涇惠渠灌區不同灌水時期畦灌灌水效果分析

徐家屯，馬海姣，陳 慧，朱 艷，王云霏，蔡煥杰(西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

畦灌是大田作物廣泛采用的一種灌水方法，其灌水質量評價及合理的灌水技術參數優化組合一直是人們長期研究的重要課題[1,2]。而在冬小麥-夏玉米輪作周期內，由于土地翻耕、灌溉、降雨、農作物生長等因素作用，使得土壤入滲特性及綜合糙率系數存在著明顯的時空變異性，農業灌溉措施在這種變異條件下，其灌溉效果也必然發生較大的變化，采用相同的灌水技術參數則顯著地降低了畦灌灌溉質量[3-5]。在實際應用中，對地面灌溉灌水質量評價及灌水方案設計時，應充分考慮這種時空變異性。基于此，國內外學者對其進行了大量的研究[6-9]，取得了一定的成果，但大多數學者集中在土壤入滲特性及糙率系數的空間變異性方面的研究，較少研究夏玉米-冬小麥輪作周期內土壤的入滲特性及糙率系數的時間變異性對灌水過程及灌溉性能的影響。因此，本文以涇惠渠灌區大田試驗為基礎，分析了不同灌季條件下土壤入滲模型參數值以及田面綜合糙率系數的時間變異程度，并利用WinSRFR軟件對其影響下的灌水質量評價指標以及對灌水過程及灌水效果的影響進行了模擬分析，從而為提高農業灌溉灌水質量和灌溉水有效利用程度提供依據，達到節約用水、科學用水的目的。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

試驗在陜西省涇陽縣橋底鎮涇惠渠灌區進行，該地區土壤類型為塿土，土質為粉砂質黏壤土，試驗區面積約2 hm2。作物種植模式為夏玉米-冬小麥輪作(夏玉米種植時間為6月-10月，冬小麥種植時間為10月-6月)冬小麥種植品種為西農979，夏玉米種植品種為武科2號。畦灌試驗時間為2012年10月到2015年6月，不同灌水時期按照當地灌水經驗進行灌溉。具體試驗布設圖及指標測定方法見文獻[10]及文獻[11]。

1.2 WinSRFR軟件對灌水質量的評價

WinSRFR模型是美國水保實驗室開發的一維地面灌溉模擬模型軟件，它集地面灌溉評價、設計和模擬為一體[12]。該軟件包含零慣量模型(Zero-Ineria)和運動波模型(Kinematic-wave)。當地面坡度小于0.004時采用零慣量模型(Zero-Ineria)，大于0.004時采用運動波模型[13]。由于涇惠渠灌區畦灌試驗地塊地面坡度較小，且主要研究尾部閉合條件下的灌水質量，所以本文選用零慣量模型進行模擬分析[11]。

模型的輸入參數為：畦長L，畦寬W，畦田坡度i，畦尾開閉的狀態；入滲參數K及α，田面糙率系數n；作物需水量M，灌水流量Q，灌水時間t或改水成數等。模型輸出結果包括水流推進、消退曲線、灌水效率、儲水效率及灌水均勻度等。

1.3 灌水質量評價指標

畦灌灌水質量評價指標通常包括：灌水效率Ea、灌水均勻度Ed及儲水效率Es，各灌水質量評價指標表達式如下：

(1)

(3)

式中:Ws為灌后儲存于土壤計劃濕潤層中的水量，mm；Wf為灌入田間的總水量，mm；Zmin為田間入滲水量最少部分田塊的平均入滲水深，m；Zav為整個畦(溝)長的平均入滲深度，m；Wn為計劃濕潤層理論需水量，mm。

2 結果與分析

2.1 土壤入滲模型參數值及田面糙率系數的時間變異性

蔡煥杰等[10]根據試驗區實測的水流推進及消退數據資料，采用WinSRFR4.1對涇惠渠灌區考斯加科夫土壤入滲模型兩參數值及田面綜合糙率系數值進行了模擬優化求解，得出2013-2015年夏玉米-冬小麥輪作體系下不同灌水時期的優化參數值，為了探究夏玉米-冬小麥輪作周期內的變異特征，選取2014-2015年進行分析，如表1所示。

引入變異系數CV評價土壤入滲模型參數值及綜合糙率系數的時間變異性。當CV≤0.1時，為弱變異性；0.1

表1 涇惠渠灌區不同灌水時期入滲參數及綜合糙率系數優化值Tab.1 Soil infiltration parameters and surface roughness coefficients in different irrigation date in Jinghui Canal irrigation area

2.2 時間變異性因子對灌水質量的影響

為了探究土壤入滲參數值及田面綜合糙率系數等單個時間變異性對灌水質量的影響，本文利用WinSRFR4.1軟件對其進行模擬研究。模擬畦田長度及寬度取當地較為常見的組合，即120 m、4 m；計劃灌水定額取100 mm，改水成數為當地灌水最常用的8成改水法。采用WinSRFR4.1軟件模擬在不同時間變異性因子作用下，灌水效率Ea、儲水效率Es，灌水均勻度Ed的變化規律。模擬時控制其他灌水技術參數不變，探求單個變異性因子對灌水質量指標的影響，模擬結果如圖1所示。

圖1 不同時間變異性因子對畦灌灌水質量的影響Fig.1 Effects of different temporal variation factors on border irrigation quality

(1)入滲系數K。由圖1(a)可見，灌水效率Ea、灌水均勻度Ed和儲水效率Es均隨著入滲系數值的增大呈現先增大后減小的趨勢。其原因為入滲系數值較小時，土壤入滲速度小，水流推進速度較快，從而導致儲存在計劃濕潤層中的水量遠小于計劃灌水量，并且在畦尾部形成大量積水，深層滲漏率較大，使得畦尾入滲水量遠大于其他部分，故灌水效率Ea、灌水均勻度Ed和儲水效率Es均較低；隨著入滲系數值的增大，土壤入滲速度增大，儲存在計劃濕潤層中的水量增大，畦尾部積水逐漸減少，田面受水時間較充分且相對均勻，使得灌水效率Ea、儲水效率Es及灌水均勻度Ed增大；當入滲系數增大到一定程度時，水流推進速度變慢，使畦田上游段入滲水量過大并導致大量深層滲漏但畦尾部灌水不足，使得灌水效率Ea、灌水均勻度Ed、儲水效率Es再次降低。

(2)入滲指數α。由圖1(b)可知，灌水效率Ea隨著入滲指數的增大總體呈現增大的趨勢，灌水均勻度Ed呈現減小的趨勢，儲水效率Es呈現先不變后減小的趨勢。其原因是入滲指數較小時，水流推進慢，再加上畦田受水時間長，土壤入滲量大，使得儲存在計劃濕潤層中的水量超過計劃灌水定額，深層滲漏量較大，故儲水效率Es達到100%，灌水效率Ea較低；隨著入滲指數的增大，水流運動加快，使得深層滲漏量減少，灌水效率Ea增大，儲存在計劃濕潤層中的水分繼續減少，使得儲水效率Es不斷減小；8成改水使畦尾部一直存在積水，當計劃濕潤層中的水分不斷降低時，相應的灌水均勻度Ed也呈現出減小的趨勢。

(3)田面糙率系數n。由圖1(c)可知，灌水效率Ea隨著田面綜合糙率系數n的增大呈現減小趨勢，而灌水均勻度Ed呈現先增大后減小的趨勢，儲水效率Es呈現先增大后不變的趨勢。田面糙率系數較小時，水流推進阻力小，速度快，無深層滲漏率，故具有較高的灌水效率Ea，隨著糙率系數的增大，水流阻力變大，灌水時間增長，深層滲漏率逐漸變大，故灌水效率Ea呈減小趨勢；在較小的田面糙率情況下，容易導致畦尾部灌水不足，灌水均勻度Ed較低，當田面糙率較大時，灌水時間增長，容易導致畦尾產生積水，灌水均勻度Ed減小；同樣的，田面糙率系數小，灌水時間短，田間灌水不足，儲水效率Es低，當田面糙率系數較大時，灌水時間增大，使得儲存在計劃濕潤層中的水量遠遠大于計劃灌水定額，儲水效率Es達到100%。

2.3 土壤入滲模型參數值及糙率系數綜合時間變異性對畦灌灌水的影響

由上述分析得出，土壤入滲模型參數值及田面糙率系數等單個時間變異性因子對各灌水質量指標具有明顯的影響。在生產實踐中，土壤入滲模型參數值及田面糙率系數等因子往往是同時變化的，為了研究這種變異性對灌水質量的影響作用，有必要更深入地在入滲參數及田面糙率系數的綜合變異作用下，研究其對灌水過程及灌水質量的影響。由于田間實際灌水過程中，灌水流量很難保持一致，因此利用WinSRFR4.1對涇惠渠灌區不同灌水時期田塊畦灌過程進行模擬，模擬地塊長度為120 m，寬為4 m，地面坡度為0.003，計劃灌水定額為100 mm，采用8成改水法。圖2為2014-2015年土壤入滲模型參數值及其田面綜合糙率系數的時間變異性對畦灌水流推進、水流消退過程及土壤入滲受水時間的影響。

圖2 土壤入滲參數及田面糙率系數時間變異性對畦灌過程的影響Fig.2 Effects of Combination temporal variation factors of infiltration parameters and surface roughness coefficient on irrigation process

(1)土壤入滲參數及田面糙率系數時間變異性對畦灌過程的影響。圖2(a)～(c)反映了2014-2015年夏玉米-冬小麥輪作周期內，土壤入滲模型參數值及田間糙率系數的綜合時間變異性對水流推進時間、水流消退時間及土壤受水時間的影響。受土壤入滲參數及田面糙率系數的綜合影響，灌溉水流推進到畦尾部的時間差異較明顯，在輪作周期內不同灌水時期的推進時間值在15.6～34.3 min之間變化；水流消退時間變化在前期差異性較小，受畦尾部不同積水程度的影響，灌溉水流消退至100 m之后差異性較明顯，直至畦尾部積水消失時消退時間值在9～219.7 min之間劇烈變化；土壤受水時間即灌溉水流消退時間與推進時間的差值，受灌溉水流推進及消退過程的共同作用，輪作周期內的差異較明顯。隨著土壤入滲系數K值的增加，水流在向畦田下游推進的過程中，入滲速率變大，水流推進速度減慢，土壤受水時間減小，入滲系數K值較小時，入滲速率小，水流推進較快，同時大量灌溉水積累在畦尾，使得水流短時間內難以消退；入滲指數α增大，水流推進時，入滲速率變小，水流推進速度加快，土壤受水時間減少，同時水分入滲量減少，水流消退速度加快；隨著田面糙率系數n的增加，田面水流推進過程阻力加大，水流推進速度減慢，土壤受水時間增加，水流消退時間加大。

圖2(d)顯示了土壤入滲參數及田面糙率系數時間變異性分別對水流推進、消退過程及土壤入滲受水時間沿畦長方向各點的變異系數值的變化規律，由圖2(d)可以看出，土壤入滲參數及田面糙率系數的時間變異性對水流推進、消退過程及土壤受水時間影響的變異程度均達到了中等變異水平以上。其中，對水流消退過程及土壤入滲受水時間的變異程度較大且在畦尾部均達到了極高的變異程度。其原因主要是，在相同的單寬流量及改水成數下，不同的入滲參數及田面糙率系數的組合導致不同灌水時期土壤水分入滲不均勻性的加劇，土壤入滲參數大且田面糙率系數較大時，深層滲漏量較大，并且在畦尾部產生較多的積水，土壤入滲參數小且田面糙率系數也較小時，深層滲漏量較少甚至無深層滲漏量，畦尾部產生較少積水，從而使得這種變異程度加劇。

(2)土壤入滲參數及田面糙率系數時間變異性對畦灌質量的影響。土壤入滲參數及田面糙率系數的時間變異性對畦田水流推進、消退及土壤受水時間的影響直接導致土壤入滲水量的分布，從而直接影響到畦灌灌水質量。圖3是在相同單寬流量及改水成數下，對夏玉米-冬小麥輪作周期內不同灌水時期模擬的入滲水分在土壤中沿畦長方向的分布圖，可以較為直觀地顯示出灌溉水進入田間后沿畦長方向不同位置的水分分布狀況。在設定灌水量為100 mm的條件下，2014年11月3日以及2015年1月14日兩次灌水沿畦長方向前半段水分分布明顯不足，而在后半段又造成了較嚴重的深層滲漏；其他3次灌水則在前半段造成了嚴重的深層滲漏，后半段又明顯灌水不足。由于入滲參數值及田面綜合糙率系數的時間變異性影響，造成了畦田嚴重的灌水水量分布不均。

圖3 模擬不同灌溉時期土壤入滲水量分布圖Fig.3 Simulated distribution of infiltration water in different irrigation date

表2為2014-2015年模擬的不同灌水時期，相同單寬流量及改水成數下灌水質量指標值及統計特征值分布表。由表2可以看出，在其他條件保持一致的條件下，土壤入滲參數及田面綜合糙率系數的時間變異性對灌水質量指標值的影響較大，均呈現中等變異程度。在兩個輪作周期內，對儲水效率的影響程度均最大，極差值及變異系數值分別為46，0.24和51,0.32；對灌水均勻度及灌水效率的影響程度則相對較小，極差值及變異系數值最大分別為37和0.19。

表2 2014-2015年不同灌水時期灌水質量指標值及其統計特征值表Tab.2 Simulated values of water quality indexes and its statistical characteristic values in different irrigation date during 2014-2015

3 結 語

本文基于大田灌水試驗數據，分析了不同灌季條件下土壤入滲模型參數值以及田面綜合糙率系數的時間變異程度，并利用WinSRFR軟件對其影響下的灌水質量評價指標以及對灌水過程及灌水效果的影響進行了模擬分析，主要得到以下結論。

(1)涇惠渠灌區冬小麥-夏玉米輪作下，不同灌水時期土壤水分入滲模型系數K、入滲指數α及田面綜合糙率系數值n差異性較為顯著，變異系數值分別為0.27,0.18,0.51.均達到了中等變異程度。

(2)通過模擬比較土壤水分入滲參數值及田面糙率系數對灌水質量的影響，分析得出入滲系數、入滲指數、田面綜合糙率系數值單個時間變異性因子對灌水效率Ea、灌水均勻度Ed、儲水效率Es均有較大的影響。

(3)不同灌水時期，土壤水分入滲參數值及田面糙率系數的綜合變異性作用對畦灌水流推進、消退過程及土壤受水時間均達到了顯著性的影響。

垂向調控措施的作用區域主要在0～60 cm土層，其中，40～60 cm土層的土壤含水量及根長密度受調控影響最顯著。以灌溉水利用效率為衡量指標，來評價各處理節水效果。本研究發現，過大或過小的計劃濕潤層深度都有可能減小灌溉水利用效率，最優調控方案為：灌水下限為65%田間持水量，苗期計劃濕潤層深度為40 cm，拔節期計劃濕潤層深度為50 cm，抽穗期至成熟期的計劃濕潤層深度為60 cm。

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