闞常慶，廖梓龍，龍胤慧，2

（1.河北工程大學(xué)水電學(xué)院，河北邯鄲056021；2.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，呼和浩特010020；3.中國水利水電科學(xué)研究院研究生部，北京100048）

畦灌是我國傳統(tǒng)的一種灌溉方式，也是目前大部分灌區(qū)地面灌溉的主要方式。畦灌是指用土埂將耕地分割成長條形的畦田，將灌溉水流通過畦田形成薄水層，在灌溉水流推進的過程中，借助重力作用沿畦長方向及土壤吸附力濕潤土壤［1］。

1 畦灌

畦灌是我國北方地區(qū)目前最主要和使用最廣泛的灌水方式之一，與微、噴灌等壓力灌溉技術(shù)相比，具有田間工程設(shè)施簡單、運行成本低、易于實施等優(yōu)點，但畦灌和溝灌同時存在田間水浪費嚴(yán)重和田間灌水效率低等缺點。

畦田根據(jù)地形可以分為順畦和橫畦。通常沿地面最大坡度方向布置的畦田，叫順畦。順畦水流條件好，適于地面坡度為0.001～0.003的畦田。在地形平坦地區(qū)，有時也采用平行等高線方向布置的畦田（即橫坡向布置），稱為橫畦。因水流條件較差，橫畦畦田一般較短。

從理論上講，畦田灌溉為一維垂直非飽和土壤水運動，主要適用于窄行距密植作物或撒播作物，如小麥、谷子、花生等，在蔬菜、牧草和苗圃的灌溉中也常采用。

2 畦灌技術(shù)

畦田灌水技術(shù)主要包括：畦田規(guī)格、入畦單寬流量、綜合糙率、改水成數(shù)、水肥耦合等要素。其選擇對保證適時適量灌水、濕度均勻一致十分重要。

2.1 畦田規(guī)格

畦田規(guī)格包括：畦田長度、畦田寬度、畦梗高度。主要受供水情況、土壤質(zhì)地、地形坡度、土地平整等狀況的影響。

2.1.1 畦田長度

畦田長度取決于地面坡度、土壤透水性、入畦流量及土地平整程度。

當(dāng)土壤透水性強、地面坡度小且土地平整差、入畦流量?。ㄈ缇r，畦田宜短些；反之，畦田宜長些。若畦田愈長，則灌水定額愈大，土地平整工作量愈大，灌水質(zhì)量愈難以掌握。我國大部分渠灌區(qū)畦田長度在30～100m。在井灌區(qū)，由于水源流量所限，畦長一般較短，通常在20～30m。

2.1.2 畦田寬度

與地形、土壤、入畦流量大小有關(guān)，同時還要考慮機械耕作的要求。

在土壤透水性好、地面坡度大、土地平整差時，畦田寬度宜小些，反之宜大些。通常畦愈寬，灌水定額愈大，灌水質(zhì)量愈難掌握。畦寬應(yīng)按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)機具寬度的整倍數(shù)確定。畦田寬度一般為2～3m，最大不超過4m。

2.1.3 畦埂高度

一般為10～15cm，以不跑水為宜，是畦灌管理中很重要的一項。

2.2 入畦單寬流量

入畦單寬流量是指每米畦寬入畦流量，常用單位為L/s·m。入畦單寬流量的大小，取決于地面坡度及土壤透水性。地面坡度小，土壤透水性大，入畦單寬流量要大一些；反之，入畦單寬流量要小些。一般根據(jù)土壤質(zhì)地確定入畦單寬流量，其標(biāo)準(zhǔn)為：輕質(zhì)土2～4L/s·m，重質(zhì)土1～3L/s·m。

入畦單寬流量的大小及土壤的滲水能力決定著灌水的均勻性，不合理的流量常使畦首與畦尾所入滲的水量出現(xiàn)較大的差異。當(dāng)流量較小時，有時甚至水層還未抵達末端，應(yīng)灌水量即已大部分滲入首端和中部；而當(dāng)流量較大時，則可能導(dǎo)致畦田尾端水層停留時間過長，滲水量過大。王維漢等對灌水質(zhì)量進行了敏感性分析，結(jié)果表明單寬流量并非越大越好［2］。

入畦單寬流量的大小還直接影響著田間入滲的空間變異，白美健等建立了二維畦灌數(shù)值模擬模型，分析了入滲空間變異對畦灌性能的影響，研究結(jié)果表明入滲空間變異越強畦灌質(zhì)量越差［3］。

2.3 綜合糙率

畦田上的水流阻力不僅受到田面自身的粗糙程度制約，還受到種植制度、農(nóng)田耕作、作物覆蓋程度等影響［4］，因此，通常將田面水流運動阻力的影響用“綜合糙率”來描述。

試驗實測法和模型反求法是目前研究畦田土壤糙率的兩種主要方法。試驗實測法是指采用水力學(xué)方法計算入畦單寬流量、畦田水面深度、坡度等測定值來確定綜合糙率；而模型反求法是通過不斷調(diào)整水量平衡模型、零慣量模型等的相關(guān)系數(shù)，使模擬的水流推進和消退過程與實測過程達到最佳匹配，進而計算糙率系數(shù)［5-7］。

但在實際灌溉工程中，不可忽略糙率系數(shù)的差異性［8］。為了獲得較好的畦灌模擬效果，需要采用各向異性糙率描述畦灌地表水流運動過程［9］。

2.4 改水成數(shù)

在實際地面灌溉設(shè)計與管理中，改水成數(shù)的控制誤差不可忽略。周蘭香等通過對畦灌的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，改水成數(shù)對灌水質(zhì)量的影響很大［10］。王維漢等對畦灌改水程度的影響進行深入研究，結(jié)果表明改水成數(shù)控制誤差具有較強的變異性，改水成數(shù)對灌水均勻度的影響大于灌水效率，而較大的單寬流量有助于減小改水成數(shù)的控制誤差對灌水質(zhì)量的影響［11］。

2.5 水肥耦合

水肥耦合是影響畦灌效果的關(guān)鍵因子。白美健等對不同入畦單寬流量和施肥量下冬小麥田土壤水氮空間分布狀況及變化趨勢開展研究，結(jié)果表明入畦流量和施肥量對作物有效根系層土壤水氮貯存效率和均勻度影響較為明顯，高施肥大流量下作物有效根系層土壤水氮貯存效率及其沿畦長分布均勻性明顯高于低施肥小流量下的相應(yīng)值［12-13］。采用較大流量和全程施肥的畦灌施肥模式，可為作物高效吸收利用水肥提供相對均布的土壤水氮狀態(tài)［14］。

3 水平畦灌

水平畦灌是畦灌的一種新技術(shù)，其特點是畦灌面積大，最大的可超過8893m2。這種灌溉方法的特點是灌水快、不產(chǎn)生徑流、深層滲漏小，還可以攔截部分降雨，其田間水利用系數(shù)可達到0.9。張愛萍等以石羊河流域為例，建立了5種常用的土壤入滲Collis-George模型與修正的Kostiakov模型，結(jié)果表明水平畦灌技術(shù)具有良好的灌溉效果［15］。此外，李益農(nóng)等在開展激光控制土地精細(xì)平整技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，對影響水平畦灌質(zhì)量的灌水技術(shù)要素進行分析和評價，給出適宜水平畦田灌溉方法應(yīng)用的田間技術(shù)參數(shù)組合方式［16］，結(jié)果表明畦灌系統(tǒng)性能和作物產(chǎn)量隨田面平整狀況的改善而明顯提高［17］。

4 畦灌流動模擬

模擬畦灌流動過程常用的數(shù)學(xué)模擬方法有水量平衡模型、完全水動力學(xué)模型、零慣性量模型、運動波模型等。

4.1 水量平衡模型

水量平衡模型的原理是，假設(shè)畦田水面深度不變，并忽略蒸發(fā)損失，依據(jù)質(zhì)量守恒原理，輸入畦田的總水量等于畦灌入滲量與畦田表層匯水量的總和。1938年，Lewis和Milne教授首先應(yīng)用水量平衡方程模擬畦灌的水流推進過程［18］，因原理簡單、計算過程方便，水量平衡模型得到了廣泛的應(yīng)用［19］，但模型計算結(jié)果的精度還不足以滿足實際工作的需求。

4.2 完全水動力學(xué)模型

完全水動力學(xué)模型的原理，是根據(jù)質(zhì)量守恒和動量守恒的基本思想，建立灌水田塊內(nèi)水流的流速、水深（或流量）及截面面積之間滿足圣維南方程的水力關(guān)系。完全水動力學(xué)模型的解決最早是由Kruger針對畦灌問題提出的［20］，隨后Walker、Bassett等采用完全水動力學(xué)模型研究畦灌水流運動，但模擬結(jié)果不夠理想，因為這些研究中只考慮了空間的變化，而沒有考慮時間變化對水流運動的影響［21-23］。Singh、劉鈺等應(yīng)用完全水動力學(xué)模型研究了畦灌，模擬了畦灌水流運動規(guī)律，得出了進水距離和退水距離與時間的變化關(guān)系曲線，與田間試驗對比，其模擬精度較高［24-26］。

完全水動力學(xué)模型具有完善理論和較強的實用性，其計算過程穩(wěn)定、計算結(jié)果精度較高，但在實際應(yīng)用中，該模型求解過程復(fù)雜。

4.3 零慣性量模型

針對完全水動力學(xué)模型求解過程復(fù)雜的缺點，Strelkoff和Katapodes在前人的研究基礎(chǔ)上，通過改進和簡化完全水動力學(xué)模型得到零慣性量模型［27-28］，Souza證明該模型雖經(jīng)過簡化，但在一般情況下均可適用研究畦灌的水流運動過程［29］。1983年，Oweis提出了一個能模擬連續(xù)流畦灌過程的線性零慣量模型［30］。零慣量模型的求解方法可分為數(shù)值法［27-29］和解析法［31-32］兩類。在國內(nèi)，零慣量模型的應(yīng)用研究也相繼完善［33］。

零慣性量模型簡化了大部分的計算過程，且計算時間較快，計算精度高，具有廣泛的應(yīng)用前景。但該模型適用條件為田面坡度較小，進入田間水流的加速度較小時的地面水流運動模擬。

4.4 運動波模型

運動波模型是研究長距離河流洪水運動的預(yù)報問題時首先提出的，該模型是基于連續(xù)原理和均勻流假定基礎(chǔ)上建立的，經(jīng)修正后首先用于畦灌水流運動，方程基本形式是將圣維南方程組中的能量方程用均勻流方程代替［34］。Singh將該模型與零慣量模型進行了對比分析，發(fā)現(xiàn)兩者具有較好的一致性，且均與田間試驗結(jié)果吻合較好［35］。

由于在水流推進過程中，不涉及水流剖面形狀，因此該模型適用于畦田坡面呈水平或近于水平狀態(tài)，且畦尾無擋水邊界、水流可以自由出流的水流運動，然而在其他坡面條件下，模型模擬結(jié)果的精度較差。

4.5 其他模型

章少輝等將遺傳算法與地面灌溉一維模型相結(jié)合，實現(xiàn)畦灌土壤入滲參數(shù)與田間面糙率系數(shù)優(yōu)化反演過程的自動化運作［36］。此外，章少輝等學(xué)者還建立了基于混合數(shù)值解法的畦灌模型［37-39］。王維漢等根據(jù)地表水深與離畦首的距離之間的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，采用線性回歸法估算出了土壤入滲參數(shù)［40］。

5 結(jié)語

（1）如何準(zhǔn)確確定畦灌的各參數(shù)仍是一個需要繼續(xù)深入研究的問題，不同條件下地面灌溉地表水流推進、灌溉水分入滲機理和入滲規(guī)律及其對灌水質(zhì)量的影響等相關(guān)研究將是畦灌理論下一步研究的重點。

（2）模擬畦灌流動過程的模型有很多，但在實際過程中，還存在很大的局限性和盲目性，畦灌模型的優(yōu)化不僅需要統(tǒng)籌考慮各技術(shù)要素取值的精確性，還要深入分析各要素的相互作用關(guān)系，在短時間內(nèi)快速得出灌水技術(shù)要素的優(yōu)化組合，為具體實施試驗方案提供可靠的依據(jù)。

（3）需要建立完善的畦灌評價體系，并深入研究不同條件下，畦灌的適應(yīng)條件及與其他灌溉技術(shù)的相互優(yōu)化組合，為改進和完善現(xiàn)有地面節(jié)水灌溉技術(shù)提供理論和技術(shù)支持。

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