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地面畦灌优化灌水技术参数手册

已有 3434 次阅读 2019-9-3 10:13 |个人分类:科学书摘|系统分类:观点评述


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我国是世界上13个贫水国之一,人均水资源占有量约为2300m3,仅为世界人均水平的1/4。据预测,到2030年左右,我国人口将达到16亿高峰,届时年粮食产量需求将增长到6.4亿t以上。为了满足粮食需求,届时全国的灌溉面积需要发展到9亿亩以上,灌溉用水量将从2016年的3800亿m3增长到6650亿m3。但是,从我国目前的水资源供给状况来看,如此大的农业水资源供给量难以实现。同时,我国农业用水效率水平比较低,2016年全国平均灌溉水有效利用系数仅为0.54左右。如果将灌溉水有效利用系数提高10%左右,那么就可在维持现有农业总供水量的情况下,满足16亿人食用的粮食所要求的水量,由此可见农业节水的重要性。另外,现阶段农业用水仍是社会用水的大户,农业灌溉用水占总用水量的2/3,在我国的华北、西北等地区,许多城市和农村处于严重或极度缺水状态,水资源短缺已经严重制约了社会经济的发展,节水已经迫在眉睫。因此,要从根本上缓解我国未来的缺水难题,出路在于发展农业节水,提高灌溉水有效利用系数,降低农业用水在社会用水中的比重。

 

在我国推广和应用的节水灌溉方式中,地面节水灌溉技术仍然占主流地位。要提高地面灌溉水有效利用系数(包括渠道水有效利用系数和田面水有效利用系数),就必须从输水和灌溉两个方面入手:第一个方面是对输水系统进行改进,减少灌溉水在输送过程中的水量损失,提高渠道水有效利用系数;第二个方面是尽可能将更多的水分保持在作物根系层,以促进作物吸收利用,提高田面水有效利用系数。第一个方面的主要措施是工程措施,通过渠道防渗或者使用管道输水就可以将输水损失降到最低;第二个方面对于地面灌溉来说,主要是优化灌水技术参数,以得到更优的灌水效果,实现田面水有效利用系数的提高。

 

地面灌水技术参数的研究和应用由来已久,我国科技工作者借助几十年的实际灌水经验,总结了许多经验和成果,即根据田面实际灌水情况提出了很多更合理的灌水单宽流量和畦田尺寸,当然最重要的就是进行地面灌水过程的模拟。对于地面灌水过程的模拟而言,土壤水分入渗参数是模拟预测模型的输入参数,一般来说需要实现两方面的预测,即灌溉过程模拟和有关灌水效果指标的预测,其中灌溉过程模拟包括水流推进、消退过程的预测。目前,无论是对土壤水分入渗参数的研究,还是对地面灌溉过程模拟模型的研究,都是分开进行的,很少见将土壤水分入渗参数的预测模型和地面灌溉灌水过程模型结合在一起进行研究的报道,而将地面灌溉灌水效果优化模型与上述两种模型结合的研究更是少之又少。这给地面灌溉节水灌水技术参数的应用和田面水有效利用系数的提高带来了诸多不便和很大的局限性。尤其是大多数地面灌溉模拟方法都是以土壤水分入渗参数作为直接输入变量,而有效获取实时土壤水分入渗参数是较困难的。鉴于此,实现以土壤常规理化参数作为输入变量,进行灌水技术参数优化和灌水过程的模拟十分必要。


《山西省地面畦灌优化灌水技术参数手册》基于研究团队过去20多年在山西省从南到北30多个县、市、区积累的3000多组大田耕作土壤入渗试验和灌水试验数据,以影响灌溉水有效利用系数的最主要因素——土壤水分入渗参数的精准预测为切入点,建立了集土壤水分入渗参数预测、畦灌灌水过程和效果模拟、灌水技术参数优化于一体的地面畦灌优化灌水技术参数一体化预测模型。同时,以山西省主要土壤质地类型为主线,计算编制适应不同水源条件、土壤状态、耕作条件的地面畦灌优化灌水技术参数手册,旨在为广大基层灌溉工作者和农民提供一种快速、便捷、质优的灌水技术参数获取手段和方法,为山西省农业灌溉水有效利用系数的全面提高及实现山西省水资源的可持续利用和社会经济的可持续发展提供技术支撑。


实践结果表明,一般灌水过程的节水潜力都在用水管理上,用水管理是整个灌区灌溉管理工作的中心环节。田间灌溉用水管理就是在现有的水利工程的基础上,采用合理的灌溉技术参数,提高田间灌溉水有效利用系数的过程。以陕西省渭南市洛惠渠管理局的实测统计数据来看,实施小畦灌溉比大水漫灌可降低灌水定额17%~35%。在单宽流量为3~5m3/(s﹒m)时,灌水定额随畦长变化而发生变化,当畦长由100m减少为30m时,灌水定额可减少150~204 m3/hm2;当畦长由30m增加到100m时,单宽流量从2 m3/(s﹒m)增加到5 m3/(s﹒m),灌水定额可减少150~225 m3/ hm2。据其他文献报道,在半干旱地区,用塑料软管代替灌水沟进行长畦分段灌溉,比一般的长畦灌溉可节约灌溉用水量40%~60%。采用窄畦大流量地面灌水可节约灌溉用水量15%,灌水均匀度提高10%左右。因此,通过研究地面畦灌优化灌水技术参数实现田间灌溉方式的改进,这种灌溉用水管理模式对农业节水而言具有重大的科学意义。


01

缓解我国水资源供需矛盾

 

水资源短缺是21世纪全球面临的重大问题之一,在我国,它已成为制约国民经济发展的一大因素。相对工业用水而言,农业用水面临的形势更严峻。随着城乡居民生活水平的改善和提高,以及工业经济的发展,城乡居民生活用水和工业用水在总用水量中所占的比例与日俱增,从而使农业用水的短缺形势日益严重。为缓解农业用水的供需矛盾,实施农业高效节水势在必行。

 

农业高效节水就是要充分有效地利用自然降水和灌溉水,其根本目的是通过水利、农业、管理、生物等措施,最大限度地减少水源通过输水、配水、灌水直至作物耗水过程中的损失,最大限度地提高单位耗水量的产量和产值。随着人们对农业高效节水认识的提高,国内外学者达成如下共识:农业、水利、生物及管理相结合的综合节水技术是实现农业高效节水的根本途径。对于水利学科来讲,工程技术节水和管理技术节水是其主攻方向。通过工程技术节水固然重要,如采用喷灌、滴灌、管灌这些先进灌水技术可大大提高灌溉水的利用率和单位耗水量的利用率,但通过管理技术节水也不容忽视,其效果也不容低估。试验研究表明,采用合理的灌水技术参数进行灌水,可以将田间灌溉水有效利用系数提高10%~20%,据此,我国每年农业灌溉可节水155亿m3以上。


02

全面提高地面灌溉质量和效果的要求

 

有关专家指出,今后世界灌溉的发展趋势如下:一是灌溉方法仍然以地面灌溉为主,喷灌、微灌面积会有较大发展;二是为提高渠道水有效利用系数,渠道衬砌和管道输水等节水输水技术将日益发展起来;三是灌溉自动化程度得到提高,灌溉管理技术日益先进,电子计算机、激光、红外线遥测、遥控等新技术将得到广泛应用。从世界灌溉发展趋势来看,地面灌溉仍然是各种灌水方法中的主要方法。

 

截至目前,我国90%以上的灌溉面积仍采用传统的地面灌水方法,而且可以预测,在今后很长一段时间内,地面灌水方法在农业灌溉中占绝对的主导地位。此外,与世界先进国家相比,我国灌溉管理水平还比较低。因此,我国的农业、水利专家达成如下共识:一是农业节水的重点在于地面灌溉,节水潜力大、见效速度快;二是地面灌溉节水成本较低;三是地面灌溉节水的重点在田间,田间节水的重点在于对灌溉水的管理。


近年来,我国水利部门和广大农民在输配水系统中采取了各种各样的防渗措施,对提高灌溉水的利用率起到了积极的作用,但防渗措施属于一种耗资较大的节水措施,在我国目前的经济实力条件下,这些措施的进一步推广和应用受到了一定程度的限制。因此,工程技术节水和管理技术节水便成为我国目前乃至今后很长一段时间内农业灌溉节水的主要途径。田间灌溉水利用率低的两个主要因素是:①广大农民大水漫灌的灌水习惯难以根除;②由于畦田地形条件、土壤条件和耕作措施等因素的时空变异性和复杂性、研究手段和方法的局限性,科技部门尚不能为广大农民提供能操作的、适应多变灌水条件的合理的灌水技术参数(畦长、畦宽、入畦流量、封口成数等)。

 

《山西省地面畦灌优化灌水技术参数手册》基于地面畦灌灌水试验,将计算机模拟技术和最新的畦灌效果多参数择优模型相结合,研制了地面畦灌优化灌水技术参数一体化预测模型,为水利管理部门和广大农民提供便于应用操作的,适合地形条件、土壤条件、耕作条件变化的地面畦灌灌水技术参数的获取工具,全面推动了我国农业节水灌溉向纵深方向发展。


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目  录

前言
第1章 绪论 1
1.1 问题的提出 1
1.2 研究意义 2
1.3 地面灌溉理论的研究动态 3
1.3.1 土壤水分入渗理论与参数研究动态 3
1.3.2 地面灌溉水流运动理论与数值模拟研究动态 14
1.3.3 地面灌溉水流运动效果优化理论研究现状 17
1.3.4 畦灌灌水技术参数优化研究动态 19
1.4 研究方案 21
1.4.1 研究目标 21
1.4.2 研究内容 21
1.4.3 技术路线 21
第2章 试验条件与方法 23
2.1 气候条件 23
2.2 研究区土壤条件 23
2.2.1 土壤条件概述 23
2.2.2 土壤质地 25
2.2.3 土壤结构 25
2.2.4 土壤含水率 26
2.2.5 土壤含盐量 26
2.2.6 土壤有机质 27
2.2.7 土壤的其他理化参数 28
2.3 试验方案 29
2.3.1 大田土壤水分入渗参数预测试验方案设计 29
2.3.2 畦灌田面水流运动验证试验方案设计 30
2.4 试验仪器 31
2.4.1 大田双套环垂直入渗仪 31
2.4.2 其他仪器 31
2.5 试验方法 32
2.5.1 大田土壤水分入渗试验方法 32
2.5.2 畦灌灌水试验方法 32
第3章 土壤水分入渗参数预测模型 33
3.1 土壤水分入渗特性的主要影响因素 33
3.1.1 土壤质地对土壤水分入渗特性的影响 33
3.1.2 土壤结构对土壤水分入渗特性的影响 37
3.1.3 土壤含水率对土壤水分入渗的影响 43
3.1.4 土壤含盐量对土壤水分入渗特性的影响 47
3.1.5 土壤温度对土壤水分入渗特性的影响 49
3.1.6 土壤有机质含量对土壤水分入渗特性的影响 51
3.2 土壤入渗参数线性预测模型 54
3.2.1 线性预测方法与过程 54
3.2.2 Kostiakov三参数入渗模型和Philip入渗模型参数预测精度的比较 59
3.2.3 土壤水分入渗过程预测模型 63
3.3 土壤入渗参数非线性预测模型 73
3.3.1 土壤入渗参数非线性预测模型与方法 73
3.3.2 土壤水分入渗参数的各种非线性预测模型 76
3.4 土壤入渗参数BP预测模型 88
3.4.1 BP预测模型的方法与过程 88
3.4.2 土壤水分入渗参数的BP预测模型 95
3.5 土壤入渗参数预测模型的比较 121
3.5.1 预测模型结构 121
3.5.2 预测模型比较分析 122
3.6 土壤水分入渗过程的预测 126
3.6.1 预测方法 126
3.6.2 土壤入渗模型参数预测实例 127
第4章 地面灌溉灌水过程模型与数值模拟 131
4.1 地面灌溉灌水过程概述 131
4.2 地面灌溉灌水过程模型 133
4.2.1 地面灌溉水流运动的全水流动力学模型 133
4.2.2 地面灌溉水流运动的零惯量模型 140
4.2.3 地面灌溉水流运动的运动波模型 141
4.3 地面灌溉灌水过程的零惯量模型数值模拟 141
4.3.1 零惯量模型的定解问题 141
4.3.2 灌水条件的近似、假定及有关参数的处理 143
4.3.3 定解问题的数值求解 144
4.3.4 零惯量水流运动模型的模型验证 150
4.4 地面灌溉灌水过程的运动波模型数值模拟 154
4.4.1 运动波模型的定解问题 154
4.4.2 定解问题的数值求解 154
4.4.3 地面灌溉水流运动波模型数值解的验证 156
第5章 地面灌溉灌水效果优化模型 159
5.1 地面灌溉灌水效果评价指标 159
5.2 地面灌溉灌水效果优化模型的构建 159
第6章 地面畦灌优化灌水技术参数一体化预测模型 162
6.1 地面畦灌优化灌水技术参数一体化预测模型的功能 162
6.2 地面畦灌优化灌水技术参数一体化预测模型的结构 162
6.3 地面畦灌优化灌水技术参数一体化预测模型的数据传输 163
6.4 地面畦灌优化灌水技术参数一体化预测模型界面设计 164
6.4.1 软件的安装与启动 164
6.4.2 软件菜单 166
6.5 地面畦灌优化灌水技术参数一体化预测模型应用实例 175
6.5.1 已知单宽流量条件下的优化畦长 175
6.5.2 已知畦长条件下的优化单宽流量 175
第7章 地面畦灌优化灌水技术参数 220
7.1 灌溉前土壤入渗参数的确定 220
7.1.1 灌溉前土壤理化参数的确定 220
7.1.2 灌水前土壤入渗参数的确定 224
7.2 灌水畦田参数分析与确定 227
7.3 灌水定额与灌水次序类别的确定 228
7.4 畦灌单宽流量参数 228
7.5 给定畦长情况下的优化单宽流量 228
7.5.1 优化方法 228
7.5.2 优化单宽流量结果 234
7.6 给定单宽流量情况下的优化畦长 234
7.6.1 优化方法 234
7.6.2 优化畦长结果 239
第8章 提高特殊灌水条件下灌溉效果的措施 240
8.1 土壤冻结条件下的灌溉 240
8.1.1 冻结土壤及其灌水过程的特点 240
8.1.2 提高冻结土壤灌水质量和效果的措施 261
8.2 强透水土壤条件下的灌溉 266
8.2.1 强透水土壤条件下灌水过程的特点 266
8.2.2 提高强透水土壤灌水质量和效果的措施 267
8.3 特弱透水土壤条件下的灌溉 267
8.3.1 特弱透水土壤条件下灌水过程的特点 267
8.3.2 提高特弱透水土壤灌水质量和效果的措施 268
8.4 洪水补源灌溉 268
8.4.1 洪水补源灌溉与水分补充灌溉 268
8.4.2 提高洪水补源灌溉效果的措施 269
参考文献 272
附录一 278
附录二 370



本文摘编自樊贵盛,郭文聪,冯锦萍著《山西省地面畦灌优化灌水技术参数手册》第1章,内容有删减。


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山西省地面畦灌优化灌水技术参数手册

樊贵盛  郭文聪  冯锦萍  著

责任编辑  耿建业  崔元春

ISBN 9787030600769

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本书基于黄土高原区20多年来的规模化大田耕作土壤入渗和灌水试验,在充分分析影响土壤入渗参数和灌水效果的各种因素的基础上,建立了地面畦灌优化灌水技术参数一体化预测模型,即从土壤水分入渗参数预测开始,通过畦灌灌水过程和效果模拟、灌水技术参数优化等,实现了用易获得的大田土壤常规理化参数直接预测地面畦灌最优灌水技术参数的一体化过程。同时,针对山西省主要土壤类型,提出了可供广大农民直接应用的不同灌水条件下的畦灌优化灌水技术参数。另外,还提出了一些提高特殊灌水条件下灌溉效果的措施。

(本期编辑:安 静)


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