河西典型灌區(qū)溝畦灌節(jié)水模式試驗研究

徐寶山，趙文洪，張朝暉，郭亞軍，金建新

(1.甘肅省疏勒河流域水資源管理局，甘肅 玉門 735211；2.寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，銀川 750002)

水資源是制約西河內(nèi)陸干旱地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的主要因素之一，而農(nóng)業(yè)用水所占比例基本達到了65%以上[1]。甘肅省河西灌區(qū)主要包括疏勒河、石羊河、黑河等三大流域及支流所輻射的區(qū)域，近幾年，隨著氣候的變化和環(huán)境的破壞，使河西地區(qū)可利用地表水資源數(shù)量顯著減少，同時也產(chǎn)生了一系列生態(tài)環(huán)境問題[2]。河西灌區(qū)目前存在畦田規(guī)格劃分不合理、灌溉用水量分配不科學(xué)、灌水不均勻等問題。同時大定額灌水量致使水量大量浪費并且也帶走了田間土壤養(yǎng)分，這些浪費的田間尾水排泄至容泄區(qū)致使地下水礦化度提高，水質(zhì)遭到污染，還會造成地下水位上升，形成土壤次生鹽堿化，最終破壞農(nóng)田小氣候和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[3,4]。有研究表明，若合理優(yōu)化地面灌溉灌水參數(shù)和種植參數(shù)、提高農(nóng)業(yè)用水管理水平，地面灌溉也將取得較高的灌水質(zhì)量[5,6]。在地面灌溉參數(shù)優(yōu)化過程中國內(nèi)學(xué)者針對不同地域特點進行了大量研究，也取得了可喜的成果。李益農(nóng)[7]對華北地區(qū)的土地平整作了研究，若將田面平整度從6.5 cm降低到3.0 cm，即可節(jié)水20%。王密俠[8]對關(guān)中平原灌區(qū)畦灌灌溉水量與畦長相互關(guān)系進行了研究，結(jié)果表明通過長畦改短畦的方式進行灌溉，可用節(jié)水量增加50%～100%的灌溉面積。本文通過對不同田面平整度與灌水質(zhì)量、灌溉效益進行比價分析，得到各指標(biāo)均處于最優(yōu)狀態(tài)時的田面高程標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd，為河西灌區(qū)土地平整提供理論參考。對溝灌和畦灌2種主要地面灌溉方式進行優(yōu)化設(shè)計，根據(jù)典型灌區(qū)土壤特性和現(xiàn)有田面縱向坡度，在不同溝(畦)長和入溝(畦)流量組合情況下進行灌水質(zhì)量分析，分析得出不同因變量正交組合下灌水均勻度與灌水效率同時取得最大值時的溝(畦)長和入溝(畦)流量即為合理參數(shù)，該參數(shù)的提出為本地區(qū)制定灌溉管理參數(shù)提供依據(jù)。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗區(qū)概況

試驗選擇在河西具有代表性的疏勒河流域昌馬灌區(qū)進行，該流域干流全長670 km，多年平均徑流量10.31億m3，流域面積4.13萬km2，年降水量37.63 mm，多年平均蒸發(fā)量2 667 mm，干旱指數(shù)通常大于20,最大凍土深120 cm，年日照3 033～3 246 h，屬典型的大陸荒漠干旱氣候。灌區(qū)土壤以透水性中等的黏壤土和沙壤土為主，播種前平均土壤密度為1.46 g/cm3，田間持水率25.7%。

1.2 試驗設(shè)計

本試驗分為2部分。第1部分為田面平整度試驗，試驗區(qū)典型點高程標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd設(shè)置為2、4、6、8 cm 4個水平，沿著田面縱向呈“S”形選點，每個處理共計5個代表點，研究其在不同處理下的灌水均勻度、水分利用率WUE、灌水效率和灌溉水量，供試作物選擇為小麥。第2部分為溝畦灌適宜灌水參數(shù)試驗，溝灌溝長設(shè)置為50、70、90 m，入溝流量為0.50、0.75、1.00、1.50、2.00 L/s 5個處理水平，2個參數(shù)組成正交試驗進行灌水質(zhì)量評價；將畦長和入畦單寬流量設(shè)為因變量，畦長分為30、50、70、90 m共4個處理，畦寬均為5 m，入畦流量為3、4、5、6 L/s 4個處理水平，組成正交試驗。評價指標(biāo)為灌水均勻度與灌水效率，每個處理設(shè)置3個重復(fù)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

在灌水前，對畦灌不同處理沿著田面縱向呈“S”形選點，對特征點的高程利用水準(zhǔn)儀進行測量，用以計算田面微地形特征。田面微地形特征用田間高程標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd表示。灌水試驗結(jié)束后，沿著溝長和畦長方向每10 m選擇一個樣點，每10 cm一層，共計8層進行取土，利用烘干稱重法測其土壤含水率。對種植作物小麥最后按照每個重復(fù)單打單收，測其產(chǎn)量。根據(jù)式(1)計算灌水均勻度DU：

(1)

式中：Zlp為所取計算點的入滲水深，mm；Zavg為田面平均入滲水深，mm。

2 結(jié)果分析

2.1 田面微地形

河西內(nèi)陸干旱地區(qū)目前采用地面灌溉的面積占總灌溉面積的90%以上[7]，田面微地形被認(rèn)為是影響地面灌溉灌水質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，而農(nóng)田土地平整工作是對田面微地形進行整治的主要措施，其平整質(zhì)量往往決定田面平整程度。農(nóng)田土地平整度對灌水量、灌水均勻度以及水分利用效率等均產(chǎn)生重要影響，而河西地區(qū)平整技術(shù)普遍比較落后，一般采用人工與拖拉機相配合的整平方式。田面微地形較小的空間變異性能使水流迅速布滿整個田面，從而提高灌水均勻度和減少灌溉用水量。

農(nóng)田田面平整程度一般用田面微地形指標(biāo)平整度衡量，平整度主要控制在田面選取的代表點上，一般沿著田面縱向呈“S”形選點，用代表點高程標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd衡量田面平整度，高程標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd越大表示田面平整度越差。本試驗通過機械結(jié)合水準(zhǔn)儀對田面微地形進行平整處理，得到不同平整度與灌水均勻度、灌水效率相關(guān)關(guān)系，如圖1所示。

圖1 不同田面平整度條件下灌水均勻度與灌水效率

由圖1可以看出，當(dāng)高程標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd增大時灌水均勻度與灌水效率均呈下降趨勢，且都符合二次函數(shù)下降曲線；當(dāng)高程標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd大于2.5 cm時，灌水均勻度與灌水效率顯著下降，下降幅度基本相同；當(dāng)田面高程標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd從2 cm增大到6 cm時，灌水均勻度與灌水效率分別下降34.1%和39.8%，這與李益農(nóng)、楊會穎等[9,10]人的研究結(jié)論一致。田面微地形顯著影響著田間灌水質(zhì)量，田面高程標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd越小其灌水質(zhì)量就越好，但這勢必會增加一部分平地工作量和費用。在大田種植過程中既要提高灌水質(zhì)量又要控制成本，因此根據(jù)灌溉規(guī)范對地面灌溉均勻度和灌水效率的要求，建議田間高程標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd取值2.5 cm為宜。

農(nóng)田田面平整度也會影響田面水流整體推進速度和土壤水分運移，進而影響灌溉質(zhì)量和作物產(chǎn)量。圖2、圖3分別是土地平整與灌溉水量和水分利用效率WUE的相關(guān)關(guān)系。由圖3可以看出，土地平整度與灌溉水量成正比，即其他參數(shù)相同的條件下，平整度越差灌溉相同的地塊需要的水量也越多，且兩者呈現(xiàn)為冪函數(shù)關(guān)系，并具有較高的相關(guān)系數(shù)；當(dāng)田面高程標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd從7 cm降低到2 cm時，灌溉水量減少97 mm，降幅達20.3%，因此提高田面平整度將對地面灌溉節(jié)水具有十分顯著的意義。從圖4可知，土地平整度對水分利用效率也產(chǎn)生一定的影響，具體表現(xiàn)為土地平整度越好，水分利用效率WUE越大，當(dāng)田面高程標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd從6 cm降低到2 cm時，WUE將提高5.8 kg/(hm2·mm)，增幅達到54.7%，田面高程標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd與WUE符合顯著的線性遞減關(guān)系。這是因為當(dāng)田面平整度差時，田面糙率會明顯增大，嚴(yán)重阻礙地面灌溉田面水流向前推進，增加單位時間的入滲量，造成入滲水量均勻度差，儲水效率低下等問題。因此結(jié)合田面平整度對灌水均勻度、灌水效率、WUE、灌溉水量以及田面平整工作量等綜合考慮，建議該地區(qū)田面高程標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd取值為2.5～3.0 cm為宜。

圖2 土地平整與灌溉水量關(guān)系

圖3 土地平整與WUE關(guān)系

2.2 溝灌節(jié)水模式研究

溝灌河西內(nèi)陸地區(qū)中耕作物主要是采用壟作溝灌或溝播溝灌的種植方式，但是由于管理粗放，溝長和入溝流量缺乏理論指導(dǎo)，僅依靠經(jīng)驗和總水量來控制灌溉，導(dǎo)致均勻度差，水分利用效率低下等問題。根據(jù)目前河西典型灌區(qū)規(guī)劃布置，其地塊長度一般在50～90 m，為了得到適宜的溝灌閉口時間，使入溝流量以恰當(dāng)?shù)臅r間推進至溝尾，以實現(xiàn)較高的灌水均勻度和儲水效率，設(shè)置不同入溝流量和溝長的大田灌水試驗實測灌水均勻度與灌水效率值如圖4、5、6所示。

圖4 50 m溝長均勻度與灌水效率

圖5 70 m溝長均勻度與灌水效率

圖6 90 m溝長均勻度與灌水效率

由圖4～圖6可以看出，不同的溝長處理下，隨著入溝流量的增大灌水均勻度與灌水效率均呈現(xiàn)增大，后減小的趨勢，并且溝長越短，在增大入溝流量時，其灌水評價指標(biāo)增加得越快，其后隨之降低，各處理灌水均勻度與灌水效率均符合式(2)所示的二次函數(shù)關(guān)系，溝長和入溝流量對灌水質(zhì)量的影響程度反映在各參數(shù)當(dāng)中。

y=ax2+bx+c

(2)

式中：y為灌水評價指標(biāo)；x為入溝流量，L/s；a、b、c均為擬合參數(shù)。

對以上各曲線進行非線性擬合得到式(2)中各參數(shù)，具體如表1所示。

根據(jù)圖4、5、6，各處理溝長隨著入溝流量的增大，灌水均勻度與灌水效率均有一個峰值，但其峰值往往并不重合，因此，對特定溝長同時兼顧均勻度與灌水效率條件下求得的入溝流量即為合理值。圖4中溝長50 m時，灌水均勻度與灌水效率最大值基本重合，所對應(yīng)的入溝流量為1.2 L/s。圖5中灌水均勻度與灌水效率變化懸殊，當(dāng)灌水均勻度達到最大值時灌水效率僅為86%，比其能達到的最大值小10.2%，但綜合各灌水質(zhì)量指標(biāo)，當(dāng)溝長為70 m時，入溝流量可選為1.4 L/s。圖6為溝長為90 m時灌水質(zhì)量與入溝流量關(guān)系，綜合灌水均勻度與灌水效率最優(yōu)化條件，建議入溝流量取為1.5～1.6 L/s。因此，在河西典型灌區(qū)試驗研究表明，該區(qū)域土壤透水性中等，溝灌參數(shù)建議取值溝長為50～90 m的情況下，入溝流量為1.2～1.5 L/s。

表1 溝灌入溝流量與灌水均勻度、灌水效率關(guān)系參數(shù)擬合值

2.3 畦灌節(jié)水模式研究

畦灌是河西典型灌區(qū)密植作物常用的灌水方式，其操作簡單，管理方便，但目前該地區(qū)畦灌存在問題較多，如畦田規(guī)格劃分不合理、灌溉用水量分配不科學(xué)、灌水不均勻等。各畦長處理下不同入畦流量所產(chǎn)生的灌水均勻度與灌水效率如圖7、8、9、10所示。

分析圖7、8、9、10，發(fā)現(xiàn)對于不同的溝長灌水均勻度與灌水效率隨著入畦流量的增大變化規(guī)律與溝灌一致，均呈現(xiàn)先變大后變小的規(guī)律，基本符合式(2)二次函數(shù)關(guān)系，這可能是由于入畦單寬流量較小時水流向前推進困難，造成畦田首尾兩端入滲水量差異較大，入畦單寬流量較大時推進較為迅速，加上田面縱向坡度影響，其畦尾入滲水量較多。將不同畦長各流量所對應(yīng)的灌水均勻度與灌水效率進行二次拋物線關(guān)系擬合，得到各參數(shù)如表2所示。

根據(jù)圖7、8、9、10可以看出，畦灌各長度處理在不同入畦單寬流量條件下灌水質(zhì)量評價指標(biāo)的變化與溝灌相似，灌水均勻度與灌水效率峰值并不同時出現(xiàn)，而是出現(xiàn)一定錯峰。圖7中入畦流量為4.0～4.5 L/s時，灌水效率達到最大值，此時灌水均勻度卻持續(xù)增大，灌水效率比均勻度滯后13%，此時過多的灌水往往會造成深層滲漏，因此當(dāng)畦長為30 m時，入溝流量可選為4 L/s。圖8、9與圖7類似，當(dāng)畦長為50、70 m時，入畦流量以5.0～6.0 L/s為宜。圖10中，當(dāng)畦長為90 m時，灌水均勻度與灌水效率均整體較低，最大僅為76%，因此建議畦長不宜超過70 m。

圖7 畦長為30 m時灌水質(zhì)量

圖8 畦長為50 m時灌水質(zhì)量

圖9 畦長為70 m時灌水質(zhì)量

圖10 畦長為90m時灌水質(zhì)量

畦長/m項目abcR230均勻度0.255.2549.250.96灌水效率-5.0054.40-68.300.8650均勻度-6.5063.50-73.500.87灌水效率-6.0060.80-67.100.9770均勻度-0.7516.859.050.97灌水效率-0.7512.4534.850.9690均勻度-3.0030.00-0.500.94灌水效率-9.7589.85-115.450.98

因此，畦田設(shè)置不能太短，畦田設(shè)置太短會產(chǎn)生太多的輸水溝而占地太多，不僅造成機耕困難而且還會造成水分利用效率低下等問題。也不宜設(shè)置太長，太長往往需要較大的入畦單寬流量而產(chǎn)生畦首沖刷，并且均勻度也無法保證。該地區(qū)田面坡度一般為1/200～1/500，綜合灌水均勻度和灌水效率，畦長宜取值為40～70 m，入畦單寬流量4.0～6.0 L/s為宜。

3 結(jié)論與討論

有研究表明，要是根據(jù)地域特點對地面灌水方法的灌水參數(shù)和種植參數(shù)進行優(yōu)化、完善灌水管理制度和配水計劃，地面灌溉也能取得較高的田間灌水利用系數(shù)和灌水均勻度。地面灌溉作為河西典型灌區(qū)主要灌水方式，節(jié)水潛力巨大，通過河西典型灌區(qū)溝畦灌不同灌水參數(shù)優(yōu)化試驗，提出了適合該地區(qū)土壤特性的地面灌溉灌水模式。

在平整土地的過程中，若不考慮其他條件的限制，僅以田面微地形作為控制參數(shù)，通過不同田面平整度條件下灌溉水量、水分利用效率WUE、灌水均勻度以及灌水效率等指標(biāo)的綜合分析，認(rèn)為田間高程標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd取值為2.5 cm為宜。

河西典型灌區(qū)田面縱向坡度基本為1/500～1/200，土壤透水性為中等，以此為條件進行不同溝畦灌各長度條件下適宜的入溝(畦)流量，并根據(jù)灌水均勻度與灌水效率等指標(biāo)最優(yōu)化繼續(xù)選取，最終得到適合該地區(qū)的溝長、入溝流量參數(shù)以及畦長和入畦單寬流量，結(jié)果表明，溝灌溝長適宜長度為50～90 m，入溝流量為1.2～1.5 L/s，畦灌畦長宜取值為40～70 m，入畦單寬流量4.0～6.0 L/s。

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