基于畦田雙側(cè)灌水條件下灌水參數(shù)優(yōu)化研究

高卓卓，鄭志偉，豆靜靜

（天津農(nóng)學(xué)院 水利工程學(xué)院，天津 300392）

地面灌溉是目前最普遍采用的灌溉技術(shù)之一，具有設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。但與噴灌、滴灌等精準(zhǔn)節(jié)水灌溉技術(shù)相比，地面灌溉技術(shù)存在灌溉水利用率低、灌水時(shí)間長(zhǎng)、易形成深層滲漏、造成地面沖刷、破壞土壤結(jié)構(gòu)等問(wèn)題[3]。因此探索灌溉水利用率高、灌水時(shí)間短的地面灌溉技術(shù)尤為必要。

畦灌是我國(guó)北方地區(qū)普遍應(yīng)用的地面灌溉技術(shù)[4-6]。王明輝等[7]設(shè)計(jì)不同畦灌的畦長(zhǎng)、畦寬、單寬流量及田面坡度等參數(shù)組合進(jìn)行灌水試驗(yàn)，得到了灌水質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)較高的灌水參數(shù)和畦田規(guī)格參數(shù)組合；張立志等[8]利用WinSRFR4.1模型模擬不同規(guī)格畦田的灌水過(guò)程，研究不同灌水技術(shù)參數(shù)組合對(duì)灌水質(zhì)量的影響，得到了適合黃河下游引黃灌區(qū)的畦長(zhǎng)、畦寬、坡度和單寬流量的灌溉方案；雷國(guó)慶等[9]以灌水效率與灌水均勻度之和為目標(biāo)函數(shù)，建立了畦灌灌水技術(shù)參數(shù)的實(shí)用優(yōu)化模型，提高了灌水質(zhì)量。

灌水技術(shù)參數(shù)變化對(duì)灌水質(zhì)量的影響較為復(fù)雜，并在實(shí)際灌水過(guò)程中，受地形限制等因素的影響[10-15]，有必要進(jìn)行逆坡灌水。本研究針對(duì)上述問(wèn)題，在天津市武清區(qū)崔黃口鎮(zhèn)西呂村，設(shè)置畦首畦尾兩泵同時(shí)灌水，在縮短一半灌水時(shí)長(zhǎng)的同時(shí)，結(jié)合WinSRFR5.1模型[16-17]模擬地面灌水，分析評(píng)價(jià)灌水質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)[18-19]，優(yōu)化試驗(yàn)區(qū)灌水技術(shù)參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)基本情況

試驗(yàn)區(qū)位于天津市武清區(qū)崔黃口鎮(zhèn)西呂村，畦田坡度為0.001 0，由南向北灌水。

1.2 模型介紹

WinSRFR5.1模型是以零慣量水流運(yùn)動(dòng)模型為基礎(chǔ)，結(jié)合考斯加可夫入滲模型進(jìn)行灌水技術(shù)參數(shù)優(yōu)化和灌溉分析評(píng)價(jià)。

1.2.1 零慣量水流運(yùn)動(dòng)模型

零慣量水流運(yùn)動(dòng)模型是在非守恒型全水動(dòng)力學(xué)模型基礎(chǔ)上[20-21]，忽略了其模型的慣性項(xiàng)（即加速度項(xiàng)）[10]得出，該模型可以合理確定畦田規(guī)格和畦灌技術(shù)參數(shù)[22]，計(jì)算時(shí)間快，精度高，因此廣泛用于研究畦灌水流運(yùn)動(dòng)。其基本方程為：

式中，A為地面水流斷面面積，m2；q為地面水流的單寬流量，L/（s·m）；Z為土壤入滲量，mm；t為時(shí)間，min；x為距離，m；y為田面水深，m；S0為田面縱坡度；Sf為阻力坡度。

1.2.2 考斯加可夫入滲模型

考斯加可夫入滲模型[18]公式為：

式中，Z為t時(shí)間內(nèi)累計(jì)入滲量，mm；K為入滲系數(shù)，第一個(gè)單位時(shí)間內(nèi)的平均入滲率；t為入滲時(shí)間，min；α為入滲指數(shù)。

1.3 試驗(yàn)方法

選取本地區(qū)常見(jiàn)規(guī)格田塊作為研究對(duì)象，試驗(yàn)田種植冬小麥，畦長(zhǎng)160 m，畦寬7.5 m，測(cè)定灌前土壤含水率、地面坡度等參數(shù)，再利用WinSRFR5.1模型模擬地面灌水試驗(yàn)。田間試驗(yàn)于2018年3月30日進(jìn)行，在北、南雙側(cè)同時(shí)開(kāi)泵進(jìn)行灌水試驗(yàn)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)順坡側(cè)灌水和逆坡側(cè)灌水）。以順坡側(cè)灌水為正方向，水流匯合點(diǎn)在85 m處，觀(guān)測(cè)并記錄關(guān)口時(shí)間、灌水量、單寬流量、灌水時(shí)間，并測(cè)量灌前灌后土壤含水率。

使用WinSRFR5.1模型的灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能，將試驗(yàn)田以雙側(cè)水流匯合處為界劃分為兩塊畦田進(jìn)行模擬，對(duì)畦田規(guī)格和灌水技術(shù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得到以畦長(zhǎng)與畦寬為變量的灌溉性能等值線(xiàn)圖。將逆坡側(cè)灌水坡度近似設(shè)為0.000 1，使得灌溉水流形成均勻流進(jìn)行模擬。

1.4 灌水質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)

選用灌水效率（PAE）和灌水均勻度（DU），作為灌水質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)[23-24]。

灌水效率（PAE）是指土壤根系活動(dòng)層要求的儲(chǔ)水量Wz與實(shí)際灌水總量Wapp之比，即灌溉水被植物利用的百分?jǐn)?shù)，見(jiàn)公式（4）。

灌水均勻度（DU）是指灌水范圍內(nèi)田間土壤濕潤(rùn)的均勻程度，見(jiàn)公式（5）。

1.5 水流推進(jìn)及消退數(shù)據(jù)擬合度檢驗(yàn)

為確保WinSRFR5.1模型模擬的入滲參數(shù)更加準(zhǔn)確，需對(duì)模擬及田間實(shí)測(cè)水流推進(jìn)及消退數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合度檢驗(yàn)，并通過(guò)反復(fù)模擬以減小模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果的差異。模擬過(guò)程中采用均方根誤差Re來(lái)評(píng)價(jià)模型的模擬效果，均方根誤差方程見(jiàn)公式（6）。

式中，tTi為水流推進(jìn)或消退到第i點(diǎn)（共n個(gè)點(diǎn)）所用時(shí)間的實(shí)測(cè)值，min；tSi為對(duì)應(yīng)水流推進(jìn)或消退到第i點(diǎn)所用時(shí)間的模擬值，min。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤入滲參數(shù)計(jì)算

利用水流推進(jìn)與消退數(shù)據(jù)推求畦塊雙側(cè)灌水土壤入滲參數(shù)（入滲參數(shù)K和入滲指數(shù)α）[6]。表1為推求出的畦塊雙側(cè)灌水土壤入滲參數(shù)與田間基本數(shù)據(jù)。

表1 土壤入滲參數(shù)、田面糙率及田間基本數(shù)據(jù)

由圖1可知，畦塊雙側(cè)灌水水流推進(jìn)、消退的實(shí)測(cè)曲線(xiàn)與模擬曲線(xiàn)的吻合程度均很高，順坡側(cè)灌水水流推進(jìn)、消退數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)值與模擬值均方根誤差Re分別為0.09和0.07，逆坡側(cè)灌水水流推進(jìn)、消退數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)值與模擬值均方根誤差Re分別為0.05和0.08。說(shuō)明該模型適用于畦塊雙側(cè)灌水[10]，用此方法計(jì)算得到的入滲參數(shù)K和入滲指數(shù)α合理。

圖1 畦塊雙側(cè)灌水水流推進(jìn)與消退的實(shí)測(cè)曲線(xiàn)與模擬曲線(xiàn)

進(jìn)一步對(duì)基于 WinSRFR5.1模型優(yōu)化模擬獲得的土壤入滲參數(shù)值（即模擬值）的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)計(jì)算相對(duì)誤差對(duì)模擬值及根據(jù)公式（3）計(jì)算獲得的土壤入滲參數(shù)值（即計(jì)算值）進(jìn)行檢驗(yàn)。由表2可知，入滲系數(shù)K和入滲指數(shù)α計(jì)算值與模擬值相對(duì)誤差最大值分別為 3.23%和3.64%，由此說(shuō)明，根據(jù)WinSRFR5.1模型所優(yōu)化的土壤入滲參數(shù)值準(zhǔn)確可靠。

表2 土壤入滲參數(shù)計(jì)算值與模擬值相對(duì)誤差

2.2 灌水質(zhì)量等值線(xiàn)圖分析

圖2為WinSRFR5.1灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊輸出的順坡側(cè)灌水畦長(zhǎng)、畦寬與PAE和DU等值線(xiàn)圖。

圖2 順坡側(cè)灌水灌水效率和灌水均勻度重合等值線(xiàn)圖

由圖2可知，PAE與DU具有較高的吻合度。當(dāng)畦長(zhǎng)在一定范圍內(nèi)，單寬流量一定時(shí)，隨著畦寬的增大，PAE和DU先增大后減??；畦寬在一定范圍內(nèi)，隨著畦長(zhǎng)的增大，PAE和DU均逐漸減小。當(dāng)畦長(zhǎng)小于24 m時(shí)，PAE和DU受畦寬變化的影響不大。當(dāng)畦長(zhǎng)在24～54 m時(shí)，隨著畦寬的增大，PAE和DU先增大后減小，并在畦寬為2.4～10 m時(shí)達(dá)到峰值。當(dāng)畦長(zhǎng)大于54 m時(shí)，隨著畦長(zhǎng)增大，滿(mǎn)足PAE和DU達(dá)到80%以上的畦寬逐漸減小，且最大畦寬為6 m。

圖3為WinSRFR5.1灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊輸出的逆坡側(cè)灌水畦長(zhǎng)、畦寬與PAE和DU重合等值線(xiàn)圖。

由圖3可知，單寬流量一定時(shí)，畦長(zhǎng)不變，隨著畦寬的增大，PAE和DU均逐漸減?。黄鑼挷蛔?，隨著畦長(zhǎng)的增大，PAE和DU逐漸減小[15]。當(dāng)畦長(zhǎng)小于27 m時(shí)，PAE和DU受畦寬變化的影響不大；當(dāng)畦長(zhǎng)大于27 m時(shí)，畦寬與畦長(zhǎng)呈反比例關(guān)系，當(dāng)PAE和DU達(dá)到80%以上時(shí)，畦寬隨畦長(zhǎng)的增大而逐漸減小。

圖3 逆坡側(cè)灌水灌水效率和灌水均勻度重合等值線(xiàn)圖

由圖2、圖3對(duì)比可知，選取圖2中PAE和DU均達(dá)到95%的部分，且畦寬為2.0～11.5 m時(shí)，PAE和DU在90%以上的順坡側(cè)灌水畦長(zhǎng)范圍為32～100 m，逆坡側(cè)灌水畦長(zhǎng)范圍為17～65 m。

3 結(jié)論

（1）畦塊雙側(cè)灌水水流推進(jìn)、消退過(guò)程的模擬值與實(shí)測(cè)值擬合度較高，順坡側(cè)灌水水流推進(jìn)、消退數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)值和模擬值均方根誤差Re分別為0.09、0.07，逆坡側(cè)灌水水流推進(jìn)、消退數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)值與模擬值均方根誤差Re分別為0.05、0.08。入滲系數(shù)K和入滲指數(shù)α計(jì)算值與模擬值相對(duì)誤差最大值分別為3.23%和3.64%，即基于WinSRFR5.1模型優(yōu)化得到的土壤入滲參數(shù)值準(zhǔn)確性較高。

（2）根據(jù)模擬可得，順坡側(cè)灌水時(shí)，當(dāng)畦長(zhǎng)小于24 m時(shí)，PAE和DU受畦寬變化的影響不大；當(dāng)畦長(zhǎng)在24～54 m，畦寬為2.4～10.0 m時(shí)，PAE和DU達(dá)到95%；當(dāng)畦長(zhǎng)大于54 m時(shí)，PAE和DU達(dá)到80%的最大畦寬為6 m。逆坡側(cè)灌水時(shí)，畦長(zhǎng)小于27 m時(shí)，PAE和DU受畦寬增大的影響不大；當(dāng)畦長(zhǎng)大于27 m時(shí)，畦寬與畦長(zhǎng)呈反比例關(guān)系，滿(mǎn)足PAE和DU均大于80%的畦寬隨畦長(zhǎng)的增大而逐漸減小。

（3）在提高灌水質(zhì)量的前提下，結(jié)合天津市武清區(qū)畦田現(xiàn)狀，得到適合畦塊雙側(cè)灌水畦田的畦長(zhǎng)、畦寬范圍，即：畦寬為2.0～11.5 m，畦長(zhǎng)為49～165 m時(shí)，PAE和DU均達(dá)到90%以上。