畦田自然要素时空变异性及其对灌水质量的影响

土壤入渗参数、田面糙率、坡度等自然要素是畦灌方案设计的基础参数,其变异性是导致灌水质量远低于预期的重要原因。为揭示畦田自然要素时空变异特征及其对灌水质量的影响,该研究在11组畦田上开展了4 a畦灌观测试验,通过实测数据全面研究了灌前自然要素的畦内空间变异性、畦间空间变异性和年际时间变异性,并结合WinSRFR地面灌溉模型,模拟分析了自然要素时空变异性对畦灌水流运动过程及灌水质量的影响。结果表明：对畦灌灌水质量影响最大的3个自然要素依次是入渗系数、入渗指数和糙率,三者空间变异系数平均值分别为11.00%、4.05%和7.94%,时间变异系数平均值是分别为26.87%、7.73%和21.86%。畦田自然要素变差导致灌水质量整体下降,自然要素的时间变异性对灌水质量的影响大于其空间变异性的影响。入渗参数和糙率的变异性对畦田后半段的水流消退过程影响较大,忽视其年际时间变异性会加大畦尾积水风险。该研究结果可为畦灌方案设计提供指导,为精细地面灌溉发展提供科学依据。     

基于土壤入渗变异性的畦灌单宽流量优化

农田土壤入渗变异性给畦灌系统的设计和管理带来了困难.为进一步提高畦灌灌水质量,该研究利用已有考虑土壤变异条件下的畦灌灌水质量计算模型,采用数值模拟与理论分析相结合的方法,扩展了模型的使用范围,并结合畦灌试验资料对其进行了验证;在此基础上分析了土壤入渗变异性对畦灌灌水质量的影响,提出了考虑农田土壤入渗变异条件下入畦单宽流量的确定方法.结果表明,文中扩展后的模型可用于计算异质土壤和均质土壤情景模式下的畦灌灌水质量指标,其计算值与田间实测值和WinSRFR软件模拟值一致性较好,相对误差均值分别为10％;土壤入渗变异对畦灌灌水质量的影响显著,贡献度高达56.71％～95.68％,其对灌水均匀度的影响最为敏感,其次为灌水效率和储水效率;基于均质土壤入渗条件下优化的入畦单宽流量,可用于异质土壤畦灌灌水流量设计,两者符合1∶1的线性关系.研究结果可为考虑农田土壤变异性的畦灌系统设计和管理提供理论依据和技术支撑.     

基于量纲分析的畦灌灌水质量评价模型

灌水质量评价是提高灌溉管理水平、改善畦灌质量的重要依据。针对畦灌灌水质量影响因素较多造成分析和评价困难的问题,该文以畦灌试验资料为基础,采用量纲分析和数值模拟相结合的方法,构建了估算畦尾闭合条件下的畦灌灌水质量指标(灌水效率、灌水均匀度和储水效率)计算模型,其所建模型对各灌水技术要素有效组合下的灌水质量指标进行计算,结果表明估算值与采用零惯量模型的模拟值具有较高一致性,两者相对误差的绝对值均值分别为6.72%、6.57%和4.93%,其相关系数R2分别为0.987、0.969和0.990,并采用SPSS软件对估算值和零惯量模型的模拟值进行显著性检验(显著性水平P0.05),其灌水效率、灌水均匀度和储水效率估算值和模拟值的显著性指标分别为0.226、0.142和0.271,结果表明两者无显著性差异。结合已有文献资料,对文中所建畦灌灌水质量指标计算模型的可靠性进行了验证,结果表明灌水效率、灌水均匀度和储水效率的估算值与实测值具有较高的一致性,两者相对误差的绝对值均值分别为7.76%、9.15%和7.08%。由此说明,该文所建立的畦灌灌水质量指标计算模型具有高的可靠性,且具有较强的普适性。研究结果可为畦灌灌水质量评价和灌水方案设计提供科学依据和技术支持。     

耕作及种植方式对土壤入渗参数和畦灌水流运动的影响

为探明耕作和种植方式对土壤入渗参数及畦灌水流运动的影响规律,试验设置了4个处理(深松+旋耕+等行距、深松+旋耕+三密一稀、旋耕+等行距、旋耕+三密一稀旋耕+三密一稀),每个处理中设3种不同畦田规格(畦长30、35、40 m,畦宽均为2 m),越冬和拔节期分别进行灌水,实测了入渗量、水深、水流推进时间等,基于采用Kostiakov入渗公式计算的土壤入渗参数和WinSRFR4.1软件优化法求解的入渗参数,研究不同处理下入渗参数变异对畦灌水流运动的影响。结果表明:1)田间试验实测值和基于WinSRFR4.1软件优化模拟值间入渗系数和入渗指数相对误差最大值分别为1.24%和1.57%,表明采用2种方法确定不同耕作和种植方式下土壤参数均可行;2)耕作和种植方式的不同会对土壤入渗参数产生较大影响,前者影响更大。3)越冬期和拔节期灌水时入渗系数变异系数最高分别为0.34和0.22,入渗指数变异系数最高分别为0.14和0.13。2次灌水期间相同处理入渗参数也发生了时间变异性,处理深松+旋耕+等行距和深松+旋耕+三密一稀的入渗系数和入渗指数均发生中等变异性,处理旋耕+等行距和旋耕+三密一稀发生弱变异性。4)在土壤入渗参数的变异性影响下,2次灌水过程中,不同处理水流运动时间均发生了变异性。5)基于土壤入渗参数变异性,确定了2次灌水不同耕作及种植方式冬小麦畦灌条件下土壤入渗系数和入渗指数。研究结果可为畦灌系统设计和管理评价提供理论依据和技术支撑。     

不同畦面结构下地面灌溉效果的对比分析

为研究畦面结构变化对地面灌溉效果的影响,在4种不同畦面结构的大田灌溉试验基础上,用WinSRFR3.1模型对平作畦灌、细沟灌、畦作浅沟灌和微垄沟灌的田面土壤特性参数和灌水效果进行估算和模拟,比较了不同灌溉方式由于畦面结构改变引起的田面土壤特性和灌水效果差异,并提出不同畦面结构的适宜畦田规格。研究认为,不同畦面结构的田面糙率系数和土壤入渗特性差异明显,微垄沟灌糙率系数最大而平作畦灌糙率系数最小,平作畦灌入渗速率最快而畦作浅沟灌入渗速率最慢;对长畦田来说,畦作浅沟灌灌水效果最好,微垄沟灌次之,平作畦灌最差;在     

北疆膜下滴灌棉花产量及水分生产率对灌水量响应的模拟

膜下滴灌技术是一种节水高产的灌溉技术,在新疆棉花种植中得到了广泛的应用。灌溉是影响新疆棉花产量的重要因素。为研究棉花产量和水分生产率对灌水量的响应,该文首先采用2010年和2011年新疆棉花膜下滴灌田间试验数据验证二维土壤水与作物生长耦合模型模拟棉花产量和耗水量可靠性。结果表明,二维土壤水与作物生长耦合模型能够可靠地模拟土壤含水率、叶面积指数、地上部分干物质量、籽棉产量和耗水量。土壤含水率模拟值与实测值的标准均方根误差(normalized root mean square error,n RMSE)为4.6%~23.4%,一致性指数为0.677~0.974;叶面积指数和地上部分干物质量n RMSE分别为6.3%~15.7%和7.2%~14.1%;籽棉产量和耗水量的模拟值与实测值之间相对误差分别仅为1.1%~6.7%和0.3%~9.2%。利用率定和验证后的模型参数进一步模拟10种灌水量情景下的棉花籽棉产量和水分生产率,结果表明籽棉产量随着灌水量的增加而增加,二者呈抛物线关系,而水分生产率则随着灌水量的增加而减小。综合考虑产量和水分生产率,北疆地区膜下滴灌棉花优化灌水量为280~307 mm。该研究可为北疆地区棉花灌水实践提供科学依据。     

基于SIRMOD模型的畦灌入渗参数估算及灌溉模拟

土壤入渗参数是地面灌溉中制定灌溉制度、评价灌水质量的重要指标。针对现有估算方法存在计算工作量较大、精度不高的现状,根据田间实测资料,利用SIRMOD模型,对小麦畦灌条件下田间土壤入渗参数进行了估算。与用Maheshwari法计算结果较为接近,差异均在2.0%以内。根据估算的土壤入渗参数,应用SIRMOD模型进行了多组合灌溉模拟,在保证灌水质量较高的条件下,得出了在不同亏缺水量时的适宜灌水量和灌水流量,通过田间实例验证表明模拟效果较好。     

基于土壤入渗参数空间变异性的畦灌灌水质量评价

畦灌灌水质量的客观评价是制定合理灌水方案的重要基础。该文假定土壤空间变异性主要体现在入渗系数的变化上,以在杨凌区一级阶地和三级阶地上进行的大田畦灌试验为例,分析土壤空间变异性对畦灌灌水质量的影响,并揭示畦灌灌水质量变化规律。结果表明灌水效率、灌水均匀度和储水效率随入渗系数的变异系数增大均呈现下降趋势,其中灌水效率和储水效率下降幅度较小,而灌水均匀度下降幅度较大。由此说明土壤入渗系数的变异性对灌水均匀度影响最大,而对灌水效率和储水效率影响相对较小。该文的研究方法对畦灌灌水质量评价结果可更好地反映客观实际,从而为制定合理的灌水方案提供依据和技术支持。     

基于稳健设计理论的畦灌质量敏感性分析

针对畦灌系统运行管理水平和灌水质量较低的问题,该文应用稳健设计的基本理论,结合地面灌溉SRFR模拟模型,评价了畦田的灌水质量,模拟了单宽流量和入渗参数对灌水质量的影响,分析了灌水质量对各因素的敏感性。结果表明,对某一固定的畦田,单宽流量并非越大越好,单宽流量在4～7 L/(s·m)时,畦灌可以获得较高的灌水效率和灌水均匀度。灌水均匀度对入渗参数的敏感程度要大于灌水效率,灌水质量对入渗指数的敏感性大于入渗系数,增加单宽流量能够降低灌水质量对入渗参数的敏感程度。对灌水质量影响较大的因素依次为单宽流量、入渗指数     

田面平整精度对畦灌系统性能影响的模拟分析

利用不同田面平整精度处理下获得的田间畦灌试验资料完成对地面灌溉模型SRFR的验证，在此基础上，针对不同的灌水时间条件设置，模拟3种典型地面平整状况下的水流推进与消退过程和畦田水分入渗分布状况，分析讨论田面平整精度对畦灌系统性能的影响。模拟结果表明，随着田面平整精度的改善，畦灌系统性能评价指标显著提高。与田面粗平状况相比，激光控制精细平地条件下的灌溉效率可提高34%，灌水均匀度可提高28%。     

不同灌水技术要素组合下畦灌灌水深度的控制目标

研究地面灌溉反馈控制技术,加强对灌溉过程的控制和管理是当前改进地面灌溉技术的重点所在。该文基于以往研究成果,结合农民实际灌水经验,提出3种灌水深度控制目标(即田面最小灌水深度大于0时关口,入渗最小的1/4区域的平均灌水深度等于灌溉需水量时关口,田面最小灌水深度等于灌溉需水量时关口),并借助灌溉模拟模型以确定关口时间,从而控制灌溉水量。将田间试验与数值模拟相结合,分析不同土质、地形、畦长、入畦单宽流量下灌溉性能指标值对3种灌水深度控制目标的响应关系,确定不同灌水技术要素组合下适宜的灌水深度控制目标。结果表明,灌水深度控制目标对灌溉性能指标值的影响程度受畦长影响最为明显,其次是田面坡度和土质、再后是田面平整精度,入畦流量的影响不明显。砂壤和黏壤土质下畦长为50 m时,灌水深度控制目标取入渗最小的1/4区域的平均灌水深度等于灌溉需水量时关口最佳;畦长为100 m时,零坡度下灌水深度控制目标取田面最小灌水深度大于0时关口最佳,有坡度下取入渗最小的1/4区域的平均灌水深度等于灌溉需水量时关口最佳;畦长为150 m时,除黏壤土有坡度田面平整精度好的情况采用入渗最小的1/4区域的平均灌水深度等于灌溉需水量时关口最佳外,其他建议采用田面最小灌水深度大于0时关口。研究成果为畦灌反馈控制方案的制定提供了决策依据。     

撒施肥料一维畦灌地表水流与溶质运移模型构建与验证

模拟撒施肥料下的一维畦灌地表水流与溶质运移过程可为采用先进的畦灌液体施肥方式提供对比依据。该文基于湍流理论垂向流速线性与对数分布规律及不可压缩流体力学连续方程,构造沿畦长及任意垂向断面的非均布流速场和溶质浓度场,建立起撒施肥料下的一维畦灌地表水流与溶质运移模型,并利用典型畦灌施肥试验结果,检验该模型的模拟效果。结果表明,建立的模型不仅具有在撒施肥料状况下较好模拟地表水流运动和溶质浓度时间变化过程的能力,还具备较佳的水量和溶质质量守恒性,从而为评价撒施肥料下的畦灌施肥系统性能及与其它施肥方式下的畦灌施肥系统性能对比,提供了实用的数值模拟工具。     

地面灌溉技术参数对氮素运移分布影响的研究进展

地面灌溉是应用最广泛的灌水方法，通过优化地面灌溉设计和管理减少水氮淋失，正在成为研究的热点问题，该文对有关成果进行了综述。由于地面灌溉的尺度较大，加之土壤水力参数和溶质运移参数的空间变异，使得地面灌溉施肥条件下溶质(N)运移分布的田间试验研究，无论在技术上还是在投入上都具有一定难度。有关沟灌、畦灌和水平畦田灌溉施肥时水氮分布的田间试验结果指出，肥料(N)分布没有入渗水深分布均匀，且与土壤初始含水率、流量、土壤入渗参数、田面糙率和施肥时机等因素密切相关。在模拟研究方面，文献中报道的模型有纯对流模型、对流-弥散模型、基于活塞流的水平衡模型和传递函数模型等。鉴于地面灌溉条件下水氮运移的复杂性，在水氮运移分布的数学模拟、灌水技术参数和施肥方式对水氮淋失的影响以及灌溉施肥质量评价指标体系等方面尚需要进一步研究。     

低压地下与地表滴灌滴灌带水力性能对比试验

为研究低压条件下地下毛管的水力性能与灌水均匀度的变化规律,以新疆大田地下滴灌系统作为研究对象,支管入口压力在1.4~6.55 m之间,在支管的首部、中部和尾部分别对地下和地表毛管进行测试,比较流量、工作压力和总水头损失等参数间的关系。结果表明:1)可以通过压力与流量判断毛管工作是否正常。2)地下毛管在土壤基质势驱动滴头出流时,大于地表毛管流量,相对地表毛管流量增加0.12~0.9,并且增加比例随压力降低而增大。3)90%的正常地下毛管的工作压力要小于地表毛管,压力折减系数在(-10%,0)的概率是70%。4)用总水头损失、勃拉休斯公式及多口系数推求毛管考虑局部水头损失的加大系数,地表毛管平均值在1.32~5.94之间,地下毛管平均值在1.37~2.18之间,二者均随压力降低而增大;土壤基质势作用使地下毛管流量增大,导致地下毛管的加大系数比地表毛管小。5)地表管网的灌水均匀度随压力降低而降低;土壤基质势的作用提高了地下管网的均匀度,压力偏差率比地表管网低0.62%~3.44%,流量偏差率比地表管网低8.15%~22.4%。该研究可为低压地下滴灌系统的设计与管理提供科学依据。     

基于畦面糙率各向异性的畦灌地表水流运动模型及其验证

选取合理的畦面糙率模型,对于利用畦灌水流数值模型准确地评价和优化畦灌系统性能具有重要的理论与现实意义。该文利用二维全水动力学畦灌模型,采用张量逆运算等数学处理方法,在源项糙率矢量中构建畦面糙率各向异性模型,构建起基于畦面糙率各向异性的二维畦灌地表水流运动模型。基于典型畦灌试验结果对比分析糙率各向异性与各向同性畦灌模型的模拟效果。结果表明,与各向同性相比,所有实例各向异性糙率值下的水流推进过程实测与模拟值之间的平均相对误差值减小3.08～6.83百分点,水流消退过程实测与模拟值之间的平均相对误差值减小2.5～6.81百分点。采用各向异性糙率描述畦灌地表水流运动过程,可明显改善畦灌模拟效果,为开展畦灌系统设计与性能评价提供了实用可靠的数值模拟工具。     

考虑地面灌水技术制约的灌溉制度优化

制定作物灌溉制度不仅要考虑补充根层土壤水分以满足作物需求，还应考虑灌水方法对灌水量的限制。为研究我国华北地区地面灌溉条件下冬小麦－夏玉米连作的节水灌溉制度，在河北省雄县进行了连续3年不同灌水处理试验，用水量平衡模型ISAREG对各处理进行数值模拟，从而验证了选定的模型和参数。采用该模型模拟了不同水文年冬小麦－夏玉米连作的多种灌溉制度，对各方案的灌水次数、灌水量、降雨和灌溉水量损失以及作物产量等因素进行了对比，并对现行灌溉制度进行了评价。结果显示：雄县现行灌溉定额大大超过了灌溉需水量，主要原因是地面灌水技术的制约，如田面不平、进地流量过小或畦块过大等，造成难以控制小水量灌溉。为研究既能满足作物基本需水要求，又使灌溉水量损失最小的最佳灌水定额，用模拟地面灌溉水流运动的SRFR模型模拟不同生长阶段的灌溉，得到了每次灌溉时不同流量条件下的最小灌水量，以及灌水效率与灌水量的关系，据此提出了与灌水技术改进措施相结合的不同水文年的灌溉制度优化方案。     

渗灌土壤水分调控技术参数的研究进展

分析了渗灌条件下土壤水分的运动规律，对渗灌调控土壤水分的有关技术参数如渗灌管埋深、间距、灌水压力、渗灌管的允许长度和出流量等研究进行了概括，并提出了渗灌技术参数今后的研究重点：对渗灌参数进行综合研究及水分运移规律等方面的研究。     

灌溉排水耦合调控稻田水分转化关系

该文利用装配有地下水位自动控制系统的蒸渗仪,分析节水灌溉与旱地控制排水技术耦合调控对于稻田水分转化关系的影响。结果表明,灌排耦合调控在小幅减少水稻产量的同时,显著减少了稻田灌溉水量、地下排水量及水稻蒸发蒸腾量,最终显著增加了水稻水分生产效率。与常规灌排稻田相比,灌排耦合调控稻田水稻产量减少1.9%,灌溉水量、地下排水量及水稻蒸发蒸腾量分别显著减少41.7%、49.9%及24.9%,水分生产效率增加30.5%。随着控灌稻田排水控制限的提高,稻田灌溉水量、地下排水量及水稻蒸发蒸腾量减少,水稻产量保持稳定,使得水稻水分生产效率进一步增加。提高控灌稻田的排水控制限,减缓了稻田土壤水分的衰退速度,并增加稻田地下水位低于排水控制限的比例,稻田灌溉次数与发生地下排水的时段均减少,使得控灌稻田灌溉水量与地下排水量下降,两者综合作用下控灌稻田水稻蒸发蒸腾量减少。在采用控制灌溉模式的基础上,适当提高稻田排水控制限,可以较好地实现水稻生产中水分的高效利用,研究结果可为优化稻田水管理模式提供依据。     

不同灌溉方式下甘蔗光合特性

光合作用是植物干物质积累的重要过程,作物产量主要通过光合作用实现。为比较不同灌溉模式下甘蔗光合特性差异,探明其主要影响因素,以柳城05-136号为试验甘蔗品种,于2015年3月-12月在广西崇左市江州区试验基地开展6种灌溉模式甘蔗净光合速率及主要环境因子的田间观测。结果表明:地埋滴灌甘蔗净光合速率最高,平均值为29.23μmol/m2·s,无灌溉最低,为18.53μmol/m2·s,地埋滴灌分别比无灌溉、管灌、喷灌、微喷和地表滴灌高57.74%、23.54%、12.68%、9.68%和2.56%,灌溉能显著提高甘蔗的光合速率(P0.05)。通径分析结果显示,土壤含水率、空气温度和土壤肥力是影响甘蔗净光合速率的主要环境因子,但各灌溉模式之间主要影响因子存在差异,无灌溉和地埋滴灌土壤肥力的影响较为显著,地表滴灌则是土壤含水率和速效氮的影响较为显著,管灌模式主要影响因子为土壤速效钾和空气温度,而喷灌和微喷模式的主要影响因子均为土壤含水率和空气温度。采用地埋滴灌模式更有利于研究区域甘蔗净光合速率的提升,此外,针对不同灌溉模式的主要影响因子进行合理调控可有效提高甘蔗净光合速率,从而提高甘蔗产量。