第一節(jié) 基本概念

一、地面灌溉的分類

按照灌溉水向田間輸送的形式及濕潤(rùn)土壤的方式，地面灌溉可分為畦灌、溝灌和淹灌3類。

1.畦灌

畦灌是指將田塊用畦埂分隔成許多矩形條狀地塊，灌溉水以薄層水流的形式輸入田間，并借助重力作用滲入土壤的灌水方法，如圖1-1所示。畦灌又分尾端封堵和自由排水2種，我國(guó)的畦灌多屬于前者，稱封閉畦灌。畦灌通常適用于大田作物。

圖1-1 畦田布置示意圖

根據(jù)畦田方向與地形等高線的關(guān)系，畦灌可以分為順坡畦灌和橫坡畦灌2種。當(dāng)?shù)孛嫫露容^小（不超過2%）時(shí)，畦長(zhǎng)方向一般垂直于等高線布置，這種畦灌稱為順坡畦灌；當(dāng)?shù)孛嫫露容^大（大于2%）時(shí)，為了避免田面水流過快，畦長(zhǎng)方向常與等高線平行布置，這種畦灌稱為橫坡畦灌。

根據(jù)畦田長(zhǎng)度劃分，畦灌又可以分為長(zhǎng)畦灌和短畦灌2種。一般畦長(zhǎng)小于或等于70m時(shí)畦灌稱為短畦灌，否則稱為長(zhǎng)畦灌。

2.溝灌

溝灌是指將灌溉水引入田間灌水溝，并借助重力作用及毛細(xì)管作用向灌水溝四周土壤入滲的灌水方法，如圖1-2所示。溝灌也分尾端封堵和自由排水2種，我國(guó)的溝灌多屬于前者，稱封閉溝灌。溝灌主要適用于寬行距作物，如玉米、棉花及薯類等。由于壟溝密布，所以溝灌通常不如畦灌便于機(jī)械化耕作與收割。

圖1-2 溝灌布置示意圖

根據(jù)灌水溝方向與地形等高線的關(guān)系，溝灌也可以分為順坡溝灌和橫坡溝灌2種。當(dāng)?shù)孛嫫露容^小（不超過3%）時(shí)，溝的方向一般垂直于等高線布置，這種溝灌稱為順坡溝灌；當(dāng)?shù)孛嫫露容^大（大于0.5%）時(shí)，溝的方向常與等高線平行或斜交布置，這種溝灌稱為橫坡溝灌。

3.淹灌

淹灌是在田間用較高的土埂筑成方格格田，一般引入較大流量迅速在格田內(nèi)建立起一定厚度的水層，水主要借助重力作用下滲的灌水方法。淹灌主要適于水稻及水生作物的灌溉。

二、土壤入滲規(guī)律

1.入滲的概念

入滲是指水分從土壤表面進(jìn)入土壤的過程。入滲是灌溉過程中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，因?yàn)楣喔人峭ㄟ^入滲才被轉(zhuǎn)化為土壤水分從而被作物吸收利用的。

影響入滲過程的因素有2個(gè)方面，一個(gè)是供水強(qiáng)度，另一個(gè)是土壤的入滲能力。當(dāng)供水強(qiáng)度大于土壤入滲能力時(shí)，入滲由土壤入滲能力所控制，稱為充分供水入滲；當(dāng)供水強(qiáng)度小于土壤入滲能力時(shí)，入滲由供水強(qiáng)度控制，稱為非充分供水入滲。

2.入滲率和累積入滲

（1）入滲率。單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的土壤表面所入滲的水量，稱為入滲率，常用i來表示，其單位一般用mm/min或cm/min。入滲率也稱入滲強(qiáng)度。

在土壤表面不積水，或積水的靜水壓力可以忽略的情況下，充分供水條件下的入滲率反映土壤的入滲能力。

（2）累積入滲量。在某一時(shí)段內(nèi)，通過單位面積的土壤表面入滲的水量，稱為累積入滲量，常用I來表示，單位一般用mm或cm。

顯然，入滲率與累積入滲量之間的關(guān)系為

或

式中 t——入滲歷時(shí)，min；

i——入滲率，mm/min；

I——累積入滲量，mm。

3.入滲規(guī)律描述

在入滲過程中，土壤的入滲能力是隨著入滲歷時(shí)而變化的。考察充分供水條件下的垂直入滲過程可以發(fā)現(xiàn)，在入滲開始時(shí)，入滲率i較大，隨著入滲歷時(shí)t的延長(zhǎng)，入滲率i逐漸減小，最后趨近于一個(gè)較穩(wěn)定的數(shù)值iD，不再繼續(xù)下降，如圖1-3所示。由此可見，土壤的入滲能力隨著入滲歷時(shí)逐漸降低，直至達(dá)到穩(wěn)定入滲率iD。

按如圖1-3所示的入滲率隨入滲歷時(shí)變化的關(guān)系以及式（1-2）所表示的入滲率與累積入滲量之間的關(guān)系，可以得出累積入滲量隨入滲歷時(shí)變化的關(guān)系，即累積入滲過程曲線，如圖1-4所示。由圖1-4可以看出，隨著入滲歷時(shí)的延長(zhǎng)，累積入滲量的增長(zhǎng)速度由快變緩。理論上，隨著入滲歷時(shí)的延長(zhǎng)，累積入滲過程曲線趨近于一條直線，該直線的斜率即為穩(wěn)定入滲率iD。

圖1-3 入滲率隨入滲歷時(shí)變化示意圖

圖1-4 累積入滲過程曲線示意圖

土壤的入滲能力還與土壤質(zhì)地、容重、初始含水率有關(guān)。一般地，砂土的入滲能力較高，黏土的入滲能力較低，壤土的入滲能力居中；對(duì)于同一種質(zhì)地的土壤來講，容重越小入滲能力越高，反之亦然；在土壤質(zhì)地和容重相同的情況下，土壤的入滲能力與初始含水率呈負(fù)相關(guān)的關(guān)系。

4.入滲的數(shù)學(xué)模型

自20世紀(jì)初以來，不少研究者提出了經(jīng)驗(yàn)性的、理論性的，或半經(jīng)驗(yàn)半理論性的入滲模型，其中影響較大的有考斯加可夫（Kostiakov）模型、考斯加可夫-列維斯（Kostiakov-Lewis）模型、格林-阿姆特（Green-Ampt）模型、菲利普（Philip）模型、霍頓（Horton）模型等。這里只對(duì)應(yīng)用最為廣泛考斯加可夫模型加以介紹。

考斯加可夫模型屬于經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?932年由蘇聯(lián)的考斯加可夫提出的，其表達(dá)式為

式中 t——入滲歷時(shí)，min；

I——累積入滲量，mm；

α——入滲指數(shù)，無因次；

K——入滲系數(shù)，mm/min。

α、K統(tǒng)稱為入滲參數(shù)，屬于經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，本身并無物理含義，一般由試驗(yàn)或?qū)崪y(cè)資料擬合求得。

由式（1-3）并根據(jù)式（1-1）推導(dǎo)可得考斯加可夫模型的入滲率形式為

式中 i——入滲率，mm/min；

其余符號(hào)意義同前。

雖然考斯加可夫模型在理論上不太嚴(yán)密，但是簡(jiǎn)單、實(shí)用，所以應(yīng)用非常廣泛。考斯加可夫入滲參數(shù)一般需要通過土壤入滲試驗(yàn)確定，其大小與土壤質(zhì)地、土壤容重、初始含水率等因素有關(guān)。入滲指數(shù)α的值一般為0.2～0.7；入滲系數(shù)K的值一般為2～20mm/min。表1-1是根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)資料得到的陜北榆林黃土（干容重為1.4g/cm3）的考斯加可夫入滲參數(shù)。

在參閱國(guó)內(nèi)有關(guān)文獻(xiàn)時(shí)，須注意參數(shù)α、K的意義，有的書籍中該2個(gè)參數(shù)的意義分別相當(dāng)于式（1-4）中的（α-1）和αK。

需要特別指出的是，對(duì)于溝灌來講，由于其入滲界面是一個(gè)曲面而非平面，所以用前述定義的入滲率、累積入滲量來表示入滲性能存在一定的困難。簡(jiǎn)化的方法有2種：①將溝灌的累積入滲量定義為單位溝長(zhǎng)上的入滲水量，單位為m2；②將溝灌的入滲概化為以溝為中心，以溝距為寬度范圍內(nèi)的均勻入滲。按照此概化模型，累積入滲量為

式中 I——累積入滲量，mm；

IL——單位溝長(zhǎng)上的入滲水量，m2；

d——灌水溝的溝距，m。

采用上述第2種表示方法比較方便，本章后面對(duì)溝灌的累積入滲量按該方法表示。溝灌的入滲率仍按式（1-4）計(jì)算。

三、灌水技術(shù)要素

地面灌溉的灌水技術(shù)要素主要包括畦田（溝）規(guī)格、灌水流量、灌水持續(xù)時(shí)間和改水成數(shù)。地面灌溉設(shè)計(jì)的任務(wù)就是以完成計(jì)劃灌水定額為前提，確定合理的灌水技術(shù)要素，以得到較高的灌水質(zhì)量。

1.畦田（溝）規(guī)格

（1）畦田規(guī)格。畦田規(guī)格是指畦田的寬度和長(zhǎng)度。畦田的寬度，即畦寬，取決于畦田的橫向坡度、土壤的入滲能力、農(nóng)業(yè)機(jī)械的寬度等因素，一般約2～4m；畦田的長(zhǎng)度，即畦長(zhǎng)，取決于畦田的縱向坡度、土壤的入滲能力、水源可提供的灌水流量等因素，一般可在30～120 m范圍內(nèi)選取。

（2）灌水溝的規(guī)格。灌水溝的規(guī)格是指灌水溝的間距、灌水溝的長(zhǎng)度以及灌水溝的斷面結(jié)構(gòu)。

灌水溝的間距（相鄰灌水溝中心之間的距離），即溝距，應(yīng)和灌水溝的濕潤(rùn)范圍相適應(yīng)，并滿足農(nóng)作物的耕作和栽培要求，一般在50～80cm范圍內(nèi)選取。入滲能力較高的輕質(zhì)土壤的濕潤(rùn)形狀為上下方向較長(zhǎng)的長(zhǎng)橢圓形，因此溝距應(yīng)取小值；入滲能力較低的重質(zhì)土壤的濕潤(rùn)形狀為水平方向較長(zhǎng)的長(zhǎng)橢圓形，因此溝距應(yīng)取大值，有時(shí)也可以超過1m；中質(zhì)土壤的入滲能力居中，溝距也應(yīng)居中選取。

灌水溝的長(zhǎng)度，即溝長(zhǎng)主要取決于土壤的入滲能力和灌水溝的縱向坡度。當(dāng)灌水溝縱向坡度較大，土壤入滲能力較低時(shí)，溝長(zhǎng)可以取大些；當(dāng)灌水溝縱向坡度較小，土壤入滲能力較高時(shí)，溝長(zhǎng)應(yīng)取小些。一般砂壤土上的溝長(zhǎng)取30～50m，黏性土壤上的溝長(zhǎng)取50～100m或更長(zhǎng)。

灌水溝的斷面形狀有三角形、梯形以及近似為拋物線形幾種，可用灌水溝斷面水深與水面寬度的關(guān)系表反映。灌水溝的深度一般為25cm左右，寬度一般為30cm左右。

2.灌水流量

對(duì)于畦灌和溝灌來講，灌水流量分別稱入畦流量和入溝流量。

（1）入畦流量。入畦流量是指畦首的供水流量，一般以單位畦寬上的入流量（即單寬流量）表示。入畦單寬流量的大小主要取決于土壤的入滲能力、畦長(zhǎng)、縱向坡度以及土壤的不沖流速等因素，一般取3～6L/（m·s），土壤入滲能力高、畦較長(zhǎng)、縱坡較小的，取大值，反之取小值。

（2）入溝流量。入溝流量是指灌水溝首端的供水流量，一般以一個(gè)溝的入流量（即單溝流量）表示。和畦灌相同，單溝流量的大小主要取決于土壤的入滲能力、溝長(zhǎng)、縱向坡度以及土壤的不沖流速等因素，一般取0.5～3.0L/s，土壤入滲能力高、溝較長(zhǎng)、縱坡較小的，取大值，反之取小值。

入溝流量的另外一種表示方法為，將溝灌的入流量概化為以溝為中心，以溝距為寬度范圍內(nèi)均勻入流。按照此概化模型，單寬流量為單溝流量除以溝距。

3.灌水持續(xù)時(shí)間

灌水持續(xù)時(shí)間是指從向畦田或灌水溝放水開始到停水為止的時(shí)間長(zhǎng)度，單位為min。灌水持續(xù)時(shí)間取決于灌水定額、土壤入滲能力等因素。

4.改水成數(shù)

改水成數(shù)是指封口（切斷入流）時(shí)田面水流推進(jìn)長(zhǎng)度占總長(zhǎng)度的成數(shù)。改水成數(shù)與灌水定額、土壤入滲能力、坡度等條件有關(guān)，一般有七成改水、八成改水、九成改水和滿流改水。改水成數(shù)也可用封口來表示，即切斷灌水流量時(shí)田面水流推進(jìn)的相對(duì)長(zhǎng)度。與七成改水、八成改水、九成改水和滿流改水相對(duì)應(yīng)，封口一般取0.7～1.0。一般情況下，在土壤入滲能力較強(qiáng)的沙土地區(qū)采用滿流改水。