第三節 地面灌溉設計

地面灌溉設計就是根據實際資料，以完成計劃灌水定額為前提，以灌水質量較高為目標，確定合理的灌水技術要素，包括溝畦規格、流量、持續灌水時間和改水成數。

一、畦灌系統設計

1.畦田（溝）規格

畦寬取決于畦田的橫向坡度、土壤的入滲能力、農業機械的寬度等因素，一般約2～4m。

畦長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60～300m范圍內選取，土壤入滲能力高、縱坡較小的，取短些，反之取大些。畦長可以參考表1-3中的數值來確定。

2.灌水持續時間

灌水持續時間取決于灌水定額、土壤入滲能力等因素。在假定灌水均勻度為1的前提下，各處的土壤入滲歷時等于灌水持續時間，累積入滲水深等于灌水定額，即

式中 t——灌水持續時間，min；

α——入滲指數，無因次；

K——入滲系數，mm/min。

根據式（1-7）推導，得估算灌水持續時間的公式

式中 各符號意義同前。

3.單寬流量

對于畦灌，按照水量平衡原理，有

式中 t——灌水持續時間，min；

q——入畦單寬流量，L/（m·s）；

m——計劃灌水定額，mm；

L——畦長，m。

根據上式及式（1-8），可得單寬流量為

式中 各符號意義同前。

單寬流量還應保證不沖刷土壤，而且又能分散覆蓋于整個田面，其最大、最小單寬流量分別為

式中 qmax——最大單寬流量，L/（m·s）；

s0——地面坡度，無量綱；

L——畦長，m；

n——曼寧糙率系數。

畦首的水深不應超過畦埂高度。畦首水深的計算式為

式中 y0——畦首水深，m；

其余符號意義同前。

如果由式（1-9）計算出的單寬流量不滿足最大、最小單寬流量的限制，或畦首水深超過了畦埂高度，則應調整灌水定額、畦田規格等，以滿足要求。

4.改水成數

改水成數與灌水定額、土壤入滲能力、坡度、畦長、單寬流量等條件有關，一般有七成改水、八成改水、九成改水和滿流改水。改水成數需要通過田間試驗或其他更復雜的理論計算來確定。一般對于地面坡度大、單寬流量大、土壤入滲能力低的畦田，改水成數取低值，反之取高值。

河南省引黃灌區根據畦灌試驗，給出了不同土壤質地、不同坡度條件下的灌水技術要素，列于表1-4，供參考。

【例1-2】 冬小麥畦田的起身-拔節期間，灌水定額確定為60mm。畦田規格為畦寬3m，畦長70m，畦埂高度0.20m。畦田的縱坡0.001。土壤為黏壤土，經田間實際測定，考斯加可夫模型的入滲指數α=0.377，入滲系數K=18.6mm/min，曼寧糙率系數n=0.084。試確定灌水持續時間和入畦單寬流量。

根據式（1-8）計算灌水持續時間t。將灌水定額m=60mm，入滲指數α=0.377，入滲系數K=18.6mm/min代入公式，得灌水持續時間為

根據式（1-9）計算單寬流量。將灌水定額m=60mm，畦長L=70m，灌水持續時間t=22.3min代入公式，得入畦單寬流量為

將畦田縱坡s0=0.001代入式（1-10），計算最大單寬流量為

將畦田縱坡s0=0.001，畦長L=70m，滿寧糙率系數n=0.084代入式（1-11），計算最小單寬流量為

將入畦單寬流量q=3.1L/（m·s），畦田縱坡s0=0.001，滿寧糙率系數n=0.084代入式（1-12），計算畦首水深為

入畦單寬流量為3.1L/（m·s）滿足最大、最小限制，畦首水深不超過畦埂高度，于是入畦單寬流量取3.1L/（m·s），相應的灌水持續時間為22.3min。

二、溝灌系統設計

1.灌水溝的規格

溝距應和灌水溝的濕潤范圍相適應，并滿足農作物的耕作和栽培要求，一般在50～80cm范圍內選取。入滲能力較低的重質土壤的濕潤形狀為水平方向較長的長橢圓形，因此溝距應取大值；中質土壤的入滲能力居中，溝距也應居中選取。溝距可以參考表1-5中的數值確定。

灌水溝的斷面形狀一般采用三角形、梯形。灌水溝的深度一般在25cm左右，寬度一般在30cm左右。

溝長主要取決于土壤的入滲能力和灌水溝的縱向坡度。當灌水溝縱向坡度較大，土壤入滲能力較低時，溝長可以取大些；當灌水溝縱向坡度較小，土壤入滲能力較高時，溝長應取小些。一般砂壤土上的溝長取30～50m，黏性土壤上的溝長取50～100m。溝長可以參考表1-6中的數值來確定。

2.灌水持續時間

灌水持續時間取決于灌水定額、土壤入滲能力等因素。本書在講述入滲數學模型內容時已經提及，溝灌的入滲可以概化為以溝為中心，以溝距為寬度范圍內的均勻入滲。按照此概化模型，累積入滲量為

式中 I——累積入滲量，mm；

IL——單位溝長上的入滲水量，m2；

d——灌水溝的溝距，m。

將概化的累積入滲量用考斯加可夫模型表示，即I=Ktα，并考慮灌水停止時刻溝中尚存蓄一定的水量的情況，則按照水量平衡原理有

式中 m——溝灌的灌水定額，mm；

d——溝距，m；

L——溝長，m；

b0——灌水溝中蓄水的平均水面寬度，m；

h——灌水溝平均蓄水深度，mm；

t——灌水持續時間，min；

α——概化模型的入滲指數，或稱為溝灌的折引入滲指數，無因次；

K——概化模型的入滲系數，或稱為溝灌的折引入滲系數，mm/min。

灌水溝平均蓄水深度h，一般在溝深度的1/3～2/3范圍內選取，土壤入滲能力較低、灌水溝坡度較大的選小值，反之選大值。

于是，溝灌的灌水持續時間計算為

式中 各符號意義同前。

3.灌水流量

入溝流量一般以單溝流量來表示。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、縱向坡度以及土壤的不沖流速和不淤流速等因素，一般取0.5～3.0L/s，土壤入滲能力高、溝較長、縱坡較小的，取大值，反之取小值。

對于溝灌，則按照水量平衡原理有

式中 t——灌水持續時間，min；

q——單溝流量，L/s；

m——計劃灌水定額，mm；

d——溝距，m；

L——畦長，m。

根據上式及式（1-13），可得單溝流量為

式中 各符號意義同前。

單溝流量還應保證不沖刷土壤，因此也應該用灌水溝允許的最大流速校核。對于易侵蝕的淤泥土，灌水溝允許的最大流速為8m/min；對于砂土、黏土，灌水溝允許的最大流速為13m/min。

如果由式（1-15）計算出的單溝流量不滿足最大流速的限制，則應調整灌水定額、畦田規格等，以滿足要求。

4.改水成數

根據溝灌的灌水定額，土壤入滲能力，以及灌水溝的縱坡，溝長和入溝流量等條件，改水成數可采用七成改水、八成改水、九成改水或滿流改水。一般對于地面坡度大、入溝流量大、土壤入滲能力低的灌水溝，改水成數取低值，反之取高值。

河南省引黃灌區根據溝灌試驗，給出了不同土壤質地、不同坡度條件下的灌水技術要素，列于表1-7，供參考。