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1、第三讲 灌溉排水概论,清华大学 水利系 尚松浩 Email: ,要求：,熟悉北方主要作物需水规律，掌握灌溉制度的方法 熟悉农田土壤水分特征参数及基本运动规律 掌握灌溉排水工程类型及适用条件 掌握灌溉系统（渠道、管道）的组成、渠系建筑物的分类及其作用 熟悉不同灌水方法及其技术特点 了解排水系统及特点 掌握灌溉、排水管理基本内容,参考教材,郭元裕主编. 农田水利学（第3版）. 北京：中国水利水电出版社. 1997,1 土壤水分特征参数及基本运动规律,要求：熟悉农田土壤水分特征参数及基本运动规律 主要内容： 农田土壤水分特征参数 土壤水分基本运动规律,1.1 农田水分状况与水分特征参数,农田水分状况
2、(Field water regime)： 农田中地表水、土壤水和地下水的状态、变化规律及对作物生长影响的总称 农田水分调控(Regulation of field water regime)：利用农田水利措施对农田水分状况进行调节与控制，以改善土壤中的气、热、养分状况及农田小气候，达到农业增产的目的。,土壤含水量（soil water content）：105烘干至恒重时失去的水量。以单位质量干土中水的质量或单位土壤总容 积中水的容积表示（质量含水量、体积含水量） 主要测定方法 称重法（烘干法） 核技术测量：中子仪， 射线仪 电磁测量：时域反射仪(TDR) 核磁共振测量 热脉冲测量 遥感测量
3、：大面积地表含水率,土壤水的形态与水分常数,土壤水分常数（soil water constant）：根据土壤水分形态不同而定义的土壤特征含水量，如田间持水量、凋萎系数等 田间持水量（field (moisture) capacity）：农田土壤某一深度内保持吸湿水、膜状水和毛管悬着水的最大水量 凋萎系数（wilting coefficient）：植物开始发生永久凋萎时的土壤含水率，也称凋萎含水率或萎蔫点 土壤有效含水量（available water content of soil）：土壤中能被作物吸收利用的水量，即田间持水量与凋萎系数之间的土壤含水量,土壤含水率与水分常数的应用： 估计水分对
4、植物生长的影响 计算灌溉水量 根据土壤水分的动态变化估算腾发量（地面蒸发植物蒸腾）,华北平原不同质地土壤的水分常数,1.2 土壤水分运动,入渗条件下的土壤水分运动 土壤水分再分布 蒸发条件下的土壤水分运动,1.2.1 降水/灌溉入渗,入渗：水分进入土壤的过程 入渗类型： 一维垂直入渗：降水、灌溉入渗 二维垂直、水平入渗：河道、渠道入渗 三维垂直、水平入渗：水库、湖泊入渗 入渗条件下土壤水分运动 非饱和土壤水运动 饱和非饱和土壤水运动,积水条件下的干土入渗： 分区： 饱和区 过渡区 传导区 湿润区 饱和区、过渡区 一般不存在,积水条件下的干土入渗 积水后，表土含水率很快增加到0 (s ) 地表处
5、含水率梯度由大变小，t足够大时地表含水率不变 地表入渗率逐渐减小 湿润锋不断下移，含水率变化平缓,描述土壤入渗过程的物理量： 入渗率i：单位时间内通过单位面积的入渗水量（地表水通量），mm/min, mm/h, mm/d 累积入渗量I：从入渗开始到某一时刻通过单位面积的总水量，mm i与I的关系：i(t)=dI(t)/dt,入渗过程的影响因素： 供水速率P（降水强度）、土壤入渗能力f Pf，入渗率I 取决于入渗能力f （剖面控制）， 超过f的部分产生 地表积水、径流 （超渗产流）,1.2.2 土壤水分再分布,再分布：降水、灌溉之后，水分在土壤剖面中的运动 表层水分由于蒸发、继续向下运动而减小
6、深层水分继续向下运动，湿润锋下移,1.2.3 蒸发,陆面蒸发： 土面蒸发：soil evaporation 植物蒸腾（散发）：plant transpiration 腾发（蒸散）：evapotranspiration,蒸发强度的决定性因素： 外界条件：辐射、气温、湿度、风速等气象因素决定了大气蒸发能力 水分蒸发过程中的能量供给 蒸发面水汽向大气的扩散过程 土壤条件：土壤表层的含水率状况决定了土壤供水能力 潜在蒸发强度：土壤供水充分时，由大气蒸发能力决定的最大可能蒸发强度，一般用水面蒸发强度表示,土面蒸发的阶段性(大气蒸发能力不变) 稳定蒸发阶段：AB，k；蒸发强度E0；k取决于土质和大气蒸发能
7、力，毛管破裂点（50%70%田持）,土面蒸发强度随含水率变化阶段：BC。随着含水率的降低，向表层土壤的供水减小，地表水汽压降低，蒸发强度减小 水汽扩散阶段：表土含水率很低时，形成干土层，干土层底部蒸发水汽扩散,2 作物需水量与灌溉制度,要求：熟悉北方主要作物需水规律，掌握灌溉制度的方法 主要内容： 作物需水量及其确定方法 北方主要作物需水规律 作物灌溉制度的确定方法,2.1 作物灌溉制度及其确定方法,农田水分消耗： 植株蒸腾(Transpiration) 颗间蒸发(Evaporation) 深层渗漏(Percolation) 腾发(Evapotranspiration)：蒸发蒸腾 ET 作物需
8、水量(Crop water requirement) 影响因素：气象、土壤水分状况、作物类型及生育阶段 确定方法：试验测定，计算,需水量的直接计算方法,全生育阶段：需水系数法 值法（水面蒸发）： ET=E0 ET=E0+b K值法（产量）： ET=KY ET=KYn+c 生育阶段：模系数法 ETi=Ki ET/100,根据参考作物腾发量计算ET,ETc=kc ET0 Kc：作物系数 ET0：参考作物腾发量，计算以往常用FAO（1978）的修正Penman法，最新FAO（1998）Penman-Monteith法,华北地区主要作物的作物系数：,2.2 北方主要作物需水规律,北京：,冬小麦需水强度
9、变化规律： 播种越冬（10月11月）：较小 越冬期（12月2月）：最小 返青后逐渐增大，抽穗期达到最大，此后又有所减小,2.3 作物灌溉制度的确定方法,灌溉制度：作物播种前、生育期内的灌水次数、每次灌水时间及灌水定额、灌溉定额 充分灌溉制度的确定方法： 总结群众丰产灌水经验 根据灌溉试验资料制定灌溉制度 根据水量平衡原理制定灌溉制度 非充分灌溉下的灌溉制度 经济灌溉制度：确定效益最大的灌溉定额 优化灌溉制度：灌溉水量在生育期内分配,根据水量平衡原理制定灌溉制度,旱作水量平衡：(单位：mm, m3/亩， m3/ha) Wt-W0=Wr+P0+K+M-ET W0:时段初储水量 Wt:时段末储水量
10、Wr:计划湿润层增加 而增加的水量 P0:有效降水量 K:地下水补给量 M:时段灌溉水量 ET:田间需水量,初始储水量W0 蒸发消耗至Wmin，灌水 无降水情况下： Wmin=W0-(ET-K)=W0-(e-k)t 灌水时间：t=(W0-Wmin)/(e-k) 灌水定额：m=Wmax-Wmin 降水、灌溉后： Wt=Wt+P0+M,基本资料： 土壤计划湿润层深度：与作物、生育阶段有关 土壤适宜含水率及允许最大、最小含水率 有效降水量： 地下水（深层土壤水利用量）： 由于计划湿润层增加而增加的水量,华北（北京）主要作物灌溉时期,灌溉用水量的确定： 各种作物灌溉定额、种植结构、面积 净需水量 渠系
11、利用系数 毛需水量,3 灌溉排水工程类型及适用条件,要求：掌握灌溉排水工程类型及适用条件 主要内容： 灌溉工程 排水工程,3.1 灌溉工程类型,按照水源分类： 渠灌区：以地表水为主要灌溉水源 井灌区：以地下水为主要灌溉水源 井渠结合灌区：地表水、地下水联合调度 按照输水方式分类： 渠系输水 管道输水,渠灌区：以地表水为主要灌溉水源 无坝引水：河流水位、流量能满足灌溉要求 有坝引水：河流流量满足灌溉要求，水位较低 水库取水：河流水位、流量不满足灌溉要求 抽水取水：河流水量丰富，灌区位置较高 其中前三类为自流灌区，最后一类为扬水灌区,井灌区： 垂直取水： 管井：适用于开采深层承压水、浅层水，有完整
12、井和非完整井之分 筒井：适宜于开采浅层地下水 水平采水工程： 坎儿井：新疆等干旱地区引取山前地下水 卧管井：埋设于地下水位以下的水平集水管 截潜流工程：河道渗漏，地下径流丰富 双向取水：辐射井,井渠结合灌区： 地表水、地下水联合调度，在北方水资源不足的地区有助于丰、枯水量调剂 能有效控制地下水位及土壤次生盐碱化,3.2 排水工程类型,水平排水工程： 排水沟：开挖量大，易坍、易淤、易生杂草 排水管：减少占地，利用机械化耕作，造价高 竖井排水：地下水埋深较浅，水质符合灌溉要求。井灌井排相结合，可增加灌溉水源、降低地下水位,4 灌溉系统,要求：掌握灌溉系统（渠道、管道）的组成、渠系建筑物的分类及其作
13、用 主要内容： 渠道系统 管道系统,4.1 渠道系统,渠道系统：从水源取水、通过渠道及其附属建筑物向农田供水、经由田间工程进行农田灌水的工程系统 渠道系统组成： 渠首工程 输配水工程 田间工程,灌溉渠系： 组成：由各级灌溉渠道和退水渠组成 按使用时间分类：固定渠道、临时渠道 按控制面积大小和水量分配层次分类： 干渠（总干渠、分干渠） 支渠 斗渠 农渠 毛渠：临时渠道,渠系建筑物：按作用可分为以下类型： 引水建筑物： 配水建筑物 交叉建筑物 衔接建筑物 泄水建筑物 量水建筑物,引水建筑物：,配水建筑物,分水闸：上级渠道向下级渠道分水的闸门，同时是下级渠道的进水闸。作用是控制和调节向下级渠道的配水
14、流量 节制闸：垂直渠道中心线布置，其作用是根据需要抬高上游渠道的水位或阻值渠水继续流向下游 渠道进水口渠低高程较高，进水困难，在分水口下游设节制闸 下级渠道轮灌时，在轮灌组分界处设节制闸 在泄水闸和被保护建筑物之间设节制闸,交叉建筑物,作用：穿越山岗、河沟、道路 类型： 隧洞：穿越山岗 渡槽：穿越河沟、道路，渠低高程较高 倒虹吸：穿越河沟、道路，渠低高程较低 涵洞：与道路相交，渠道水位低于路面且流量较小；与河沟相交，河沟洪水位低、流量小，排洪涵洞 桥梁：与道路相交，渠道水位低于路面且流量大、水面宽,衔接建筑物,渠道通过坡度较大的地段时，为防止渠道冲刷，保持渠道的设计比降，将渠道分为上下两段，中
15、间用衔接建筑物联结 跌水：用于跌差较小的陡坎 陡坡：用于跌差较大、地形变化均匀,泄水建筑物,作用：防止由于沿渠坡面径流汇入渠道或因下级（游）渠道事故停水而使渠道水位突然升高，进而威胁渠道安全 位置： 重要建筑物和大填方段的上游 山洪入渠处的下游 类型：溢流堰，泄水闸,量水建筑物,作用：控制和量测水量，以维持灌溉工程的正常运行，实施科学的用水管理 位置： 各级渠道进水口：量测入渠水量 末级渠道：量测进入田间水量 退水渠：量测退泄水量 类型： 量水堰（三角形、矩形、梯形薄壁堰） 巴歇尔水槽 水位流量 流速仪,4.2 管道系统,优点： 部分或全部输配水管网埋在地下，少占7%10% 耕地，提高土地利用
16、率，减少对交通和耕作影响 输水损失（蒸发、渗漏）小，节约用水，提高灌溉水利用系数 有压输水、无压输水，能满足地面灌水方法和喷灌、滴灌、微喷灌等有压灌水方法的要求 使用方便，便于控制，便于与施肥、施农药结合，便于实现自动控制 在地形复杂情况下易于布置管道 清淤工作量小，无杂草影响,组成： 首部枢纽：从水源取水，并进行处理以符合管道系统与灌溉的要求（水量、水压、水质） 输配水管网：干管、支管、毛管 环状管网：压力均匀，保证率高；管道长 树枝状管网：保证率低；管道短 混合管网 灌水器：将水均匀地分配到田间和湿润土壤的设备或装置。 滴头：滴灌 微喷头：微喷灌 渗头：渗灌,5 灌水方法,要求：熟悉不同灌水方法及其技术特点,灌水方法及其适用条件,灌水方法优缺点： 1. 水的利用率； 2. 灌水均匀性； 3. 对土壤团粒结构影响； 4. 对土壤透水性的适应性； 5. 对地形的适应性； 6. 改变空气湿度； 7. 结合施肥； 8. 结合冲洗盐碱土； 9. 基建与设备投资； 10. 平整土地的土方量； 11. 田间工程占地；
