第二節(jié) 灌水質(zhì)量評價

一、地面灌溉的灌水過程

以末端封堵的畦灌為例，其灌水過程可分為推進、成池、消退、退水4個階段。

1.推進階段

從放水入畦時刻開始，田面的水流前鋒在到達畦尾前一直向前推進，這一過程稱為推進階段。

2.成池階段

水流前鋒到達畦尾后，開始積水成池，直至畦首切斷灌水流量為止，這一階段稱為成池階段。

3.消退階段

畦首切斷灌水流量后，土壤入滲使得田面積水逐漸減少，直至畦首的地表水深為0，露出地面為止，這一階段稱為消退階段。

4.退水階段

畦首露出地面后，畦田的積水部分的土壤入滲仍然在持續(xù)，田面積水逐漸減少，退水前鋒不斷地由畦首向畦尾移動，直至達到畦尾為止，這一階段稱為退水階段。

在實際灌水過程中，成池階段和消退階段不一定存在，對于順坡畦灌通常沒有為非滿流改水，因此沒有該2個階段。當(dāng)tCO>tL時，有成池階段；當(dāng)tCO≤tL時，無成池階段。對于土壤入滲能力中等以上的順坡畦灌，為了提高灌水均勻度，常常在水流推進到田塊末端以前切斷灌水流量，即tCO≤tL，所以無成池階段。對于沒有成池階段的順坡畦灌，畦首切斷灌水流量后，畦首的水深很快為0，即tD≈tCO，所以也可以認(rèn)為不存在消退階段。圖1-5是地面灌溉的灌水過程示意圖，其中圖1.5（a）為有成池階段階段的情況，圖1.5（b）為無成池階段的情況。圖中，坐標(biāo)T為從開始放水的時刻算起的時間，坐標(biāo)x為沿畦長方向離畦首的距離，tD表示退水階段開始的時間，tR表示退水階段結(jié)束的時間，tCO表示停水時間，tL表示水流前鋒推進到畦尾的時間。以上各時間均從開始放水的時刻算起。

圖1-5 灌水過程示意圖

（a）有成池階段；（b）無成池階段

二、灌水質(zhì)量評價指標(biāo)

一般來說，灌入水量沿畦（溝）長的分布是不均勻的，從而使得有的地方入滲水量過大滲到根系貯水層以下，產(chǎn)生了浪費，有的地方入滲水量偏小，出現(xiàn)了欠灌。

圖1-6 入滲水量分布示意圖

圖1-6是入滲水量分布的示意圖。圖中：x表示沿畦長方向離畦首的距離，m；L為畦長，m；I為某點的入滲水量，mm；Ireq為按灌水定額計算的需要入滲水量，mm；V1表示畦田中滲入根系貯水層的水量，m3；V2表示畦田中滲到根系貯水層以外的深層滲漏水量，m3；V3表示畦田中根系貯水層欠灌的水量，m3；xc為超灌與欠灌分界點對應(yīng)的坐標(biāo)x，m。該圖也同樣適合于溝灌。

目前，對于地面灌溉的灌水質(zhì)量評價，最常用的指標(biāo)有灌水均勻度和灌水效率。

1.灌水均勻度

灌水均勻度是指灌溉范圍內(nèi)，田間土壤濕潤的均勻程度，通常用沿畦（溝）長多點入滲水深的值進行計算

其中

式中 Ed——灌水均勻度，無量綱；

n——沿畦（溝）長測量的入滲水深的橫斷面?zhèn)€數(shù)；

Ij——第j個橫斷面上的平均入滲水深，溝灌的入滲水深為單位溝長上的入滲水量除以溝距計算得到，mm；

I——沿畦（溝）長各橫斷面的平均入滲水深，mm；

ΔI——沿畦（溝）長各橫斷面的入滲水深的平均離差，mm。

2.灌水效率

灌水效率是指灌溉范圍內(nèi)，根系貯水層內(nèi)增加的水量與灌入田間的水量之比，其計算式為

其中

式中 Ea——灌水效率，無量綱；

V1——單位寬度上滲入根系貯水層的水量，m2；

q——入畦（溝）單寬流量，溝灌的入溝單寬流量應(yīng)以單溝流量除以溝距求得，L/（m·s）；

tCO——灌水持續(xù)時間，min；

Ireq——按灌水定額計算的需要入滲水量，mm；

xc——超灌與欠灌分界點對應(yīng)的離畦首的距離，m；

n——沿畦（溝）長測量的入滲水深的橫斷面?zhèn)€數(shù)；

nc——xc對應(yīng)的橫斷面序號；

Δxj——沿畦（溝）長方向第j個橫斷面和第j+1個橫斷面之間的距離，m；

Ij、Ij+1——第j個橫斷面、第j+1個橫斷面上的平均入滲水深，溝灌的入滲水深為單位溝長上的入滲水量除以溝距計算得到，mm。

此外，作為評價灌水質(zhì)量的附加指標(biāo)，還有需水效率、深層滲漏率和尾水率。

三、入滲水深的估算

在進行灌水質(zhì)量評價過程中，各斷面的入滲水深可以通過測定灌水前后的根層土壤含水率計算得到，也可以通過觀測灌水過程的推進曲線和退水曲線，結(jié)合入滲模型來計算得到。

圖1-7描述了無成池階段的畦灌過程。坐標(biāo)T為從開始放水的時刻算起的時間，坐標(biāo)x表示離畦首的長度。對于任一橫斷面，退水時間與推進時間之差即為該斷面的入滲歷時，即

式中 tj——第j個橫斷面的入滲歷時，min；

Tdj——第j個橫斷面的退水時間，min；

Taj——水流推進到第j個橫斷面的時間，min。

于是，在已知土壤入滲參數(shù)的情況下，根據(jù)考斯加可夫入滲模型便可求得第j個橫斷面的入滲水深

式中 Ij——第j個橫斷面的入滲水深，mm；

tj——第j個橫斷面的入滲歷時，min；

α——入滲指數(shù)，無因次；

K——入滲系數(shù)，mm/min。

入滲參數(shù)α、K的確定，有很多種方法。利用雙套環(huán)田間下滲儀測定畦田入滲參數(shù)是比較方便的方法。根據(jù)水量平衡原理，利用灌水的推進、退水過程觀測資料以及灌水流量也可以反算出畦灌、溝灌的入滲參數(shù)，有興趣的讀者可以參考有關(guān)文獻。

【例1-1】 研究人員進行畦灌試驗，畦長L=100m，單寬流量q=3.0L/（m·s），灌水持續(xù)時間tCO=35min，按灌水定額計算的需要入滲水量Ireq=60mm。通過灌溉前后對根系貯水層土壤含水率觀測結(jié)果計算，得出沿畦長各點的入滲水量，如圖1-8所示，具體數(shù)據(jù)見表1-2。試計算灌水均勻度和灌水效率。

圖1-7 入滲歷時計算示意圖

圖1-8 入滲水量沿畦長方向的分布

1.灌水均勻度計算

入滲水量沿畦長方向的分布如圖1-8所示。由入滲水量沿畦長分布的數(shù)據(jù)，可以計算出11個斷面入滲水量的平均值為I=62.3mm。按ΔIj=|Ij-I|計算沿畦長各斷面的入滲水深離差，結(jié)果見表1-2，均值為ΔI=10.1mm。利用式（1-5）計算灌水均勻度為

2.灌水效率計算

由所給數(shù)據(jù)可以看出，超灌與欠灌分界點對應(yīng)的離畦首的距離xc=70m，即nc=8。單位寬度上滲入根系貯水層的水量為

利用式（1-6）計算灌水效率為