河套灌區(qū)畦灌畦田規(guī)格對灌水效果影響的模擬分析

徐紅梅 鄭和祥

Simulation of Impact Border Sizes to Irrigation Quality in Hetao Irrigation Area

摘要： 適宜的畦田長度和畦田寬度是減小深層滲漏量、改善灌水效果、提高灌溉水利用效率的重要保證，通過激光平地和一般機(jī)械平地條件下畦灌灌水技術(shù)參數(shù)組合，對不同畦田規(guī)格與灌水效果進(jìn)行對比試驗(yàn)分析，主要結(jié)果為：得出了不同平地技術(shù)條件畦灌灌水技術(shù)參數(shù)組合對灌水均勻度和灌水效率的影響規(guī)律，確定了河套灌區(qū)不同平地技術(shù)條件下的灌水技術(shù)參數(shù)組合和適宜畦田規(guī)格；推薦的畦田長度為45～60m，畦田寬度不大于10m；由于灌區(qū)畦田入口流量較小，建議灌溉時(shí)應(yīng)采用較大的單寬流量；在畦田長度、畦田寬度、灌水定額和單寬流量等參數(shù)相同的條件下，激光平地比一般機(jī)械平地對應(yīng)的適宜畦田坡度降低顯著，降低幅度在25.0%左右，對應(yīng)的灌水效率和灌水均勻度增長3.0～6.0%。

Abstract： Suitable border length and width are to improve irrigation uniformity， reduce deep percolation of irrigation water， and are important guarantee for improving the irrigation utilization， study of technical parameters combinations of different specifications of irrigation and water-saving effect comparison test by border irrigation under different conditions. The main results are： draw a border irrigation technology parameters in different conditions the influence of a combination of irrigation efficiency， irrigation uniformity and irrigation efficiency， determine reasonable border specifications and features a combination of irrigation technology under different conditions Hetao irrigation area； its recommend the suitable border sizes is that border length control from forty-five to sixty meters， border width less than ten meters； border irrigation should try using a larger single-wide traffic in smaller irrigation furrow flow； the best slope of laser-controlled land grading procedures is laser significantly lower than conventional machine， and reduce the rate of about twenty-five percent， and irrigation uniformity is improve about three to six percent in the same parameters as irrigation quantity， single-wide， border length and width.

關(guān)鍵詞： 畦田灌溉；畦田規(guī)格；灌水質(zhì)量；灌水效率

Key words： border irrigation；border sizes；irrigation quality；irrigation efficiency

中圖分類號：S275.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）15-0011-04

0 引言

目前畦灌仍是中國最常用的灌水技術(shù)，其灌水質(zhì)量不高是大中型灌區(qū)普遍存在的問題[1-3]。灌水質(zhì)量評價(jià)是灌區(qū)灌溉管理水平的重要依據(jù)，而畦田規(guī)格是影響灌水質(zhì)量的一個(gè)重要因子。畦田規(guī)格是指畦田長度與寬度[4]。畦田寬度應(yīng)考慮當(dāng)?shù)馗鳜F(xiàn)狀和作物類型，以及畦田的入口流量等；畦田寬度過大，入口流量一定時(shí)會造成單寬流量較小，水流推進(jìn)速度較慢，畦首受水時(shí)間長，入滲量大，深層滲漏量大，造成水的浪費(fèi)，降低灌溉水的利用率；畦田寬度過小，一方面會增加畦埂的數(shù)量，增大工作量，另一方面不利于農(nóng)機(jī)具的耕作[5-7]。畦田長度與畦田坡度、灌水定額、入口流量和土壤透水性有關(guān)，畦田長度過大，水流平均推進(jìn)速度相對較慢，畦首受水時(shí)間長，畦尾受水時(shí)間短，深層滲漏量大，灌水效率和灌水均勻度均較低；畦田長度過小，不利于耕作且增大了工作量[8-9]。

河套灌區(qū)是中國最大的自流灌區(qū)，傳統(tǒng)的畦灌仍是其最主要的灌水方式，目前畦田田塊的大小多以責(zé)任田塊為單位，田塊規(guī)格不統(tǒng)一，面積多在1334～2001m2，亂串灌現(xiàn)象嚴(yán)重，灌水質(zhì)量不高[10]。為提高灌區(qū)灌溉水利用效率，保證節(jié)水改造的順利進(jìn)行，須對現(xiàn)有田塊進(jìn)行改造。本文主要針對不同畦田規(guī)格與節(jié)水效果對比進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

內(nèi)蒙古河套灌區(qū)是國家重要的商品糧油基地，其南臨黃河，北靠陰山，西至烏蘭布和沙漠，東至包頭市，總面積105.3萬ha；灌區(qū)土壤肥沃，以鹽漬化淺色草甸土和鹽土為主。河套灌區(qū)屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候，熱量充足，降水稀少，年平均降水量僅130～250mm；而年平均蒸發(fā)量達(dá)2000～2400mm；全年日照充足，達(dá)3100～3200h，大于10℃積溫2700～3200℃；無霜期120～150d。灌區(qū)灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)展歷史悠久，作物種類較多，主要有玉米、小麥、葵花、甜菜、胡麻、瓜果、蔬菜等。灌區(qū)地形平坦，西南高，東北低，海拔1007～1050m，坡度很小，多在0.125～0.2‰。灌區(qū)渠系系統(tǒng)較為完善，設(shè)七級渠道， 即總干、 干、 分干、 支、 斗、 農(nóng)、 毛等七級渠系?，F(xiàn)共有干渠13條，分干渠40條，支渠222條，斗渠1056條、 農(nóng)、毛渠19375條，各級渠道總長度16800km。

試驗(yàn)區(qū)選定在內(nèi)蒙古河套灌區(qū)代表性地區(qū)，位于臨河區(qū)永剛分干渠；試驗(yàn)在小麥田中進(jìn)行，灌溉方式為畦灌。試驗(yàn)區(qū)渠道坡度小，流速低，多數(shù)畦田的入口流量在0.0150 m3/s～0.0300m3/s。

1.2 試驗(yàn)品種

田間試驗(yàn)作物采用目前內(nèi)蒙古河套灌區(qū)使用的常規(guī)品種小麥永良4號，該小麥品種產(chǎn)量高，品質(zhì)好，在河套灌區(qū)代表性較好，生育期115天左右。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)河套灌區(qū)臨河區(qū)的生產(chǎn)實(shí)際以及畦田參數(shù)對灌水質(zhì)量影響的研究成果，對不同畦田長度和畦田寬度進(jìn)行不同組合灌溉模擬，以找出適合的畦田規(guī)格。根據(jù)當(dāng)?shù)貦C(jī)耕、播種機(jī)和收割機(jī)等主要農(nóng)機(jī)具的規(guī)格，畦田寬度應(yīng)設(shè)置為2.5m的整數(shù)倍，模擬灌溉組合設(shè)計(jì)見表1。

模擬時(shí)采用的具體參數(shù)根據(jù)河套灌區(qū)代表性畦田得出的各最優(yōu)參數(shù)選定。模擬時(shí)田面平整精度選用一般機(jī)械平地的一般效果時(shí)的平整精度5.0cm；灌水量取灌溉需水量60mm；田面糙率取中值0.15，入滲系數(shù)和入滲指數(shù)選用河套灌區(qū)代表性畦塊的實(shí)測數(shù)據(jù)，各田面參數(shù)見表2。若采用激光平地其平整精度采用1.50cm；灌溉需水量取60mm；田面糙率取中值0.12，入滲系數(shù)和入滲指數(shù)選用灌區(qū)代表性畦田的實(shí)測數(shù)據(jù)，各選定田面參數(shù)見表2。

該地區(qū)最大入口流量一般不超過0.0300m3/s，設(shè)計(jì)畦田寬度為5.0m時(shí)模擬的單寬流量分別取2.0、4.0和6.0 L·s-1·m-1；設(shè)計(jì)畦田寬度為7.5m時(shí)的模擬的單寬流量分別取2.0、3.0和4.0L·s-1·m-1；隨著畦田寬度的增大，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際測定，當(dāng)畦田寬度為10.0和12.5m的畦田，應(yīng)采用較大的入口流量，因此在試驗(yàn)?zāi)M時(shí)，根據(jù)最大入口流量和畦田寬度協(xié)同確定畦田寬度為10.0m時(shí)的單寬流量取3.0L·s-1·m-1；畦田寬度為12.5m時(shí)的單寬流量取2.4 L·s-1·m-1；通過反復(fù)模擬得到對應(yīng)單寬流量時(shí)的適宜畦田坡度。

1.4 試驗(yàn)方法

采用SIRMOD模型模擬和實(shí)測數(shù)據(jù)對比驗(yàn)證的方法進(jìn)行分析，該模型原理為水動力守恒，灌溉水運(yùn)移區(qū)域包括3部分：小麥根層區(qū)、未滲到根層區(qū)和深層滲漏區(qū)[5-6]。未滲到根層區(qū)是檢驗(yàn)田尾灌水是否滿足計(jì)劃濕潤層要求，當(dāng)未滲到根層區(qū)趨近于零，同時(shí)深層滲漏區(qū)較小時(shí)，認(rèn)為是最優(yōu)的灌水方案，借助SIRMOD模型對應(yīng)得出適宜的灌水參數(shù)。

畦田長度按式（1）確定：

式中m為灌水定額（mm）；L為畦田長度（m）；q為入口流量（L·s-1·m-1）；t為灌水時(shí)間（s）。

2 結(jié)果與分析

根據(jù)已有畦田灌溉研究成果，不同的畦田規(guī)格對應(yīng)于不同的適宜畦田坡度，模擬中在其它畦田參數(shù)不變的情況下，依據(jù)畦田規(guī)格不同的設(shè)計(jì)方案反復(fù)調(diào)整畦田坡度，分別開展灌溉模擬，激光平地和一般機(jī)械平地模擬結(jié)果分別見表3和表4，表中位不同畦田規(guī)格適宜畦田坡度時(shí)的灌水均勻度和灌水效率。

根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際畦田灌溉為封閉狀態(tài)，無畦尾排水，當(dāng)實(shí)際灌水定額恰好為理論灌溉需水量時(shí)，灌水效率和儲水效率達(dá)到一致，本研究中不同參數(shù)組合對儲水效率的影響規(guī)律與對灌水效率影響具有類似的結(jié)果。

2.1 一般機(jī)械平地模擬結(jié)果分析

通過一般機(jī)械平地模擬結(jié)果研究得出：

①在畦田長度、畦田寬度和灌水定額等相同的條件下，隨著畦田灌溉單寬流量的增大，適宜畦田坡度逐漸減小，對應(yīng)適宜畦田坡度時(shí)的灌水均勻度和灌水效率逐漸提高。以畦田長度為30m、畦田寬度為5.0m的畦田為例分析，當(dāng)單寬流量由2.0L·s-1·m-1增加到4.0L·s-1·m-1，再增加到6.0L·s-1·m-1時(shí)，適宜畦田坡度則由2.15‰分別降低至1.60‰和1.20‰，相應(yīng)的灌水均勻度由92.49%分別增大至93.33%和94.36%，灌水效率由93.13%分別增大至95.28%和96.05%。因此，河套灌區(qū)畦田灌溉時(shí)建議采用較大的單寬流量，其一方面可以提高灌水效果，另一方面可以減小畦田坡度，有效降低土地平整工程量。

②在畦田寬度、灌水量和單寬流量等相同的情況下，隨著畦田長度的增大，適宜畦田坡度也逐漸增大，對應(yīng)適宜畦田坡度時(shí)的灌水均勻度和灌水效率逐漸減小。以單寬流量為2.0L·s-1·m-1、畦田寬度為5.0m、畦田長度分別為30m、45m、60m和75m為例分析，隨著畦田長度的增大，適宜畦田坡度由2.15‰分別提高至2.30‰、2.45‰和2.60‰，相應(yīng)的灌水均勻度由92.49%分別減小至91.60%、89.39%和85.47%，灌水效率由93.13%分別減小至92.42%、90.22%和86.27%。分析得出若畦田長度過大，不但降低了灌水效果，而且增大了畦田坡度。根據(jù)灌溉模擬結(jié)果，另一方面當(dāng)畦田長度過小時(shí)不利于農(nóng)田耕作，由此建議該區(qū)域的畦田長度控制在45～60m，該結(jié)果與目前灌區(qū)現(xiàn)狀基本一致。

③在畦田長度、單寬流量和灌水定額等相同的條件下，隨著畦田寬度的增大，適宜畦田坡度基本相同，而對應(yīng)適宜畦田坡度時(shí)的灌水均勻度和灌水效率均逐漸減小。以畦田長度為30m、單寬流量為4.0L·s-1·m-1的畦田為例研究得出：當(dāng)畦田寬度由5.0m提高到7.5m時(shí)，適宜畦田坡度均為1.60‰，但灌水均勻度由93.33%減小至92.41%，灌水效率由95.28%減小至94.29%；以畦田長度為75m、畦田寬度為5.0m、單寬流量為3.0L·s-1·m-1的畦田為例研究得出：當(dāng)畦田寬度由7.5m提高至10.0m時(shí)，適宜畦田坡度均為2.20‰，而灌水均勻度由85.82%減小至84.11%，灌水效率由86.91%減小至85.79%。由此分析得出畦田寬度對灌水效果的影響較大，建議畦田長度為45～60m的條件下，畦田寬度應(yīng)不大于10m。

2.2 激光平地模擬結(jié)果分析

根據(jù)模擬分析結(jié)果得出：激光平地的畦田長度、畦田寬度對灌水效果的影響與一般機(jī)械平地的影響規(guī)律基本一致，差異主要是采用激光平地在單寬流量、畦田長度、畦田寬度和灌水定額等參數(shù)相同的情況下，相應(yīng)的適宜畦田坡度顯著降低，對應(yīng)的灌水均勻度和灌水效率明顯提高。以畦田長度為45m、畦田寬度為5.0m、單寬流量為4.0L·s-1·m-1的畦田為例分析采用激光平地和一般機(jī)械平地的差異，前者的適宜畦田坡度比前者減小了23.53%，而對應(yīng)的灌水均勻度和灌水效率分別由94.13%、92.48%提高到96.85%、96.81%。

尤其是當(dāng)單寬流量較小時(shí)，適宜畦田坡度降低最顯著，灌水效果提高最明顯。通過不同畦田長度和畦田寬度組合的模擬結(jié)果，若采用激光平地，畦田長度在45～60m，畦田寬度不大于10m時(shí)，可獲得良好的灌水效果。

綜上所述：適宜的單寬流量、畦田長度和畦田寬度是提高灌水質(zhì)量，減小深層滲漏量，提高灌溉水利用效率的重要保證。由此得出，畦灌采用適宜的單寬流量、畦田長度和畦田寬度對提高灌水質(zhì)量具有重要作用。畦灌適宜的灌水技術(shù)參數(shù)組合是長期以來研究的難點(diǎn)問題，本文通過不同條件下畦灌灌水技術(shù)參數(shù)組合，對其灌水效果的影響規(guī)律進(jìn)行了模擬分析，得出不同條件畦灌灌水技術(shù)參數(shù)組合對灌水均勻度和灌水效率的影響規(guī)律，確定了河套灌區(qū)不同平地技術(shù)條件下適宜的畦田規(guī)格和灌水技術(shù)參數(shù)組合。

3 結(jié)論

①通過分別對激光平地和一般機(jī)械平地不斷調(diào)整畦田坡度進(jìn)行灌溉模擬，分析給出了不同參數(shù)時(shí)各畦田規(guī)格的適宜畦田坡度；并根據(jù)模擬結(jié)果得出適宜的畦田長度為45～60m，畦田寬度不大于10m。②內(nèi)蒙古河套灌區(qū)畦田灌溉入口流量普遍較小，建議灌溉時(shí)應(yīng)采用較大的單寬流量，一方面可以提高灌水效果，另一方面可以減小畦田坡度，降低土地平整工程量。③激光平地與一般機(jī)械平地在畦田長度、畦田寬度對灌水質(zhì)量的影響規(guī)律基本相同，但采用激光平地效果更為顯著時(shí)，在畦田長度、畦田寬度、灌水定額和單寬流量等相同的條件下，對應(yīng)的適宜畦田坡度降低顯著，降低幅度在25.0%左右，對應(yīng)的灌水效率和灌水均勻度增長3.0～6.0%。

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