劉 洋，孫秀路，孫 浩，李金山*

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)田灌溉研究所/河南省節(jié)水農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部節(jié)水灌溉工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 新鄉(xiāng) 453002；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 研究生院，北京 100081）

0 引言

【研究意義】我國有86%的灌溉面積采用地面灌溉，其中尤以畦灌為主[1]。畦灌是用田埂將耕地分為長條狀畦田，水流在畦田上形成薄水層借助重力沿畦長方向流動(dòng)至畦尾的灌水方式，因此畦灌的灌水歷時(shí)同畦灌灌水量密切相關(guān)，而入滲系數(shù)通過影響田間水流下滲而影響水流推進(jìn)速度，但是具體入滲參數(shù)的變化與水流推進(jìn)速度的相關(guān)關(guān)系仍然不清楚。本文探討了入滲系數(shù)與灌水歷時(shí)的關(guān)系，可為入滲參數(shù)的估算提供一種簡便的方法。

【研究進(jìn)展】確定入滲參數(shù)及糙率是研究地面灌溉的前提，國內(nèi)外眾多學(xué)者利用winSRFR 模型計(jì)算相關(guān)參數(shù)，李佳寶等[2]和金建新等[3]利用winSRFR 模型，通過水流推進(jìn)和消退過程推求土壤入滲參數(shù)，證實(shí)模擬值與實(shí)測值吻合度較高，提供了一種簡便且可靠性較高的計(jì)算方法；章少輝等[4-6]結(jié)合遺傳算法SGA 對winSRFR 進(jìn)行解析處理，建立優(yōu)化反演模型，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化反演過程的自動(dòng)化運(yùn)行，大大提高運(yùn)算效率和計(jì)算精度；蔡煥杰等[7]和白寅禎等[8]利用winSRFR軟件計(jì)算入滲系數(shù)，用以探究土壤入滲系數(shù)變化規(guī)律。

winSRFR 廣泛運(yùn)用于灌水質(zhì)量評價(jià)模擬。優(yōu)化畦田規(guī)格來提高灌水質(zhì)量是有效措施[9]，聶衛(wèi)波等[10-11]、白寅禎等[12]、薄曉東等[13]、彭遙等[14]、姚欣等[15]通過winSRFR 模型優(yōu)化畦田規(guī)格，證實(shí)優(yōu)化后畦田灌水質(zhì)量有所提升；王維漢等[16]采用估算糙率和實(shí)測糙率值進(jìn)行模擬，灌水效率和灌水均勻度最大誤差分別為6.48%和66.67%，說明糙率對灌水質(zhì)量影響較大。

【切入點(diǎn)】采用winSRFR 對畦田的入滲參數(shù)計(jì)算方法和畦田規(guī)格優(yōu)化較多，但是對畦田入滲參數(shù)和灌水質(zhì)量年內(nèi)年際間變化規(guī)律，及其與灌水歷時(shí)的關(guān)系研究較少?！緮M解決的關(guān)鍵問題】為此，以7 次灌水試驗(yàn)（夏玉米-冬小麥輪作）為基礎(chǔ)，基于winSRFR模擬結(jié)果探究入滲參數(shù)及灌水質(zhì)量的變化規(guī)律及其同灌水歷時(shí)之間的關(guān)系。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2017年10月—2019年6月在中國農(nóng)科院新鄉(xiāng)綜合試驗(yàn)基地（E113.8°，N35.1°）進(jìn)行?；貙贉貛Т箨懶詺夂?，年均降水量580 mm，集中于6—10月，年均蒸發(fā)量1 748 mm，年均氣溫14 ℃。以夏玉米-冬小麥輪作為主。試驗(yàn)區(qū)土壤主要為砂質(zhì)壤土和壤土，土壤干體積質(zhì)量在1 m 土層深度內(nèi)平均值為1.48 g/cm3，1～2 m 土層深度內(nèi)平均值為1.44 g/cm3，0～60 cm 土層平均田間持水率為30.13%，土壤物理性 質(zhì)見表1。

表1 試驗(yàn)田土壤物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of soil in experimental field

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)進(jìn)行夏玉米-冬小麥輪作（夏玉米品種為先玉335，冬小麥品種為矮抗12）。2017年10月—2019年6月，均采用畦灌灌溉，畦田尺寸為3.5 m×200 m，重復(fù)5 次，為防止畦田間的影響，相鄰畦田間設(shè)立2 m×200 m 隔離帶。每個(gè)生育季末進(jìn)行激光平地，改水成數(shù)選為0.9。具體布置形式及取樣點(diǎn)位置見圖1。

圖1 試驗(yàn)小區(qū)布置Fig.1 Layout of test area

試驗(yàn)前按坡度1/800 進(jìn)行平地。水源選用淺層地下水，由管道引入田間，機(jī)井出水量46.75 m3/s，單寬流量為3.71 L/(s·m)?？傆?jì)7 次灌水，灌水時(shí)間及作物生育期見表2。

表2 灌水時(shí)間Table 2 Irrigation time

1.3 觀測項(xiàng)目與方法

1.3.1 田面坡度

采用水準(zhǔn)儀測定高程，沿畦長方向每隔20 m 選定1 個(gè)測量點(diǎn)，每個(gè)測量點(diǎn)測量3 次取均值，利用高程差，計(jì)算田面坡度。

1.3.2 含水率

在灌前1 d 和灌后2 d 于取樣點(diǎn)采用人工土鉆取樣。0～100 cm 土層，每20 cm 分層取樣，采用烘干法測定土壤質(zhì)量含水率，計(jì)算土壤體積含水率。

1.3.3 水流推進(jìn)及消退

當(dāng)占畦寬2/3 的畦田被水覆蓋，此時(shí)記為水流推進(jìn)時(shí)間點(diǎn)，當(dāng)占畦寬2/3 的畦田已經(jīng)退水，此時(shí)記為水流消退時(shí)間點(diǎn)，每20 m 設(shè)定1 個(gè)觀測點(diǎn)，選定改水成數(shù)為0.9，即在180 m 處停水，停水后觀測水流推進(jìn)至200 m 處的時(shí)間。

1.3.4 灌水量

在開水和關(guān)水時(shí)通過讀取主管道上的流量計(jì)來記錄畦田的灌水量。

1.3.5 水分再分布評價(jià)指標(biāo)

用灌水均勻度DU來定量描述土壤水分分布狀況，用灌水效率AE來定量描述水分利用率狀況，計(jì)算公式為[17]：

1.4 統(tǒng)計(jì)及分析

使用Excel 處理數(shù)據(jù)，winSRFR 4.1 進(jìn)行模型模擬，采用SPSS 25 進(jìn)行顯著性分析，差異顯著性采用在0.05 水平下的T檢驗(yàn)。

1.5 模型介紹

winSRFR4.1 是由美國農(nóng)業(yè)部開發(fā)的一維地面灌溉模擬模型，它是集地面灌溉模擬、設(shè)計(jì)、評價(jià)為一體的綜合性分析軟件[17]。winSRFR4.1 共包括4 個(gè)模塊：灌溉分析評價(jià)模塊（Event Analysis），水力學(xué)模擬模塊（Simulation），系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊（Physical Design）和運(yùn)行分析模塊（Operations Analysis）。主要實(shí)現(xiàn)土壤入滲參數(shù)及糙率的推求、利用土壤入滲參數(shù)求解明渠非恒定流方程、優(yōu)化畦田規(guī)格和優(yōu)化灌水技術(shù)。輸入的參數(shù)主要有畦田規(guī)格（畦田長、寬和坡度），土壤參數(shù)（糙率、入滲系數(shù)、入滲指數(shù)）和灌水管理要素（入畦流量、灌水歷時(shí)、改水成數(shù)及推進(jìn)消退時(shí)間）。

2 結(jié)果與分析

2.1 模型計(jì)算

為使winSRFR4.1 模型模擬效果更符合實(shí)際情況，需對土壤參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以達(dá)到較高擬合度。采用Event Analysis 模塊，利用Merriam-Keller 法進(jìn)行優(yōu)化推求。由于推進(jìn)與消退均方根誤差存在一定差異性，故采用推進(jìn)與消退均方根誤差乘積達(dá)到最小值為優(yōu)化結(jié)束[18]。通過反復(fù)模擬，進(jìn)而求得Kostiakov 公式中的土壤入滲系數(shù)K和入滲指數(shù)α，同時(shí)求解糙率n，此時(shí)入滲參數(shù)作為最終優(yōu)化結(jié)果。以2018年冬小麥第3 次灌水（2019年5月16日）為例計(jì)算（畦長200 m，畦寬3.5 m，流量13.2 L/s，地形坡度0.001 2）。調(diào)整糙率和入滲指數(shù)，最終當(dāng)糙率為0.20，入滲指數(shù)為0.450 時(shí)，推進(jìn)與消退均方根誤差乘積達(dá)到最小值0.055 5。入滲參數(shù)見表3，灌水?dāng)M合效果見圖2。

表3 田面糙率和入滲參數(shù)Table 3 Surface roughness and infiltration parameters

圖2 2018 冬小麥第3 次灌水?dāng)M合Fig.2 The third irrigation fitting of winter wheat in 2018

經(jīng)計(jì)算，推進(jìn)均方根誤差為0.15 h，占總推進(jìn)時(shí)間4.76%，消退均方根誤差為0.37 h，占總消退時(shí)間6.73%。由此可知，水量推進(jìn)消退過程擬合度較好，這與章少輝[6]和Dong 等[19]研究結(jié)果類似。模擬結(jié)果中DU為91%，實(shí)測DU為91.28%，計(jì)算值與模擬值相差0.31%，模擬結(jié)果中AE為42%，實(shí)測AE為44.62%，計(jì)算值與模擬值相差 6.24%，吻合度高，說明winSRFR4.1 對灌水均勻度和灌水效率模擬效果良好。故winSRFR4.1 對地面灌溉過程及灌水質(zhì)量指標(biāo)的模擬精度較好，可用于灌溉參數(shù)計(jì)算及分析。

對各次灌水進(jìn)行模擬，水流推進(jìn)與消退的實(shí)測值與模擬值對比見圖3，由于2018年9月2日缺乏消退數(shù)據(jù)，故采用 Elliot-Walker two-point method analysis 進(jìn)行分析模擬。灌水前土壤含水率占田間持水率66.81%～75.47%，基本達(dá)到灌水下限。由圖3 可知，水流推進(jìn)實(shí)測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)吻合度較高，均方根誤差介于0.05～0.41 h，推進(jìn)時(shí)間均方根誤差占總推進(jìn)時(shí)間1.23%～7.16%；消退時(shí)間與模擬值吻合度較差，均方根誤差介于0.06～0.71 h，消退時(shí)間均方根誤差占總消退時(shí)間1.21%～23.37%，這主要因?yàn)榈匦蔚牟黄秸跋藭r(shí)間觀測的誤差。冬小麥灌水歷時(shí)較夏玉米長，平均時(shí)間長123.99%。通過T檢驗(yàn)，種植的作物對水流推進(jìn)時(shí)間呈顯著性影響，對于同一季冬小麥，第3 次灌水歷時(shí)較前2 次灌水歷時(shí)短，水流推進(jìn)速度較第1 次灌水提高23.17%。

圖3 各次灌水水流推進(jìn)消退實(shí)測與模擬值Fig.3 The measured and simulated value of each irrigation water flow advance and recession

2.2 入滲參數(shù)變化規(guī)律

圖4 為各次灌水的入滲系數(shù)、入滲指數(shù)及糙率隨灌水時(shí)間的變化情況。2017年11月14日和2018年3月30日的2 次灌水為2017年冬小麥灌水?dāng)?shù)據(jù)，2018年7月27日和9月2日的2 次灌水為夏玉米灌水?dāng)?shù)據(jù)，2018年12月17日—2019年5月16日的3 次灌水為2018年冬小麥灌水?dāng)?shù)據(jù)。由此可見，第1 次灌水時(shí)入滲系數(shù)較大，2017年冬小麥第2 次灌水入滲系數(shù)較第1 次灌水小2.05%；2018年夏玉米第2 次灌水入滲系數(shù)較第1 次灌水小24.31%；2018 冬小麥第2 次灌水入滲系數(shù)較第1 次灌水小1.44%，第3 次灌水較第1 次灌水入滲系數(shù)小13.57%。整體土壤入滲系數(shù)介于55.87 ～148.541 mm/hα，入滲系數(shù)變化較大，且冬小麥的入滲系數(shù)較玉米大，平均大1.05 倍。

糙率對灌水過程及灌水質(zhì)量影響較大，灌水質(zhì)量對糙率的敏感性僅次于改水成數(shù)與單寬流量，但是當(dāng)糙率偏差在20%內(nèi)對畦田水流運(yùn)動(dòng)影響較小[20]。由圖4 可知，本試驗(yàn)條件下，糙率在年內(nèi)的變化幅度不大，介于0.14～0.26 之間，同一季作物糙率變化在4%～25%，基本對畦田灌水過程影響不大。冬小麥時(shí)期糙率普遍高于夏玉米時(shí)期，平均高39.31%，這是由于夏季雨水充足，且夏玉米根系對土壤的固化能力強(qiáng)，使得夏玉米時(shí)期表層土壤密實(shí)度大，糙率減小。

圖4 各次灌水入滲系數(shù)、入滲指數(shù)及糙率Fig.4 Infiltration coefficient,infiltration index and roughness of each irrigation

由Kostiakov 入滲公式可知，當(dāng)入滲速率一定時(shí)，入滲系數(shù)與入滲指數(shù)呈負(fù)相關(guān)性。本試驗(yàn)入滲指數(shù)介于0.410～0.733，2018年9月2日入滲指數(shù)最大，此次為夏玉米第2 次灌水，夏玉米時(shí)期土壤入滲指數(shù)較冬小麥時(shí)期平均高52.92%，由于第1 次灌水、降水及夏玉米根系對土壤的作用力，使得土壤密實(shí)度增加，土壤入滲能力降低，入滲指數(shù)增大。

當(dāng)灌水管理要素和畦田規(guī)格一定時(shí)，入滲參數(shù)對水流推進(jìn)起著決定作用。圖5 為入滲系數(shù)與各次灌水總歷時(shí)的關(guān)系，由圖5 可知，本試驗(yàn)條件下，入滲系數(shù)與灌水歷時(shí)呈線性關(guān)系，R2達(dá)到0.903 6，擬合效果良好，基于此可用于土壤入滲系數(shù)估算。由于試驗(yàn)限制，缺乏不同畦田規(guī)格組合，故難以確定畦田規(guī)格與灌水歷時(shí)的關(guān)系。

圖5 入滲系數(shù)與灌水歷時(shí)關(guān)系Fig.5 Relationship between infiltration Parameters and irrigation time

2.3 灌水質(zhì)量變化規(guī)律

由于缺失2018年9月2日消退時(shí)間數(shù)據(jù)，兩點(diǎn)法未能計(jì)算出灌水均勻度。由圖6 可知，灌水均勻度介于63%～91%，與實(shí)測值相差0.31%～29.49%，最低值出現(xiàn)在2018年12月17日，為2018年冬小麥第1次灌水。對于2018年冬小麥，灌水均勻度隨灌水次數(shù)增加而提高，第3 次灌水的灌水均勻度較第1 次灌水高44.44%，由圖6 所知，灌水效率介于18%～49%，與實(shí)測值差4.39%～35.41%。2018年冬小麥第1 次灌水效率最低，2018年夏玉米第1 次灌水效率最高。夏玉米灌水效率較冬小麥高，平均高113.04%，主要因?yàn)橥寥烂軐?shí)度低，土壤入滲系數(shù)大，畦長較長，導(dǎo)致冬小麥灌水量大。冬小麥時(shí)期超過70%的水分通過重力作用下滲至根系活動(dòng)層以下，造成大量的水資源浪費(fèi)。由圖中可看出，隨著灌水次數(shù)的增加，灌水效率有所提高。2018年冬小麥第2 次灌水的灌水效率較第1 次灌水高22.22%，2018年冬小麥第3 次灌水的灌水效率較第1 次灌水高77.78%，說明增加灌水次數(shù)或降水，均有利于灌水效率的提升。

圖6 灌水均勻度（DU）與灌水效率（AE）Fig.6 Uniformity(DU)and efficiency(AE)of irrigation

3 討論

3.1 灌水歷時(shí)差異性分析

冬小麥水流推進(jìn)時(shí)間明顯長于夏玉米，平均多用時(shí)123.99%，且同一季作物，冬小麥第3 次灌水歷時(shí)較前2 次灌水歷時(shí)短，水流推進(jìn)速度較冬小麥第1 次灌水提高23.17%。有2 點(diǎn)原因：一是冬小麥種植密集，導(dǎo)致糙率較大；二是冬小麥根系對土壤的固化能力差，且冬天降水少，土質(zhì)疏松，土壤入滲系數(shù)大，導(dǎo)致灌水入滲量增加，因此減緩水流推進(jìn)速度，增加灌水歷時(shí)。灌水有利于土壤密實(shí)度增加，從而減少灌水歷時(shí)。

3.2 主要參數(shù)變化分析

冬小麥時(shí)期的土壤入滲系數(shù)較夏玉米時(shí)期平均增大1.05 倍，土壤入滲指數(shù)較夏玉米時(shí)期平均小34.61%，糙率較夏玉米平均增大39.31%，整體規(guī)律與蔡煥杰等[7]研究結(jié)果一致。主要由于冬小麥時(shí)期，降水少，土質(zhì)較疏松，土壤孔隙度較大，導(dǎo)致其入滲系數(shù)和糙率偏大。對于同一季冬小麥，隨灌水次數(shù)的增加，入滲系數(shù)和入滲指數(shù)均逐漸減小。這是由于每季作物播種前，均會(huì)進(jìn)行耙地翻耕，表層土壤疏松，經(jīng)過灌水，可有效減小表層土壤孔隙度，改善孔隙結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致入滲系數(shù)減小。通過分析入滲系數(shù)與灌水歷時(shí)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)二者呈顯著線性關(guān)系（R2=0.903 6），可用于入滲系數(shù)的初步估算。

3.3 灌水質(zhì)量變化分析

冬小麥時(shí)期隨著灌水次數(shù)增加，灌水質(zhì)量有所提升，與白寅禎等[8]研究一致，這是由于土壤孔隙度逐漸減小，密實(shí)度增加，水流推進(jìn)速度快，有利于土壤水量均勻分布，提高灌水均勻度。以往學(xué)者[12-15]通過優(yōu)化灌水方式及畦田規(guī)格達(dá)到更高的灌水均勻度，對于不變的畦田規(guī)格及灌水方式，通過改善土壤物理性質(zhì)以達(dá)到良好的灌水效果。今后可以從土壤物理性質(zhì)角度進(jìn)一步研究其與灌水質(zhì)量的關(guān)系，以作為畦田耕作措施的指導(dǎo)。

4 結(jié)論

1）冬小麥時(shí)期灌水歷時(shí)長于夏玉米時(shí)期，水分淋失量更大。

2）冬小麥時(shí)期土壤入滲系數(shù)較夏玉米時(shí)期大1.05 倍，糙率平均高39.31%。對于同一季作物，隨著灌水次數(shù)的增加，入滲系數(shù)呈減小趨勢。

3）灌水均勻度介于63%～91%，灌水效率介于18%～49%。對于冬小麥，隨著灌水次數(shù)增加，灌水均勻度和灌水效率增加，灌水質(zhì)量提升。