基于灌区尺度的畦田规格优化研究——以泾惠渠灌区为例

【目的】进一步提升灌区尺度畦田规格的标准化程度。【方法】选取陕西省泾惠渠灌区作为典型研究区域,采用遥感影像数字化处理技术和数值模拟相结合的技术路线,提出了灌区尺度田面坡度和不同土壤质地条件下土壤入渗特性参数等数据的获取方法;以Win SRFR软件模拟为基础,提出了泾惠渠灌区合理的畦田规格布置模式。【结果】(1)文中所提方法获取的田面坡度计算值与实测值具有较好的一致性,所有田块相对误差绝对值均值为16.8%;泾惠渠灌区田面坡度分布最多的区间为2‰~4‰,其与灌区整体地面坡降基本匹配,说明所提灌区尺度田面坡度获取方法具有一定的可靠性;(2)得到了泾惠渠灌区不同土壤质地条件下Kostiakov公式入渗参数值,其入渗系数和入渗指数的取值范围分别为0.916~1.675 cm/minα和0.490~0.553,与已有文献资料所给出的取值范围基本一致,可满足灌区尺度畦田规格优化研究的需要;(3)以畦灌综合灌水质量指标≥80%作为畦田规格优化的约束条件,通过改变不同畦灌灌水技术要素组合,提出了泾惠渠灌区不同土壤质地和田面坡度条件下合理的畦田规格布置模式。【结论】泾惠渠灌区塿土、黄墡土和新积土不同田面坡度条件下,合理的畦长分别为50~130、50~80和40~80m,畦宽分别为4~8、5~10和6~10 m,其中田面坡度越小,畦长取小值,畦宽取大值,反之亦然。     

波涌灌间歇入渗饱和-非饱和土壤水分运动数值模拟及试验

考虑到地下水浅埋对上层包气带水分分布造成一定影响,该研究结合波涌灌技术,对地下水浅埋下间歇入渗的土壤水分分布特征和运动规律进行了分析,建立了基于饱和-非饱和土壤条件下一维间歇入渗水分运动模型,根据试验实测资料采用Hydrus-1D软件反推土壤水分运动参数,并对入渗过程进行了模拟。在此基础上,确定了饱和导水率的估算模型。结果表明:所建参数估算模型较好地反映了饱和导水率与间歇周期数、循环率以及周期时间之间的相关关系,所建水分运动模型模拟值与实测值比较,累计入渗量、土壤含水率以及湿润体运移距离总体相关系数高于0.96,均方差在0.5以内,吻合度较高,能够较好地描述了地下水影响条件下波涌灌间歇入渗饱和-非饱和土壤水分运动特征。该研究为波涌灌技术进一步发展奠定了科学基础。     

基于水量平衡原理的畦灌水流推进简化解析模型研究

畦灌水流推进过程计算模型对确定灌水技术要素、田间平均入渗率和糙率有十分重要的作用。该文依据水量平衡模型，分析畦灌下渗水形状系数、地表储水形状系数的变化规律，结果表明下渗水形状系数受地表水推进过程中的推进距离和时间的幂指数影响很小，可用一个稳定值代替，由此建立了基于水量平衡原理的畦灌水流推进简化解析模型。结合已有文献资料和田间试验对模型进行检验，表明该模型具有计算求解方便、精度较高的优点，可用于畦灌合理灌水技术指标的确定。     

浑水灌溉入渗特性研究进展与展望

在综合国内外相关研究文献的基础上,分析了浑水入渗机制和浑水入渗模型方面的研究进展。从研究成果中可以得出:利用静水做浑水灌溉入渗试验的较多,而利用动水做浑水灌溉入渗试验研究的比较少;不同含沙率对土壤入渗的影响研究方面研究成果比较多,而对不同的泥沙粒度组成对土壤入渗的影响研究较少;一次浑水灌溉土壤入渗研究较多,而致密层形成后进行二次灌溉情况下的土壤入渗研究较少;在室内利用下渗环等试验设备进行土壤入渗试验的较多,而在大田实验土壤入渗试验方面的研究较少;在裸地做土壤入渗试验的较多,而在有种植作物的大田上进行土壤入渗试验的较少。为了更深入的进行浑水灌溉下的土壤入渗机制的研究,建议以后试验中考虑浑水灌溉中动水入渗试验方面的研究,并将不同泥沙粒度组成对土壤入渗的影响、大田作物的影响、多次浑水灌溉对土壤入渗的影响以及浑水灌溉条件下水肥耦合方面的试验研究和浑水膜孔灌溉方面的试验研究等作为研究的重点,逐步深入的研究浑水灌溉入渗特性,为实际应用提供理论依据。     

畦灌灌水技术要素组合优化

以杨凌区进行的畦灌大田试验为基础，采用WinSRFR软件对各试验点的灌水质量进行了模拟，并分析了畦长、田面坡度、入畦单宽流量和改口成数对灌水效率Ea、灌水均匀度Ed和储水效率Es的影响；在此基础上，结合均匀试验设计与多元回归分析的方法，构建了包含灌水效率Ea、灌水均匀度Ed和储水效率Es在内的单目标优化模型，以入畦单宽流量和灌水时间为变量，采用遗传算法对模型进行求解，提出了试验点不同计划灌水深度条件下畦灌灌水技术要素的优化组合，结果表明其可获得高的灌水质量，达到常规畦灌节水的目的。     

畦田Philip入渗参数和田面综合糙率同步推求

以水量平衡原理为基础,通过对畦灌地表水面线的概化,并将Philip入渗公式等同为α=0.5的Kostiakov修正模型,由此建立了利用畦灌水流推进过程同步推求Philip土壤入渗参数和田面综合糙率的模型.结合文献资料和大田试验对所建模型进行验证,并采用Matlab软件求解,得出不同地表储水形状系数σh下的入渗参数和糙率,并分别对入渗参数和田面综合糙率的可靠性进行了验证,结果表明所建模型同步推求土壤入渗参数和田面综合糙率是可靠的,并且计算方便,精度较高.     

一维土壤入渗特性数值模拟

以非饱和土壤水分运动理论基础,利用Richards模型模拟不同实验处理下的一维垂直入渗过程,采用SWMS-1D软件对模型求解,用试验资料对模拟的累积入渗量与湿润锋运移距离结果进行了对比验证,二者基本吻合。对模拟结果分析得出,土壤质地和容重对一维垂直入渗累积入渗量、入渗速率和湿润锋运移距离影响较大,土壤初始含水率和入渗水头对其影响较小;并分别建立了不同土壤质地下的累积入渗量、入渗速率和湿润锋运移距离与入渗历时单参数幂函数计算式。     

秸秆覆盖条件下小尺度土壤全氮的空间变异性

秸秆覆盖保墒技术是实现节水灌溉的一项重要举措。为此,基于秸秆覆盖条件下黑土区小尺度农田土壤全氮数据,利用传统统计学和地统计学方法研究秸秆覆盖条件下小尺度农田土壤全氮的空间变异性。结果表明:研究区土壤全氮的半方差函数拟合模型为Linear to sill模型,土壤全氮具有强烈空间相关性,空间相关性范围为15.90m。虽然研究区面积较小,但研究区土壤全氮的空间分布中仍存在个别高值区和个别低值区,仍有必要进行土壤全氮的分区管理;在90%和95%置信水平下,实际取样数目都介于精度系数为2%和3%时的合理取样数目之间。     

沟灌管理参数优化策略比较与最优灌水时间估算

沟灌是中耕作物常采用的灌水技术,但灌水质量不高仍是目前存在的主要问题。为进一步提高沟灌灌水质量,该研究以在陕西省关中平原进行的45组沟灌试验为基础,结合数值模拟方法,量化比较了3种沟灌管理参数优化策略（策略1：仅对灌水时间优化;策略2：仅对入沟流量优化;策略3：同时对入沟流量与灌水时间优化）对灌水质量的提升效果,提出了适用于尾部闭合条件下的沟灌最优灌水时间简化估算方法。结果表明,策略3较策略1和策略2可更为明显的提高沟灌灌水质量;若仅从提高灌水质量的角度考虑,推荐采用策略3,若同时考虑优化策略的实用性,则推荐采用策略1。沟灌不同土壤入渗能力和灌水技术要素组合条件下最优灌水时间与水流推进至0.75倍沟长所需时间可采用线性函数表征,与所有验证组合模拟结果比较的平均绝对百分比误差为16.71%。采用该研究方法所得策略1和策略3条件下的最优灌水时间估算值与WinSRFR软件模拟所得结果基本一致,所有沟灌试验点平均绝对百分比误差分别为10.88%和12.00%。运用策略1和策略3条件下所得最优灌水时间估算值进行灌水质量模拟,综合灌水质量指标≥85.0%占有效沟灌试验点的比例分别为77.3%和90.2%,较现状条件下（64.4%）有明显提升,表明该研究对尾部闭合条件下沟灌最优灌水时间估算具有较强可靠性,可获得较高的灌水质量。该研究方法仅需观测水流推进至0.75倍沟长的时间即可估算尾部闭合条件下沟灌系统最优灌水时间,实用性较强,可为地面灌溉实时反馈控制系统提供理论基础。     

施肥时机对土壤水氮运移转化规律的影响

为揭示不同施肥时机（全过程、前1/2和后1/2入渗水量施肥）下土壤水氮运移转化规律,以砂壤土和黏壤土质地的一维垂直肥液（尿素）入渗试验为基础,重点分析不同施肥时机下土壤水氮分布与再分布过程中的运移转化规律,并量化比较其对土壤中氮素含量的影响。结果表明,施肥时机对土壤累积入渗量和湿润体中水分分布影响微小,但对不同形态氮素运移转化影响显著;砂壤土和黏壤土入渗结束时刻,全过程和后1/2入渗水量施肥时,其尿素态氮、铵态氮（NH₄⁺—N）和硝态氮（NO₃^-—N）含量均随土层深度增大而减小;前1/2入渗水量施肥时,尿素态氮和NO₃^-—N含量在湿润体边缘累积,NH₄⁺—N呈先增大后减小趋势,且主要分布在5—25 cm土层;再分布阶段,全过程和后1/2入渗水量施肥时,砂壤土和黏壤土中尿素态氮分别在再分布3天和5天时基本水解完成,同时NH₄⁺—N含量达到峰值,NO₃^-—N含量再分布10天内未出现下降趋势;前1/2入渗水量施肥时,尿素态氮再分布10天时基本水解完成,NH₄⁺—N含量再分布5~10天达到峰值,NO₃^-—N含量则呈先增加后减小趋势;后1/2入渗水量和全过程施肥条件下,砂壤土和黏壤土再分布10天时0—40 cm土层中NH₄⁺—N和NO₃^-—N含量均大于前1/2入渗水量施肥,说明其氮素潜在利用效率高,故推荐畦（沟）灌合理施肥时机为后1/2入渗水量或全过程施肥。研究结果可为农田畦（沟）灌施肥系统的设计和管理提供理论基础和技术支撑。