1、第第5讲讲灌溉排水概要灌溉排水概要1.作物需水量作物需水量2.灌溉制度灌溉制度3.灌水方法灌水方法农田水分消耗的途径：农田水分消耗的途径：腾发量也称为作物需水量（water requirement of crops）植株蒸腾株间蒸发深层渗漏（田间渗漏）腾发腾发量（evapotranspiration)一、作物需水量和灌溉用水量一、作物需水量和灌溉用水量如何计算腾发量？腾发量与哪些因素有关？土壤 -0.3 -1.0 bar根 -3 bar叶 -15 bar大气 -500 barTEET0ETKc反映了作物本身的生物学特性、产量水反映了作物本身的生物学特性、产量水平、土壤水肥状况及管理水平等对作物
2、需水平、土壤水肥状况及管理水平等对作物需水量的影响。随作物而变化，更主要的是随作量的影响。随作物而变化，更主要的是随作物的生育阶段而异。物的生育阶段而异。0cETkET=方法方法1：彭曼：彭曼(Penman)公式法公式法如何计算如何计算ET0呢？呢？z 彭曼公式是联解热量平衡方程和湍流扩散方程而彭曼公式是联解热量平衡方程和湍流扩散方程而导出的计算水面蒸发（最大可能蒸发）的理论公导出的计算水面蒸发（最大可能蒸发）的理论公式。式。RIRBH0SCPE0z 基于能量守恒和蒸发需要耗热的道理，有热量基于能量守恒和蒸发需要耗热的道理，有热量平衡方程：平衡方程：（ 1）式中，式中，H0为辐射平衡或净辐射；
3、为辐射平衡或净辐射；RI为短波辐射或太阳辐射；为短波辐射或太阳辐射；RB为地面有效辐射；为地面有效辐射；E0为蒸发失热量（耗热量）；为蒸发失热量（耗热量）；P为对流热交换为对流热交换(水一气热交换水一气热交换)；S为蒸发体储热量；为蒸发体储热量；C为平流失热量；为平流失热量；以上各项单位都以蒸发当量以上各项单位都以蒸发当量mm计。计。CSPER - R H0BI0+=z 在无降水的情况下，忽略平流项和蓄热量项，得到水在无降水的情况下，忽略平流项和蓄热量项，得到水体表面的辐射平衡值等于水一气间的热交换（显热）体表面的辐射平衡值等于水一气间的热交换（显热）和蒸发耗热（潜热），即和蒸发耗热（潜热），
4、即（ 2）z 引进波温引进波温 (Bowen)比比（ 3）式中，式中，为定压比热；为定压比热；为空气密度，为空气密度，为水汽和空气为水汽和空气分子量比值；分子量比值；，分别为热量和水汽的湍流交换，分别为热量和水汽的湍流交换系数，系数，为干湿球温度计常数，为干湿球温度计常数， Ts、 Ta分别为水面和分别为水面和空气的温度，空气的温度，、分别为水面和空气的水汽压。分别为水面和空气的水汽压。PE H00+=)()(/0 dsaswhpeeTTeTZeKZTKCEP= pC whKK sedez 将将(3)式代入式代入(2)式得，式得，（4 ）从从(4)式可知，在得到辐射平衡后，若能知道波式可知，在
5、得到辐射平衡后，若能知道波温比温比，则蒸发量便会可求。但波温比中有难以，则蒸发量便会可求。但波温比中有难以测量的下垫面温度测量的下垫面温度 Ts和湿度和湿度 es。z 彭曼利用道尔顿公式彭曼利用道尔顿公式（5 ）式中，式中，为关于风速的函数；为关于风速的函数；为饱和为饱和水汽压差。水汽压差。)1(00+= EH)(0 dseeufE =)(uf)(dsee z 引入引入Ea，用空气温度，用空气温度Ta时的饱和水汽压时的饱和水汽压ea代替道尔顿公式中下垫面代替道尔顿公式中下垫面(水面水面)温度温度Ts时的时的饱和水汽压饱和水汽压es，则，则（ 6）则则（ 7）)(daaeeufE =)/()(1
6、)/()(/0 dsasdsdaaeeeeeeeeEE =z 由由(3)式和式和(4)式得式得（8 ）z 假定假定为饱和水汽压曲线在为饱和水汽压曲线在T=Ta时的斜率时的斜率z 将其代入将其代入(8)式得：式得：（9 ）)()(1/)1/(000asaseeTTHHE+=+=aaasasdTdeTTee = )/()()(dsee )(1/00aseeEH+=z 把把(7)式代入式代入(9)式得：式得：（ 10）式中式中，Ea为空气干燥力。为空气干燥力。(10)式就是彭曼在式就是彭曼在1948年提出的计算潜在蒸发量的彭曼公式。年提出的计算潜在蒸发量的彭曼公式。z 该公式引进波温比，把热量平衡和
7、质量交换联系该公式引进波温比，把热量平衡和质量交换联系起来，又引入干操力起来，又引入干操力Ea，消去不易测量的下垫面，消去不易测量的下垫面温度。因为辐射平衡温度。因为辐射平衡H0可以和温度、日照、水汽可以和温度、日照、水汽压等气象要素建立良好的经验关系，因此用普通压等气象要素建立良好的经验关系，因此用普通的气象资料便可计算出水面蒸发量。的气象资料便可计算出水面蒸发量。+=aEHE00z 彭曼当时提出的各项经验公式的定量表达式为：彭曼当时提出的各项经验公式的定量表达式为：式中，式中，Ra为天文辐射量为天文辐射量(mm/d)；n/N为日照百分率；为日照百分率；ea、ed为百叶箱高度的饱和水汽压和水
8、汽压为百叶箱高度的饱和水汽压和水汽压(mmHg)；为空气温度为空气温度Ta (绝对温标绝对温标) 时的黑体辐射时的黑体辐射(mm/d)；U2为为2m高度的风速高度的风速(m/s)；为蒸发面反射率，水面取值在为蒸发面反射率，水面取值在0.050.12之间。之间。)927.3/6463(/ =aaaTTe)(5.01(35.02 daaeeUE +=BIRRH =0)1()/55.018.0( +=aIRNnR)/9.01.0)(092.056.0(4NneTRdaB+=4aTz 彭曼公式尽管有坚实的理论基础，但由于其各项彭曼公式尽管有坚实的理论基础，但由于其各项组成基本上仍采用经验公式，故其本质
9、仍属于半组成基本上仍采用经验公式，故其本质仍属于半经验公式，必然具有地区性特点。经验公式，必然具有地区性特点。z 适用于单层模型、湿地或水面蒸发适用于单层模型、湿地或水面蒸发。彭曼彭曼-蒙特斯公式蒙特斯公式z Penman-Monteith 公式公式9引入气孔阻力引入气孔阻力9作物遮阴修正系数和土壤湿度修正系数作物遮阴修正系数和土壤湿度修正系数9适用于单层模型、大叶模型适用于单层模型、大叶模型() ()()2029000.40827310.34nadRG UeeTETU+ +=+ +方法方法2：试验方法：试验方法高度为0.12m ，固定的叶面阻力为70/s/m,反射率0.23，表面开阔，高度均
10、匀，生长旺盛，并且供水充分的类似于绿草的假设作物的蒸腾和蒸发量为ET0。假设作物 苜蓿如何计算如何计算Kc呢？呢？0cETkET=定义：定义：作物播种前及全生育期内的灌水作物播种前及全生育期内的灌水次数，每次的灌水日期和灌水定额以次数，每次的灌水日期和灌水定额以及灌溉定额。及灌溉定额。二、作物灌溉制度二、作物灌溉制度1. 水量平衡方程水量平衡方程在作物发育期中在作物发育期中tt+1时段内，农田水分的变化，决定于时段内，农田水分的变化，决定于该时段内的来水和耗水之间的消长，用以下方程表示：该时段内的来水和耗水之间的消长，用以下方程表示：Wt+1=Wt+ P + K + M + N -ET 式中，
11、式中，Wt t 时刻的土壤储水量；时刻的土壤储水量；Wt+1 t+1时刻的土壤储水量；时刻的土壤储水量；P tt+1时段内的有效降雨量；时段内的有效降雨量；K tt+1时段内的地下水补给量；时段内的地下水补给量；M tt+1时段内的灌溉水量；时段内的灌溉水量；N tt+1时段内印根系深度变化使湿润层增加所时段内印根系深度变化使湿润层增加所增加的水量；增加的水量；ET tt+1时段内的作物田间需水量。时段内的作物田间需水量。2. 灌水定额的确定灌水定额的确定为了保证作物正常生长，土壤含水率应该控为了保证作物正常生长，土壤含水率应该控制在允许最大和允许最小含水率之间变化。制在允许最大和允许最小含水
12、率之间变化。z 允许最大含水率允许最大含水率 max，一般以不致造成深层渗漏为原，一般以不致造成深层渗漏为原则，所以采用则，所以采用max = 田田 ，田田为土壤田间持水率。（体为土壤田间持水率。（体积含水率）积含水率）z 作物允许最小含水率作物允许最小含水率 min应该大于凋萎系数，应该大于凋萎系数，min=k 田田，一般取，一般取k = 0.6。z 灌溉至田间持水率时，土壤储水量上限灌溉至田间持水率时，土壤储水量上限 W上上=H 田田z 当当 min=0.6田田时，下限时，下限W下下=0.6H 田田z 当土壤水含量低于下限时，当土壤水含量低于下限时，WW下下，作物，作物必须灌水，否则不能存
13、活。必须灌水，否则不能存活。z 灌溉时，若初始土壤含水率为灌溉时，若初始土壤含水率为 ，当灌至当灌至= 田田时，灌溉水量时，灌溉水量M的计算：的计算：M=H（田田- ）z 的单位一般以或的单位一般以或亩计。亩计。作物田间需水量作物田间需水量ETz ET Kc*ET0z 参考作物需水量（腾发量）参考作物需水量（腾发量） ET0：地表完全被覆盖、：地表完全被覆盖、作物高度均匀且供水条件充分的情况下，参考作物在作物高度均匀且供水条件充分的情况下，参考作物在田间的腾发量。参考作物指修剪整齐、供水充分、生田间的腾发量。参考作物指修剪整齐、供水充分、生长正常的长正常的36英寸高的草。（英寸高的草。（Pen
14、man公式）公式）z 作物需水系数作物需水系数 Kc不仅随作物而变化，更随作物的生育不仅随作物而变化，更随作物的生育阶段而异。生育初期和末期的阶段而异。生育初期和末期的Kc较小，而中期的较小，而中期的Kc较较大。大。z 当农田中种植多种作物时，当农田中种植多种作物时， Kc也应该按各种作物种植也应该按各种作物种植面积所占的百分比来计算。面积所占的百分比来计算。4灌水率灌水率z 定义：灌区单位面积上所需灌溉的净流量，又称灌水定义：灌区单位面积上所需灌溉的净流量，又称灌水模数。模数。z 灌水率应该分别根据灌区各种作物的每次灌水定额，灌水率应该分别根据灌区各种作物的每次灌水定额，逐一进行计算。逐一进
15、行计算。z 如：某灌区面积为如：某灌区面积为 A（亩），种有甲、乙、丙（亩），种有甲、乙、丙 等各等各种作物，面积分别为种作物，面积分别为a1A1，a2A2，a1，a2，分分别为各作物种植面积占灌区面积的百分数。如作物甲别为各作物种植面积占灌区面积的百分数。如作物甲的各次灌水定额分别为的各次灌水定额分别为m1，m2，（m3/亩），要求亩），要求各次灌水在各次灌水在T1，T2，昼夜内完成，则昼夜内完成，则z 第一次灌水时第一次灌水时第二次灌水时第二次灌水时z 上述灌水率计算公式中，上述灌水率计算公式中， T1和和 T2均为灌水延续时间，均为灌水延续时间，以以d计。对于自流灌区，每天灌水延续时间一
16、般以计。对于自流灌区，每天灌水延续时间一般以24h计；对于抽水灌区，则每天抽灌时间以计；对于抽水灌区，则每天抽灌时间以2022h计，系计，系数数8.64应相应改为应相应改为7.27.92。z 作出灌水率图，进行修正，消除灌水率高峰和短期停作出灌水率图，进行修正，消除灌水率高峰和短期停水现象。在调整时不应使灌水率数值相差悬殊，一般水现象。在调整时不应使灌水率数值相差悬殊，一般最小灌水率不应小于最大灌水率的最小灌水率不应小于最大灌水率的40。)/(64.83111万亩，净= smTmq)/(64.83222万亩，净= smTmqz 我国各地主要作物灌水延续时间大致如下：我国各地主要作物灌水延续时间
17、大致如下：水稻水稻泡田期灌水泡田期灌水715昼夜，生育期灌水昼夜，生育期灌水35昼夜昼夜小麦小麦播前灌播前灌1020昼夜，拔节后灌水昼夜，拔节后灌水1015昼夜昼夜棉花棉花苗期、花铃期苗期、花铃期812昼夜，吐絮期昼夜，吐絮期815昼夜昼夜玉米玉米拔节抽穗拔节抽穗1015昼夜，开花期昼夜，开花期813昼夜昼夜z 对于灌溉面积较小的灌区，灌水延续时间要相应对于灌溉面积较小的灌区，灌水延续时间要相应减小，例如一条农渠的灌水延续时间一般约减小，例如一条农渠的灌水延续时间一般约1224hz 为了确定设计灌水率、推算渠首引水流量或灌溉渠道设计为了确定设计灌水率、推算渠首引水流量或灌溉渠道设计流量，通常可
18、先对某一设计代表年计算出灌区各种作物每流量，通常可先对某一设计代表年计算出灌区各种作物每次灌水的灌水率（如表次灌水的灌水率（如表2-13），并将所得灌水率绘在方格），并将所得灌水率绘在方格纸上，如图纸上，如图2-9所示，成为灌水率图。所示，成为灌水率图。z 在修正灌水率图时，要以不影响作物需水要求为原则，尽在修正灌水率图时，要以不影响作物需水要求为原则，尽量不要改变主要作物关键用水期的各次灌水时间，若必须量不要改变主要作物关键用水期的各次灌水时间，若必须调整移动，以往前移动为主，前后移动不超过三天；调整调整移动，以往前移动为主，前后移动不超过三天；调整其它各次灌水时，要使修正后的灌水率图比较均匀、连续。其它各次灌水时，要使修正后的灌水率图比较均匀、连续。z 此外，为了减少输水损失，并使渠道工作制度比较平稳，此外，为了减少输水损失，并使渠道工作制度比较平稳，在调整时不应使灌水率数值相差悬殊。一般最小灌水率不在调整时不应使灌水率数值相差悬殊。一般最小灌水率不应小于最大灌水率的应小于最大灌水率的40%。修正后的灌水率图见图。修正后的灌水率图见图2-10。三、灌水方法z 灌水方法分类灌水方法分类z 灌水参数计算灌水参数计算z 灌水方法评述灌水方法评述z 灌水器评价灌水器评价
