張 勇，孫西歡，郭向紅，馬娟娟

（太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030024）

我國水資源總量居世界第4位，人均水資源量2 200 m3，約為世界人均的1/4，排在世界第121位，是世界13個貧水國家之一。水資源是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境建設(shè)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，在我國水資源緊缺的情況下，科學(xué)合理利用水資源對實現(xiàn)國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。因此，節(jié)水成為可持續(xù)發(fā)展與水資源合理利用的重要戰(zhàn)略措施之一。在全國水資源利用結(jié)構(gòu)中，農(nóng)業(yè)用水是一個大戶，占國民經(jīng)濟(jì)總用水量的70%，而農(nóng)田灌溉用水占農(nóng)業(yè)用水的90%以上。傳統(tǒng)的地面灌溉方法仍為目前廣泛使用的灌水方法，其灌溉面積占總灌溉面積的98%以上。就目前的灌溉水利用系數(shù)而言，全國各類灌區(qū)的平均水平為0.45，而農(nóng)業(yè)技術(shù)先進(jìn)國家可達(dá)0.8～0.9，由此可見，灌溉節(jié)水潛力很大。而田間水利用系數(shù)是灌溉水有效利用系數(shù)的一個重要組成部分，又是評價田間灌溉管理與節(jié)水的一個重要指標(biāo)。田間水利用系數(shù)有諸多影響因素，如灌水定額、畦塊大小、土壤質(zhì)地、灌溉計劃濕潤層深度等，這些影響因素交織在一起，大大增加了田間水利用系數(shù)研究的復(fù)雜性。同時，田間水利用系數(shù)研究多以田間實測為基礎(chǔ)，而田間實測費(fèi)時、費(fèi)力、耗資大，因而田間水利用系數(shù)研究的難度較大。因此，下文將對田間水利用系數(shù)的確定方法及田間水利用系數(shù)的主要影響因素進(jìn)行分析，以期為田間水利用系數(shù)的量測計算和進(jìn)一步研究提供參考。

1 田間水利用系數(shù)的確定方法

田間水利用系數(shù)是指實際灌入田間的有效水量和末級固定渠道放出水量的比值?！豆?jié)水技術(shù)規(guī)范》（SL207-98）提供的田間水利用系數(shù)量測計算方法有計算法和實測法兩種，另外常見的還有數(shù)值計算法。

1.1 計算法

式中：η——田間水利用系數(shù)；

m——設(shè)計灌水定額，m3/hm2；

A——末級固定渠道控制的實際灌溉面積，hm2；

W——末級固定渠道放出的總水量，m3。

1.2 實測法

在灌區(qū)中應(yīng)選擇有代表性的地塊，通過實測灌水前后（1～3 d）土壤含水率的變化計算灌水定額，然后再算出田間水利用系數(shù)：

式中：β1，β2——分別為灌水前后土壤濕潤層的含水率（以干土重的百分?jǐn)?shù)表示）；

γ——土壤干容重，t/m3；

H——土壤計劃濕潤層深度，m。

1.3 數(shù)值計算法

田間水利用系數(shù)數(shù)值模擬計算方法的基本原理是通過田面水流運(yùn)動模型與土壤水分運(yùn)動模型結(jié)合起來，完整地描述畦灌的地面水流運(yùn)動過程和田面水分入滲過程，最終求得灌前和灌后田間含水率分布，并由此計算田間水利用系數(shù)。

地面水流運(yùn)動模型可采用零慣量模型：

式中：x——沿畦長方向距畦首的距離，m；

t——灌水時間，s；

y——田面水流的水深，m；

A，Q——田面水流的斷面面積與流量，m2，m3/s；

Z——累積入滲水深，m；

K——土壤入滲系數(shù)，m/s；

α——入滲指數(shù)；

S0——田面坡度；

Sf——阻力坡度為經(jīng)驗形狀系數(shù)，n為田面糙率。

土壤水分運(yùn)動模型采用非均質(zhì)土壤水分運(yùn)動基本方程：

式中：h——負(fù)壓水頭，cm；

C（h）——比水容量，1/cm；

K（h）——導(dǎo)水率，cm/min；

z——距地面的距離，m。

零慣量模型的計算結(jié)果為土壤水分運(yùn)動模型提供了運(yùn)動的地表邊界條件，兩者結(jié)合起來可求得灌后的土壤含水率分布。根據(jù)水量平衡原理，可得田間水利用系數(shù)的計算模型如下：

式中：Δw——計劃濕潤層內(nèi)增加的水量，m3；

L——畦（溝）長，m；

q——入畦（溝）流量，m3/s；

t1——畦（溝）口斷水時間，s。

以上三種方法各有優(yōu)缺點：計算法公式簡單，需要資料少，但在公式中隱含設(shè)計灌水定額即為儲存在計劃濕潤層中的有效含水量，在實際中設(shè)計灌水定額并不一定等于儲存在計劃濕潤層中的有效含水量；實測法原理簡單，計算精度較高，但測定灌前和灌后含水率分布需要大量的人力和物力，且田間含水率的取樣位置和數(shù)量直接影響田間水利用系數(shù)的計算精度；數(shù)值計算法相對實測法具有省時、省工等優(yōu)點，并且可用于灌溉前預(yù)測田間水利用系數(shù)，但模型需輸入的參數(shù)較多。因此，在使用時可根據(jù)實際情況選用。

2 田間水利用系數(shù)的主要影響因素

田間水利用系數(shù)受多種因素影響，主要包括土壤類因素、田間工程類因素及灌水技術(shù)類因素等。就某一具體田塊而言，田間水利用系數(shù)受土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)、畦長與畦寬、田面坡度、田面平整程度、灌水定額、田間灌水單寬流量、閉口成數(shù)及灌水計劃濕潤層深度等諸多因素影響。也就是說，凡是影響田間水流運(yùn)動與分布及水流入滲與分布的因素，都會對田間水利用系數(shù)產(chǎn)生影響。

計劃濕潤層深度是計算田間水利用系數(shù)中需要確定的重要參數(shù)之一，計劃濕潤層深度與土壤類型、作物種類和作物生育階段等因素有關(guān)。計劃濕潤層深度的取值大小直接影響田間水利用系數(shù)的計算結(jié)果。研究表明，在畦塊的一次灌水中，田間水利用系數(shù)隨著計劃濕潤層深度的增加而增大，且呈對數(shù)規(guī)律增大。這主要是由于隨著土壤計劃濕潤層深度的增加，一部分深層滲漏水轉(zhuǎn)化為有效水，使得在此范圍內(nèi)的土壤有效持水能力增大，提高了田間水利用系數(shù)。因此，在植物根系生長范圍內(nèi)，適當(dāng)增大計劃濕潤層深度可提高田間水利用率。

灌水定額的大小也直接影響田間水利用系數(shù)的計算結(jié)果，有關(guān)研究表明，田間水利用系數(shù)隨著灌水定額的增大而減小，并且二者的變化關(guān)系可以用對數(shù)函數(shù)描述。從土壤持水能力的觀點分析，土壤中毛管空隙所能保持的水分十分有限，當(dāng)灌水定額較小時，土體中的水分除蒸發(fā)損失外，基本上能以有效水的形式保存在計劃濕潤層以內(nèi)。隨著灌水定額的增大，土體中的水分逐漸增大，直到毛管空隙全部充滿水分，此時，土壤中的有效水達(dá)到上限。如果再繼續(xù)灌水，土體中的水分不會繼續(xù)增加，而是以重力水的形式繼續(xù)下滲濕潤下層土壤，即造成深層滲漏。深層滲漏一般是無益的，且會造成水分和養(yǎng)分的流失浪費(fèi)，不利于節(jié)水。所以，灌水定額過大會造成深層滲漏損失加大，土體中水分增量相對于入畦水量而言增幅就小，從而田間水利用系數(shù)就減小。

畦田規(guī)格、田面坡度、田面糙率、入畦單寬流量等因素主要通過影響地面灌水時水流的推進(jìn)和消退過程來影響田間水利用系數(shù)。閆慶健，李久生對地面灌溉水流特性對水分利用率影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，當(dāng)其他灌水條件一致時，畦田長度對灌水效率有很大影響，畦長過大和過小都會導(dǎo)致田間水利用系數(shù)減?。黄杼飳挾龋▎螌捔髁浚┡c灌水效率同樣有著一定的關(guān)系，當(dāng)其他灌水條件相同時，畦寬為2～3 m時的灌水效率最高。

3 結(jié)語

田間水利用系數(shù)是衡量田間灌水質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，田間水利用系數(shù)的確定方法有很多，使用時應(yīng)根據(jù)實際情況選用恰當(dāng)?shù)姆椒?。田間水利用系數(shù)大小的影響因素很多，在實際中，可采用適當(dāng)?shù)钠栝L、畦寬、田面坡度、田面糙率、灌水定額等來提高田間水利用系數(shù)，具體措施有長畦短灌、小灌水定額勤灌，平田整地等。

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