河西典型灌区沟畦灌节水模式试验研究

徐宝山，赵文洪，张朝晖，郭亚军，金建新

(1.甘肃省疏勒河流域水资源管理局，甘肃 玉门 735211；2.宁夏农林科学院农业资源与环境研究所，银川 750002)

水资源是制约西河内陆干旱地区经济发展的主要因素之一，而农业用水所占比例基本达到了65%以上[1]。甘肃省河西灌区主要包括疏勒河、石羊河、黑河等三大流域及支流所辐射的区域，近几年，随着气候的变化和环境的破坏，使河西地区可利用地表水资源数量显著减少，同时也产生了一系列生态环境问题[2]。河西灌区目前存在畦田规格划分不合理、灌溉用水量分配不科学、灌水不均匀等问题。同时大定额灌水量致使水量大量浪费并且也带走了田间土壤养分，这些浪费的田间尾水排泄至容泄区致使地下水矿化度提高，水质遭到污染，还会造成地下水位上升，形成土壤次生盐碱化，最终破坏农田小气候和农田生态系统的稳定性[3,4]。有研究表明，若合理优化地面灌溉灌水参数和种植参数、提高农业用水管理水平，地面灌溉也将取得较高的灌水质量[5,6]。在地面灌溉参数优化过程中国内学者针对不同地域特点进行了大量研究，也取得了可喜的成果。李益农[7]对华北地区的土地平整作了研究，若将田面平整度从6.5 cm降低到3.0 cm，即可节水20%。王密侠[8]对关中平原灌区畦灌灌溉水量与畦长相互关系进行了研究，结果表明通过长畦改短畦的方式进行灌溉，可用节水量增加50%～100%的灌溉面积。本文通过对不同田面平整度与灌水质量、灌溉效益进行比价分析，得到各指标均处于最优状态时的田面高程标准偏差Sd，为河西灌区土地平整提供理论参考。对沟灌和畦灌2种主要地面灌溉方式进行优化设计，根据典型灌区土壤特性和现有田面纵向坡度，在不同沟(畦)长和入沟(畦)流量组合情况下进行灌水质量分析，分析得出不同因变量正交组合下灌水均匀度与灌水效率同时取得最大值时的沟(畦)长和入沟(畦)流量即为合理参数，该参数的提出为本地区制定灌溉管理参数提供依据。

1 试验设计

1.1 试验区概况

试验选择在河西具有代表性的疏勒河流域昌马灌区进行，该流域干流全长670 km，多年平均径流量10.31亿m3，流域面积4.13万km2，年降水量37.63 mm，多年平均蒸发量2 667 mm，干旱指数通常大于20,最大冻土深120 cm，年日照3 033～3 246 h，属典型的大陆荒漠干旱气候。灌区土壤以透水性中等的黏壤土和沙壤土为主，播种前平均土壤密度为1.46 g/cm3，田间持水率25.7%。

1.2 试验设计

本试验分为2部分。第1部分为田面平整度试验，试验区典型点高程标准偏差Sd设置为2、4、6、8 cm 4个水平，沿着田面纵向呈“S”形选点，每个处理共计5个代表点，研究其在不同处理下的灌水均匀度、水分利用率WUE、灌水效率和灌溉水量，供试作物选择为小麦。第2部分为沟畦灌适宜灌水参数试验，沟灌沟长设置为50、70、90 m，入沟流量为0.50、0.75、1.00、1.50、2.00 L/s 5个处理水平，2个参数组成正交试验进行灌水质量评价；将畦长和入畦单宽流量设为因变量，畦长分为30、50、70、90 m共4个处理，畦宽均为5 m，入畦流量为3、4、5、6 L/s 4个处理水平，组成正交试验。评价指标为灌水均匀度与灌水效率，每个处理设置3个重复。

1.3 数据分析

在灌水前，对畦灌不同处理沿着田面纵向呈“S”形选点，对特征点的高程利用水准仪进行测量，用以计算田面微地形特征。田面微地形特征用田间高程标准偏差Sd表示。灌水试验结束后，沿着沟长和畦长方向每10 m选择一个样点，每10 cm一层，共计8层进行取土，利用烘干称重法测其土壤含水率。对种植作物小麦最后按照每个重复单打单收，测其产量。根据式(1)计算灌水均匀度DU：

(1)

式中：Zlp为所取计算点的入渗水深，mm；Zavg为田面平均入渗水深，mm。

2 结果分析

2.1 田面微地形

河西内陆干旱地区目前采用地面灌溉的面积占总灌溉面积的90%以上[7]，田面微地形被认为是影响地面灌溉灌水质量的关键因素之一，而农田土地平整工作是对田面微地形进行整治的主要措施，其平整质量往往决定田面平整程度。农田土地平整度对灌水量、灌水均匀度以及水分利用效率等均产生重要影响，而河西地区平整技术普遍比较落后，一般采用人工与拖拉机相配合的整平方式。田面微地形较小的空间变异性能使水流迅速布满整个田面，从而提高灌水均匀度和减少灌溉用水量。

农田田面平整程度一般用田面微地形指标平整度衡量，平整度主要控制在田面选取的代表点上，一般沿着田面纵向呈“S”形选点，用代表点高程标准偏差Sd衡量田面平整度，高程标准偏差Sd越大表示田面平整度越差。本试验通过机械结合水准仪对田面微地形进行平整处理，得到不同平整度与灌水均匀度、灌水效率相关关系，如图1所示。

图1 不同田面平整度条件下灌水均匀度与灌水效率

由图1可以看出，当高程标准偏差Sd增大时灌水均匀度与灌水效率均呈下降趋势，且都符合二次函数下降曲线；当高程标准偏差Sd大于2.5 cm时，灌水均匀度与灌水效率显著下降，下降幅度基本相同；当田面高程标准偏差Sd从2 cm增大到6 cm时，灌水均匀度与灌水效率分别下降34.1%和39.8%，这与李益农、杨会颖等[9,10]人的研究结论一致。田面微地形显著影响着田间灌水质量，田面高程标准偏差Sd越小其灌水质量就越好，但这势必会增加一部分平地工作量和费用。在大田种植过程中既要提高灌水质量又要控制成本，因此根据灌溉规范对地面灌溉均匀度和灌水效率的要求，建议田间高程标准偏差Sd取值2.5 cm为宜。

农田田面平整度也会影响田面水流整体推进速度和土壤水分运移，进而影响灌溉质量和作物产量。图2、图3分别是土地平整与灌溉水量和水分利用效率WUE的相关关系。由图3可以看出，土地平整度与灌溉水量成正比，即其他参数相同的条件下，平整度越差灌溉相同的地块需要的水量也越多，且两者呈现为幂函数关系，并具有较高的相关系数；当田面高程标准偏差Sd从7 cm降低到2 cm时，灌溉水量减少97 mm，降幅达20.3%，因此提高田面平整度将对地面灌溉节水具有十分显著的意义。从图4可知，土地平整度对水分利用效率也产生一定的影响，具体表现为土地平整度越好，水分利用效率WUE越大，当田面高程标准偏差Sd从6 cm降低到2 cm时，WUE将提高5.8 kg/(hm2·mm)，增幅达到54.7%，田面高程标准偏差Sd与WUE符合显著的线性递减关系。这是因为当田面平整度差时，田面糙率会明显增大，严重阻碍地面灌溉田面水流向前推进，增加单位时间的入渗量，造成入渗水量均匀度差，储水效率低下等问题。因此结合田面平整度对灌水均匀度、灌水效率、WUE、灌溉水量以及田面平整工作量等综合考虑，建议该地区田面高程标准偏差Sd取值为2.5～3.0 cm为宜。

图2 土地平整与灌溉水量关系

图3 土地平整与WUE关系

2.2 沟灌节水模式研究

沟灌河西内陆地区中耕作物主要是采用垄作沟灌或沟播沟灌的种植方式，但是由于管理粗放，沟长和入沟流量缺乏理论指导，仅依靠经验和总水量来控制灌溉，导致均匀度差，水分利用效率低下等问题。根据目前河西典型灌区规划布置，其地块长度一般在50～90 m，为了得到适宜的沟灌闭口时间，使入沟流量以恰当的时间推进至沟尾，以实现较高的灌水均匀度和储水效率，设置不同入沟流量和沟长的大田灌水试验实测灌水均匀度与灌水效率值如图4、5、6所示。

图4 50 m沟长均匀度与灌水效率

图5 70 m沟长均匀度与灌水效率

图6 90 m沟长均匀度与灌水效率

由图4～图6可以看出，不同的沟长处理下，随着入沟流量的增大灌水均匀度与灌水效率均呈现增大，后减小的趋势，并且沟长越短，在增大入沟流量时，其灌水评价指标增加得越快，其后随之降低，各处理灌水均匀度与灌水效率均符合式(2)所示的二次函数关系，沟长和入沟流量对灌水质量的影响程度反映在各参数当中。

y=ax2+bx+c

(2)

式中：y为灌水评价指标；x为入沟流量，L/s；a、b、c均为拟合参数。

对以上各曲线进行非线性拟合得到式(2)中各参数，具体如表1所示。

根据图4、5、6，各处理沟长随着入沟流量的增大，灌水均匀度与灌水效率均有一个峰值，但其峰值往往并不重合，因此，对特定沟长同时兼顾均匀度与灌水效率条件下求得的入沟流量即为合理值。图4中沟长50 m时，灌水均匀度与灌水效率最大值基本重合，所对应的入沟流量为1.2 L/s。图5中灌水均匀度与灌水效率变化悬殊，当灌水均匀度达到最大值时灌水效率仅为86%，比其能达到的最大值小10.2%，但综合各灌水质量指标，当沟长为70 m时，入沟流量可选为1.4 L/s。图6为沟长为90 m时灌水质量与入沟流量关系，综合灌水均匀度与灌水效率最优化条件，建议入沟流量取为1.5～1.6 L/s。因此，在河西典型灌区试验研究表明，该区域土壤透水性中等，沟灌参数建议取值沟长为50～90 m的情况下，入沟流量为1.2～1.5 L/s。

表1 沟灌入沟流量与灌水均匀度、灌水效率关系参数拟合值

2.3 畦灌节水模式研究

畦灌是河西典型灌区密植作物常用的灌水方式，其操作简单，管理方便，但目前该地区畦灌存在问题较多，如畦田规格划分不合理、灌溉用水量分配不科学、灌水不均匀等。各畦长处理下不同入畦流量所产生的灌水均匀度与灌水效率如图7、8、9、10所示。

分析图7、8、9、10，发现对于不同的沟长灌水均匀度与灌水效率随着入畦流量的增大变化规律与沟灌一致，均呈现先变大后变小的规律，基本符合式(2)二次函数关系，这可能是由于入畦单宽流量较小时水流向前推进困难，造成畦田首尾两端入渗水量差异较大，入畦单宽流量较大时推进较为迅速，加上田面纵向坡度影响，其畦尾入渗水量较多。将不同畦长各流量所对应的灌水均匀度与灌水效率进行二次抛物线关系拟合，得到各参数如表2所示。

根据图7、8、9、10可以看出，畦灌各长度处理在不同入畦单宽流量条件下灌水质量评价指标的变化与沟灌相似，灌水均匀度与灌水效率峰值并不同时出现，而是出现一定错峰。图7中入畦流量为4.0～4.5 L/s时，灌水效率达到最大值，此时灌水均匀度却持续增大，灌水效率比均匀度滞后13%，此时过多的灌水往往会造成深层渗漏，因此当畦长为30 m时，入沟流量可选为4 L/s。图8、9与图7类似，当畦长为50、70 m时，入畦流量以5.0～6.0 L/s为宜。图10中，当畦长为90 m时，灌水均匀度与灌水效率均整体较低，最大仅为76%，因此建议畦长不宜超过70 m。

图7 畦长为30 m时灌水质量

图8 畦长为50 m时灌水质量

图9 畦长为70 m时灌水质量

图10 畦长为90m时灌水质量

畦长/m项目abcR230均匀度0.255.2549.250.96灌水效率-5.0054.40-68.300.8650均匀度-6.5063.50-73.500.87灌水效率-6.0060.80-67.100.9770均匀度-0.7516.859.050.97灌水效率-0.7512.4534.850.9690均匀度-3.0030.00-0.500.94灌水效率-9.7589.85-115.450.98

因此，畦田设置不能太短，畦田设置太短会产生太多的输水沟而占地太多，不仅造成机耕困难而且还会造成水分利用效率低下等问题。也不宜设置太长，太长往往需要较大的入畦单宽流量而产生畦首冲刷，并且均匀度也无法保证。该地区田面坡度一般为1/200～1/500，综合灌水均匀度和灌水效率，畦长宜取值为40～70 m，入畦单宽流量4.0～6.0 L/s为宜。

3 结论与讨论

有研究表明，要是根据地域特点对地面灌水方法的灌水参数和种植参数进行优化、完善灌水管理制度和配水计划，地面灌溉也能取得较高的田间灌水利用系数和灌水均匀度。地面灌溉作为河西典型灌区主要灌水方式，节水潜力巨大，通过河西典型灌区沟畦灌不同灌水参数优化试验，提出了适合该地区土壤特性的地面灌溉灌水模式。

在平整土地的过程中，若不考虑其他条件的限制，仅以田面微地形作为控制参数，通过不同田面平整度条件下灌溉水量、水分利用效率WUE、灌水均匀度以及灌水效率等指标的综合分析，认为田间高程标准偏差Sd取值为2.5 cm为宜。

河西典型灌区田面纵向坡度基本为1/500～1/200，土壤透水性为中等，以此为条件进行不同沟畦灌各长度条件下适宜的入沟(畦)流量，并根据灌水均匀度与灌水效率等指标最优化继续选取，最终得到适合该地区的沟长、入沟流量参数以及畦长和入畦单宽流量，结果表明，沟灌沟长适宜长度为50～90 m，入沟流量为1.2～1.5 L/s，畦灌畦长宜取值为40～70 m，入畦单宽流量4.0～6.0 L/s。

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