Transcript 作物需水量 - 水利土木工程学院

农田水利学
水利土木工程学院
水利系
2011年6月
第二章 作物需水量和灌溉用水量
主要内容：
※作物需水量及其估算方法；
※农作物灌溉制度制及其制定方法；
※灌溉用水量及其计算方法；
※灌水率及灌水率图的绘制与修正。
第一节 作物需水量
一、农田水分消耗的途径
主要包括：植株蒸腾株间蒸发深层渗漏
1、植株蒸腾：作物将根系从土壤中吸
收的水分，通过叶片的气孔蒸散到大
气中的现象。
土壤水分→根系→茎→叶片→大气
吸入到根系的水分，99%消耗于
蒸腾，不足1%的水量留在植物体内，
成为植物组成部分。
2、株间蒸发：植株间土壤或田面的水分蒸发。
植株体小：蒸发大，蒸腾小
植株体大：蒸发小，蒸腾大
根区层
3、深层渗漏：旱田中由于降雨量或灌溉水量太多，使土壤水
分超过了田间持水量，向根系吸水层以下土层渗漏的现象，
造成水分和养分流失。或稻田田间渗漏。
二、作物需水量
腾发：植株蒸腾和株间蒸发，合称腾发。
腾发量：植株蒸腾量和株间蒸发量之和，称为蒸发蒸腾量，
又称腾发量、蒸散量、农田总蒸发量、作物需水量。
植株蒸腾＋株间蒸发＝作物需水量
作物需水量是一个理论值，又称为潜在蒸散量（或潜
在腾发量），而耗水量是一个实际值，又称实际蒸散量。
常以 m3/亩或 mm 水层表示。
作物需水量随作物种类、土壤、气候、生产力水平等诸
多因素而变化。
三、作物需水量的计算方法
（一）试验法：
包括器测法、坑测法等，借助试验测定作物需水量。
器测法：称重式蒸渗仪
坑测法
（二）计算方法
直接计算法
间接计算法
1、直接计算需水量的方法
（1）α值法（蒸发皿法）：以水面蒸发为参数的需水量计算法
思路：
——作物需水量与水面蒸发量
存在密切关系
——气象因素与水面蒸发量 作物需水量
存在密切关系
——建立作物需水量与
气象因素之间的关系
水面蒸发量
气象因素
经验公式：
ET＝αE0
或： ET＝aE0＋b
ET——某时段内的作物需水量，以水层深度mm计；
E0——与ET同时段的水面蒸发量，
E0——般采用80cm口径蒸发皿的蒸发值；
a、b——经验系数；
α——需水系数或蒸发系数，为需要量与水面蒸发量之比。
由实测资料确定，一般稻田α= 0.9～1.3，旱作α= 0.3～0.7。
作物全生育期内各生长阶段的α值是不相同的，其最大值
出现在作物生长旺期，而发芽出苗期最小，所以在分阶段计
算作物需水量时，各阶段应分别选取不同的α值。
（2）K值法(适用于水分不足的旱作区)
在一定条件下，作物需水量将随产量的提高而增加。
经验公式：
或：
ET＝KY
E＝KYn＋C
ET——作物全生育期内总需水量（m3/亩）；
Y——作物单位面积产量（kg/亩）；
K——需水系数；
n、C－经验指数和常数。
上述各公式都可估算全生育期作物需水量。在生产实
践中，习惯采用所谓模比系数法估算作物各生育阶段的需
水量。
即：
ETi = Ki ET
式中：
ETi——某一生育阶段作物需水量；
Ki——需水量模比系数，即作物各生育阶段需水量占全
生育期作物需水量的百分数，可以从试验资料中取得。
2、间接计算法
（通过参照作物需水量计算实际作物需水量的方法）
参照作物需水量ET0：是指土壤水分充足、地面完全
覆盖、生长正常、高矮整齐的开阔(地块的长度和宽度都大
于200m)矮草地(草高8～15cm)上的蒸发量。
认为：它不受土壤含水量的影响，只与气象因素有关。
（1）参照作物需水量ET0计算
广泛采用彭曼公式计算（请参考相关资料）
(2)实际需水量的计算
ET＝Kc·ET0
Kc—作物需水系数，与作物种类、品种、生育期等因素有
关，可由试验确定。
第二节 作物灌溉制度
作物灌溉制度：是指作物播种前 播种前及全生育期内 全
生育期内的灌水次数、灌水日期、灌水定额、灌溉定额。
灌水定额：是指一次灌水单位灌溉面积上的灌水量。
灌溉定额：是指各次灌水定额之和。
常用单位： m3/亩、m3/公顷、mm
换算： 1mm=0.667m3/亩
或
1m3/亩＝1.5mm
影响作物灌溉制度的因素
※作物种类、品种
※自然条件：水文、气象
※ 农业技术措施，如种植方式（有土、无土栽培）、耕作
措施(地膜覆盖？)等
※ 灌溉方式
一、制定灌溉制度的方法
在灌区规划、设计或管理中，常采用以下几种方法来
确定灌溉制度：
——总结群众丰产经验（生产实践法）
——根据灌溉试验资料制定（灌溉试验法）
——按水量平衡原理分析制定（理论分析法）
1. 总结群众丰产经验
群众多年丰产实践经验是制定灌溉制度的重要依据。可
根据不同干旱年份、不同生育期的调查资料分析制定。
我国北方地区几种主要旱作物的灌溉制度(调查)
生育期灌溉制度
作物
小麦
棉花
玉米
灌水次数
灌水定额
(m3/亩)
灌溉定额
(m3/亩)
3～6
2～4
3～4
40～80
30～40
40～60
200～300
80～150
150～250
备注
干旱年份
2、根据灌溉试验资料制定灌溉制度
我国各地的灌溉试验站已进行了多年灌溉试验工作，
积累了大量的试验观测资料，这些资料为制定灌溉制度提
供了重要的依据。
3、按水量平衡原理分析制定灌溉制度
水量平衡法以作物各生育期内水层变化（水田）或
土壤水分变化（旱田）为依据，以满足作物长生用水为
条件，确定灌溉制度。
二、水稻灌溉制度
水稻灌溉制度设计应包括：泡田期、各生育期
总灌溉定额＝泡田定额＋各生育期灌溉定额
1、泡田期灌水定额计算
M1= (h0+S1+ e1 t1-P1)
或
(mm）
M1=0.667 (h0+S1+ e1 t1-P1) （m3/亩 ）
h0——插秧时田面所需的水层深度，mm；
S1——泡田期的渗漏量，mm；
t1——泡田期的日数；
e1——t1时期内水田田面平均蒸发强度，mm/d；
P1——t1时期内的降雨量，mm。
2、生育期灌水定额确定
任意时段农田水分变化图解：
水稻生育期内，要求田面水层要始终保持在适宜水层范围
1、在时段初A点，若无降雨，水田应按①线耗水，至B点田面水
层降至适宜水层下限，即需要灌水，灌水定额为m
内(在h
1；
max~hmin之间)，以及雨后不允许超过的最大蓄水深度H
P。
2、如果时段内有降雨P，则在降雨后，田面水层回升降雨深P，
当水面降到hmin时，若无降雨，要进行灌溉，灌溉到hmax。
再按②线耗水至C点时进行灌溉；
m  hmax  hmin
灌溉定额：
3、如降雨P ’很大，田间水面超过最大蓄水深度Hp,多余水需要
排除,排水量为
d，然后按③线耗水至D点时进行灌溉。
降雨时，若超过H
p，则进行排水。
根据上述原理可知，可用图解法推求水稻灌溉制度。
任一个时段（t）内，农田水分的平衡方程式为：
h2=h1+P+m-E-d
一段时间内无降雨、无灌溉时
有：h
排水量d
2=h1-E
h2=h1-(e+s)t
H
P
h2——时段末田面水层深度；
h1——时段初田面水层深度；
P——时段内降雨量；
灌溉定额m
d——时段内排水量；
m——时段内的灌水量；
E——时段内田间耗水量
(腾发量E=et、渗漏量S=st)。
max
hhmin
二、旱作物灌溉制度设计
包括：播前及各生育期
(一)旱作物播前灌水定额
播前灌水往往只进行一次。其灌溉定额与土壤含水率
有关，一般可按下式计算：
M1  667Hn(max  0 )
  0 ) 干 /  水
M1  667H (max
(m3/亩)
H——土壤计划湿润层深度(m)，应根据播前灌水要求决定；
n——计划湿润层土壤孔隙率，以占土壤体积百分数计；
θmax——一般为田间持水率，以占孔隙的百分数计；
θ0—播前计划湿润层平均含水率，以占孔隙率的百分数计；
 、0 ——该时段内允许的土壤最大含水率和最小含水率，
max
以占干土重的百分数计。
（二）旱作物生育期灌溉制度设计
采用水量平衡原理，制定旱作物的灌溉制度，以作物主
要根系吸水层（土壤计划湿润层H)为界，要求该土层内的储
水量能保持在作物所要求的范围内。
通常要求不小于允许的最小储水量Wmin和不大于允许的
最大储水量Wmax。
如果由于作物耗水，计划湿润层内的储水量降低到或接
近最小储水量Wmin时，即需要灌溉。
1、土壤计划湿润层的水量平衡方程
Wt W0  W  P0  K  M  ET
w0、wt ：时段初和任意时间t土壤计划湿润层内的储水量；
wr ：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内地下水补给量，K=kt，k为t时段内日平均地下水补给量；
M：时段t内的灌溉水量；
ET :时段t内田间需水量，ET =et , e为t时段内日平均作物田间需水量。
H2
2、根据水量平衡图解法拟定旱作物的灌溉制度
第一步：绘制框图
第二步：绘制土层内允许储水量上下限Wmin 和Wmax ：6、7线
第三步：绘制作物需水量累积曲线 ET＝et线：1线
第四步：绘制计划湿润层增
加而增加的水量Wr线：3线
第五步：绘制地下水补给量K
由W
0逐旬减去(ET－Wr－K)，
曲线：4线
即作净耗水量曲线的平行线，
遇到有降雨时，加上降雨量。
第六步：绘制净耗水量累积曲
当W
线，ET－Wr－K线
t接近于Wmin时，进行灌溉。
第七步：绘制有效降雨量P0累
积曲线：2线
第八步：绘制计划湿润层实际
储水量Wt曲线：5线
ET－Wr－K
耗用
补给
生育期内灌溉定额：
统计生育期的灌水次数、各次的灌水定额和灌水时间。
旱作物灌溉定额：
M2=Σmi
M＝播前灌水定额M1＋生育期灌溉定额M2
按水量平衡方法估灌溉制度，当作物耗水量和降雨资
料比较精确时，其计算结果比较接近实际情况。
第三节
灌溉用水量
灌溉用水量是指某一灌溉面积上需要从水源取用的总水量。
一、 设计典型年的选择
在规划、设计灌溉工程时，首先确定某一特定的水文
年份做为规划设计的依据，通常将其称为设计典型年。
 根据设计典型年的气象资料计算出来的灌溉制度称为
设计典型年灌溉制度（简称设计灌溉制度）。
利用频率年分析法确定不同干旱程度的典型年份：
一般选中等年（降雨频率50%）、中等干旱年（75%）
和干旱年（90%）进行计算，而以中等干旱年为设计标准。
二、典型年灌溉用水量及用水过程线
有两种方法用来确定典型年灌溉用水量：
第一种：用灌水定额计算（直接推算法）
第二种：用综合灌水定额计算（间接推算法） 。
1、直接推算法
当已知各种作物种植面积及灌溉制度时，
可采用直接推算法。
计算方法：
（1）某种作物（第i种）的某次（第i次）灌水，田间净
灌溉用水量（供到田间的灌溉水量 ）为：
Ai 为第i 种作物的灌溉面积（亩）；
mi为第i 种作物某次灌水的灌水定额（ m3/ 亩）。
（2）全灌区任何一个时段内的净灌溉用水量（W 净）：
为该时段内各种作物净灌溉用水量之和：
有了以上各时段对应的灌溉水量，即可得到灌溉用水
量及其过程线。
2、间接推算法（用综合灌水定额计算灌溉用水量）
（1）灌溉水利用系数
分析： 灌溉水由水源经各级渠道输配到田间，会产生渗漏、
田间灌水损失等。所以，从水源供给的灌溉用水量（W毛）
应为净灌溉用水量与损失水量之和。
令
称为灌溉水利用系数。
定义：
净灌溉用水量W净与毛灌溉用水量W毛之比，称为灌溉
水利用系数。
（2）综合毛灌水定额
设各作物种植比例为α1、α2、α3 …，
在某时段内灌水定额分别为m1、m2、m3 … ，
则，综合净灌水定额为：
m综净 = m1α1 +m2 α2 +m3 α3 +…
综合毛灌水定额：
m综毛= m综净/η
其中，η——灌溉水利用系数。
（3）毛灌溉用水量
W毛=m综毛A
A——灌区面积。
m综的作用：
① 可以与“自然条件及作物种植面积比例类似的灌区”进
行对比，便于发现m综的真伪；
② 以点代面。由典型支渠m综推算整个灌区的灌溉用水量；
③利用综合毛灌溉定额可推求灌区应发展的灌溉面积 。
W源——水源可供水量。
通常，小型灌区：一般用直接法；
大型灌区：宜用间接法。
第四节 灌水率q
灌水率（灌水模数）：灌水率指灌区单位面积（常以万
亩计）上所需灌溉的净流量。计算公式为：

m
q净 
8.64T
α——某种作物的种植比例；
m——某种作物某次灌溉的灌水定额。
上式中的8.64，换算系数。
如自流灌区，日工作小时数为24h时：
24*3600=86400，除以10000而得到，即8.64；
灌水率计算
作
物
灌水时间(日/月)
种植
比例(%)
灌水
次数
灌水定额
(m3/亩)
始
终
1
2
3
4
65
50
55
55
16/9
19/3
16/4
6/5
27/9
28/3
25/4
15/5
灌水延续
灌水率
3
中间日 时间(d) （m /s）/万亩
小
麦
50
2/9
24/3
21/4
11/5
12
10
10
10
0.31
0.29
0.32
0.32
棉
花
1
55
27/3
3/4
30/3
例如小麦第一次灌溉的灌水率：
2
45
1/5
8/5
5/5
25
q=α1m31/（8.64T
45 1） 20/6
27/6
24/6
4
45
26/7
2/8
30/7
=0.5×65/(8.64×12)
8
8
8
8
0.20
0.16
0.16
0.16
=0.311
谷
子
玉
米
25
50
2
3
4
60
55
50
50
12/4
3/5
16/6
10/7
21/4
12/5
25/6
19/7
17/4
8/5
21/6
15/7
10
10
10
10
0.17
0.16
0.14
0.14
1
2
34
55
50
45
8/6
2/7
1/8
17/6
11/7
10/8
13/6
7/7
6/8
10
10
10
0.32
0.29
0.26
某灌区初步灌水率图
作
物
小
麦
灌水时间(日/月)
种植
比例(%)
灌水
次数
灌水定额
(m3/亩)
始
终
50
1
2
3
4
65
50
55
55
16/9
19/3
16/4
6/5
27/9
28/3
25/4
15/5
灌水延续
灌水率
3/s）/万亩
时间(d)
（m
中间日
2/9
24/3
21/4
11/5
12
10
10
10
0.31
0.29
0.32
0.32
灌水率图修正的原则
•不改变主要作物关键用水期的各次灌水时间；
•调整灌水时间时，以往前移动为主，前后移动不超过三天；
•在允许范围内适当调整各次灌水时间，延长或缩短，将灌水
率图修正的比较均匀、连续；应避免短期的停水；
•为了减少输水损失，渠道工作平稳，最小灌水率不应小于最
大灌水的40%。
•对短暂的大流量，可由渠提超高部分的断面去满足。
某灌区修正后的灌水率图
灌水率
图修正
前后对
比
设计灌水率的选取：从修正后
的灌水率图上选取延续时间较
长的最大灌水率
小结：
本章主要学习了：
作物需水量及其估算方法、农作
物灌溉制度制及其制定方法、灌溉用
水量及其计算方法，以及灌水率及灌
水率图的绘制与修正。