第二章 灌溉制度与灌溉用水量

第一节 充分供水条件下灌溉制度的确定

灌溉制度是灌溉工程规划设计的基础，是已建成灌区编制合理用水计划和拟建灌区规划设计的重要依据，关系到灌区内作物产量（效益）和品质的提高，以及灌区水土资源的充分利用和灌溉工程设施效益的发挥。

一、灌溉制度的内涵

灌溉制度是指某一作物在一定的气候、土壤等自然条件和一定的农业技术措施下，为了获得稳定高产，所制定的一整套向农田灌水的方案，包括作物播种前（或水稻插秧前）及全生育期内的灌水次数、每次灌水的灌水时间、灌水定额以及灌溉定额等四项内容。

灌水定额是指一次灌水单位面积上的灌水量，作物全生育期内各次灌水定额之和称为灌溉定额，常以m³/hm²或mm水深表示。农作物在整个生育期中实施灌溉的次数即为灌水次数。每次灌水的日期即为灌水时间，灌水时间以作物生育期或年、月、日表示。

灌溉制度随作物种类、品种、自然条件及农业技术措施的不同而变化。制订灌溉制度的主要依据之一是降雨量，另一个基本依据是作物需水量。由于降雨量在年内、年际的分布不同，所以同一种作物在不同水文年有不同的灌溉制度。根据拟建灌区规划设计或已建灌区管理工作的需要，灌溉制度一般都需要在灌水季节之前加以确定，一定程度上带有估算性质。因此，必须以作物需水规律和气象条件（特别是降水）为主要依据，从当地具体条件出发，针对不同水文年份，拟定湿润年（频率为25%）、一般年（频率为50%）、干旱年（频率为75%）及特旱年（频率为95%）四种类型的灌溉制度。一般在灌溉工程规划、设计中多采用干旱年的灌溉制度作为设计标准。

二、充分供水条件下的灌溉制度

充分供水条件下的灌溉制度，是指灌溉供水能够充分满足作物各生育阶段的需水量要求而设计制定的灌溉制度。长期以来，人们都是按充分供水条件下的灌溉制度来规划设计灌溉工程。当灌溉水源充足时，也是按照这种灌溉制度来进行灌水。因此，研究制定充分供水条件下的灌溉制度有重要意义。常采用以下三种方法来确定。

（一）调查群众丰产灌水经验制定充分供水灌溉制度

长期以来，各地群众在多年的生产实践中积累了一套确定灌溉制度的经验和方法。如我国北方农民把土壤水分状况称为墒情，将土壤墒情分为：汪水、黑墒、黄墒、潮干土和干土等几类，常在耕种前或作物生长期间进行验墒，以确定灌水时间和灌溉水量。这些实践经验是制定灌溉制度最宝贵的资料。灌溉制度调查应根据设计要求的水文年份，仔细调查这些年份不同生育期的作物田间耗水强度（mm/d）及灌水次数、灌水时间、灌水定额以及灌溉定额，并由此确定这些年份的灌溉制度。一些实际调查的灌溉制度举例如表2-1、表2-2所示。

（二）根据灌溉试验资料制定灌溉制度

我国许多灌区设置了灌溉试验站，至今已进行了多年灌溉试验工作。试验项目包括作物需水量、灌溉制度、灌水技术等，积累了一大批相关的试验观测资料，这些资料为制定合理的灌溉制度提供了可靠依据。

（三）按水量平衡原理分析制定作物灌溉制度

1.原理

水量平衡法以作物各生育期内土壤水分变化为依据，从对作物充分供水的观点出发，一般要求在作物各生育期，计划湿润层内的土壤含水量（旱田）或水层变化（水田）维持在作物适宜含水量的上限和下限之间或适宜水层深度，若土壤储水量降至下限时，则应进行灌水，以保证作物充分供水。应用时要参考、结合前几种方法的结果，这样才能使得所制定的灌溉制度更为合理、完善。

下面分别介绍应用水量平衡原理确定旱作物和水稻灌溉制度的方法。

2.旱作物的灌溉制度

（1）水量平衡方程。就旱作物的整个生育期而言，任一时段［0，t］中，土壤计划湿润层（根系层）H内的水量平衡（图2-1）可表示为：

或

式中：W₀、W_t分别为时段始、末单位面积计划湿润层内的土体储水量，mm；θ₀、θ_t分别为时段始、末计划湿润层土壤的平均含水量，cm³/cm³；H为计划湿润层深度，m；W_T为由于计划湿润层深度增加而在单位面积上增加的水量，mm，如时段内计划湿润层无变化则无此项，一般取时段内计划湿润层深度一致，即W_T=0；P₀为时段内单位面积上入渗的有效降水量，mm；p为时段内的平均降水入渗强度，mm/d；K为时段内单位面积上地下水（或下部土层）对计划湿润层的补给量，mm；k为时段内地下水（或下部土层）对计划湿润层的平均补给强度，mm/d；M为时段内单位面积上的灌水量，mm；m为时段内的平均灌水强度，mm/d；ET为时段内的作物需水量，mm；e为时段内作物的平均需水强度，mm/d。

为了满足作物正常生长要求，任一时段内土壤计划湿润层内的含水量（或储水量）必须经常保持在一定的适宜范围以内，即通常要求不小于作物允许的最小含水量（或最小储水量）和不大于作物允许的最大含水量（或最大储水量）。在天然情况下，各时段内需水量是一种经常的消耗，而降雨则是时段的补给。因此，在某些时段内降雨很小或没有降雨量时，往往使土壤计划湿润层内的含水量降低到或接近于作物允许的最小含水量，此时即需进行灌溉，补充土层中消耗掉的水量。

例如，某时段内没有灌溉也没有降雨，土壤计划湿润层也无变化，随着时间的推移，土壤储水量将降至下限，显然这一时段内的水量平衡方程可写为：

式中：W_min为土壤计划湿润层内允许最小储水量；其余符号意义同前。

如图2-2所示，设时段初土壤储水量为W₀，则由式（2-3）可推算出开始进行灌水时的时间间隔为：

而这一时段末灌水定额m为：

或

式中：m为灌水定额，m³/hm²；H为该时段内土壤计划湿润层的厚度，m；θ_max、θ_min分别为该时段内土壤允许的最大含水率和最小含水率cm³/cm³；γ为计划湿润层内土壤的干容重，t/m³；θ′_max、θ′_min分别为该时段内土壤允许的最大含水率和最小含水率（以占干土重的%计）。

同理，可计算确定作物全生育期各阶段不同情况下的灌水时间和灌水定额。

（2）水量平衡法有关参数的确定。

1）有效降水量P₀。首先需要确定设计降水量。对当地多年降水资料进行频率分析，按25%、50%、75%的降水保证率选定三个降水典型年，根据典型年中的降水量、降水分布情况，设计不同保证率条件下的降水量及其出现的时间。

有效降水指降雨量减去地面径流损失和深层渗漏后的水量，且能被田间作物有效利用的水量。因此，有效降水量一般采用以下公式计算：

式中：P₀为有效降水量，mm；P为设计降水量，mm；P_径为地面径流量，mm；P_渗为深层渗漏量，mm。

生产实践中通常采用下列简化方法计算：

式中：σ为降水有效利用系数，其值与一次降雨量、降雨强度、降雨延续时间、土壤性质、地面覆盖及地形等因素有关，应根据具体条件通过实验确定。一般认为一次降雨量小于5mm时，σ=0；当一次降雨量为5～50mm时，σ=1.0～0.8；当次降雨量大于50mm时，σ=0.7～0.8。

2）土壤计划湿润层深度H。土壤计划湿润层深度系指实施灌溉时，计划调节、控制土壤水分状况的土层深度，它随作物根系活动层厚度、土壤性质、地下水埋深等因素而变。在作物生长初期，根系虽然很浅，但为了维持土壤微生物活动，并为以后根系生长创造条件，需要在一定土层深度内有适当的含水量，一般采用30～40cm；随着作物的成长和根系的发育，需水量增多，计划湿润层也应逐渐增加，至生长末期，由于作物根系停止发育，需水量减少，计划层深度不宜继续加大，一般不超过0.8～1.0m。在地下水位较高的盐碱化地区，计划湿润层深度不宜大于0.6m。计划湿润层深度应通过试验来确定，表2-3给出了冬小麦、玉米、棉花在不同生育阶段的计划湿润层深度，供参考。

3）土壤适宜含水量及上、下限的确定。土壤适宜含水量是指最适宜作物生长的土壤含水量。土壤适宜含水量介于θ_max与θ_min之间，随作物品种及其生育阶段、土壤性质等因素而变化。由于田间作物需水的持续性及农田灌水或降雨的间歇性，计划湿润层内的土壤含水量不可能经常维持在最适宜含水量水平，为了保证作物生长，应将土壤含水量控制在适宜的上限（θ_max）与下限（θ_min）之间。一般应通过试验或调查总结群众经验确定。

土壤含水量的上限应满足以下两个条件：既不产生深层渗漏，又要满足作物对土壤空气含量的要求，故一般取田间持水量。

土壤含水量的下限应以作物生长不受抑制为准，一般以占田间持水量的百分数计。对大多数作物，取60%比较适宜。在土壤盐碱变化比较严重的地区，往往由于土壤溶液浓度过高，而妨碍作物吸取正常生长所需的水分，因此还要依据作物不同生育阶段允许的土壤溶液浓度作为控制条件来确定允许最小含水率，其值应高于60%。表2-4给出了冬小麦、棉花和玉米三种作物生育期的土壤适宜含水量。

4）地下水补给量K。地下水补给量是指地下水借毛管作用上升至作物根系活动层内而被作物利用的水量，其大小与地下水埋藏深度、土壤性质、作物种类、作物需水强度、气象条件和根系层土壤含水量等有关。地下水位越接近根系活动层，毛管作用越强，地下水补给量也越多。如内蒙古灌区春小麦地下水利用量，当地下水埋深为1.5～2.5m时利用量为60～120mm；河南省人民胜利渠观测资料证明，冬小麦生长期内地下水埋深1.0～2.0m时，地下水利用量可占耗水量的20%（中壤土）。生产实际中常采用经验数据或经验公式确定。地下水（或下部土层）对根系层的补给量可在实测两层间土壤含水量（或基质势）变化趋势的基础上，通过计算土壤水分通量获得。

5）由于计划湿润层增加而增加的水量W_T。在作物整个生育过程中作物根系是不断增加的，因此计划湿润层的深度也是不断变化的。由于计划湿润层增加，可利用一部分深层土壤的原有储水量。若计算时段内计划湿润层深度变化不大，则式（2-1）和式（2-2）中的W_T可设定为零；若时段内计划湿润层变化较大，由于计划湿润层的增加，将增加部分有效水量，此时，W_T可近似按下式计算：

式中：H₁、H₂为计算时段始、末计划湿润层的深度，m；为计算时段始、末（H_2-H₁）深度内土层中的平均体积含水率，cm³/cm³。

（3）旱作物灌溉制度的确定。

1）播前灌水定额的确定，旱作物播前灌水的目的在于保证作物种子发芽和出苗所必须的土壤含水量或储水于土壤中以供作物生育后期之用。播前灌水往往只进行一次。一般按下式计算：

式中：M₁为播前灌水定额，mm；H为计划湿润层深度，m；θ_max为土壤允许最大体积含水率，一般为田间持水量，cm³/cm³；θ₀为灌前计划湿润层深度内土壤平均体积含水率，cm³/cm³。

2）生育期灌水定额的确定，利用水量平衡法拟定作物生育期灌溉制度的方法有两类：一类为图解法；另一类为列表法。以棉花灌溉制度制定为例，采用水量平衡图解法分析法拟定灌溉制度步骤如下：

a.根据各旬的计划湿润层深度H和作物所要求的计划湿润层内土壤含水量的上限和下限，求出计划湿润层深度土层内允许储水量上限W_max及下限W_min，绘于图2-3上。

b.绘制作物田间需水量（ET）累积曲线，由于计划湿润层加大而获得的水量（W_T）累积曲线、地下水补给量（K）累积曲线以及净耗水量（ET—W_T—K）曲线。

c.根据设计年雨量，求出渗入土壤的降雨量P₀，逐时段绘于图上。

d.自作物生长初期土壤计划湿润层储水量W₀。逐旬减去（ET—W_T—K）值，即至A点引直线平行于（ET—W_T—K）曲线，当遇有降雨时再加上降雨入渗量P₀，即得计划湿润土层实际储水量（W）曲线。

e.当W_t曲线接近于W_min时，即进行灌水。灌水时期除考虑水量盈亏的因素外，还应考虑作物各阶段的生理要求，以及与灌水相关的农业技术措施和劳动组织等。灌水定额的大小要适当，不应使灌水后土壤储水量大于W_max，也不宜给灌水技术的实施造成困难。灌水定额值也像降雨入渗量一样加在W曲线上。

f.如此继续进行，即可得到全生育时期的各次灌水定额、灌水次数和灌水时间。

g.生育期灌溉定额M₂=∑m，m为各次灌水定额。

根据上述原理，也可列表法计算，计算时段采用一旬或五天，计算也十分简便。

旱作物的总灌溉定额M为播前灌水定额加上生育时期灌溉定额，即：

按水量平衡方法估算灌溉制度，如果作物耗水量和降雨量资料比较精确，其计算结果比较接近实际情况。对于比较大的灌区，由于自然条件差别较大，应分区制定灌溉制度，并与前面调查法和试验法相互核对，以求切合实际。

3.水稻的灌溉制度

水稻的耕作栽培方式与旱作物完全不同，但按水量平衡原理确定灌溉制度的方法与旱作物基本类似，不同之处在于：旱作物要求在各生育期内，计划湿润层内的土壤含水量维持在作物适宜含水量的上限和下限之间，而水稻要求在不同的生育阶段田面维持一定深度的水层。因此，确定水稻的灌溉制度时，不是以计划湿润层内土壤含水量的变化为依据，而是以淹灌水层深度的变化为依据。另外在制定水稻灌溉制度时，由于水稻根系层土壤多数时间均处于饱和状态，故应考虑稻田的深层渗漏问题；水稻一定的生育阶段还要进行晒田，故应考虑稻田排水问题。

水稻本田灌溉定额包括泡田定额M₁与生育期灌溉定额M₂两部分。

（1）泡田定额M₁的确定。泡田期的灌溉用水量称为泡田定额。其目的在于使稻田的土壤在一定深度的土层达到饱和并在田面建立水层的水量，其值可用下式确定：

式中：M₁为泡田期灌溉用水量，mm；h₁为插秧时田面所需的水层深度，mm；s₁为泡田期的渗漏量，即开始泡田到插秧期间的总渗漏量，mm；t₁为泡田期的日数；e₁为在t₁时段内水田的田面平均蒸发强度，mm/d，可用水面蒸发强度代替；P₁为在t₁时段内的降雨量，mm。

泡田定额一般与当地的土壤、地势、地下水埋深等因素有密切关系，通常可由相类似田块上的实测资料确定。一般在h₁=3～5cm情况下，泡田定额的数值参见表2-5。

（2）生育期灌溉定额的确定。在水稻生育期任何一个时段［t₁，t₂］内，格田内水量的平衡关系可表示为：

或

式中：h₁、h₂分别为时段始、末田面水层深度，mm；P为时段内的降雨量，mm；C为时段内的排水量，mm；ET为时段内水稻的需水量，mm；M为时段内的灌水量，mm；p为时段内的平均降雨强度，mm/d；c为时段内的平均排水强度，mm/d；e为时段内水稻的平均耗水强度，mm/d；m为时段内的平均灌水强度，mm/d。

如果时段初的农田水分处于格田的适宜水层上限（h_max），在经过一个时段的消耗后，田面的水层降到适宜水层的下限（h_min），此时如果没有降雨，则需要及时进行灌溉，此时的灌水定额为：

不同类型水稻各生育期要求的适宜水层上限和下限值见表2-6。

上述过程可用如图2-4所示的图解法表示。如在时段初的A点，水田应按1线耗水至B点，此时田面水层降至适宜水层下限，即需进行灌水，灌水定额为m；如果时段t₁内有降雨P，则降雨后使得田面水层回升高度为P′，再按2线开始耗水至C点时再进行灌溉；如降雨P很大，通过允许最大蓄水深度H_p，则多余的部分需要排除，其排水量为d，然后按3线耗水至D点时进行灌溉。如此进行直至水稻成熟即可制定出其相应灌溉制度。

根据上述原理可知，当确定水稻各生育阶段的适宜水层上下限以及各阶段需水强度后，便可用图解法或列表法推求水稻灌溉制度。