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南方季節(jié)性缺水灌區(qū)節(jié)水灌溉制度設計
南方季節(jié)性缺水灌區(qū)節(jié)水灌溉制度設計 摘要:本文在非充分灌溉理論和調虧灌水技術指導下,采用參數(shù)修正法為主綜合修正法為輔的計算方法,給出了南方季節(jié)性缺水灌區(qū)節(jié)水灌溉制度的設計原則與方法,編制了計算軟件,得到了和試驗數(shù)據(jù)基本吻合的灌溉制度。此設計方法不限制于南方季節(jié)性缺水灌區(qū),可普遍采用。但由于節(jié)水灌溉情況下作物需水量尚需進一步研究,節(jié)水措施又非常多,目前尚缺乏充分的試驗數(shù)據(jù)驗證某些參數(shù)選用的合理性,本設計方法需要進一步完善。
關鍵詞:季節(jié)性缺水 節(jié)水灌溉制度 設計
前言
在節(jié)水農業(yè)的迅速發(fā)展中,節(jié)水灌溉制度的優(yōu)化設計越來越引起重視。但長期以來,節(jié)水灌溉制度沒有完善的設計方法,雖然國內外專家提出了一些基本理論,但實踐中仍然按照充分灌溉理論,基本沿用常規(guī)灌溉的設計方法,這和實際情況不符。依托863課題“南方季節(jié)性缺水灌區(qū)節(jié)水農業(yè)綜合技術體系集成與示范”四川簡陽示范點,本文在總結示范點采用的農業(yè)綜合節(jié)水灌溉技術及試驗數(shù)據(jù)的基礎上,以非充分灌溉理論和調虧灌水技術為指導,提出了可供實際應用的節(jié)水灌溉制度設計方法。
1 四川簡陽“863”節(jié)水農業(yè)示范基地農業(yè)綜合節(jié)水技術
我國南方地區(qū)年降雨量豐富,但時空分布不均,近年來季節(jié)性干旱較為嚴重。以四川為例,四川東部丘陵區(qū)的季節(jié)性干旱就非常嚴重,很多地區(qū)常常是春旱、夏旱連伏旱且十年九旱。隨著水資源的日益匱乏、灌溉水成本逐漸提高的影響,節(jié)水灌溉、科學灌溉的呼聲越來越高,特別是農業(yè)產業(yè)化及高科技農業(yè)的規(guī)模不斷擴大,對灌溉用水進行科學管理的市場需求也越來越大。四川簡陽“863”節(jié)水示范區(qū)針對我國南方地區(qū)季節(jié)性干旱的特點,通過建立農業(yè)用水基本信息數(shù)據(jù)庫、灌溉水量監(jiān)測與農業(yè)用水監(jiān)測系統(tǒng)、動態(tài)配水模型,科學合理地對灌區(qū)灌溉用水進行了管理。
灌溉制度設計是灌溉工程設計的核心內容,節(jié)水措施是節(jié)水灌溉制度設計的基礎。依據(jù)地形、地貌、農業(yè)氣候等特點結合現(xiàn)有水利設施,該示范區(qū)集成與展示有十項農業(yè)綜合節(jié)水技術,如下:
(1)水稻綜合節(jié)水灌溉技術
(2)玉米、紅苕綜合節(jié)水灌溉技術
(3)小麥、油菜綜合節(jié)水灌溉技術
(4)果樹綜合節(jié)水灌溉技術
(5)渠道、塘堰防滲堵漏綜合節(jié)水技術
(6)坡面集雨節(jié)灌綜合節(jié)水技術
(7)噴、微灌綜合節(jié)水灌溉技術
(8)沱江提灌站、萬古水庫與仙女灘石河堰聯(lián)合調配技術
(9)小水利工程(庫塘堰站池井)聯(lián)合運行模式
(10)降雨、地表水、地下水、土壤水四水聯(lián)動調配技術
2 節(jié)水灌溉制度設計方法
2.1 灌溉制度設計原則
示范區(qū)所在地四川簡陽屬川中丘陵區(qū),旱作物生長期內土壤水分多數(shù)時間處于適宜土壤水分的中或下限,不少時間低于下限,作物或多或少地受到土壤水分脅迫。以往的灌溉制度設計基本上是按照充分灌溉理論(滿足作物全生育期內潛在蒸發(fā)蒸騰需水量,作物全生育期土壤水分在適宜水分的上、下限之間)設計的,這和實際情況不符。計算出的灌溉定額比當?shù)馗弋a年份實際采用的灌溉定額要高,而且高的幅度較大。
該示范區(qū)灌溉制度設計是根據(jù)實際情況,采用上述十項農業(yè)綜合節(jié)水灌溉技術,著力于提高示范區(qū)水的有效利用率和作物水分利用效率,在非充分灌溉理論和調虧灌水技術指導下進行的。計算時采用了一些近年國內外研究成果,受旱脅迫減產率小于5%。
2.1.1 旱作物需水量計算公式
在非充分灌溉條件下,旱作物需水量計算可采用Jensen對數(shù)公式:
(1)
(2)
式中:為土壤水分脅迫修正系數(shù);為相對有效含水率,,其中為根系活動層的平均土壤含水率,為凋萎系數(shù),為田間持水率。
根據(jù)對四川省農田水分盈虧的研究,為了保證脅迫減產率小于5%,根活動層的平均土壤含水率在作物生長敏感期(關鍵期)應保持在適宜土壤含水率下限以上,在其余生育期可低于適宜土壤含水率下限0.82以上(輕度缺水,輕微度受旱)。
2.1.2 計算方法
在節(jié)水灌溉制度設計中,有兩種計算方法:一種是參數(shù)修正法,即對農田水分平衡方程中的計算參數(shù)按相應節(jié)水灌溉技術要求進行修正。這種方法可以計算出灌水時間、灌水定額、灌溉定額等節(jié)水灌溉制度的全部數(shù)據(jù)。這種方法較為復雜,適合于灌溉管理、大、中水利工程節(jié)水規(guī)劃設計。另一種是綜合修正法,這種方法直接對常規(guī)灌溉制度計算的灌溉定額結果進行打折修正,得出節(jié)水灌溉定額,但無法獲得節(jié)水灌溉制度的其它指標。這種方法較為簡單,適合于水資源平衡計算,小型水利工程節(jié)水規(guī)劃設計,目前許多節(jié)水規(guī)劃是采用這種方法計算的。這里采用參數(shù)修正法為主綜合修正法為輔的計算方法。
2.1.3 種植結構調整
由于示范區(qū)均為提水灌區(qū),特別是沱江灌區(qū),提水揚程較高,渠道較長,灌溉供水成本較高,不適合進一步發(fā)展高耗水作物。根據(jù)現(xiàn)有情況,對水稻面積進行了控制。
2.1.4 節(jié)水措施
水稻:四川、貴州等南方季節(jié)性缺水灌區(qū),一般屬中、小型灌區(qū)。渠道和泵站的運行都是間斷性的。除冬水田、沖、槽田外,水稻“淺、濕、薄、曬”灌水技術并不適合這些地區(qū)。淺灌中(深)蓄灌水技術有利于節(jié)水(10~20%)和蓄雨(增加蓄雨5~30%),已為當?shù)剞r民普遍采用,是一種常規(guī)的灌水技術。該示范區(qū)主要采用的節(jié)水技術有旱育秧技術、塑料薄膜、秸稈覆蓋技術和“強化大三圍”栽培技術等,這些技術主要是通過減少泡田水量、減少棵間蒸發(fā)、減少滲漏量達到省水的目的。
旱作物綜合節(jié)水灌溉技術構成比水稻復雜,一般都是幾種節(jié)水灌溉技術一起采用,種子包衣技術、控制性灌水、秸稈覆蓋等,這些技術主要是通過促進種子及根系生長能力、減少棵間蒸發(fā)、抑制植株無效蒸發(fā)、多蓄雨水來達到節(jié)水的目的。
果樹綜合節(jié)水灌溉技術主要由優(yōu)質苗木靠接技術、關鍵期水肥結合溝(點)灌技術、抗旱劑噴施技術和棵間覆蓋(秸稈、種殼、雜草、肥料等有機混合物覆蓋)技術組成。
2.2 節(jié)水灌溉制度設計參數(shù)
2.2.1 水稻
根據(jù)參數(shù)修正法和節(jié)水灌溉制度設計要求,分秸稈覆蓋和薄膜覆蓋兩種情況對水稻節(jié)水灌溉制度計算參數(shù)如作物系數(shù)、初始水層、降雨深蓄限、適宜灌溉水層上限、適宜灌溉水層下限等作調整。
2.2.2 旱作物
根據(jù)參數(shù)修正法和節(jié)水灌溉制度設計要求,對旱作物節(jié)水灌溉制度計算參數(shù)土壤適宜水分上、下限作調整。
3 四川簡陽“863”節(jié)水農業(yè)示范區(qū)節(jié)水灌溉制度設計成果
采用上述方法,編制計算軟件,對示范區(qū)主要作物以旬為單位進行了長系列(1960-2000年)的節(jié)水灌溉制度計算。水稻節(jié)水灌溉定額是將秸稈覆蓋、薄膜覆蓋以及旱育秧的節(jié)水原理進行分解,然后分別對水量平衡方程的參數(shù)作相應的修正,計算出秸稈覆蓋、薄膜覆蓋的單項灌溉定額,再結合各自的使用面積綜合而成。旱作物及果樹節(jié)水灌溉單項定額是在考慮土壤水分脅迫和非關鍵期限制性灌溉的基礎上,按水量平衡方程及農田水分調蓄計算得出的結果,再用其它不同節(jié)水措施的節(jié)水效果和實施面積計算得出的加權綜合節(jié)水比例進行修正后得出。在此基礎上,根據(jù)示范區(qū)節(jié)水與常規(guī)灌溉面積比例,加權平均得到主要作物的綜合凈灌溉定額。再根據(jù)各種作物的面積加權平均得到示范區(qū)田綜合凈灌溉定額、土綜合凈灌溉定額以及田土綜合凈灌溉定額。同時,對各種作物的凈灌溉定額以及綜合凈灌溉定額作了排頻分析,得到了75%典型年的凈灌溉定額供水資源平衡分析采用。其中,示范區(qū)水稻節(jié)水灌溉制度設計成果見表1、表2、表3、表4、表5,旱作物及果樹的灌溉制度設計及計算軟件等成果略,有興趣的讀者可向作者索取。
表1 示范區(qū)水稻節(jié)水灌溉技術節(jié)水效果表
采用技術
減少泡田水量
減少需水量
減少滲漏量
綜合節(jié)水
實施面積
旱育秧技術
35~45%
15~30%
85~95%
40~65%
30%
秸稈覆蓋技術
/
15~25%
20~35%
15~30%
15%
薄膜覆蓋及“強化大三圍”技術
20~35%
30~50%
50~65%
30~50%
35%
備注:1、本表根據(jù)省內外相關試驗資料 南方季節(jié)性缺水灌區(qū)節(jié)水灌溉制度設計總結而得。
2、表中減少水量是相對常規(guī)灌溉而言,本次計算綜合節(jié)水效果取中值。
3、實施面積為占播種面積的百分數(shù)。
表2 示范區(qū)水稻節(jié)水灌溉制度參數(shù)表(秸桿覆蓋)
5下
6上
6中
6下
7上
7中
7下
8上
8中
8下
作物系數(shù)
0.81
0.98
1.05
1.09
1.24
1.28
1.24
1.35
1.26
1.17
滲漏量(mm/d)
1.48
1.44
0.00
1.44
1.96
1.96
1.96
1.77
0.00
0.00
初始水層(mm)
40.00
降雨深蓄限(mm)
40.00
70.00
0.00
90.00
90.00
90.00
80.00
50.00
0.00
0.00
適宜灌溉水層上限(mm)
35.00
50.00
0.00
60.00
60.00
60.00
50.00
30.00
0.00
0.00
適宜灌溉水層下限(mm)
5.00
20.00
0.00
20.00
20.00
20.00
20.00
5.00
0.00
0.00
表3 示范區(qū)水稻節(jié)水灌溉制度參數(shù)表(薄膜覆蓋與強化大三圍)
5下
6上
6中
6下
7上
7中
7下
8上
8中
8下
作物系數(shù)
0.58
0.70
0.90
0.93
0.93
1.12
1.09
1.05
1.12
1.04
滲漏量(mm/d)
0.74
0.72
0.72
0.72
0.98
0.98
0.98
0.89
0.00
0.00
初始水層(mm)
15.00
降雨深蓄限(mm)
20.00
35.00
35.00
45.00
45.00
45.00
40.00
25.00
0.00
0.00
適宜灌溉水層上限(mm)
18.00
25.00
25.00
30.00
30.00
30.00
25.00
15.00
0.00
0.00
適宜灌溉水層下限(mm)
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
表4 示范區(qū)水稻節(jié)水灌溉制度表(秸桿覆蓋)(P=75%) 單位:m3/畝
5下
6上
6中
6下-7中
7下
8上
8中-8下
本田全生育期
(凈灌溉定額)
全生育期
(凈灌溉定額)
灌水量
21
47
27
20
33
148
266
灌水次數(shù)
1
1
1
1
2
6
表5 示范區(qū)水稻節(jié)水灌溉制度表(薄膜覆蓋與強化大三圍)(P=75%) 單位:m3/畝
5下
6上
6中
6下-7中
7下
8上
8中-8下
本田全生育期(凈灌溉定額)
全生育期
(凈灌溉定 南方季節(jié)性缺水灌區(qū)節(jié)水灌溉制度設計額)
灌水量
17
40
20
77
195
灌水次數(shù)
1
2
1
4
4 結論
采用本設計方法得到的灌溉制度和和示范區(qū)試驗數(shù)據(jù)基本吻合。本設計方法不限制于南方季節(jié)性缺水灌區(qū),可在全國普遍采用。但由于節(jié)水灌溉情況下作物需水量尚需進一步研究,節(jié)水措施又非常多,節(jié)水灌溉制度設計涉及到大量的參數(shù),目前尚缺乏充分的試驗數(shù)據(jù)驗證某些參數(shù)選用的合理性,本設計方法需要進一步完善。
參考文獻
1 陳亞新,康紹忠. 非充分灌溉原理[M]. 北京:水利電力出版社,1995
2 趙永,蔡煥杰,張朝勇. 非充分灌溉研究現(xiàn)狀及存在問題[J]. 中國農村水利水電,2004,(4):1-4
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