灌溉排水工程学之农田灌溉原理.ppt

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1、农田灌溉原理农田灌溉原理第一节第一节 农田土壤水分状况农田土壤水分状况农田水分地面水地下水土壤水土壤水是作物生长环境的核心一、农田土壤水分存在的基本形式一、农田土壤水分存在的基本形式土壤水分土壤水分固态：在土壤冻结时存在汽态：存在于未被水分占据的土壤空隙液态：吸着水：不能被利用，其上限（最大分子持水率）以下的水分为无效水。毛管水：田间持水率和无效水之间的水，容易为农作物利用，称为有效水。重力水：如地下水位高，停留在根系层的重力水影响土壤的通气，这部分水称为过剩水。田间持水率：灌水两天后土壤所能保持的含水率，它是重力水和毛管水、有效水分和过剩水分的分界线。二、作物生长对农田水分状况的要求二、作物

2、生长对农田水分状况的要求水对作物的生长的影响：水对作物的生长的影响：（1 1）水是作为进行光合作用、制造有机物的原料；）水是作为进行光合作用、制造有机物的原料；（2 2）水使作物保持正常、稳定状态；）水使作物保持正常、稳定状态；（3 3）水是作物营养元素、矿物质的载体；）水是作物营养元素、矿物质的载体；（4 4）水分是作物细胞原生质的重要成分；）水分是作物细胞原生质的重要成分；（5 5）水分可以调节作物体温。）水分可以调节作物体温。1 1、旱作物对农田水分状况的要求、旱作物对农田水分状况的要求 地面水地面水 地下水地下水 根系吸水层的土壤水分农作物 地表积水 地下水位到达根系吸水层 毛管水最容

3、易被旱作物吸收引起水涝灾害影响土壤的通气旱作物根系吸水层的允许平均最大含水率为根系吸水层的田间持水率干旱干旱大气干旱土壤干旱生理干旱土壤溶液浓度不超过作物在各个生育期所容许的最高值是确定根系吸水层的土壤最低含水率的个重要指标。以盐渍土为例：min：为按盐类溶液浓度要求所规定的最小含水率结论：旱作物根系吸水层含水率 最大：田间持水率 最小：作物适宜的土壤含水率下限2 2、水稻地区的农田水分状况要求、水稻地区的农田水分状况要求 水稻喜湿好水水稻喜湿好水田间经常需要水层生理上要求土壤水分达到饱和（除萌芽和成熟期）水稻的灌溉以保证田间有适宜的浅水层适宜的浅水层为水分、养分的供应提供良好条件调节和改善水

4、稻生长环境条件水层的适宜深度：由作物品种、生育阶段、自然环境、人为条件由经验来决定。三、农田土壤水分运动三、农田土壤水分运动1 1、土壤水分运动基本方程、土壤水分运动基本方程非饱和土壤水流动空间中点非饱和土壤水流动空间中点(x,y,z(x,y,z)上取单元体上取单元体(dx,(dx,dy,dzdy,dz),),由达西定律知由达西定律知x,y,zx,y,z轴向的水流通量为轴向的水流通量为k()土壤的非饱和导水率分别为x、y、z方向的水势梯度dtdt时间内，流人和流出单元体的土壤水分质量差总计为时间内，流人和流出单元体的土壤水分质量差总计为dt时间内单元体内土壤水分质量的变化量为 由质量守恒定律知

5、两者在数值上相等，即：将（12）式代入（14），得：即为非饱和土壤水运动的基本方程式。D()称为扩散度，表示单位含水率梯度下通过单位面积的土壤水流量。则非饱和土壤水运动方程又可写为式中：C(h)=dd h表示压力水头减少一个单位时，单位体积土壤中所能释放出来的水体积，其量纲为 L-1，称为容水度或比水容量，它是土壤水分特征曲线上的斜率。2 2、入渗条件下土壤水运动、入渗条件下土壤水运动（1 1）入渗过程的一般规律）入渗过程的一般规律入渗前0很小，地面初始入渗速度i 1很大，短时间内就接近饱和含水率s,见图1-3。随时间的延长，入渗路径的加大，入渗速度i t不断减小，最后趋于i f，即接近该土壤

6、的渗透系数K。通常用入渗速度i t和累积渗水量I与时间t的关系曲线描述入渗规律。（2 2）入渗量的计算：采用公式计算入渗速度）入渗量的计算：采用公式计算入渗速度i i t t和入渗量和入渗量I I1 1）考斯加可夫公式）考斯加可夫公式式中：i t是任一时间的入渗速度，以单位时间渗入土壤的水层厚度(mmmin或cm/h)计；i 1是第一单位时间末的人渗速度；t为人渗别间(min或h)；为经验指数,决定于土壤性质和初始合水牟,=0.3-0.8,般土壤取0.5。将实验资料I、t按时序求出i=It，取lg i及1g t，点绘于双对数纸上，可拟合成一条直线，如图15所示。由于（由于（lg ilg i1

7、1-lg i-lg i2 2）/（lglg t t1 1-lg t-lg t2 2）=-t g=-t g=-=-即即 为拟合直线与为拟合直线与横轴的夹角的正切值横轴的夹角的正切值拟和直线与纵轴的截距即为拟和直线与纵轴的截距即为l g il g i1 1则累积入渗量则累积入渗量I I与入渗时间与入渗时间t t的关系的关系式中i 0为第一单位时间内土壤渗吸的平均速度用式（110）I t2)菲利普入渗公式式中：S为渗吸系数，i f 为稳定入渗速度 i f=i()3 3、蒸发条件下土壤水分运动、蒸发条件下土壤水分运动（1 1）无地下水位补给条件下的土壤水分蒸发）无地下水位补给条件下的土壤水分蒸发当地下

8、水位较深时，上层土壤的含水率可以看作不受地当地下水位较深时，上层土壤的含水率可以看作不受地下水补给的影响。蒸发过程可以分为三个阶段：下水补给的影响。蒸发过程可以分为三个阶段：第一阶段：第一阶段：稳定蒸发阶段稳定蒸发阶段：指灌水、降雨入渗刚结束，土壤含水量：指灌水、降雨入渗刚结束，土壤含水量高，向上输送水分的能力强，此时土壤水分的蒸发强度高，向上输送水分的能力强，此时土壤水分的蒸发强度 主要取决于大气的蒸发力，其接近于水面蒸发强度，主要取决于大气的蒸发力，其接近于水面蒸发强度，与土壤含水率无关，当土壤含水率降至某一临界值与土壤含水率无关，当土壤含水率降至某一临界值 k k，时，稳定蒸发阶段结束，

9、该阶段又称为时，稳定蒸发阶段结束，该阶段又称为大气蒸发力控制大气蒸发力控制阶段阶段。第二阶段：第二阶段：开始于土壤含水率减少到开始于土壤含水率减少到=k k 时，由于土壤含水率降时，由于土壤含水率降低，土壤向上输送水分的能力减弱，土壤水分的蒸发强低，土壤向上输送水分的能力减弱，土壤水分的蒸发强度取决于大气蒸发力与土壤向上输送水分能力二者的制度取决于大气蒸发力与土壤向上输送水分能力二者的制约关系。该阶段的土壤水蒸发强度随含水率减小而逐渐约关系。该阶段的土壤水蒸发强度随含水率减小而逐渐减小，所以称为减小，所以称为蒸发强度递减阶段蒸发强度递减阶段。该阶段土壤蒸发强度该阶段土壤蒸发强度 由下式计算；由

10、下式计算；=（a+ba+b）E E0 0 (1 (1 17 )17 )式中：式中：a a、b b：与土壤性质有关的两个系数：与土壤性质有关的两个系数 E E0 0 ：水面蒸发强度。水面蒸发强度。第三阶段：第三阶段：当地表土壤含水率很低时，表土输水能力较弱，地表形当地表土壤含水率很低时，表土输水能力较弱，地表形成一干土层。干土层下的水分向上运移至于土层底部成一干土层。干土层下的水分向上运移至于土层底部时，以水汽扩散的形式穿过干土层进人大气，此时蒸发时，以水汽扩散的形式穿过干土层进人大气，此时蒸发强度不仅取决于干土层厚度，而且取决于干土层内水汽强度不仅取决于干土层厚度，而且取决于干土层内水汽扩散的

11、能力。扩散的能力。三个阶段的划分只具有相对意义，事实上整个蒸发过程三个阶段的划分只具有相对意义，事实上整个蒸发过程的蒸发强度都是随外界蒸发力和土壤输水能力而变化。的蒸发强度都是随外界蒸发力和土壤输水能力而变化。（2 2）地下水补给条件下的蒸发）地下水补给条件下的蒸发若地下水埋藏较浅，表土蒸发消耗的水分在毛管力的作若地下水埋藏较浅，表土蒸发消耗的水分在毛管力的作用下有地下水补给。如果外界蒸发力不随时间而变，土用下有地下水补给。如果外界蒸发力不随时间而变，土壤水分蒸发强度与地下水向上补给的通量处于相对平衡壤水分蒸发强度与地下水向上补给的通量处于相对平衡状态，就形成稳定蒸发。状态，就形成稳定蒸发。四

12、、土壤四、土壤植物植物大气连续体水分运移大气连续体水分运移（SPAC）土壤土壤 （S S）水分连续体水分连续体 大气（大气（A A）植物（植物（P P）应用统一的能量指标“水势”来定量研究整个系统中各个环节能量水平的变化：Rsr、Rrl、Rla:分别为土壤水分通过土壤到达根表皮，由根表皮到达叶面，由叶面到达空气中各段路径的水流阻力。五、农田土壤水调控五、农田土壤水调控1 1、农田水分不足的原因及调节措施、农田水分不足的原因及调节措施农田水分不足的原因：农田水分不足的原因：（1 1）降雨量不足；）降雨量不足；（2 2）降雨入渗量少，径流损失较多；）降雨入渗量少，径流损失较多；（3 3）土壤保水能

13、力差，渗漏及蒸发损失水量过大。）土壤保水能力差，渗漏及蒸发损失水量过大。调节措施：调节措施：（1 1）灌溉：播前和生育期灌溉、储水灌溉及其它灌溉；）灌溉：播前和生育期灌溉、储水灌溉及其它灌溉；（2 2）改善土壤结构：提高透水性、蓄水性。）改善土壤结构：提高透水性、蓄水性。2 2、农田水分过多的原因、灾害及其调节措施、农田水分过多的原因、灾害及其调节措施农田水分过多的原因农田水分过多的原因（1 1）大气降水过多）大气降水过多 （2 2）低洼地区积水）低洼地区积水（3 3）地下水位过高）地下水位过高 （4 4）排水不畅）排水不畅灾害类型：灾害类型：洪灾：河水泛滥洪灾：河水泛滥 涝灾：积水难排涝灾：

14、积水难排 渍害：土壤过湿渍害：土壤过湿 次生盐碱化：地下水位高、蒸发次生盐碱化：地下水位高、蒸发强强调节措施：调节措施：（1 1）截流）截流 （2 2）排出地表水）排出地表水（3 3）降低地下水位）降低地下水位 （4 4）排除根系层过多水分）排除根系层过多水分（5 5）改善土壤性能）改善土壤性能可将农田水分过多部分积蓄以用于灌溉。可将农田水分过多部分积蓄以用于灌溉。第二节第二节 作物需水量与灌溉制度作物需水量与灌溉制度一、作物需水量及影响因素农田水分消耗农田水分消耗作物根系吸水，也称植株蒸腾植株间水分蒸发，也称棵间蒸发渗漏深层渗漏：旱作物田间渗漏：水稻作物需水量：是指生长在大面积上的无病虫害作

15、物，在最佳水、肥等土壤条件和生长环境中，取得高产潜力所需满足的植株蒸腾和棵间蒸发之和，又称为作物蒸发蒸腾量。蒸发蒸腾量与渗漏量之和(+)统称为农田耗水量。影响作物需水量的因素影响作物需水量的因素因素因素自然因素：气象条件、土壤特征、作物性状等人为因素：农田灌排措施、农业耕作措施等作物需水量的特点：（1）作物种类不同对水分要求不同（2）同一作物不同生育阶段对水分要求不同（3）地区自然条件不同作物需水量不同（4）农业技术措施不同，作物需水情况不同阶段需水模数：作物各生育阶段的需水量占全生育期总需水量的百分数。日需水量：作物每日所需水量。作物的日需水量和阶段需水模数，是制定灌溉制度和合理用水的重要依

16、据。二、作物需水量计算二、作物需水量计算两类计算方法：两类计算方法：1 1、直接计算出作物需水量的方法；、直接计算出作物需水量的方法；2 2、基于参照作物蒸发蒸腾量的半经验方法。、基于参照作物蒸发蒸腾量的半经验方法。1 1、直接计算需水量的方法、直接计算需水量的方法（1 1）值法：以水面蒸发为参数的需水量计算法值法：以水面蒸发为参数的需水量计算法式中：式中：ET ET 为某时段内的作物需水量，以水层深度为某时段内的作物需水量，以水层深度mmmm计；计；E E0 0为与为与ET ET 同时段的水面蒸发量，以水层深度同时段的水面蒸发量，以水层深度mmmm计。计。一般而言，一般而言，水稻比旱作物更适

17、水稻比旱作物更适用用 值法。值法。（2 2）K K 值法：以产量为参数的需水量计算法值法：以产量为参数的需水量计算法式中：ET 为作物全生育期内总需水量(mm或m3hm2)；Y 为作物单位面积产量(kg/hm2)；K 代表单位产量的需水量（m3/kg）。K、n、c由实验确定。K K 值法主值法主要用于计算旱作物的需水量。要用于计算旱作物的需水量。（3）以多因素为参数：以模比系数法为例：估算作物各生育阶段的需水量，先确定全生育期作物需水量，然后按照各生育阶段需水规律，以一定比例进行分配，即式中：ETi 某一生育阶段作物需水量；K i 为某阶段需水模系数，可以从试验资料中取得。2 2、基于参照作物

18、蒸发蒸腾量的作物需水量计算方法、基于参照作物蒸发蒸腾量的作物需水量计算方法理论、实验证明：理论、实验证明：土壤水分充足，气象条件是影响需水量的主要因素；土壤水分充足，气象条件是影响需水量的主要因素；土壤水分不足，各因素对需水量都有较大影响。土壤水分不足，各因素对需水量都有较大影响。参照作物需水量参照作物需水量ETET0 0：指的是土壤水分充足，地面完全指的是土壤水分充足，地面完全覆盖、生长正常、高矮整齐的开阔覆盖、生长正常、高矮整齐的开阔(长、宽均在长、宽均在200m200m以以上上)绿草地绿草地(高高315cm)315cm)的蒸发蒸腾量。的蒸发蒸腾量。参照作物需水量只受气象条件的影响。参照作

19、物需水量只受气象条件的影响。目前采用的计算作物需水量方法，大致分为以下两步：目前采用的计算作物需水量方法，大致分为以下两步：第一步第一步：考虑气象因素对作物需水量的影响，计算参照：考虑气象因素对作物需水量的影响，计算参照作物蒸发蒸腾量作物蒸发蒸腾量ETET0 0；第二步第二步：考虑土壤水分及作物条件的影响，对参照作物：考虑土壤水分及作物条件的影响，对参照作物需水量进行调整或修正，从而计算出实际需水量需水量进行调整或修正，从而计算出实际需水量ET ET。第一步：第一步：参照作物需水量参照作物需水量ETET0 0 的计算的计算1 1）布莱尼一克莱多法：）布莱尼一克莱多法：式中：ETET0 0：考虑

20、月份的参照作物蒸发蒸腾量(mmd)；T：月平均气温()；C：修正系数；P：各月昼长时间占全年昼长时间百分数。2）以辐射为参数的计算方法式中：ETET0 0:计算时段内参照作物蒸发蒸腾量(mm/d)；RS:计算时段内太阳辐射，以等效水面蒸发量计(mm/d);W:取决于日平均温度与高程的权重系数；c：取决于平均相对湿度与白天风速的修正系数。第二步：第二步：实际作物需水量实际作物需水量ET ET 的计算的计算ETET0 0 的计算只考虑了气象因素对需水量的影响，实的计算只考虑了气象因素对需水量的影响，实际际作作物需水量物需水量ETET 还应考虑作物与土壤因素进行修正。还应考虑作物与土壤因素进行修正。

21、1 1）土壤水分充足：）土壤水分充足：Kc：作物系数，与作物种类、品种、生育期、作物群体叶面积有关。实测结果表明，作物系数Kc 在作物全生育期内的变化规律是：前期和后期相对较小，生长盛期较大。实际作物的需水量与参考作物需水量两者受气象因素的影响具有同步性的。因此，此时作物需水量可由参照作物蒸发蒸腾量乘以作物系数得到。2 2）土壤水分不足）土壤水分不足土壤含水率对作物蒸发蒸腾的影响可分为两个阶段：土壤含水率对作物蒸发蒸腾的影响可分为两个阶段：第一阶段：土壤含水率高时，导水率大，土壤水分向根第一阶段：土壤含水率高时，导水率大，土壤水分向根系及地表移动的速度足以满足作物蒸发蒸腾所耗水分。系及地表移动

22、的速度足以满足作物蒸发蒸腾所耗水分。第二阶段：当土壤含水率低于一定的临界含水率，向根第二阶段：当土壤含水率低于一定的临界含水率，向根系供水的速度不能满足作物蒸腾的要求。系供水的速度不能满足作物蒸腾的要求。土壤水分不足时的作物需水量可由土壤水分充足时的作土壤水分不足时的作物需水量可由土壤水分充足时的作物需水量乘以土壤水分修正系数而得到，即：物需水量乘以土壤水分修正系数而得到，即：KW：土壤水分修正系数；AW：相对有效含水率，p、f分别为凋萎系数和田间持水率。三、农作物的灌溉制度三、农作物的灌溉制度农作物的灌溉制度农作物的灌溉制度：是指旱作物播种前：是指旱作物播种前(或水田栽秧前或水田栽秧前)及全

23、生育期内的灌水次数，每次灌水的灌水日期、灌水及全生育期内的灌水次数，每次灌水的灌水日期、灌水定额以及灌溉定额。定额以及灌溉定额。灌水定额灌水定额：是指一次灌水单位面积上的灌水量。：是指一次灌水单位面积上的灌水量。灌溉定额灌溉定额：农作物在全生育期各次灌水定额之和。：农作物在全生育期各次灌水定额之和。以以mm3 3hmhm2 2或或mmmm表示，它是灌区规划及管理的依据。表示，它是灌区规划及管理的依据。灌溉制度的灌溉制度的3 3种确定方法：种确定方法：（1 1）根据群众丰产灌水经验来确定；）根据群众丰产灌水经验来确定；（2 2）根据灌溉实验资料来确定；）根据灌溉实验资料来确定；（3 3）按水量平

24、衡原理分析、确定。）按水量平衡原理分析、确定。生产实践中，第生产实践中，第3 3种方法结合第种方法结合第1 1、2 2种方法的实际资料，种方法的实际资料，得出的制度比较完善，以水稻和旱作物为例进行介绍：得出的制度比较完善，以水稻和旱作物为例进行介绍：1 1、水稻的灌溉制度、水稻的灌溉制度（1 1）泡水定额：泡田期的灌溉用水量）泡水定额：泡田期的灌溉用水量MM1 1(m(m3 3/hm/hm2 2或或mm)mm)：式中：a1:插秧时田面所需的水层深度(cm)；S1:泡田期的渗漏量，开始泡田到插秧期间的总渗漏量mm;t1:泡田期的天数；e1:t1时期内田面平均蒸发强度(mm/d);P1:t1时期内

25、的降雨量(mm)；（2 2）水稻生育期内灌溉制度：水量平衡方程h1:时段初田面水层深度；h2：时段末田面水层深度；P：时段内降雨量；m：时段内的灌水量；E：时段内田间耗水量；c：时段内排水量，式中各式均以mm计。如果时段初的农田水分处于适宜水层上限如果时段初的农田水分处于适宜水层上限(h(hmaxmax)，经过一个，经过一个时段的消耗时段的消耗,田面水层降到适宜水层的下限田面水层降到适宜水层的下限(h(hminmin)，这时如，这时如果果没有降雨，则需进行灌溉，灌水定额即为：没有降雨，则需进行灌溉，灌水定额即为：任意时段农田水分变化图解：任意时段农田水分变化图解：1 1、在时段初、在时段初A

26、A点，水田应按点，水田应按 线耗水，至线耗水，至B B点田面水点田面水层层降至适宜水层下限，即需要灌水，灌水定额为降至适宜水层下限，即需要灌水，灌水定额为m;m;2 2、如果时段内有降雨、如果时段内有降雨P P，则在降雨后，田面水层回升，则在降雨后，田面水层回升降降雨深雨深P P，再按，再按线耗水至线耗水至C C点时进行灌溉；点时进行灌溉；3 3、如降雨、如降雨P P 很大，田间水面超过最大蓄水深度很大，田间水面超过最大蓄水深度HHp p,多多余余水需要排除水需要排除,排水量为排水量为 c c，然后按，然后按线耗水至线耗水至DD点时进行点时进行灌溉。灌溉。根据上述原理可知，当确定了各生育阶段的

27、适宜根据上述原理可知，当确定了各生育阶段的适宜水水层层 h h maxmax、h h minmin、H H p p 以及阶段需水强度以及阶段需水强度e e i,i,，可可用图解用图解法法推求水稻灌溉制度。推求水稻灌溉制度。2 2、旱作物的灌溉制度、旱作物的灌溉制度采用水量平衡制定旱作物的灌溉制度，以作物主要根系吸采用水量平衡制定旱作物的灌溉制度，以作物主要根系吸水层作为灌水的水层作为灌水的土壤计划湿润层土壤计划湿润层(HH)，并要求该土层内的，并要求该土层内的储水量能保持在作物所要求的范围内。储水量能保持在作物所要求的范围内。(1)(1)土壤计划湿润层的水量平衡方程土壤计划湿润层的水量平衡方程

28、式中；w0、wt：时段初和任意时间t土壤计划湿润层内的储水量；wT：由于计划湿润层增加而增加的水量；P0：土壤计划湿润层内保存的有效雨量；K：时段t内的地下水补给量，即K=kt，k为t时段内平均每昼夜地下水补给量；M：时段t内的灌溉水量；ET:时段t内的作物田间需水量，即ET=et,e为t时段内平均每昼夜的作物田间需水量。根据作物正常生长对农田水分状况的要求，任一时段内土根据作物正常生长对农田水分状况的要求，任一时段内土壤计划湿润层内的储水量壤计划湿润层内的储水量WWt t 应满足：应满足：w w min min wwt t w w maxmax W W min min：作物允许的最小储水量作

29、物允许的最小储水量 W W max max：作物允许的最大储水量作物允许的最大储水量式（式（1 13535）中有关参数的确定：）中有关参数的确定：1 1）土壤计划湿润层深度（）土壤计划湿润层深度（H H）:系指计划调节控制土壤水系指计划调节控制土壤水分状况的土层深度，与作物品种、种类、发育阶段、土壤分状况的土层深度，与作物品种、种类、发育阶段、土壤性质以及地下水埋深等因素有关。性质以及地下水埋深等因素有关。2)2)土壤适宜含水率土壤适宜含水率 适适及允许最大及允许最大 maxmax、最小含水率、最小含水率 minmin:适适通过试验或由生产实践经验确定。通过试验或由生产实践经验确定。土壤含水率

30、土壤含水率 应满足应满足 min min max max maxmax：以灌水不造成深层渗漏为原则，取田间持水率以灌水不造成深层渗漏为原则，取田间持水率 f f minmin：土土壤允许最小含水率壤允许最小含水率,应大于凋萎系数应大于凋萎系数,取取0.60.6f f3)3)有效降雨量有效降雨量(P P0 0)：式中：降雨有效利用系数，其值采用0.70.9；P：实际降雨量。4)地下水补给量(K )：指地下水借土壤毛细管作用上升至作物根系吸水层内而被作物所利用的水量，与作物种类、作物需水强度、计划湿润层含水量等有关。5)由于计划湿润层增加而增加的水量(wt):式中:H1、H2：计算时段初、末计划湿

31、润层深度(mm);A:土壤空隙率,以占土体积的计;:(H2H1)深度内土层中的平均含水率,以占孔隙率的。若某时段内没有水的补给，其水量平衡方程为：若某时段内没有水的补给，其水量平衡方程为：W min:土壤计划湿润层内允许最小储水量(m3/hm2或mm)则由上式可推出距离下次灌水时间间隔t:相应的灌水定额m：上述（1 40）（1 42）式可用土壤计划湿润层（H）内储水量的变化示意图来表示。得出上述数据后，可以确定旱作物播前灌水定额和生育期的灌溉制度。（2 2）旱作物播前灌水定额（）旱作物播前灌水定额（M M 1 1）的确定）的确定式中：0：播前H土层内的平均含水率，以占孔隙率的计。（3）根据水量

32、平衡，采用图解法拟定早作物生育期的灌溉制度的步骤：1）根据各旬计划湿润层深度H 和作物所要求的计划湿润层内土壤含水率的上限 max和下限 min，求出H土层内允许储水量上限W max（7）曲线及下限W min（6）曲线(W max=A H max,W min=A H min),绘于图1 12上；2)绘制作物田间需水量(ET)（1）累积曲线、由于计划湿润层加大而获得的水量(WT)（3）累积曲线、地下水补给量(K)（4）累积曲线以及净耗水量(ET-WT-K）（1-3-4）累积曲线；3)3)由设计年各时段降雨量求出渗人土壤的有效降雨量由设计年各时段降雨量求出渗人土壤的有效降雨量P P0 0（2 2）

33、逐时段绘于上；逐时段绘于上；4)4)自作物生长初期土壤计划湿润层储水量自作物生长初期土壤计划湿润层储水量ww0 0，逐旬减去，逐旬减去(ETET-WWT T-K-K)值，即自值，即自A A点引直线平行于点引直线平行于(ETET-WWT T-K-K)曲线，曲线，当遇有降雨时再加上有效降雨量当遇有降雨时再加上有效降雨量P P0 0，即得计划湿润土层，即得计划湿润土层实实际储水量际储水量(W W)(5)(5)曲线；曲线；5)5)当当w w 曲线接近干曲线接近干w w minmin时，即进行时，即进行灌灌水水，灌，灌水定额值也水定额值也同同有效降雨量有效降雨量P P0 0一样加在一样加在w w 曲线曲

34、线上；上；6)6)如此继续进行，即可得到全生育期的各次灌水定额、灌如此继续进行，即可得到全生育期的各次灌水定额、灌水时间和灌水次数。水时间和灌水次数。7)7)全生育期灌溉定额，全生育期灌溉定额，m m i i为各次灌水定额。为各次灌水定额。8)8)播前灌水定额播前灌水定额M M 1 1加上全生育期灌溉定额加上全生育期灌溉定额M M 2 2,即得旱作即得旱作物物的总灌溉定额的总灌溉定额MM，即，即第三节第三节 非充分灌溉原理与作物水分生产函数非充分灌溉原理与作物水分生产函数一、非充分灌溉原理的理论基础一、非充分灌溉原理的理论基础按照传统的灌溉理论，农田灌溉以某一定作物获得单位按照传统的灌溉理论，

35、农田灌溉以某一定作物获得单位面积产量最高为工程设计的基本役则，即满足农田充分面积产量最高为工程设计的基本役则，即满足农田充分灌溉。随着工农业的发展，全社会对水资源的需要不断灌溉。随着工农业的发展，全社会对水资源的需要不断增长，不得不从根本上探讨水资源的最合理利用方式，增长，不得不从根本上探讨水资源的最合理利用方式，着重提高水的有效利用率，即产生了着重提高水的有效利用率，即产生了非充分灌溉理论非充分灌溉理论。作物水分生产函数的边际分析：作物水分生产函数的边际分析：1 1）Y-W Y-W 线的拐点线的拐点A A0 0左边左边(阶段阶段1)1)，d y/d wd y/d w逐步增大：表明产量逐步增大

36、：表明产量的增加幅度大于投入量增加幅度；的增加幅度大于投入量增加幅度；2 2）Y-W Y-W 线的拐点线的拐点A A0 0右边右边(阶段阶段2)2)，d y/d wd y/d w逐步减小：表明产量逐步减小：表明产量的增加幅度小于投入量增加幅度，的增加幅度小于投入量增加幅度，即即“报酬递减报酬递减”。结论：在水资源不足的情况下，结论：在水资源不足的情况下，从优化用水的角度看，应该首先从优化用水的角度看，应该首先考虑水的利用效率。考虑水的利用效率。二、水分亏缺对作物的影响及其判别指标二、水分亏缺对作物的影响及其判别指标作物生长与土壤、大气环境中的诸多因素有关，某因作物生长与土壤、大气环境中的诸多因

37、素有关，某因素的量值小于作物生长允许的下限值，则称该因素处素的量值小于作物生长允许的下限值，则称该因素处于于亏缺状态亏缺状态。在所有环境因素亏缺中，水分的亏缺对。在所有环境因素亏缺中，水分的亏缺对作物的影响最明显。水分亏缺分为作物的影响最明显。水分亏缺分为土壤水分亏缺土壤水分亏缺和和作作物水分亏缺物水分亏缺两种。两种。1 1、土壤水分亏缺及其原因、土壤水分亏缺及其原因 直接原因：是由于供给土壤的水分和作物的蒸发蒸腾直接原因：是由于供给土壤的水分和作物的蒸发蒸腾不平衡所引起的。不平衡所引起的。土壤供水不足缘于以下儿方面：土壤供水不足缘于以下儿方面：第一、作物生长某阶段缺少灌溉；第一、作物生长某阶

38、段缺少灌溉；第二、土壤供水能力差，原有的储水不足；第二、土壤供水能力差，原有的储水不足；第三、干旱并且降水少，而土壤耗水大。第三、干旱并且降水少，而土壤耗水大。土壤水分亏缺是从土壤水分供需平衡状况来反映的，土土壤水分亏缺是从土壤水分供需平衡状况来反映的，土壤水分亏缺常用下式表示：壤水分亏缺常用下式表示：式中：SWD:指某时段的土壤水分亏缺量(mm)；S:作物根系吸水量(mm)；E:棵间蒸发量(mm)；P :有效降水量(mm)；G:地下水补给量(mm)；I:有效灌水量(mm)；SWG：土壤有效储水量(mm)。只有当土壤水分亏缺SWD 超过一定数值时，才会对作物生长发育产生不利影响，此种现象就称为

39、土壤水分的胁迫现象。2 2、作物水分亏缺及其原因、作物水分亏缺及其原因一般情况下，当作物植株的蒸腾失水超过作物根系吸水一般情况下，当作物植株的蒸腾失水超过作物根系吸水时，造成植物细胞体内储水量减少，叶水势降低，此现时，造成植物细胞体内储水量减少，叶水势降低，此现象即为象即为作物水分亏缺作物水分亏缺。作物水分亏缺指标常用下式表示：作物水分亏缺指标常用下式表示：式中：T：作物植株正常生长发育条件下的蒸腾量(mm)；S：根系实际吸水量(mm)。只有当作物水分亏缺CWD 超过一定数值时，才会对作物生长发育产生不利影响，此种现象就称为作物水分的胁迫现象。产生作物水分胁迫的临界水分亏缺值决定于作物的种类、

40、生长阶段及气象等因素。3 3、水分亏缺对作物生长的影响、水分亏缺对作物生长的影响 （1 1）水分亏缺对作物生理过程的影响）水分亏缺对作物生理过程的影响水分亏缺对作物生理过程的影响表现在水分亏缺对作物生理过程的影响表现在5 5方面，较为明显方面，较为明显的是的是抑制作物器官和个体的生长发育抑制作物器官和个体的生长发育。（2 2）水分亏缺对作物干物质累积和产量的影响）水分亏缺对作物干物质累积和产量的影响最终结果是导致作物干物质累积和产量的降低，其影响程最终结果是导致作物干物质累积和产量的降低，其影响程度取决于水分亏缺的程度及发生水分亏缺的时间。度取决于水分亏缺的程度及发生水分亏缺的时间。通常把水分

41、亏缺对作物产量影响最敏感、最严重的生育时通常把水分亏缺对作物产量影响最敏感、最严重的生育时期称为作物期称为作物需水关键期需水关键期。大多数作物的需水关键期出现在。大多数作物的需水关键期出现在从营养生长到生殖生长的过渡阶段。在灌溉水量有限条件从营养生长到生殖生长的过渡阶段。在灌溉水量有限条件下，首先应保证作物需水关键期的水分供应，把该时期的下，首先应保证作物需水关键期的水分供应，把该时期的水分胁迫减少到最低程度水分胁迫减少到最低程度即：有限的水量分配时，应即：有限的水量分配时，应优先保证需水关键期的水分供应。优先保证需水关键期的水分供应。（3 3）水分亏缺对作物的有益作用）水分亏缺对作物的有益作

42、用适度的水分亏缺有益于提高作物产量和改善果实品质，目适度的水分亏缺有益于提高作物产量和改善果实品质，目前采用的前采用的调亏灌水技术调亏灌水技术，就是利用适度水分亏缺对作物有，就是利用适度水分亏缺对作物有益作用的特点，在作物生长发育的某些时期人为造成一定益作用的特点，在作物生长发育的某些时期人为造成一定程度的水分亏缺，以影响光合产物向不向组织器官分配的程度的水分亏缺，以影响光合产物向不向组织器官分配的倾斜，从而获得提高产量而舍弃营养器官的生长量和有机倾斜，从而获得提高产量而舍弃营养器官的生长量和有机合成物质的总量。合成物质的总量。4 4、作物水分亏缺的判别指标、作物水分亏缺的判别指标(1)(1)

43、判别作物水分亏缺状况的土壤水分指标判别作物水分亏缺状况的土壤水分指标土壤水分指标常用以下几种方法判别：土壤水分指标常用以下几种方法判别：1 1）土壤含水率指标法）土壤含水率指标法当土壤含水率接近凋萎系数时，作物严重受旱；当土壤含水率接近凋萎系数时，作物严重受旱；当土壤含水率界于调萎系数与作物生长阻滞含水率之间，当土壤含水率界于调萎系数与作物生长阻滞含水率之间，作物将处于中度受旱或轻度受旱状态；作物将处于中度受旱或轻度受旱状态；当土壤含水率界于作物生长阻滞含水率与田间持水率之间当土壤含水率界于作物生长阻滞含水率与田间持水率之间时，作物生长正常；时，作物生长正常；2)2)土壤相对有效含水率指标法土

44、壤相对有效含水率指标法即用相对有效含水率来反映作物受旱情况：即用相对有效含水率来反映作物受旱情况：:根系活动层的平均土壤含水率 f:土壤田间持水率；w p:凋萎系数。3)旱涝指数法旱涝指数是反映土壤水分平衡状况的指标,计算公式为：E T m+Wm/W p：需水量，P+R+W0/WP：实际供水量。一般来说：当D 0.5时，作物受旱；当D0.50.8时，作物受轻旱；当0.8D 1.3时，作物处于适宜生长阶段；当D1.3时,作物受涝。（2 2）作物水分亏缺状况判别的水分生理指标）作物水分亏缺状况判别的水分生理指标作物水分生理特征是反映作物水分亏缺状况直接的指标。作物水分生理特征是反映作物水分亏缺状况

45、直接的指标。1 1）叶水势叶水势：叶水势随土壤含水量的不断减少而下降。：叶水势随土壤含水量的不断减少而下降。2 2）气孔开度气孔开度：在一定范围内，气孔开度随土壤可吸水量：在一定范围内，气孔开度随土壤可吸水量的增加而上升，当土壤可吸水量达到某一临界值以后，气的增加而上升，当土壤可吸水量达到某一临界值以后，气孔开度不再升。根据作物品种、生长发育期、土壤特性等孔开度不再升。根据作物品种、生长发育期、土壤特性等条件的不同，测定作物当时的气孔开张度的数值，就可以条件的不同，测定作物当时的气孔开张度的数值，就可以判定作物是否受旱。判定作物是否受旱。3 3）细胞液浓度细胞液浓度：在干旱缺水条件下，作物吸水

46、困难，叶：在干旱缺水条件下，作物吸水困难，叶片组织的细胞液浓度相应提高，因此可用细胞液浓度来判片组织的细胞液浓度相应提高，因此可用细胞液浓度来判别作物是否受旱。别作物是否受旱。（3 3）评价作物水分状况的叶温指标）评价作物水分状况的叶温指标通常在灌溉用水中用冠层整体的温度来作为植物水分状况通常在灌溉用水中用冠层整体的温度来作为植物水分状况的评价指标，作为植物水分亏缺状况的指标有如下几种：的评价指标，作为植物水分亏缺状况的指标有如下几种：1)1)温度胁迫指标温度胁迫指标：指缺水与不缺水时的冠层温度的差值。：指缺水与不缺水时的冠层温度的差值。若其差值超过若其差值超过1.01.0，说明作物开始受旱，

47、就需要灌水；，说明作物开始受旱，就需要灌水；2)2)日缺水度日缺水度S S DDDD：指作物冠层温度：指作物冠层温度T T C C与气温与气温T T a a的差值：的差值：S S DDDD：反映土壤水分条件、作物受旱程度、产量水平。3)水分胁迫指标C WSI：在生产实践中常用相对蒸发蒸腾量的减少来表示作物水分胁迫状况，即式中：E Ta为作物的实际蒸发蒸腾速率(mm/d)；E Tm为充分供水时的潜在蒸发蒸腾速率(mm/d)。CWSI 0时，充分供水；CWSI 1时，作物蒸腾停止，严重缺水。三、作物水分生产函数三、作物水分生产函数 是指在农业生产水平基本一致的条件下，作物所消耗的水是指在农业生产水

48、平基本一致的条件下，作物所消耗的水资源量与作物产量之间的关系。资源量与作物产量之间的关系。1 1、以全生育期蒸发蒸腾量为变量的水分生产函数模型、以全生育期蒸发蒸腾量为变量的水分生产函数模型式中：ET、ETm：作物全生育期内的实际和最大蒸发蒸腾量。2、以生育阶段蒸发蒸腾量为变量的水分生产函数模型（1）相加模型 式中：k 为在生育阶段k作物对水分亏缺的敏感因子；n 为生育阶段数。（2 2）相乘模型）相乘模型当作物在某个生育阶段受旱而死亡绝产的情况下仍能由相当作物在某个生育阶段受旱而死亡绝产的情况下仍能由相加算模型算出产量，相乘模型则在一定程度上克服了此缺加算模型算出产量，相乘模型则在一定程度上克服

49、了此缺陷，代表的相乘模型有：陷，代表的相乘模型有：通常情况下，作物在关键需水期，其敏感指数大于其它非关键需水期的敏感指数。四、非充分灌溉条件下作物的灌溉制度四、非充分灌溉条件下作物的灌溉制度非充分灌溉制度非充分灌溉制度：就是在有限灌溉水量条件下，为获取最：就是在有限灌溉水量条件下，为获取最佳的产量目标，对作物灌水时间和灌水定额进行最优分配佳的产量目标，对作物灌水时间和灌水定额进行最优分配的灌溉制度。即解决好什么时候灌水、各次灌水如何分配的灌溉制度。即解决好什么时候灌水、各次灌水如何分配有限水量的问题。在实践上就是如何灌好有限水量的问题。在实践上就是如何灌好“关键水关键水”，在理在理论上就是以水

50、分生产函数为依据、制定出优化灌溉制度。论上就是以水分生产函数为依据、制定出优化灌溉制度。1 1、优化灌溉制度的确定方法、优化灌溉制度的确定方法 (1)(1)目标目标：以单位面积产量最大目标；：以单位面积产量最大目标；(2)(2)阶段阶段：以作物生育阶段为阶段变量；：以作物生育阶段为阶段变量；(3)(3)状态变量状态变量：旱作物：为各阶段初可供水量及计划湿润层内可供作物旱作物：为各阶段初可供水量及计划湿润层内可供作物利用的土壤含水量；利用的土壤含水量；水稻：为各阶段初可供水量及初始田面蓄水深度；水稻：为各阶段初可供水量及初始田面蓄水深度；(4)(4)决策变量决策变量：各生育阶段的实际灌水量及实际