徐寶山，趙文洪，張朝暉，郭亞軍，金建新

(1.甘肅省疏勒河流域水資源管理局，甘肅 玉門 735211；2.寧夏農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，銀川 750002)

水資源是制約西河內(nèi)陸干旱地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素之一，而農(nóng)業(yè)用水所占比例基本達(dá)到了65%以上[1]。甘肅省河西灌區(qū)主要包括疏勒河、石羊河、黑河等三大流域及支流所輻射的區(qū)域，近幾年，隨著氣候的變化和環(huán)境的破壞，使河西地區(qū)可利用地表水資源數(shù)量顯著減少，同時(shí)也產(chǎn)生了一系列生態(tài)環(huán)境問題[2]。河西灌區(qū)目前存在畦田規(guī)格劃分不合理、灌溉用水量分配不科學(xué)、灌水不均勻等問題。同時(shí)大定額灌水量致使水量大量浪費(fèi)并且也帶走了田間土壤養(yǎng)分，這些浪費(fèi)的田間尾水排泄至容泄區(qū)致使地下水礦化度提高，水質(zhì)遭到污染，還會(huì)造成地下水位上升，形成土壤次生鹽堿化，最終破壞農(nóng)田小氣候和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[3,4]。有研究表明，若合理優(yōu)化地面灌溉灌水參數(shù)和種植參數(shù)、提高農(nóng)業(yè)用水管理水平，地面灌溉也將取得較高的灌水質(zhì)量[5,6]。在地面灌溉參數(shù)優(yōu)化過程中國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)不同地域特點(diǎn)進(jìn)行了大量研究，也取得了可喜的成果。李益農(nóng)[7]對(duì)華北地區(qū)的土地平整作了研究，若將田面平整度從6.5 cm降低到3.0 cm，即可節(jié)水20%。王密俠[8]對(duì)關(guān)中平原灌區(qū)畦灌灌溉水量與畦長(zhǎng)相互關(guān)系進(jìn)行了研究，結(jié)果表明通過長(zhǎng)畦改短畦的方式進(jìn)行灌溉，可用節(jié)水量增加50%～100%的灌溉面積。本文通過對(duì)不同田面平整度與灌水質(zhì)量、灌溉效益進(jìn)行比價(jià)分析，得到各指標(biāo)均處于最優(yōu)狀態(tài)時(shí)的田面高程標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd，為河西灌區(qū)土地平整提供理論參考。對(duì)溝灌和畦灌2種主要地面灌溉方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)典型灌區(qū)土壤特性和現(xiàn)有田面縱向坡度，在不同溝(畦)長(zhǎng)和入溝(畦)流量組合情況下進(jìn)行灌水質(zhì)量分析，分析得出不同因變量正交組合下灌水均勻度與灌水效率同時(shí)取得最大值時(shí)的溝(畦)長(zhǎng)和入溝(畦)流量即為合理參數(shù)，該參數(shù)的提出為本地區(qū)制定灌溉管理參數(shù)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)選擇在河西具有代表性的疏勒河流域昌馬灌區(qū)進(jìn)行，該流域干流全長(zhǎng)670 km，多年平均徑流量10.31億m3，流域面積4.13萬km2，年降水量37.63 mm，多年平均蒸發(fā)量2 667 mm，干旱指數(shù)通常大于20,最大凍土深120 cm，年日照3 033～3 246 h，屬典型的大陸荒漠干旱氣候。灌區(qū)土壤以透水性中等的黏壤土和沙壤土為主，播種前平均土壤密度為1.46 g/cm3，田間持水率25.7%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)分為2部分。第1部分為田面平整度試驗(yàn)，試驗(yàn)區(qū)典型點(diǎn)高程標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd設(shè)置為2、4、6、8 cm 4個(gè)水平，沿著田面縱向呈“S”形選點(diǎn)，每個(gè)處理共計(jì)5個(gè)代表點(diǎn)，研究其在不同處理下的灌水均勻度、水分利用率WUE、灌水效率和灌溉水量，供試作物選擇為小麥。第2部分為溝畦灌適宜灌水參數(shù)試驗(yàn)，溝灌溝長(zhǎng)設(shè)置為50、70、90 m，入溝流量為0.50、0.75、1.00、1.50、2.00 L/s 5個(gè)處理水平，2個(gè)參數(shù)組成正交試驗(yàn)進(jìn)行灌水質(zhì)量評(píng)價(jià)；將畦長(zhǎng)和入畦單寬流量設(shè)為因變量，畦長(zhǎng)分為30、50、70、90 m共4個(gè)處理，畦寬均為5 m，入畦流量為3、4、5、6 L/s 4個(gè)處理水平，組成正交試驗(yàn)。評(píng)價(jià)指標(biāo)為灌水均勻度與灌水效率，每個(gè)處理設(shè)置3個(gè)重復(fù)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

在灌水前，對(duì)畦灌不同處理沿著田面縱向呈“S”形選點(diǎn)，對(duì)特征點(diǎn)的高程利用水準(zhǔn)儀進(jìn)行測(cè)量，用以計(jì)算田面微地形特征。田面微地形特征用田間高程標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd表示。灌水試驗(yàn)結(jié)束后，沿著溝長(zhǎng)和畦長(zhǎng)方向每10 m選擇一個(gè)樣點(diǎn)，每10 cm一層，共計(jì)8層進(jìn)行取土，利用烘干稱重法測(cè)其土壤含水率。對(duì)種植作物小麥最后按照每個(gè)重復(fù)單打單收，測(cè)其產(chǎn)量。根據(jù)式(1)計(jì)算灌水均勻度DU：

(1)

式中：Zlp為所取計(jì)算點(diǎn)的入滲水深，mm；Zavg為田面平均入滲水深，mm。

2 結(jié)果分析

2.1 田面微地形

河西內(nèi)陸干旱地區(qū)目前采用地面灌溉的面積占總灌溉面積的90%以上[7]，田面微地形被認(rèn)為是影響地面灌溉灌水質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，而農(nóng)田土地平整工作是對(duì)田面微地形進(jìn)行整治的主要措施，其平整質(zhì)量往往決定田面平整程度。農(nóng)田土地平整度對(duì)灌水量、灌水均勻度以及水分利用效率等均產(chǎn)生重要影響，而河西地區(qū)平整技術(shù)普遍比較落后，一般采用人工與拖拉機(jī)相配合的整平方式。田面微地形較小的空間變異性能使水流迅速布滿整個(gè)田面，從而提高灌水均勻度和減少灌溉用水量。

農(nóng)田田面平整程度一般用田面微地形指標(biāo)平整度衡量，平整度主要控制在田面選取的代表點(diǎn)上，一般沿著田面縱向呈“S”形選點(diǎn)，用代表點(diǎn)高程標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd衡量田面平整度，高程標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd越大表示田面平整度越差。本試驗(yàn)通過機(jī)械結(jié)合水準(zhǔn)儀對(duì)田面微地形進(jìn)行平整處理，得到不同平整度與灌水均勻度、灌水效率相關(guān)關(guān)系，如圖1所示。

圖1 不同田面平整度條件下灌水均勻度與灌水效率

由圖1可以看出，當(dāng)高程標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd增大時(shí)灌水均勻度與灌水效率均呈下降趨勢(shì)，且都符合二次函數(shù)下降曲線；當(dāng)高程標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd大于2.5 cm時(shí)，灌水均勻度與灌水效率顯著下降，下降幅度基本相同；當(dāng)田面高程標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd從2 cm增大到6 cm時(shí)，灌水均勻度與灌水效率分別下降34.1%和39.8%，這與李益農(nóng)、楊會(huì)穎等[9,10]人的研究結(jié)論一致。田面微地形顯著影響著田間灌水質(zhì)量，田面高程標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd越小其灌水質(zhì)量就越好，但這勢(shì)必會(huì)增加一部分平地工作量和費(fèi)用。在大田種植過程中既要提高灌水質(zhì)量又要控制成本，因此根據(jù)灌溉規(guī)范對(duì)地面灌溉均勻度和灌水效率的要求，建議田間高程標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd取值2.5 cm為宜。

農(nóng)田田面平整度也會(huì)影響田面水流整體推進(jìn)速度和土壤水分運(yùn)移，進(jìn)而影響灌溉質(zhì)量和作物產(chǎn)量。圖2、圖3分別是土地平整與灌溉水量和水分利用效率WUE的相關(guān)關(guān)系。由圖3可以看出，土地平整度與灌溉水量成正比，即其他參數(shù)相同的條件下，平整度越差灌溉相同的地塊需要的水量也越多，且兩者呈現(xiàn)為冪函數(shù)關(guān)系，并具有較高的相關(guān)系數(shù)；當(dāng)田面高程標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd從7 cm降低到2 cm時(shí)，灌溉水量減少97 mm，降幅達(dá)20.3%，因此提高田面平整度將對(duì)地面灌溉節(jié)水具有十分顯著的意義。從圖4可知，土地平整度對(duì)水分利用效率也產(chǎn)生一定的影響，具體表現(xiàn)為土地平整度越好，水分利用效率WUE越大，當(dāng)田面高程標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd從6 cm降低到2 cm時(shí)，WUE將提高5.8 kg/(hm2·mm)，增幅達(dá)到54.7%，田面高程標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd與WUE符合顯著的線性遞減關(guān)系。這是因?yàn)楫?dāng)田面平整度差時(shí)，田面糙率會(huì)明顯增大，嚴(yán)重阻礙地面灌溉田面水流向前推進(jìn)，增加單位時(shí)間的入滲量，造成入滲水量均勻度差，儲(chǔ)水效率低下等問題。因此結(jié)合田面平整度對(duì)灌水均勻度、灌水效率、WUE、灌溉水量以及田面平整工作量等綜合考慮，建議該地區(qū)田面高程標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd取值為2.5～3.0 cm為宜。

圖2 土地平整與灌溉水量關(guān)系

圖3 土地平整與WUE關(guān)系

2.2 溝灌節(jié)水模式研究

溝灌河西內(nèi)陸地區(qū)中耕作物主要是采用壟作溝灌或溝播溝灌的種植方式，但是由于管理粗放，溝長(zhǎng)和入溝流量缺乏理論指導(dǎo)，僅依靠經(jīng)驗(yàn)和總水量來控制灌溉，導(dǎo)致均勻度差，水分利用效率低下等問題。根據(jù)目前河西典型灌區(qū)規(guī)劃布置，其地塊長(zhǎng)度一般在50～90 m，為了得到適宜的溝灌閉口時(shí)間，使入溝流量以恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間推進(jìn)至溝尾，以實(shí)現(xiàn)較高的灌水均勻度和儲(chǔ)水效率，設(shè)置不同入溝流量和溝長(zhǎng)的大田灌水試驗(yàn)實(shí)測(cè)灌水均勻度與灌水效率值如圖4、5、6所示。

圖4 50 m溝長(zhǎng)均勻度與灌水效率

圖5 70 m溝長(zhǎng)均勻度與灌水效率

圖6 90 m溝長(zhǎng)均勻度與灌水效率

由圖4～圖6可以看出，不同的溝長(zhǎng)處理下，隨著入溝流量的增大灌水均勻度與灌水效率均呈現(xiàn)增大，后減小的趨勢(shì)，并且溝長(zhǎng)越短，在增大入溝流量時(shí)，其灌水評(píng)價(jià)指標(biāo)增加得越快，其后隨之降低，各處理灌水均勻度與灌水效率均符合式(2)所示的二次函數(shù)關(guān)系，溝長(zhǎng)和入溝流量對(duì)灌水質(zhì)量的影響程度反映在各參數(shù)當(dāng)中。

y=ax2+bx+c

(2)

式中：y為灌水評(píng)價(jià)指標(biāo)；x為入溝流量，L/s；a、b、c均為擬合參數(shù)。

對(duì)以上各曲線進(jìn)行非線性擬合得到式(2)中各參數(shù)，具體如表1所示。

根據(jù)圖4、5、6，各處理溝長(zhǎng)隨著入溝流量的增大，灌水均勻度與灌水效率均有一個(gè)峰值，但其峰值往往并不重合，因此，對(duì)特定溝長(zhǎng)同時(shí)兼顧均勻度與灌水效率條件下求得的入溝流量即為合理值。圖4中溝長(zhǎng)50 m時(shí)，灌水均勻度與灌水效率最大值基本重合，所對(duì)應(yīng)的入溝流量為1.2 L/s。圖5中灌水均勻度與灌水效率變化懸殊，當(dāng)灌水均勻度達(dá)到最大值時(shí)灌水效率僅為86%，比其能達(dá)到的最大值小10.2%，但綜合各灌水質(zhì)量指標(biāo)，當(dāng)溝長(zhǎng)為70 m時(shí)，入溝流量可選為1.4 L/s。圖6為溝長(zhǎng)為90 m時(shí)灌水質(zhì)量與入溝流量關(guān)系，綜合灌水均勻度與灌水效率最優(yōu)化條件，建議入溝流量取為1.5～1.6 L/s。因此，在河西典型灌區(qū)試驗(yàn)研究表明，該區(qū)域土壤透水性中等，溝灌參數(shù)建議取值溝長(zhǎng)為50～90 m的情況下，入溝流量為1.2～1.5 L/s。

表1 溝灌入溝流量與灌水均勻度、灌水效率關(guān)系參數(shù)擬合值

2.3 畦灌節(jié)水模式研究

畦灌是河西典型灌區(qū)密植作物常用的灌水方式，其操作簡(jiǎn)單，管理方便，但目前該地區(qū)畦灌存在問題較多，如畦田規(guī)格劃分不合理、灌溉用水量分配不科學(xué)、灌水不均勻等。各畦長(zhǎng)處理下不同入畦流量所產(chǎn)生的灌水均勻度與灌水效率如圖7、8、9、10所示。

分析圖7、8、9、10，發(fā)現(xiàn)對(duì)于不同的溝長(zhǎng)灌水均勻度與灌水效率隨著入畦流量的增大變化規(guī)律與溝灌一致，均呈現(xiàn)先變大后變小的規(guī)律，基本符合式(2)二次函數(shù)關(guān)系，這可能是由于入畦單寬流量較小時(shí)水流向前推進(jìn)困難，造成畦田首尾兩端入滲水量差異較大，入畦單寬流量較大時(shí)推進(jìn)較為迅速，加上田面縱向坡度影響，其畦尾入滲水量較多。將不同畦長(zhǎng)各流量所對(duì)應(yīng)的灌水均勻度與灌水效率進(jìn)行二次拋物線關(guān)系擬合，得到各參數(shù)如表2所示。

根據(jù)圖7、8、9、10可以看出，畦灌各長(zhǎng)度處理在不同入畦單寬流量條件下灌水質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)的變化與溝灌相似，灌水均勻度與灌水效率峰值并不同時(shí)出現(xiàn)，而是出現(xiàn)一定錯(cuò)峰。圖7中入畦流量為4.0～4.5 L/s時(shí)，灌水效率達(dá)到最大值，此時(shí)灌水均勻度卻持續(xù)增大，灌水效率比均勻度滯后13%，此時(shí)過多的灌水往往會(huì)造成深層滲漏，因此當(dāng)畦長(zhǎng)為30 m時(shí)，入溝流量可選為4 L/s。圖8、9與圖7類似，當(dāng)畦長(zhǎng)為50、70 m時(shí)，入畦流量以5.0～6.0 L/s為宜。圖10中，當(dāng)畦長(zhǎng)為90 m時(shí)，灌水均勻度與灌水效率均整體較低，最大僅為76%，因此建議畦長(zhǎng)不宜超過70 m。

圖7 畦長(zhǎng)為30 m時(shí)灌水質(zhì)量

圖8 畦長(zhǎng)為50 m時(shí)灌水質(zhì)量

圖9 畦長(zhǎng)為70 m時(shí)灌水質(zhì)量

圖10 畦長(zhǎng)為90m時(shí)灌水質(zhì)量

畦長(zhǎng)/m項(xiàng)目abcR230均勻度0.255.2549.250.96灌水效率-5.0054.40-68.300.8650均勻度-6.5063.50-73.500.87灌水效率-6.0060.80-67.100.9770均勻度-0.7516.859.050.97灌水效率-0.7512.4534.850.9690均勻度-3.0030.00-0.500.94灌水效率-9.7589.85-115.450.98

因此，畦田設(shè)置不能太短，畦田設(shè)置太短會(huì)產(chǎn)生太多的輸水溝而占地太多，不僅造成機(jī)耕困難而且還會(huì)造成水分利用效率低下等問題。也不宜設(shè)置太長(zhǎng)，太長(zhǎng)往往需要較大的入畦單寬流量而產(chǎn)生畦首沖刷，并且均勻度也無法保證。該地區(qū)田面坡度一般為1/200～1/500，綜合灌水均勻度和灌水效率，畦長(zhǎng)宜取值為40～70 m，入畦單寬流量4.0～6.0 L/s為宜。

3 結(jié)論與討論

有研究表明，要是根據(jù)地域特點(diǎn)對(duì)地面灌水方法的灌水參數(shù)和種植參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化、完善灌水管理制度和配水計(jì)劃，地面灌溉也能取得較高的田間灌水利用系數(shù)和灌水均勻度。地面灌溉作為河西典型灌區(qū)主要灌水方式，節(jié)水潛力巨大，通過河西典型灌區(qū)溝畦灌不同灌水參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)，提出了適合該地區(qū)土壤特性的地面灌溉灌水模式。

在平整土地的過程中，若不考慮其他條件的限制，僅以田面微地形作為控制參數(shù)，通過不同田面平整度條件下灌溉水量、水分利用效率WUE、灌水均勻度以及灌水效率等指標(biāo)的綜合分析，認(rèn)為田間高程標(biāo)準(zhǔn)偏差Sd取值為2.5 cm為宜。

河西典型灌區(qū)田面縱向坡度基本為1/500～1/200，土壤透水性為中等，以此為條件進(jìn)行不同溝畦灌各長(zhǎng)度條件下適宜的入溝(畦)流量，并根據(jù)灌水均勻度與灌水效率等指標(biāo)最優(yōu)化繼續(xù)選取，最終得到適合該地區(qū)的溝長(zhǎng)、入溝流量參數(shù)以及畦長(zhǎng)和入畦單寬流量，結(jié)果表明，溝灌溝長(zhǎng)適宜長(zhǎng)度為50～90 m，入溝流量為1.2～1.5 L/s，畦灌畦長(zhǎng)宜取值為40～70 m，入畦單寬流量4.0～6.0 L/s。

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