遼河口生態(tài)經(jīng)濟區(qū)彭曼法蘆葦灌溉制度設(shè)計

馮 碩

(遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責任公司，遼寧 沈陽 110006)

濕地是陸生生態(tài)系統(tǒng)和水生生態(tài)系統(tǒng)的過渡帶，蘆葦作為一種多年生濕生植物能為濕地生產(chǎn)、生活提供豐富的物質(zhì)資源和巨大的生態(tài)效益，它和其他植物一樣都要適應于本身生長所需的水分、養(yǎng)分和其它生存條件。水是蘆葦生長的首要條件，蘆葦對水分的需求直接關(guān)系到灌溉制度的建立，必須從多方面考慮。國內(nèi)雖有蘆葦灌溉制度方面的研究，但大多是采用蘆葦灌溉實驗確定不同水分條件下蘆葦生育狀態(tài)[1]，或采用以水面蒸發(fā)為參數(shù)的需水系數(shù)法[2]計算作物需水量，進而計算典型年份的灌溉制度，而沒有采用理論研究較為完善的彭曼法長系列逐日制定蘆葦灌溉制度。本文參照世界糧農(nóng)組織(FAO)推薦的彭曼公式計算參照作物需水量，采用作物系數(shù)法研究項目區(qū)蘆葦充分灌溉條件下的作物需水量利用水量平衡原理逐日逐年分析制定蘆葦灌溉制度，并選擇灌溉設(shè)計保證率P=50%的典型年確定蘆葦灌溉定額。

1 項目區(qū)概況

項目區(qū)位于盤錦市遼河口生態(tài)經(jīng)濟區(qū)，屬于北溫帶季風大陸性氣候，多年平均降水量為621.4mm，多年平均蒸發(fā)量為1640.7mm，多年平均日照時數(shù)2786.6h，最大凍土深度為117cm，最大積雪深度為22cm。項目區(qū)內(nèi)地下水位較高，埋藏深度一般為0.7～1.0m，汛期接近地表。全年無霜期170d，終霜為4月上旬，初霜為10月中旬。

2 蘆葦灌溉制度的確定

2.1 生育期劃分

根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)建議[3]和項目區(qū)氣候及土壤條件，結(jié)合歷年生產(chǎn)實踐情況，蘆葦各階段起止時間見表1。

表1 蘆葦生育階段劃分表

2.2 作物需水量計算

作物需水量是維持作物正常生長發(fā)育的需求，是蘆葦用水的主要組成部分，也是確定灌溉定額的基礎(chǔ)。由于作物需水量的長期實測較為困難，采用臨近灌溉試驗站數(shù)值估算較當?shù)貙嶋H成果相差較大，因此本次利用彭曼公式(1)計算參照作物需水量。作物系數(shù)Kc是計算作物需水量的重要參數(shù)，它不僅隨作物而變化，更主要的是隨作物生育階段而異[4]。作物系數(shù)在生育期內(nèi)隨時間的變化具有很好的趨勢性[5]。參考FAO推薦的沼澤濕地作物系數(shù)和修正公式，對參照作物需水量進行修正得出作物需水量，見公式(1)。根據(jù)濕地地理位置，結(jié)合附近氣象站的氣象要素完整性和資料年限長短，采用1956—2011年氣象資料計算得出的逐年作物需水量如圖1所示。

(1)

式中，P0—標準大氣壓，P0=1013.25hPa；P—計算地點平均氣壓,hPa；Δ—平均氣溫時飽和水汽壓隨溫度的變率，Δ=dea/dt；ea—飽和水氣壓,hPa；t—平均氣溫,hPa；γ—溫度計常數(shù)，γ=0.66hPa/℃；Rn—太陽凈輻射，以所能蒸發(fā)的水層深度計,mm/d；Ea—干燥力,mm/d。

圖1 逐年作物需水量過程圖

由圖1可以看出，項目區(qū)蘆葦作物需水量最小值在2010年，不足650mm，峰值出現(xiàn)在1965年及2000年，均為850mm左右，其余年份作物需水量基本在750～850mm之間，且近年來作物需水量基本呈現(xiàn)下降趨勢。蘆葦各生育時期葉面蒸騰量與氣溫及相對濕度有一定的相關(guān)性，隨蘆葦幼苗增大及功能葉片增多，葉面積增大，蒸騰耗水增加[6]，隨著蘆葦成熟，功能葉片減少，葉面積減少，耗水量逐漸下降。選取典型年1971年蘆葦不同生育階段作物需水量見表2。

2.3 蘆葦灌溉定額的確定

蘆葦灌溉定額包括芽前期和生育期兩部分。

芽前期灌水量包括化凍飽和土壤補水量、建立水層水量及芽前蒸發(fā)滲漏補水量，通過公式(2)～(4)計算典型年芽前期灌溉定額為78m3/畝。

m=m1+m2+m3

(2)

式中，m—芽前期灌溉定額，m3/畝；m1—飽和土壤補水量，m3/畝；m2—建立水層水量，m3/畝；m3—芽前蒸發(fā)滲漏補水量，m3/畝。

飽和土壤水量：

表2 蘆葦各生育階段作物需水量表

m1=667HA(1-β)

(3)

式中，H—飽和土壤深度，即三月下旬解凍深度，m；A—土壤孔隙率，%；β—土壤自然含水量，%。

建立水層水量：

m2=667h

(4)

式中，h—芽前期建立水層深度，m。

芽前蒸發(fā)滲漏補水量：

(5)

式中，e—芽前灌水期平均日蒸發(fā)量，mm/d；P0—芽前灌水期平均日降水量，mm/d；T—芽前灌水期天數(shù)，d。

蘆葦是一種多年生濕生植物，在水源充足的條件下，應力爭多灌多排，促進蘆葦根系生長和呼吸作用，為蘆葦生長發(fā)育創(chuàng)造干濕交替的環(huán)境條件，以創(chuàng)造高產(chǎn)[7]。生育期內(nèi)灌水次數(shù)、灌水時間和灌水定額，應根據(jù)葦田生育期內(nèi)水分變化及該時段的來水量通過逐時段水量平衡演算擬定，見公式(6)。

h2=h1+P-ET-F-C

(6)

式中，h2—時段末田面水層深度，mm，不小于允許水深下限；h1—時段初田面水層深度，mm，不大于允許水深上限；P—時段內(nèi)降水量，mm；F—時段內(nèi)蘆葦適宜滲漏量，mm；C—時段內(nèi)蘆葦排水量，mm。

生育期灌溉定額應結(jié)合項目區(qū)的水源條件、地勢和土壤鹽分，在參考以往灌溉制度分析成果的基礎(chǔ)上，依據(jù)不同時期蘆葦對水分的需求確定各階段控制水層深度[8]、曬田次數(shù)及田間滲漏量，確定典型年生育期灌溉制度，蘆葦生育期灌水控制水層深度見表3。經(jīng)計算，蘆葦生育期凈灌溉定額為414m3/畝，生育期灌溉制度計算結(jié)果見表4。

從表3—4可以看出，蘆葦灌溉定額隨蘆葦生長到成熟基本呈現(xiàn)從小到大再減小的趨勢，這與生育階段所需水分變化趨勢基本吻合。同時，由于5—6月為非汛期，7月上旬—9月上旬處于汛期，因此生長期前期和中期灌溉定額較大，生長期后期、孕穗期及抽穗期定額均較小。

綜上所述，蘆葦芽前期凈灌溉定額為78m3/畝，生育期凈灌溉定額為414m3/畝，蘆葦凈灌溉定額為492m3/畝。

3 灌水率

根據(jù)計算得到的典型年的灌溉制度，不考慮輸水配水和田間的各項損失，只考慮灌入田間有效水量[9]，計算全生育期的作物灌水率，見公式(6)。

(7)

式中，q凈—各次灌水要求的凈灌水率，m3/(s·萬畝)；m—各次灌水定額，m3/萬畝；T—各次灌水延續(xù)天數(shù)，d。

表3 蘆葦生育期灌水控制水層深度表 單位：mm

表4 蘆葦生育期灌溉制度計算表

由于各時期的灌水率大小相差懸殊，渠道輸水變化較大，不利于管理和工程的穩(wěn)定運行，因此，必須對初步算得的灌水率圖進行必要的修正，盡可能使全生育期內(nèi)各次灌水率大小比較均勻，經(jīng)修正后的灌水率圖見圖2，設(shè)計灌水率為0.80m3/(s·萬畝)，最小灌水率為0.39m3/(s·萬畝)。

圖2 蘆葦芽前期及生育期灌水率圖

4 結(jié)語

本文在研究充分灌溉條件下蘆葦作物需水量、作物系數(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合項目區(qū)氣象、水文、土壤等條件，確立了采用彭曼法計算的蘆葦灌溉制度，主要結(jié)論如下。

(1)利用項目區(qū)1956—2011的長系列日氣象資料，用Penman-Monteith公式計算參照作物需水量，得到項目區(qū)長系列蘆葦生育期參照作物需水量。

(2)采用作物系數(shù)法，參考FAO推薦的沼澤濕地作物系數(shù)和修正公式，確定蘆葦不同生育階段作物需水量，確定典型年蘆葦生長不同時期對水分的需求變化。

(3)通過對蘆葦芽前期及生育期各階段的灌水定額分析，利用水量平衡法確定蘆葦灌溉制度，選擇灌溉設(shè)計保證率P=50%的典型年1971年，分析各階段灌水定額與需水變化、降雨量相關(guān)性，確定蘆葦凈灌溉定額為492m3/畝。

(4)依據(jù)典型年份的灌溉次數(shù)、灌水時間、灌水定額制定灌水率圖并修正，得到項目區(qū)設(shè)計灌水率為0.80m3/(s·萬畝)。

通過采用彭曼法計算出的作物需水量，能較準確地確定蘆葦不同生育階段的作物需水量，進而使蘆葦?shù)男杷凸嗨玫礁侠淼恼{(diào)整和平衡，達到省水低耗、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)技術(shù)目標，對遼寧省蘆葦栽培灌溉及提高產(chǎn)量具有一定的借鑒和指導意義。