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灌溉排水概论,清华大学水利系尚松浩Emailshangsh,灌溉排水要求,熟悉北方主要作物需水规律，掌握灌溉制度的方法熟悉农田土壤水分特征参数及基本运动规律掌握灌溉排水工程类型及适用条件掌握灌溉系统（渠道、管道）的组成、渠系建筑物的分类及其作用熟悉不同灌水方法及其技术特点了解排水系统及特点掌握灌溉、排水管理基本内容参考教材郭元裕主编.农田水利学（第3版）.北京中国水利水电出版社.1997,灌溉排水所涉及的主要内容点网面网点水源输水系统农田排水系统容泄区,1土壤水分特征参数及基本运动规律,要求熟悉农田土壤水分特征参数及基本运动规律主要内容农田土壤水分特征参数土壤水分基本运动规律,1.1农田水分状况与水分特征参数,农田水分状况Fieldwaterregime农田中地表水、土壤水和地下水的状态、变化规律及对作物生长影响的总称农田水分调控Regulationoffieldwaterregime利用农田水利措施对农田水分状况进行调节与控制，以改善土壤中的气、热、养分状况及农田小气候，达到农业增产的目的。,土壤含水量（soilwatercontent）105℃烘干至恒重时失去的水量。以单位质量干土中水的质量或单位土壤总容积中水的容积表示（质量含水量、体积含水量）土壤含水率的表示体积含水率θvVw/V0重量（质量）含水率θgmw/ms饱和度wVw/Vv贮水深度hHθv（量刚为L）相互关系θvθgρd/ρwwθv/n,,土壤含水量的主要测定方法称重法（烘干法）核技术测量中子仪，γ射线仪电磁测量时域反射仪TDR核磁共振测量热脉冲测量遥感测量大面积地表含水率,称重法（烘干法，直接法）测定过程土钻取土，测定土壤湿重m；在105℃烘箱中烘6～8h，测定干土重ms。则土壤质量含水率为θgm－ms/ms快速烘干方法酒精燃烧，红外线灯照射优点原理简单、测量精度高、设备简单缺点耗时长、破坏土体，代表性差（空间变异性影响）,,中子仪原理快中子、H→慢中子，慢中子通量反映H（水）含量快中子源放射源（Ra/Am）、Be体积含水率与记数R的关系θaR/Rstdb优点原位重复测量缺点确定率定曲线空间分辨率低价格，辐射,,时域反射仪TDR原理土壤介电常数与含水率的关系（介电常数水80；干土5；空气1）优点简单缺点仪器价格，分辨率低,土壤水的形态与水分常数,土壤水分常数（soilwaterconstant）根据土壤水分形态不同而定义的土壤特征含水量，如田间持水量、凋萎系数等田间持水量（fieldmoisturecapacity）农田土壤某一深度内保持吸湿水、膜状水和毛管悬着水的最大水量凋萎系数（wiltingcoefficient）植物开始发生永久凋萎时的土壤含水率，也称凋萎含水率或萎蔫点土壤有效含水量（availablewatercontentofsoil）土壤中能被作物吸收利用的水量，即田间持水量与凋萎系数之间的土壤含水量,,土壤含水率与水分常数的应用估计水分对植物生长的影响计算灌溉水量根据土壤水分的动态变化估算腾发量（地面蒸发＋植物蒸腾）,华北平原不同质地土壤的水分常数,1.2土壤水分运动,,入渗条件下的土壤水分运动土壤水分再分布蒸发条件下的土壤水分运动,1.2.1降水/灌溉入渗,入渗水分进入土壤的过程入渗类型一维垂直入渗降水、灌溉入渗二维垂直、水平入渗河道、渠道入渗三维垂直、水平入渗水库、湖泊入渗入渗条件下土壤水分运动非饱和土壤水运动饱和－非饱和土壤水运动,积水条件下的干土入渗分区饱和区过渡区传导区湿润区饱和区、过渡区一般不存在,积水条件下的干土入渗积水后，表土含水率很快增加到θ0θk；蒸发强度E0；θk取决于土质和大气蒸发能力，毛管破裂点（50～70田持）,土面蒸发强度随含水率变化阶段BC。随着含水率的降低，向表层土壤的供水减小，地表水汽压降低，蒸发强度减小水汽扩散阶段表土含水率很低时，形成干土层，干土层底部蒸发－水汽扩散,2作物需水量与灌溉制度,要求熟悉北方主要作物需水规律，掌握灌溉制度的方法主要内容作物需水量及其确定方法北方主要作物需水规律作物灌溉制度的确定方法,2.1作物需水量及其确定方法,农田水分消耗植株蒸腾Transpiration颗间蒸发Evaporation深层渗漏Percolation腾发Evapotranspiration蒸发＋蒸腾ET作物需水量Cropwaterrequirement影响因素气象、土壤水分状况、作物类型及生育阶段确定方法试验测定，计算,需水量的直接计算方法,全生育阶段需水系数法α值法（水面蒸发）ETαE0ETαE0bK值法（产量）ETKYETKYnc生育阶段模系数法ETiKiET/100,根据参考作物腾发量计算ET,ETckcET0Kc作物系数ET0参考作物腾发量，计算以往常用FAO（1979）的修正Penman法，最新FAO（1998）Penman-Monteith法,,华北地区主要作物的作物系数,2.2北方主要作物需水规律,北京,,冬小麦需水强度变化规律播种－越冬（10月－11月）较小越冬期（12月－2月）最小返青后逐渐增大，抽穗期达到最大，此后又有所减小,2.3作物灌溉制度的确定方法,灌溉制度作物播种前、生育期内的灌水次数、每次灌水时间及灌水定额、灌溉定额充分灌溉制度的确定方法总结群众丰产灌水经验根据灌溉试验资料制定灌溉制度根据水量平衡原理制定灌溉制度非充分灌溉下的灌溉制度经济灌溉制度确定效益最大的灌溉定额优化灌溉制度灌溉水量在生育期内分配,根据水量平衡原理制定灌溉制度,旱作水量平衡单位mm,m3/亩，m3/haWt-W0WrP0KM-ETW0时段初储水量Wt时段末储水量Wr计划湿润层增加而增加的水量P0有效降水量K地下水补给量M时段灌溉水量ET田间需水量,初始储水量W0→蒸发消耗至Wmin，灌水无降水情况下WminW0-ET-KW0-e-kt灌水时间tW0-Wmin/e-k灌水定额mWmax-Wmin降水、灌溉后Wt’WtP0M,,基本资料土壤计划湿润层深度与作物、生育阶段有关土壤适宜含水率及允许最大、最小含水率有效降水量地下水（深层土壤水利用量）由于计划湿润层增加而增加的水量,华北（北京）主要作物灌溉时期,,灌溉用水量的确定各种作物灌溉定额、种植结构、面积→净需水量渠系利用系数→毛需水量,3灌溉排水工程类型及适用条件,要求掌握灌溉排水工程类型及适用条件主要内容灌溉工程类型排水工程类型,3.1灌溉工程类型,按照水源分类渠灌区以地表水为主要灌溉水源井灌区以地下水为主要灌溉水源井渠结合灌区地表水、地下水联合调度按照输水方式分类渠系输水管道输水,,渠灌区以地表水为主要灌溉水源无坝引水河流水位、流量能满足灌溉要求有坝引水河流流量满足灌溉要求，水位较低水库取水河流水位、流量不满足灌溉要求抽水取水河流水量丰富，灌区位置较高其中前三类为自流灌区，最后一类为扬水灌区,井灌区垂直取水管井适用于开采深层承压水、浅层水，有完整井和非完整井之分筒井适宜于开采浅层地下水水平采水工程坎儿井新疆等干旱地区引取山前地下水卧管井埋设于地下水位以下的水平集水管截潜流工程河道渗漏，地下径流丰富双向取水辐射井,,井渠结合灌区地表水、地下水联合调度，在北方水资源不足的地区有助于丰、枯水量调剂能有效控制地下水位及土壤次生盐碱化,3.2排水工程类型,水平排水工程排水沟开挖量大，易坍、易淤、易生杂草排水管减少占地，利用机械化耕作，造价高竖井排水地下水埋深较浅，水质符合灌溉要求。井灌井排相结合，可增加灌溉水源、降低地下水位,4灌溉系统,要求掌握灌溉系统（渠道、管道）的组成、渠系建筑物的分类及其作用主要内容渠道系统管道系统,4.1渠道系统,渠道系统从水源取水、通过渠道及其附属建筑物向农田供水、经由田间工程进行农田灌水的工程系统渠道系统组成渠首工程输配水工程田间工程,,灌溉渠系组成由各级灌溉渠道和退水渠组成按使用时间分类固定渠道、临时渠道按控制面积大小和水量分配层次分类干渠（总干渠、分干渠）支渠斗渠农渠毛渠临时渠道,,渠系建筑物按作用可分为以下类型引水建筑物配水建筑物交叉建筑物衔接建筑物泄水建筑物量水建筑物,引水建筑物,,配水建筑物,分水闸上级渠道向下级渠道分水的闸门，同时是下级渠道的进水闸。作用是控制和调节向下级渠道的配水流量节制闸垂直渠道中心线布置，其作用是根据需要抬高上游渠道的水位或阻止渠水继续流向下游渠道进水口渠低高程较高，进水困难，在分水口下游设节制闸下级渠道轮灌时，在轮灌组分界处设节制闸在泄水闸和被保护建筑物之间设节制闸,交叉建筑物,作用穿越山岗、河沟、道路类型隧洞穿越山岗渡槽穿越河沟、道路，渠低高程较高倒虹吸穿越河沟、道路，渠底高程较低涵洞与道路相交，渠道水位低于路面且流量较小；与河沟相交，河沟洪水位低、流量小，排洪涵洞桥梁与道路相交，渠道水位低于路面且流量大、水面宽,衔接建筑物,渠道通过坡度较大的地段时，为防止渠道冲刷，保持渠道的设计比降，将渠道分为上下两段，中间用衔接建筑物联结跌水用于跌差较小的陡坎陡坡用于跌差较大、地形变化均匀,泄水建筑物,作用防止由于沿渠坡面径流汇入渠道或因下级（游）渠道事故停水而使渠道水位突然升高，进而威胁渠道安全位置重要建筑物和大填方段的上游山洪入渠处的下游类型溢流堰，泄水闸,量水建筑物,作用控制和量测水量，以维持灌溉工程的正常运行，实施科学的用水管理位置各级渠道进水口量测入渠水量末级渠道量测进入田间水量退水渠量测退泄水量类型量水堰（三角形、矩形、梯形薄壁堰）巴歇尔水槽水位－流量流速仪,4.2管道系统,优点部分或全部输配水管网埋在地下，少占710耕地，提高土地利用率，减少对交通和耕作影响输水损失（蒸发、渗漏）小，节约用水，提高灌溉水利用系数有压输水、无压输水，能满足地面灌水方法和喷灌、滴灌、微喷灌等有压灌水方法的要求使用方便，便于控制，便于与施肥、施农药结合，便于实现自动控制在地形复杂情况下易于布置管道清淤工作量小，无杂草影响,组成首部枢纽从水源取水，并进行处理以符合管道系统与灌溉的要求（水量、水压、水质）输配水管网干管、支管、毛管环状管网压力均匀，保证率高；管道长树枝状管网保证率低；管道短混合管网灌水器将水均匀地分配到田间和湿润土壤的设备或装置。滴头滴灌微喷头微喷灌渗头渗灌,5灌水方法,要求熟悉不同灌水方法及其技术特点,畦灌,,,,喷灌（sprinkler,滴灌（drip）,微喷（microsprinkler）,膜上（下）灌,穴灌,灌水方法及其适用条件,灌水方法优缺点1.水的利用率；2.灌水均匀性；3.对土壤团粒结构影响；4.对土壤透水性的适应性；5.对地形的适应性；6.改变空气湿度；7.结合施肥；8.结合冲洗盐碱土；9.基建与设备投资；10.平整土地的土方量；11.田间工程占地；12.能耗；13.管理用劳动力,地面灌溉1,畦灌适用作物小麦、谷子等窄行作物、牧草及某些蔬菜技术要素根据地面坡度、土地平整情况、土壤透水性能、农机具等因素合理选定积水要素畦田规格长度30100m，宽度24m且为农机具宽度的整倍数，1亩约510个畦田坡度0.0010.003入畦单宽流量36l/s/m，均匀、不冲刷灌水技术要素的关系灌水时间t内渗入水量与灌溉定额m相等进入畦田的灌水总量畦长l上达到m所需水量,地面灌溉2,沟灌灌水沟布置坡度i0.0050.02间距a5080cm，轻质土间距较窄技术参数沟长l、入沟流量q计划灌溉定额m灌水时间t内渗入水量灌水停止后沟中存蓄水量沟长l与坡度i、水深h关系lh2-h1/i灌水时间tmal/3.6q,喷灌1,灌水质量指标喷灌强度与土壤透水性相适应喷灌均匀度均匀系数Cu1001-|Δh|/h，应7080水量分布图水滴打击强度,喷灌2,喷灌技术参数喷头水量分布图喷头沿支管的间距支管间距喷头组合形式矩形三角形支管方向,喷头组合间距几何组合法修正几何组合法经验系数法支管方向地形、风向,滴灌1,滴头的种类微管式滴头管式滴头孔口式滴头涡流式滴头双壁毛管,滴头选择流量组合后满足作物需要、不产生深层渗漏和径流，一般68l/h工作可靠，不易堵塞性能规格整齐划一，制造误差小结构简单，价格便宜,滴灌2,滴头与毛管的布置单行直线布置双行直线布置单行带环状布置单行带微管布置滴灌灌水质量指标灌水均匀系数灌溉效率,滴灌堵塞的原因悬浮固体堵塞化学沉淀堵塞有机物堵塞滴灌系统堵塞的处理酸液冲洗压力疏通,6排水系统,要求了解排水系统及特点,,排水类型排除地表水除涝排水，防止作物受淹在设计暴雨时保证农田积水不超过作物允许的耐淹历时和水深雨后在允许的时间内将田间积水排除排除地下水防渍排水防盐碱化排水,,设计排涝标准在设计暴雨时保证农田积水不超过作物允许的耐淹历时和水深设计暴雨重现期5～10a设计暴雨历时和排除时间作物耐淹水深和耐淹历时,,排水系统的组成田间沟系输水沟系排水枢纽工程容泄区,农田排水方式水平排水明沟排水暗管排水垂直排水竖井排水,排水系统的规划布置原则充分利用水土资源，扩大自流排水，减少占地面积，节省投资分级合理，长短适当，以便于机耕和统一管理减少交叉，建筑物尽量集中尽量利用现有水利设施，保证排水流畅线路直、短、安全灌排配套排水系统的规划方法划分排水区输水系统布置容泄区的选择,6.1明沟排水技术,地面排水系统的组成干、支、斗、农沟类型除涝防渍防止土壤盐碱化田间排水系统布置灌排相邻布置灌排相间布置灌排合一,,明沟排水系统的特点排水速度快排水效果好缺点工程量大地面建筑物多占地面积大沟坡易坍塌不利于交通和机械化耕作,6.2暗管排水技术,地下暗管系统的组成吸水管集水管闸阀通气孔检修孔出水口暗管和明沟配合布置,特点排水速度快排水效果好优点工程量小地面建筑物少土地利用率高利于交通和机械耕作,,鼠道排水系统用鼠道梨形成的无衬砌地下排水通道截面椭圆形不需要管材和滤料（无材管道）适宜地区粘土、重壤土、中壤土，田面平整优点投资省，用工少，节省人力、物力缺点易坍塌，使用年限短类型单层、双层,6.3竖井排水技术,竖井排水的特点降低地下水位，防止土壤返盐防涝防渍，增加灌溉水源（调控地下水库）抽咸补淡，改善水源土方工程量小，占地少，便于机耕缺点消耗能源，运行管理费高，需要有合适的水文地质条件,7灌溉、排水管理,要求掌握灌溉、排水管理基本内容主要内容灌溉用水管理排水管理灌排试验,,灌溉排水管理的任务通过对灌溉排水工程的管理运行，充分利用水资源，合理调配灌、排水量根据灌排试验研究成果实行科学用水和排水，促进农作物高产、稳产发挥灌排工程最大效益,,灌溉排水管理的内容工程管理灌排工程的检查、观测、养护、维修、改建、扩建、防汛、抢险用水管理灌、排水量、流量的时空调配生产管理结合工程管理、用水管理开展的综合利用、多种经营、水费征收等组织管理建立、健全专业与群众性的灌区管理组织,基础中心手段保证,7.1灌溉用水管理,用水计划编制水源取水计划根据水源来水、灌溉需水预测进行供需平衡分析灌区配水计划编制水量分配面积、毛灌溉定额配水流量、配水时间配水计划表用水计划的执行,灌溉用水管理技术,监测技术,预测技术1,在监测数据的基础上对计划期内的灌溉可利用水量、土壤墒情、作物需水量与产量等进行预测，是制订合理的灌溉水资源配置方案的基本依据灌溉可利用水量预测河道径流预测流域水文模型方法时间序列分析方法混沌、模糊、灰色系统等非线性方法地下水位预测确定性模型地下水均衡，地下水动力学模拟随机性模型回归，时间序列，考虑影响因子随机性的机理性模型,预测技术2,作物需水量预测墒情预报与灌溉预报确定性模型农田水量平衡，土壤水动力学模型，SPAC模型随机性模型统计回归模型，时间序列模型，人工神经网络模型，随机性水量平衡模型，随机性水动力学模型作物产量预报作物水分生产函数模型,灌溉用水调度技术1,可用水量灌溉需水量按需水分配灌溉水量不足按灌溉面积比例分配按毛灌溉用水量比例分配按灌区总效益最大分配地表水、地下水联合调度,灌溉用水调度技术2,灌溉用水优化配置作物优化灌溉制度（时间分配）优化模型、模拟模型区域水量调配,决策技术与决策支持系统,灌溉用水控制技术,通过在闸门等渠系建筑物上安装控制设备，对灌溉系统进行部分或全部运行操作。现场人工控制由管水员完成节制闸门和分水口闸门等建筑物的运行操作现场自动控制由现场安装的自动控制设备完成节制闸门和分水口闸门等建筑物的运行操作中心监控系统由灌溉调度中心通过遥控终端（RTU）对灌溉系统的运行进行监测和遥控综合控制综合应用上述两种或三种控制方式，以增强管理系统的灵活性和可靠性,灌溉用水管理技术的发展趋势,信息技术的应用信息化监测的自动化网络化群决策，分布式决策，信息传输智能化人工智能，专家系统，人工神经网络可视化以3S技术为代表的信息技术广泛应用，精准农业，数字灌区,7.2排水管理,排水管理的主要任务正确地控制运用排水系统维护各级排水沟道和建筑物，保证排水畅通及时排涝，减少作物受淹减产降低、控制地下水位，排除土壤渍水，防治土壤盐碱化灌区地下水盐动态监测与分析,7.3灌排试验,灌溉试验灌水方法和灌溉制度试验方法小区对比试验灌水技术要素灌溉制度作物需水量试验测定方法蒸渗仪（lysimeter）筒测、坑测田测作物水分生产函数（非充分灌溉）试验作物－水模型反映农田水分消耗与作物产量的关系,,排水试验田间排水沟（管）间距试验不同类型排水设施的效果试验,,用水管理试验计划用水试点渠道、渠系水利用系数静水法动水法渠系防渗效果试验,