, ，可用圖解法推求水稻灌溉制度。,2、旱作物的灌溉制度采用水量平衡制定旱作物的灌溉制度，以作物主要根系吸水層作為灌水的

28、土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層(H)，并要求該土層內(nèi)的儲(chǔ)水量能保持在作物所要求的范圍內(nèi)。(1)土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層的水量平衡方程,式中；w0、wt ：時(shí)段初和任意時(shí)間t土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層內(nèi)的儲(chǔ)水量；wT ：由于計(jì)劃濕潤(rùn)層增加而增加的水量；P0 ：土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層內(nèi)保存的有效雨量；K ：時(shí)段t內(nèi)的地下水補(bǔ)給量，即K=kt，k為t時(shí)段內(nèi)平均每晝夜地下水補(bǔ)給量；M：時(shí)段t內(nèi)的灌溉水量；ET :時(shí)段t內(nèi)的作物田間需水量，即ET =et , e為t時(shí)段內(nèi)平均每

29、晝夜的作物田間需水量。,根據(jù)作物正常生長(zhǎng)對(duì)農(nóng)田水分狀況的要求，任一時(shí)段內(nèi)土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層內(nèi)的儲(chǔ)水量Wt 應(yīng)滿足： w min≤ wt ≤w max W min ：作物允許的最小儲(chǔ)水量 W max ：作物允許的最大儲(chǔ)水量式（1—35）中有關(guān)參數(shù)的確定：1）土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層深度（H ）:系指計(jì)劃調(diào)節(jié)控制土壤水分狀況的土層深度，與作物品種、種類、發(fā)育階段、土壤性質(zhì)以及

30、地下水埋深等因素有關(guān)。2)土壤適宜含水率θ適及允許最大θ max、最小含水率θ min:θ適通過試驗(yàn)或由生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定。 土壤含水率θ應(yīng)滿足 θ min ≤ θ ≤ θ max θ max：以灌水不造成深層滲漏為原則，取田間持水率θ f θ min：土壤允許最小含水率,應(yīng)大于凋萎系數(shù),取0.6θf(wàn),3)有效降雨量(P0 )：,式中：σ：降雨有效利用系數(shù)，其值采用σ＝0.7~0.9； P：實(shí)際降雨

31、量。,4)地下水補(bǔ)給量( K )：指地下水借土壤毛細(xì)管作用上升至作物根系吸水層內(nèi)而被作物所利用的水量，與作物種類、作物需水強(qiáng)度、計(jì)劃濕潤(rùn)層含水量等有關(guān)。,5)由于計(jì)劃濕潤(rùn)層增加而增加的水量(wt):,式中:H1、 H2 ：計(jì)算時(shí)段初、末計(jì)劃濕潤(rùn)層深度(mm) ; A: 土壤空隙率 , 以占土體積的％計(jì) ; θ:(H2~H1)深度內(nèi)土層中的平均含水率,以占孔隙率的％。,若某時(shí)段內(nèi)沒有水的補(bǔ)給，其水量平衡方程為：,W min :土壤

32、計(jì)劃濕潤(rùn)層內(nèi)允許最小儲(chǔ)水量(m3/hm2或mm)則由上式可推出距離下次灌水時(shí)間間隔t :,相應(yīng)的灌水定額m：,上述（1— 40）~（1— 42）式可用土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層（H）內(nèi)儲(chǔ)水量的變化示意圖來(lái)表示。得出上述數(shù)據(jù)后，可以確定旱作物播前灌水定額和生育期的灌溉制度。,（2）旱作物播前灌水定額（M 1 ）的確定,式中：θ0：播前H土層內(nèi)的平均含水率，以占孔隙率的％計(jì)。,（3）根據(jù)水量平衡，采用圖解法擬定早作物生育期的灌溉制度的步驟：1）根

33、據(jù)各旬計(jì)劃濕潤(rùn)層深度H 和作物所要求的計(jì)劃濕潤(rùn)層內(nèi)土壤含水率的上限θ max和下限θ min，求出H土層內(nèi)允許儲(chǔ)水量上限W max（7）曲線及下限W min（6）曲線(W max=A H θ max, W min=A H θ min) ,繪于圖1— 12上； 2)繪制作物田間需水量(ET )（1）累積曲線、由于計(jì)劃濕潤(rùn)層加大而獲得的水量(WT )（3）累積曲線、地下水補(bǔ)給量(K )（4）累積曲線以及凈耗水量(ET- WT- K）（1-

34、3- 4）累積曲線；,3)由設(shè)計(jì)年各時(shí)段降雨量求出滲人土壤的有效降雨量P0 （2）逐時(shí)段繪于上；4)自作物生長(zhǎng)初期土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層儲(chǔ)水量w0，逐旬減去(ET- WT- K)值，即自A點(diǎn)引直線平行于(ET- WT- K)曲線，當(dāng)遇有降雨時(shí)再加上有效降雨量P0 ，即得計(jì)劃濕潤(rùn)土層實(shí)際儲(chǔ)水量(W )(5)曲線；5)當(dāng)w 曲線接近干w min時(shí)，即進(jìn)行灌水，灌水定額值也同有效降雨量P0一樣加在w 曲線上；6)如此繼續(xù)進(jìn)行，即可得到

35、全生育期的各次灌水定額、灌水時(shí)間和灌水次數(shù)。 7)全生育期灌溉定額， ，m i為各次灌水定額。 8)播前灌水定額M 1加上全生育期灌溉定額M 2,即得旱作物的總灌溉定額M，即,第三節(jié) 非充分灌溉原理與作物水分生產(chǎn)函數(shù),一、非充分灌溉原理的理論基礎(chǔ)按照傳統(tǒng)的灌溉理論，農(nóng)田灌溉以某一定作物獲得單位面積產(chǎn)量最高為工程設(shè)計(jì)的基本役則，即滿足農(nóng)田充分灌溉。隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展，全社會(huì)對(duì)水資源的需要不斷增長(zhǎng)，

36、不得不從根本上探討水資源的最合理利用方式，著重提高水的有效利用率，即產(chǎn)生了非充分灌溉理論。,作物水分生產(chǎn)函數(shù)的邊際分析： 1）Y-W 線的拐點(diǎn)A0左邊(階段1)，d y /d w逐步增大：表明產(chǎn)量的增加幅度大于投入量增加幅度； 2）Y-W 線的拐點(diǎn)A0右邊(階段2)，d y /d w逐步減?。罕砻鳟a(chǎn)量的增加幅度小于投入量增加幅度，即“報(bào)酬遞減”。

37、 結(jié)論：在水資源不足的情況下，從優(yōu)化用水的角度看，應(yīng)該首先考慮水的利用效率。,二、水分虧缺對(duì)作物的影響及其判別指標(biāo)作物生長(zhǎng)與土壤、大氣環(huán)境中的諸多因素有關(guān)，某因素的量值小于作物生長(zhǎng)允許的下限值，則稱該因素處于虧缺狀態(tài)。在所有環(huán)境因素虧缺中，水分的虧缺對(duì)作物的影響最明顯。水分虧缺分為土壤水分虧缺和作物水分虧缺兩種。1、土壤水分虧缺及其原因 直接原因：是由于

38、供給土壤的水分和作物的蒸發(fā)蒸騰不平衡所引起的。土壤供水不足緣于以下兒方面：第一、作物生長(zhǎng)某階段缺少灌溉；第二、土壤供水能力差，原有的儲(chǔ)水不足；第三、干旱并且降水少，而土壤耗水大。,土壤水分虧缺是從土壤水分供需平衡狀況來(lái)反映的，土壤水分虧缺常用下式表示：,式中：SWD : 指某時(shí)段的土壤水分虧缺量(mm)； S : 作物根系吸水量(mm) ； E : 棵間蒸發(fā)量(mm) ； P

39、 : 有效降水量(mm)； G : 地下水補(bǔ)給量(mm)； I : 有效灌水量(mm)；SWG ：土壤有效儲(chǔ)水量(mm)。只有當(dāng)土壤水分虧缺SWD 超過一定數(shù)值時(shí)，才會(huì)對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生不利影響，此種現(xiàn)象就稱為土壤水分的脅迫現(xiàn)象。,2、作物水分虧缺及其原因一般情況下，當(dāng)作物植株的蒸騰失水超過作物根系吸水時(shí)，造成植物細(xì)胞體內(nèi)儲(chǔ)水量減少，葉水勢(shì)降低，此現(xiàn)象即為作物水分虧缺。作物水分虧缺指標(biāo)常用下

40、式表示：,式中： T：作物植株正常生長(zhǎng)發(fā)育條件下的蒸騰量(mm)； S ：根系實(shí)際吸水量(mm) 。 只有當(dāng)作物水分虧缺CWD 超過一定數(shù)值時(shí)，才會(huì)對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生不利影響，此種現(xiàn)象

41、就稱為作物水分的脅迫現(xiàn)象。產(chǎn)生作物水分脅迫的臨界水分虧缺值決定于作物的種類、生長(zhǎng)階段及氣象等因素。,3、水分虧缺對(duì)作物生長(zhǎng)的影響 （1）水分虧缺對(duì)作物生理過程的影響水分虧缺對(duì)作物生理過程的影響表現(xiàn)在5方面，較為明顯的是抑制作物器官和個(gè)體的生長(zhǎng)發(fā)育。 （2）水分虧缺對(duì)作物干物質(zhì)累積和產(chǎn)量的影響最終結(jié)果是導(dǎo)致作物干物質(zhì)累積和產(chǎn)量的降低，其影響程度取決于水分虧缺的程度及發(fā)生水分虧缺的時(shí)間。通常把水分虧缺對(duì)作物產(chǎn)量影響最敏感、

42、最嚴(yán)重的生育時(shí)期稱為作物需水關(guān)鍵期。大多數(shù)作物的需水關(guān)鍵期出現(xiàn)在從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)到生殖生長(zhǎng)的過渡階段。在灌溉水量有限條件下，首先應(yīng)保證作物需水關(guān)鍵期的水分供應(yīng)，把該時(shí)期的水分脅迫減少到最低程度——即：有限的水量分配時(shí)，應(yīng)優(yōu)先保證需水關(guān)鍵期的水分供應(yīng)。,（3）水分虧缺對(duì)作物的有益作用適度的水分虧缺有益于提高作物產(chǎn)量和改善果實(shí)品質(zhì)，目前采用的調(diào)虧灌水技術(shù)，就是利用適度水分虧缺對(duì)作物有益作用的特點(diǎn)，在作物生長(zhǎng)發(fā)育的某些時(shí)期人為造成一

43、定程度的水分虧缺，以影響光合產(chǎn)物向不向組織器官分配的傾斜，從而獲得提高產(chǎn)量而舍棄營(yíng)養(yǎng)器官的生長(zhǎng)量和有機(jī)合成物質(zhì)的總量。4、作物水分虧缺的判別指標(biāo)(1)判別作物水分虧缺狀況的土壤水分指標(biāo)土壤水分指標(biāo)常用以下幾種方法判別：1）土壤含水率指標(biāo)法當(dāng)土壤含水率接近凋萎系數(shù)時(shí)，作物嚴(yán)重受旱；當(dāng)土壤含水率界于調(diào)萎系數(shù)與作物生長(zhǎng)阻滯含水率之間，作物將處于中度受旱或輕度受旱狀態(tài)；當(dāng)土壤含水率界于作物生長(zhǎng)阻滯含水率與田間持水率之間時(shí)

44、，作物生長(zhǎng)正常；,2)土壤相對(duì)有效含水率指標(biāo)法即用相對(duì)有效含水率來(lái)反映作物受旱情況：,θ: 根系活動(dòng)層的平均土壤含水率 θ f : 土壤田間持水率； θ w p: 凋萎

45、系數(shù)。 3)旱澇指數(shù)法旱澇指數(shù)是反映土壤水分平衡狀況的指標(biāo), 計(jì)算公式為：,E T m+ Wm /W p：需水量，P+R+W0/WP：實(shí)際供水量。一般來(lái)說(shuō)：當(dāng)D ＜0.5時(shí)，作物受旱；當(dāng)D＝0.5~0.8時(shí)，作物受輕旱；當(dāng)0.8＜D ≤1.3時(shí)，作物處于適宜生長(zhǎng)階段；當(dāng)D＞1.3時(shí), 作物受澇。,（

46、2）作物水分虧缺狀況判別的水分生理指標(biāo)作物水分生理特征是反映作物水分虧缺狀況直接的指標(biāo)。1）葉水勢(shì)：葉水勢(shì)隨土壤含水量的不斷減少而下降。2）氣孔開度：在一定范圍內(nèi)，氣孔開度隨土壤可吸水量的增加而上升，當(dāng)土壤可吸水量達(dá)到某一臨界值以后，氣孔開度不再升。根據(jù)作物品種、生長(zhǎng)發(fā)育期、土壤特性等條件的不同，測(cè)定作物當(dāng)時(shí)的氣孔開張度的數(shù)值，就可以判定作物是否受旱。 3）細(xì)胞液濃度：在干旱缺水條件下，作物吸水困難，葉片組織的細(xì)胞液濃

47、度相應(yīng)提高，因此可用細(xì)胞液濃度來(lái)判別作物是否受旱。,（3）評(píng)價(jià)作物水分狀況的葉溫指標(biāo)通常在灌溉用水中用冠層整體的溫度來(lái)作為植物水分狀況的評(píng)價(jià)指標(biāo)，作為植物水分虧缺狀況的指標(biāo)有如下幾種： 1)溫度脅迫指標(biāo)：指缺水與不缺水時(shí)的冠層溫度的差值。若其差值超過1.0℃，說(shuō)明作物開始受旱，就需要灌水； 2)日缺水度S DD：指作物冠層溫度T C與氣溫T a的差值：,S DD：反映土壤水分條件、作物受旱程度、產(chǎn)量水平。 3)水分脅

48、迫指標(biāo)C WSI：在生產(chǎn)實(shí)踐中常用相對(duì)蒸發(fā)蒸騰量的減少來(lái)表示作物水分脅迫狀況，即,式中： E Ta為作物的實(shí)際蒸發(fā)蒸騰速率(mm/d)；E Tm為充分供水時(shí)的潛在蒸發(fā)蒸騰速率(mm/d)。CWSI ＝0時(shí)，充分供水； CWSI ＝1時(shí)，作物蒸騰停止，嚴(yán)重缺水。,三、作物水分生產(chǎn)函數(shù) 是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平基本一致的條件下，作物所消耗

49、的水資源量與作物產(chǎn)量之間的關(guān)系。1、以全生育期蒸發(fā)蒸騰量為變量的水分生產(chǎn)函數(shù)模型,式中： ET、ETm：作物全生育期內(nèi)的實(shí)際和最大蒸發(fā)蒸騰量。2、以生育階段蒸發(fā)蒸騰量為變量的水分生產(chǎn)函數(shù)模型 （1）相加模型,式中：λk 為在生育階段k作物對(duì)水分虧缺的敏感因子；

50、 n 為生育階段數(shù)。,（2）相乘模型當(dāng)作物在某個(gè)生育階段受旱而死亡絕產(chǎn)的情況下仍能由相加算模型算出產(chǎn)量，相乘模型則在一定程度上克服了此缺陷，代表的相乘模型有：,通常情況下，作物在關(guān)鍵需水期，其敏感指數(shù)大于其它非關(guān)鍵需水期的敏感指數(shù)。,四、非充分灌溉條件下作物的灌溉制度非充分灌溉制度：就是在有限灌溉水量條件下，為獲取最佳的產(chǎn)量目標(biāo)，對(duì)作物灌水時(shí)間和灌水定額進(jìn)行最優(yōu)分配的灌溉制度。即解決好什么時(shí)候灌水、各次灌水

51、如何分配有限水量的問題。在實(shí)踐上就是如何灌好“關(guān)鍵水” ，在理論上就是以水分生產(chǎn)函數(shù)為依據(jù)、制定出優(yōu)化灌溉制度。1、優(yōu)化灌溉制度的確定方法 (1)目標(biāo)：以單位面積產(chǎn)量最大目標(biāo)；(2)階段：以作物生育階段為階段變量；(3)狀態(tài)變量：①旱作物：為各階段初可供水量及計(jì)劃濕潤(rùn)層內(nèi)可供作物利用的土壤含水量；②水稻：為各階段初可供水量及初始田面蓄水深度；,(4)決策變量：各生育階段的實(shí)際灌水量及實(shí)際蒸發(fā)蒸騰量(5)策略：各階段

52、決策組成全過程的策略，即最優(yōu)灌溉制度2、優(yōu)化灌溉制度設(shè)計(jì)事例(1)目標(biāo)函數(shù)：以單位面積產(chǎn)量最大為目標(biāo)，用Jensen模型,(2)約束條件1)決策約束：,式中：d i為i階段的灌水量(m3/hm2)；q i為i階段初始單位面積可供水量(m3)；M 為全生育期單位面積作物總可供水量(m3)；ET min, i和ET max, i分別為i階段的最小與最大蒸發(fā)蒸騰量(m3/hm2)。,2)土壤含水率約束：,式中：

53、 θi: i 階段含水率； θwp、θf(wàn)：凋萎系數(shù)、田間持水率，以體積為百比計(jì)。(3)初始條件1)第一階段初土壤可利用水量,2)第一階段初可用的灌溉水量,式

54、中：M 0為第一階段灌溉定額上限,(4)狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程1)計(jì)劃濕潤(rùn)層土壤水量平衡方程,2)水量分配方程,(5)遞推方程：兩個(gè)狀態(tài)變量(qi,w i)，相應(yīng)有兩個(gè)遞推方程：,式中： R i(qi,di)：i階段qi狀態(tài)下作出決策di得到i階段的效益，

55、,：余留階段的最大總效益,R i (w i, E T i )：狀態(tài)w i下，作出決策ET i所得i階段的效益，,：余留階段的最大總效益。,根據(jù)動(dòng)態(tài)規(guī)劃逐次漸近法求解。由中等水文年冬小麥優(yōu)化灌溉制度表可以看出：從營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段到生殖生長(zhǎng)階段，灌溉對(duì)作物的產(chǎn)量影響較大。,第四節(jié) 灌溉用水量與灌水率,一、灌溉用水量是指某一灌溉面積上需要水源供給的總灌溉水量。1、某一具體年份灌區(qū)灌溉用水量及用水過程線的確定i種作物的某次灌水，田間凈灌溉用水

56、量M 凈i用下式計(jì)算,式中： ωi : 第i種作物的灌溉面積(hm2)； m i : 第i種作物某次灌水的灌水定額(m3/hm2);M 凈=∑M 凈i :求得典型年全灌區(qū)凈灌溉用水量過程線2、多年灌溉用水量的確定按上述第1步逐年推求，即得多年灌溉用水量。3、灌溉用水量頻率曲線及應(yīng)用由第2步求得多年的灌溉用水量系列之后，可以應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理求得年灌溉用水量的理論頻率曲線。,二、灌水率：指灌區(qū)單位面積上所需灌溉的凈流量

57、qd：,式中；T ki , qk , di, m ki ：分別為第i種作物第i次灌水的灌水延續(xù)時(shí)間(d)、灌水率、灌水定額(m3/hm2)。由公式看出Tki,與qk,di成反比，灌水延續(xù)時(shí)間的長(zhǎng)短必須根據(jù)具體情況進(jìn)行綜合分析確定。確定了設(shè)計(jì)灌水率，就可以推算渠首引水流量。通?？上柔槍?duì)某一設(shè)計(jì)代表年計(jì)算出灌區(qū)各種作物每次灌水的灌水率，并將其繪成直方圖稱為灌水率圖。,經(jīng)測(cè)定某灌區(qū)土壤干容重為1.41g/cm3，田間持水率為23%（重