如何确定合理的灌溉用水量？

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：表3.33个不同地带的灌溉需要指数续表注该表摘自中国灌溉农业节水规划项目组《中国灌溉农业节水规划》。

3.2.1.1　作物对灌溉的需求

根据不同地区农作物对灌溉的要求，可将全国分成3个不同的灌溉地带。即年平均降水量少于400mm的常年灌溉带;年平均降水量400～1000mm的不稳定灌溉带;年平均降水量大于1000mm的水稻灌溉带。

1.常年灌溉带

常年灌溉带主要包括西北内陆和黄河中上游部分地区，土地总面积410万km2，约占国土面积的42.7%。在这一地带，由于年降水总量和各季节的降水分配，都难以满足农作物正常生长发育的需要，灌溉需要指数(即灌溉水量占农作物总需水量的比值)一般均大于0.5～0.6。常年灌溉是该地区农业发展的必要条件，没有灌溉就没有农业。

2.不稳定灌溉带

不稳定灌溉带主要包括黄淮海地区和东北地区。由于受季风的强烈影响，降水变化极不均匀，因而农作物对灌溉的要求很不稳定，特别是秋熟作物。在干旱年份，黄淮海地区秋熟作物的灌溉需要指数高达0.7～0.8，湿润年份灌溉需要指数只有0.3左右。但是生长期在冬春的小麦，对灌溉的要求较高，也较稳定，灌溉需要指数在0.5左右。在东北，水稻灌溉需要指数较高，达到0.5左右，旱作物要求较低，干旱年份为0.2～0.3，湿润年份则无灌溉要求。黄淮海地区包括河北省、河南省、山东省、苏北地区、皖北地区、北京市、天津市，土地总面积67万km2，约占国土面积的7%。农作物可一年两熟，粮食大部分是旱作，小部分为水稻，是我国的粮棉主产区，但却是全国水资源最紧缺的地区。东北地区包括辽宁、吉林、黑龙江三省及内蒙古东部地区，土地面积129万km2，约占国土面积的13.5%。春旱严重且持续时间长，旱作物主要是播种时缺水，农作物大多一年一熟，是我国大豆、玉米、小麦、谷子、高粱的主要产区之一。近年来随着灌溉条件的改善，中东部平原地区水稻种植面积有较大发展。

3.水稻灌溉带

水稻灌溉带又称为补充灌溉带，包括长江中下游地区、珠闽江地区及部分西南地区。年降水总量虽然丰沛，但因年际及季节分配不均，加之大面积种植水稻以及作物复种指数高，各季水稻仍需人工补充水量，灌溉需要指数在0.3～0.6之间，旱作物在湿润年间不需要灌溉，但在干旱年，也需要补充灌溉，需要指数在0.1～0.3之间。长江中下游地区包括湖南、湖北、江西、浙江、上海及江苏、安徽等省(直辖市)的大部分，土地面积90万km2，约占国土面积的9.4%。水稻播种面积占全区耕地的60%～70%，是我国水稻的重要产区，由于降雨的时空分布不均，往往发生伏旱和秋旱，影响作物生长，只有灌溉才能保证水稻高产稳产。珠闽江地区包括广东、广西、福建和海南等省，土地面积69万km2，约占国土面积的7.2%，农作物复种指数较高，一年两熟或三熟，主要在丘陵坡地发展灌溉。西南地区包括云南、贵州、四川和西藏等省(自治区)，土地面积185万km2，约占国土面积的19.3%。由于地形地貌和降雨时空不均，干旱是农业生产的主要威胁，水稻必须灌溉才能高产稳产。3个不同地带的灌溉需要指数见表3.3。

表3.3　3个不同地带的灌溉需要指数

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续表

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注　该表摘自中国灌溉农业节水规划项目组《中国灌溉农业节水规划》。

3.2.1.2　作物需水量

1.农田水分消耗的途径

农田水分消耗有3种途径。

(1)作物的叶面蒸腾。作物根系从土壤中吸收的水分，有99%以上通过叶面蒸腾散失在大气中。叶面蒸腾是作物生理活动的基础之一，因而是正常的、有效的水分消耗。

(2)棵间蒸发。对于旱田就是棵间土壤蒸发，对于水田则是棵间水面蒸发。棵间蒸发是作物的生态需水，它对田间小气候有一定的调节作用，但一般认为棵间蒸发是可以减少的，棵间蒸发的大部分是无效消耗。

(3)深层渗漏。当作物根系活动层中土壤含水量超过田间持水量时，它就会下渗到根系活动层以下去，这种现象称为深层渗漏。对于旱田，深层渗漏会造成水肥流失，应予防止;对于稻田，适当的渗漏可以调节土壤的气、热状况，消除某些有毒物质，但渗漏量过大也会水肥流失。

一般将农田中消耗的总水量(即上述三项消耗之和)称为田间耗水量;不考虑渗漏水量，只将植株蒸腾与棵间蒸发两项所消耗的水量加起来，称为作物需水量，也称为腾发量。

2.作物需水量的估算

作物需水量的大小与气象条件(温度、日照、湿度、风速等)、土壤性状及含水状况、植物种类及其生长发育阶段、农业技术措施和灌溉排水方法等有关，即受着大气-作物-土壤综合系统中众多因素的影响，且这些因素对需水量的影响又是互相关联的、错综复杂的。所以，目前尚难从理论上对作物田间需水量做出精确的计算。在生产实践中常采用两方面的途径来解决，一方面是通过田间试验的方法直接测定;另一方面是采取某些经验性公式或半理论性公式进行计算。下面简要介绍几种常用的估算方法。

(1)蒸发器法(α值法)。大量灌溉试验资料表明，水面蒸发量与作物田间需水量之间存在一定程度的相关关系，因此可以用水面蒸发量这一参数来衡量作物田间需水量的大小，计算公式为

或

式中:ET为某时段(月、旬、生育阶段、全生育期)内的作物田间需水量，mm;Es为与ET同时段的水面蒸发量(一般指80cm口径蒸发皿的蒸发值)，mm;α为需水系数，由实测资料分析确定，一般条件下，水稻α=0.80～1.57，小麦α=0.30～0.90，棉花α=0.34～0.90，玉米α=0.33～1.00;b为经验常数，由实测资料分析确定。

由于水面蒸发量资料易于获得，所以α值法在国内外都有广泛应用。此法适用于水稻及土壤水分充足的旱作物的田间需水量计算。

(2)产量法(k值法)。农作物的产量是受太阳能的积累与水、土、肥、气诸因素及农业措施综合作用的结果。在一定的气象条件下和一定的产量范围内，作物田间需水量随产量的提高而增加。但两者并不成直线比例关系，随着产量的提高，单位产量的需水量逐渐减少，当产量达到一定水平后，单位产量的需水量将趋于稳定。以产量为指标计算作物田间需水量的公式为

或

式中:ET为作物全生育期的田间需水量，m3/hm2;Y为作物单位面积产量，kg/hm2;k为需水系数，即单位产量所消耗的水量，根据试验资料确定，一般水稻k=0.50～1.15，小麦k=0.60～1.70，玉米k=0.50～1.50，棉花k=1.20～3.40，m3/kg;n为经验指数，根据试验确定，一般n=0.3～0.5;c为经验常数，根据试验确定，一般小麦c=11.3～16.0。

k值法简便易行，只要确定了作物计划产量即可计算出它的田间需水量，因此曾在我国得到广泛应用，这一方法主要适用于确定供水不充分的旱作物的田间需水量。

(3)彭曼-蒙蒂斯法。根据能量平衡原理、水汽扩散原理和空气的导热定理等，1948年彭曼(Penman)提出参考作物需水量(ET0)计算公式，后经多次修正，形成修正彭曼公式，并在各国广泛应用。联合国粮农组织曾于1977年出版了《作物需水量(FAO灌溉与排水手册-42)》，推荐修正彭曼公式作为计算作物蒸腾蒸发量的方法。蒙蒂斯(Monteith)1965年在彭曼公式的基础上提出了理论基础更强的适用于参考作物需水量计算的阻力模式公式——彭曼-蒙蒂斯公式。经大量研究表明，彭曼-蒙蒂斯公式适用不同地区估算参考作物需水量，且精度较高。为此，联合国粮农组织在1998年又出版了《作物腾发量-作物需水量计算指南(FAO灌溉与排水手册-56)》，文中推荐彭曼-蒙特斯(penman-monteith)公式作为计算参考作物蒸腾蒸发量的标准计算方法。

因篇幅所限，本书对彭曼-蒙蒂斯法不详述，需进一步了解时可参考《灌溉试验规范》(SL 13—2015)。

3.2.1.3　作物的灌溉制度

作物的灌溉制度是指作物播种前(或水稻插秧前)和整个生育期内合理地进行灌溉的一整套制度，包括灌水次数、每次灌水时间、灌水定额和灌溉定额。灌水定额是指一次灌水单位面积上的灌水量，灌溉定额是指播前和全生育期各次灌水定额之和，它们的单位常以m3/hm2或mm水层深表示。灌溉制度是灌区规划设计及管理的重要依据。

灌溉制度随作物种类、品种、自然条件及农业技术措施的不同而变化，必须从当地、当年的具体条件出发进行分析研究，通常采用以下3种方法制定作物灌溉制度。

1.总结群众丰产灌水经验

各地农民群众在长期的生产实践中积累起来的适时适量进行灌溉夺取作物高产稳产的丰富经验，是制定灌溉制度的重要依据。通过调查总结，确定典型气候年份的灌溉制度，作为灌溉工程规划设计的依据，通常是可行的办法。

2.根据灌溉试验资料制定灌溉制度

我国各地先后建立了不少灌溉试验站，开展作物需水量、灌溉制度和灌水技术等项试验，有的已有几十年资料，为制定作物灌溉制度提供了重要的依据。

3.按水量平衡原理分析制定灌溉制度

这一方法是根据设计典型年的气象资料和作物需水要求，通过水量平衡计算，拟定出灌溉制度。

(1)水稻田水量平衡方程式。在水稻生育期中任何一个时段内，稻田田面水层的消长变化可用以下水量平衡方程式表示:

式中:h1为时段初田面水层深度;h2为时段末田面水层深度;P为时段内的降雨量;m为时段内的灌水量;E为时段内的田间耗水量;C为时段内的排水量。

(2)旱作田水量平衡方程式。在旱作物生育期中任何一个时段内，土壤计划湿润层内储水量的消长变化可用以下水量平衡方程式表示:

式中:W0为时段初土壤计划湿润层内的储水量;Wt为时段末土壤计划湿润层内的储水量;ΔW为由于计划湿润层加深而增加的水量;P0为时段内保存在计划湿润层内的有效雨量;K为时段内的地下水补给量;M为时段内的灌水量;E为时段内作物田间需水量。

根据上述水量平衡方程式，在具备各项计算参数的情况下，以各生育期田面适宜水层的上下限为限制条件(水稻田)或以土壤计划湿润层允许最大和最小储水量为限制条件(旱作田)，逐时段地进行水量平衡计算(列表法或图解法)，便可求出作物的灌溉制度。

3.2.1.4　灌溉用水量

1.灌溉水的利用效率

为了对农田进行灌溉就需要修建一个灌溉系统，以便把灌溉水输送、分配到各田块。一般的灌溉系统主要由各级渠道连成的渠道网及渠道上的各类建筑物所组成。渠道的级数视灌区面积和地形等条件而定，常分为五级，即干渠、支渠、斗渠、农渠和毛渠。农渠为末级固定渠道，农渠以下的毛渠、输水沟和灌水沟、畦等为临时性工程，统称为田间工程。

一个灌溉系统由渠首将水引入后，在各级渠道的输水过程中有蒸发、渗漏等水量损失，水到田间后，也还有深层渗漏和田间流失等损失。为了反映灌溉水的利用效率，衡量灌区工程质量、管理水平和灌水技术水平，通常用以下4个系数来表示。

(1)渠道水利用系数(η渠)，是指某一条渠道在中间无分水的情况下，渠道末端放出的净流量(Q净)与进入渠道首端的毛流量(Q毛)之比值，即