畦灌技術(shù)研究進(jìn)展

闞常慶，廖梓龍，龍胤慧，2

（1.河北工程大學(xué)水電學(xué)院，河北邯鄲056021；2.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，呼和浩特010020；3.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院研究生部，北京100048）

畦灌是我國(guó)傳統(tǒng)的一種灌溉方式，也是目前大部分灌區(qū)地面灌溉的主要方式。畦灌是指用土埂將耕地分割成長(zhǎng)條形的畦田，將灌溉水流通過(guò)畦田形成薄水層，在灌溉水流推進(jìn)的過(guò)程中，借助重力作用沿畦長(zhǎng)方向及土壤吸附力濕潤(rùn)土壤［1］。

1 畦灌

畦灌是我國(guó)北方地區(qū)目前最主要和使用最廣泛的灌水方式之一，與微、噴灌等壓力灌溉技術(shù)相比，具有田間工程設(shè)施簡(jiǎn)單、運(yùn)行成本低、易于實(shí)施等優(yōu)點(diǎn)，但畦灌和溝灌同時(shí)存在田間水浪費(fèi)嚴(yán)重和田間灌水效率低等缺點(diǎn)。

畦田根據(jù)地形可以分為順畦和橫畦。通常沿地面最大坡度方向布置的畦田，叫順畦。順畦水流條件好，適于地面坡度為0.001～0.003的畦田。在地形平坦地區(qū)，有時(shí)也采用平行等高線方向布置的畦田（即橫坡向布置），稱為橫畦。因水流條件較差，橫畦畦田一般較短。

從理論上講，畦田灌溉為一維垂直非飽和土壤水運(yùn)動(dòng)，主要適用于窄行距密植作物或撒播作物，如小麥、谷子、花生等，在蔬菜、牧草和苗圃的灌溉中也常采用。

2 畦灌技術(shù)

畦田灌水技術(shù)主要包括：畦田規(guī)格、入畦單寬流量、綜合糙率、改水成數(shù)、水肥耦合等要素。其選擇對(duì)保證適時(shí)適量灌水、濕度均勻一致十分重要。

2.1 畦田規(guī)格

畦田規(guī)格包括：畦田長(zhǎng)度、畦田寬度、畦梗高度。主要受供水情況、土壤質(zhì)地、地形坡度、土地平整等狀況的影響。

2.1.1 畦田長(zhǎng)度

畦田長(zhǎng)度取決于地面坡度、土壤透水性、入畦流量及土地平整程度。

當(dāng)土壤透水性強(qiáng)、地面坡度小且土地平整差、入畦流量?。ㄈ缇r(shí)，畦田宜短些；反之，畦田宜長(zhǎng)些。若畦田愈長(zhǎng)，則灌水定額愈大，土地平整工作量愈大，灌水質(zhì)量愈難以掌握。我國(guó)大部分渠灌區(qū)畦田長(zhǎng)度在30～100m。在井灌區(qū)，由于水源流量所限，畦長(zhǎng)一般較短，通常在20～30m。

2.1.2 畦田寬度

與地形、土壤、入畦流量大小有關(guān)，同時(shí)還要考慮機(jī)械耕作的要求。

在土壤透水性好、地面坡度大、土地平整差時(shí)，畦田寬度宜小些，反之宜大些。通常畦愈寬，灌水定額愈大，灌水質(zhì)量愈難掌握。畦寬應(yīng)按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)機(jī)具寬度的整倍數(shù)確定。畦田寬度一般為2～3m，最大不超過(guò)4m。

2.1.3 畦埂高度

一般為10～15cm，以不跑水為宜，是畦灌管理中很重要的一項(xiàng)。

2.2 入畦單寬流量

入畦單寬流量是指每米畦寬入畦流量，常用單位為L(zhǎng)/s·m。入畦單寬流量的大小，取決于地面坡度及土壤透水性。地面坡度小，土壤透水性大，入畦單寬流量要大一些；反之，入畦單寬流量要小些。一般根據(jù)土壤質(zhì)地確定入畦單寬流量，其標(biāo)準(zhǔn)為：輕質(zhì)土2～4L/s·m，重質(zhì)土1～3L/s·m。

入畦單寬流量的大小及土壤的滲水能力決定著灌水的均勻性，不合理的流量常使畦首與畦尾所入滲的水量出現(xiàn)較大的差異。當(dāng)流量較小時(shí)，有時(shí)甚至水層還未抵達(dá)末端，應(yīng)灌水量即已大部分滲入首端和中部；而當(dāng)流量較大時(shí)，則可能導(dǎo)致畦田尾端水層停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，滲水量過(guò)大。王維漢等對(duì)灌水質(zhì)量進(jìn)行了敏感性分析，結(jié)果表明單寬流量并非越大越好［2］。

入畦單寬流量的大小還直接影響著田間入滲的空間變異，白美健等建立了二維畦灌數(shù)值模擬模型，分析了入滲空間變異對(duì)畦灌性能的影響，研究結(jié)果表明入滲空間變異越強(qiáng)畦灌質(zhì)量越差［3］。

2.3 綜合糙率

畦田上的水流阻力不僅受到田面自身的粗糙程度制約，還受到種植制度、農(nóng)田耕作、作物覆蓋程度等影響［4］，因此，通常將田面水流運(yùn)動(dòng)阻力的影響用“綜合糙率”來(lái)描述。

試驗(yàn)實(shí)測(cè)法和模型反求法是目前研究畦田土壤糙率的兩種主要方法。試驗(yàn)實(shí)測(cè)法是指采用水力學(xué)方法計(jì)算入畦單寬流量、畦田水面深度、坡度等測(cè)定值來(lái)確定綜合糙率；而模型反求法是通過(guò)不斷調(diào)整水量平衡模型、零慣量模型等的相關(guān)系數(shù)，使模擬的水流推進(jìn)和消退過(guò)程與實(shí)測(cè)過(guò)程達(dá)到最佳匹配，進(jìn)而計(jì)算糙率系數(shù)［5-7］。

但在實(shí)際灌溉工程中，不可忽略糙率系數(shù)的差異性［8］。為了獲得較好的畦灌模擬效果，需要采用各向異性糙率描述畦灌地表水流運(yùn)動(dòng)過(guò)程［9］。

2.4 改水成數(shù)

在實(shí)際地面灌溉設(shè)計(jì)與管理中，改水成數(shù)的控制誤差不可忽略。周蘭香等通過(guò)對(duì)畦灌的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，改水成數(shù)對(duì)灌水質(zhì)量的影響很大［10］。王維漢等對(duì)畦灌改水程度的影響進(jìn)行深入研究，結(jié)果表明改水成數(shù)控制誤差具有較強(qiáng)的變異性，改水成數(shù)對(duì)灌水均勻度的影響大于灌水效率，而較大的單寬流量有助于減小改水成數(shù)的控制誤差對(duì)灌水質(zhì)量的影響［11］。

2.5 水肥耦合

水肥耦合是影響畦灌效果的關(guān)鍵因子。白美健等對(duì)不同入畦單寬流量和施肥量下冬小麥田土壤水氮空間分布狀況及變化趨勢(shì)開(kāi)展研究，結(jié)果表明入畦流量和施肥量對(duì)作物有效根系層土壤水氮貯存效率和均勻度影響較為明顯，高施肥大流量下作物有效根系層土壤水氮貯存效率及其沿畦長(zhǎng)分布均勻性明顯高于低施肥小流量下的相應(yīng)值［12-13］。采用較大流量和全程施肥的畦灌施肥模式，可為作物高效吸收利用水肥提供相對(duì)均布的土壤水氮狀態(tài)［14］。

3 水平畦灌

水平畦灌是畦灌的一種新技術(shù)，其特點(diǎn)是畦灌面積大，最大的可超過(guò)8893m2。這種灌溉方法的特點(diǎn)是灌水快、不產(chǎn)生徑流、深層滲漏小，還可以攔截部分降雨，其田間水利用系數(shù)可達(dá)到0.9。張愛(ài)萍等以石羊河流域?yàn)槔⒘?種常用的土壤入滲Collis-George模型與修正的Kostiakov模型，結(jié)果表明水平畦灌技術(shù)具有良好的灌溉效果［15］。此外，李益農(nóng)等在開(kāi)展激光控制土地精細(xì)平整技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，對(duì)影響水平畦灌質(zhì)量的灌水技術(shù)要素進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，給出適宜水平畦田灌溉方法應(yīng)用的田間技術(shù)參數(shù)組合方式［16］，結(jié)果表明畦灌系統(tǒng)性能和作物產(chǎn)量隨田面平整狀況的改善而明顯提高［17］。

4 畦灌流動(dòng)模擬

模擬畦灌流動(dòng)過(guò)程常用的數(shù)學(xué)模擬方法有水量平衡模型、完全水動(dòng)力學(xué)模型、零慣性量模型、運(yùn)動(dòng)波模型等。

4.1 水量平衡模型

水量平衡模型的原理是，假設(shè)畦田水面深度不變，并忽略蒸發(fā)損失，依據(jù)質(zhì)量守恒原理，輸入畦田的總水量等于畦灌入滲量與畦田表層匯水量的總和。1938年，Lewis和Milne教授首先應(yīng)用水量平衡方程模擬畦灌的水流推進(jìn)過(guò)程［18］，因原理簡(jiǎn)單、計(jì)算過(guò)程方便，水量平衡模型得到了廣泛的應(yīng)用［19］，但模型計(jì)算結(jié)果的精度還不足以滿足實(shí)際工作的需求。

4.2 完全水動(dòng)力學(xué)模型

完全水動(dòng)力學(xué)模型的原理，是根據(jù)質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒的基本思想，建立灌水田塊內(nèi)水流的流速、水深（或流量）及截面面積之間滿足圣維南方程的水力關(guān)系。完全水動(dòng)力學(xué)模型的解決最早是由Kruger針對(duì)畦灌問(wèn)題提出的［20］，隨后Walker、Bassett等采用完全水動(dòng)力學(xué)模型研究畦灌水流運(yùn)動(dòng)，但模擬結(jié)果不夠理想，因?yàn)檫@些研究中只考慮了空間的變化，而沒(méi)有考慮時(shí)間變化對(duì)水流運(yùn)動(dòng)的影響［21-23］。Singh、劉鈺等應(yīng)用完全水動(dòng)力學(xué)模型研究了畦灌，模擬了畦灌水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律，得出了進(jìn)水距離和退水距離與時(shí)間的變化關(guān)系曲線，與田間試驗(yàn)對(duì)比，其模擬精度較高［24-26］。

完全水動(dòng)力學(xué)模型具有完善理論和較強(qiáng)的實(shí)用性，其計(jì)算過(guò)程穩(wěn)定、計(jì)算結(jié)果精度較高，但在實(shí)際應(yīng)用中，該模型求解過(guò)程復(fù)雜。

4.3 零慣性量模型

針對(duì)完全水動(dòng)力學(xué)模型求解過(guò)程復(fù)雜的缺點(diǎn)，Strelkoff和Katapodes在前人的研究基礎(chǔ)上，通過(guò)改進(jìn)和簡(jiǎn)化完全水動(dòng)力學(xué)模型得到零慣性量模型［27-28］，Souza證明該模型雖經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化，但在一般情況下均可適用研究畦灌的水流運(yùn)動(dòng)過(guò)程［29］。1983年，Oweis提出了一個(gè)能模擬連續(xù)流畦灌過(guò)程的線性零慣量模型［30］。零慣量模型的求解方法可分為數(shù)值法［27-29］和解析法［31-32］兩類。在國(guó)內(nèi)，零慣量模型的應(yīng)用研究也相繼完善［33］。

零慣性量模型簡(jiǎn)化了大部分的計(jì)算過(guò)程，且計(jì)算時(shí)間較快，計(jì)算精度高，具有廣泛的應(yīng)用前景。但該模型適用條件為田面坡度較小，進(jìn)入田間水流的加速度較小時(shí)的地面水流運(yùn)動(dòng)模擬。

4.4 運(yùn)動(dòng)波模型

運(yùn)動(dòng)波模型是研究長(zhǎng)距離河流洪水運(yùn)動(dòng)的預(yù)報(bào)問(wèn)題時(shí)首先提出的，該模型是基于連續(xù)原理和均勻流假定基礎(chǔ)上建立的，經(jīng)修正后首先用于畦灌水流運(yùn)動(dòng)，方程基本形式是將圣維南方程組中的能量方程用均勻流方程代替［34］。Singh將該模型與零慣量模型進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)兩者具有較好的一致性，且均與田間試驗(yàn)結(jié)果吻合較好［35］。

由于在水流推進(jìn)過(guò)程中，不涉及水流剖面形狀，因此該模型適用于畦田坡面呈水平或近于水平狀態(tài)，且畦尾無(wú)擋水邊界、水流可以自由出流的水流運(yùn)動(dòng)，然而在其他坡面條件下，模型模擬結(jié)果的精度較差。

4.5 其他模型

章少輝等將遺傳算法與地面灌溉一維模型相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)畦灌土壤入滲參數(shù)與田間面糙率系數(shù)優(yōu)化反演過(guò)程的自動(dòng)化運(yùn)作［36］。此外，章少輝等學(xué)者還建立了基于混合數(shù)值解法的畦灌模型［37-39］。王維漢等根據(jù)地表水深與離畦首的距離之間的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，采用線性回歸法估算出了土壤入滲參數(shù)［40］。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）如何準(zhǔn)確確定畦灌的各參數(shù)仍是一個(gè)需要繼續(xù)深入研究的問(wèn)題，不同條件下地面灌溉地表水流推進(jìn)、灌溉水分入滲機(jī)理和入滲規(guī)律及其對(duì)灌水質(zhì)量的影響等相關(guān)研究將是畦灌理論下一步研究的重點(diǎn)。

（2）模擬畦灌流動(dòng)過(guò)程的模型有很多，但在實(shí)際過(guò)程中，還存在很大的局限性和盲目性，畦灌模型的優(yōu)化不僅需要統(tǒng)籌考慮各技術(shù)要素取值的精確性，還要深入分析各要素的相互作用關(guān)系，在短時(shí)間內(nèi)快速得出灌水技術(shù)要素的優(yōu)化組合，為具體實(shí)施試驗(yàn)方案提供可靠的依據(jù)。

（3）需要建立完善的畦灌評(píng)價(jià)體系，并深入研究不同條件下，畦灌的適應(yīng)條件及與其他灌溉技術(shù)的相互優(yōu)化組合，為改進(jìn)和完善現(xiàn)有地面節(jié)水灌溉技術(shù)提供理論和技術(shù)支持。

［1］全國(guó)節(jié)約用水辦公室.全國(guó)節(jié)水規(guī)劃綱要及其研究［M］.南京:河海大學(xué)出版社，2002.

［2］王維漢，繳錫云，彭世彰，等.基于穩(wěn)健設(shè)計(jì)理論的畦灌質(zhì)量敏感性分析［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，11（26）:37-41.

［3］白美健，許迪，李益農(nóng).不同微地形條件下入滲空間變異對(duì)畦灌性能影響分析［J］.水利學(xué)報(bào)，2010，6（41）:732-737.

［4］郭旭新，汪有科，吳普特，等.秸稈覆蓋對(duì)畦灌及冬小麥生長(zhǎng)發(fā)育的影響［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38（24）:12988-12990.

［5］李力，沈冰.不同地表狀況耕地的田面糙率研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24（4）:72-75.

［6］Fang X.Yu，Singh，V.P.Analytical model for border irrigation［J］.Journal of Irrig.and Drain.Eng.ASCE.1989，115（6）:982-999.

［7］王文焰，費(fèi)良軍，汪志榮，等.渾水波涌灌溉的節(jié)水機(jī)理與效果［J］.水利學(xué)報(bào)，2001（5）:5-10.

［8］王維漢，繳錫云，朱艷，等.畦灌糙率系數(shù)的變異規(guī)律及其對(duì)灌水質(zhì)量的影響［J］.中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，25（6）:288-293.

［9］章少輝，許迪，李益農(nóng)，等.基于畦面糙率各向異性的畦灌地表水流運(yùn)動(dòng)模型及其驗(yàn)證［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，11（27）:183-187.

［10］周蘭香，周振民.畦灌灌水技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［J］.灌溉排水，1993，12（3）:27-30.

［11］王維漢，繳錫云，朱艷，等.畦灌改水成數(shù)的控制誤差及其對(duì)灌水質(zhì)量的影響［J］.中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2010，26（2）:291-294.

［12］白美健，許迪，李益農(nóng).冬小麥表施肥素畦灌下土壤水氮分布試驗(yàn)研究［J］.水利學(xué)報(bào)，2010，10（41）:1254-1257.

［13］梁艷萍，許迪，李益農(nóng)，等.冬小麥不要畦灌施肥模式水氮分布田間試驗(yàn)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，3（25）:22-26.

［14］梁艷萍，許迪，李益農(nóng)，等.畦灌施肥模式對(duì)土壤水氮時(shí)空分布的影響［J］.水利學(xué)報(bào)，2008，11（39）:1221-1229.

［15］張愛(ài)萍，張永明.基于精細(xì)水平畦灌技術(shù)的土壤入滲模型建立:以石羊河流域?yàn)槔跩］.節(jié)水灌溉，2011（9）:39-42.

［16］李益農(nóng)，許迪，李福祥.影響水平畦田灌溉質(zhì)量的灌水技術(shù)要素分析［J］.灌溉排水，2001（4）:10-14.

［17］李益農(nóng)，許迪，李福祥.田面平整精度對(duì)畦灌性能和作物產(chǎn)量影響的實(shí)驗(yàn)研究［J］.水利學(xué)報(bào)，2000（12）:82-86.

［18］Lewis M.R.，Milne W.E.Analysis of border irrigation［J］.Agric.Eng.，1938（19）:267-272.

［19］聶衛(wèi)波.畦溝灌溉水流動(dòng)模型與數(shù)值模擬研究［D］.楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué)，2009.

［20］Kruger W.E.，Bassett D.L.Unsteady flow of water over a porous bed having constant infiltration［J］.Trans.ASAE.，1965，8（1）:60-62.

［21］Walker W.R.，Skogerboe G.V.Surface irrigation:Theory and practice［M］.Prentice-Hall Inc，New Jersey，1968.

［22］Bassett D.L.Mathematical model of water advance in border irrigation［J］.Trans.ASAE.，1972，15（5）:992-995.

［23］Bassett D.L.，F(xiàn)itzsimmons D.W.Simulation over land flow in border irrigation［J］.Trans.ASAE.，1976，19（4）:674-680.

［24］Singh V.，Murty S.B.Complete Hydrodynamic Border-Strip Irrigation Model［J］.Journal of Irrig.And Drain.Eng.ASCE.，1996，122（4）:189-197.

［25］劉鈺，惠士博.畦灌最優(yōu)灌水技術(shù)參數(shù)組合的確定［J］.水利學(xué)報(bào)，1986（1）:1-10.

［26］劉鈺.畦田水流運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型及數(shù)值計(jì)算［J］.水利學(xué)報(bào)，1987（2）:1-10.

［27］Katapodes N.D.，Strelkoff T.Hydrodynamic of border irrigation complete model［J］.Journal of Irrig.and Drain.Eng.ASCE.，1977，103（3）:309-324.

［28］Strelkoff T，Katapodes N.D..Border irrigation hydraulics using zero inertia［J］.Journal of Irrig.and Drain.Eng.ASCE.，1977，103（3）:325-342.

［29］Souza F.Nonlinear hydrodynamic model of furrow irrigation［D］.Thesis presented to the University of California，at Davus，Calif.，in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor Philosophy，1981.

［30］Oweis T.Y.Surge flow irrigation hydraulics with Zero-inertia［J］.Thesented Presented to Uath State University at Logan Uath，1983.

［31］Wallender W.W.，Reyej M.Zero-inertia Surge Model with Wet dry Advance［C］.Winter Meeting ASAE Pape，1984.

［32］Schmitz G.H.，Gunther J.S.Analytical model of level basin irrigation［J］.Journal of Irrig.and Drain.Eng.ASCE.，1990，115（1）:78-95.

［33］郭相平，林性粹.水平畦灌設(shè)計(jì)理論的研究進(jìn)展［J］.水利水電科技進(jìn)展，1996，16（5）:1-3.

［34］Chen C.L.Surface irrigation using Kinematics-Wave method［J］.Journal of Irrig.and Drain.Eng.ASCE.，1970，96（1）:39-46.

［35］Singh V.，Murty S.B.Complete Hydrodynamic Border-Strip Irrigation Model［J］.Journal of Irrig.And Drain.Eng.ASCE.，1996，122（4）:189-197.

［36］章少輝，許迪，李益農(nóng)，等.基于SGA和SRFR的畦灌入滲參數(shù)與糙率系數(shù)優(yōu)化反演模型（Ⅰ）:模型建立［J］.水利學(xué)報(bào)，2006，11（37）:1297-1300.

［37］章少輝，許迪，李益農(nóng).基于混合數(shù)值解法的二維畦灌地表水流運(yùn)動(dòng)模擬Ⅰ:模型建立［J］.水利學(xué)報(bào)，2011，2（42）:180-187.

［38］章少輝，許迪，李益農(nóng).基于混合數(shù)值解法的二維畦灌地表水流運(yùn)動(dòng)模擬Ⅰ:模型驗(yàn)證［J］.水利學(xué)報(bào)，2011，3（42）:323-328.

［39］章少輝，許迪，李益農(nóng).基于混合數(shù)值解法的一維全水動(dòng)力學(xué)畦灌模型［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，9（25）:7-12.

［40］王維漢，繳錫云，彭世彰，等.畦灌土壤入滲參數(shù)估算的線性回歸法［J］.水利學(xué)報(bào)，2007，4（38）:468-471.