地面灌溉节水技术

1、节水农业概论山西农业大学 孙敏山西农业大学 根据定义，灌溉是按照作物生长的需要，利用水利工程设施将水送到田间，以补充农田水分的人工措施。它是人们借助各种设施：水泵、渠道、管线、灌溉设施、化学制剂等实施的行为，是在降水以外的对植物生长过程需水的一种补充措施。第四章 地面灌溉节水技术平整土地1畦灌2波涌灌溉3膜上灌水技术 4 人类掌握最早的灌溉技术就是地面灌溉，人们通过沟渠等简单的方法将水引入田间，对干涸的土地面进行灌溉，这种古老的田间施水技术方法简单易行，它仍是目前世界上特别是发展中国家广泛采用的一种灌水方法，它约占全世界灌溉面积的90%以上。我国则有97%以上的灌溉面积依然采用传统的地面灌溉技

2、术。地面灌溉一般要经过输配水、田间灌水和作物消耗水3个过程。输配水主要通过各级渠道来实现，对土质渠道而言，一般从水源到田间进水口约有50%的水量会渗漏损失掉。田间灌水是指灌溉水进入田间以后，将分配到一定灌溉面积上，以满足作物生长需要。在此过程中，一部分水会形成深层渗漏损失，一部分水会通过土壤蒸发损失，还有一部分水量可能会从地表流失。如果田间灌水方法不当，用水管理粗放，田间水量损失可以占到进入田间水量的30%-40%。作物消耗水是指作物根系从土壤层中吸取水分供其生长，并最后形成作物产量的过程。如果灌水过多，棵间蒸发量大，作物腾发量过多，也会造成水量损失。目前，我国渠灌区的灌溉水利用率平均为0.4

3、。经改进后的地面灌溉技术与漫灌相比提高了灌溉用水效率，使用操作简单，便于进行大面积灌溉。鉴于我国水资源与能源短缺，经济实力不足，广大农村地区的技术管理水平较低的现实，大面积推广喷灌、滴灌、渗灌等先进灌水技术还受到很大的限制，因此，在今后相当长的一段时间内，我国还仍会以地面灌溉为主。现阶段适合我国应用的地面灌溉节水技术很多，如长畦改短畦，宽畦改窄畦、隔沟灌、细流沟灌、平整土地、坐水种、膜上灌、波涌灌等。这些技术耗能少， 投入低，农民易于掌握，节水效果也比较明显。第一节 平整土地俗话说：人往高处走，水往低处流。要实现地面灌溉用水的高效率，首先要确保土地有一个较高的平整度，平整的土地可以使水均匀地流

4、向田间各处，避免局部积水。平整土地在节水农业中占有重要地位，土地不平，灌水不匀，不仅浪费水，还易产生盐斑。中国农谚：“平整土地定穷富”，即视其土地平整与否，即可知其生产如何，美国把平地作为灌区改造的第一位工作。埃及的经验是灌排渠系的投资占灌区建设投资的30%，平地占70%。土地平整的作用：一方面是使田块满足灌溉要求，提高水肥利用效率和灌水均匀度，有利于作物生长以及防止水土流失，从而增强农地抵御自然灾害的能力，提高耕地质量及生产力；另一方面通过沟、渠、路的重新规划和整理，改善农业生产条件、增加有效耕地面积、促进农地的集约利用和规模经营，以保证土地的可持续利用及加快农田水利以及农业的现代化进程。常

5、规平地方法有人工法和机械法，机械法采用的设备有推土机、铲运机和刮平机，它具有土方移动量大、平地效率高、费用相对较低等特点，适合于在地面起伏较大、地面平整度较差的田面内进行粗平，改变田块的宏观地形。由于平地效果取决推土机和刮平机的施工精度、人工操作和人工测平精度等诸多因素的影响，当田面达到一定平整度后便很难有所提高。土地平整方法包括常规土地平整措施和激光控制平地技术。常规土地平整措施激光控制装置在农田平整机具上的应用使土地平整精度得到大幅度的提高，其感应系统的灵敏性至少比人工视觉判断和平地机具上操作人员的手动液压系统准确1050倍。激光平地的作业效率高，适宜在常规粗平基础上完成田面精平，改善地面

6、微地形条件，但平地费用相对较高，铲运设备容积有限。如将常规土地平整措施和激光控制平地技术结合起来使用，充分利用常规粗平方法和激光精平技术的长处及特点，可获得较好的土地平整效果。激光控制平地技术土地平整工程设计的原则是在有利于提高地面灌溉质量、促进作物生长和防止田间水土流失的条件下，使工程作业的土方运移量最小，且搬运距离最短。平整土地要满足以下一些基本要求：整后的土地应满足灌溉水能均匀输送于田面各处，并能节省灌溉用水为目的的最佳坡度。保证灌溉水进入田面后能均匀地在田面内畅通流动。要使平整土地过程中的土方移动量最小，使土地平整费用投入最少。使平整的土地不降低原有耕地的肥力，确保当年平地，当年受益。

7、常规土地平整方法受机具设备缺陷和人工操平精度等因素制约，平整精度达到一定程度后将无法继续提高，而精细土地平整只能借助于激光控制技术和与之配套的平地机械设备完成。激光控制技术能够大幅度地提高田间土地平整精度。20世纪70年代中期以后，农田土地激光平地技术在国外已得到广泛应用，我国近几年刚步入应用研究阶段。经激光平地技术平整的土地可节省水资源20%30%，如种小麦可提高产量33%，有效地控制了水分、养分等，使之避免产生深层渗漏，使水资源的有效利用率得到较大提高。激光平地技术是利用安装在垂直于农田地面的高架上的激光发射器，以较高的速度旋转，在农田上方形成一个激光平面，以该激光面作为平整土地的参照面。

8、激光发射器具有自动调节机制，能根据设计的坡度调节激光面，激光面限定了激光束与地面上任何一点的距离，使该点与激光束平面之间距离的正差为挖方深度，负差为填方深度。有试验结果表明，常规平地方法所能达到的最大平整精度是3.4cm，激光平地的偏差只有12cm，常规平地方法具有土方运移量大、平地费用相对较低的特点，适合于在地面起伏较大、原始平整度较差的田面内完成粗平，但受机具设备缺陷及人工操平等因素制约，平地效果有限，平整精度达到一定程度后无法继续提高。激光平地的作业效率较高，土地精平的效果好，但平地费用相对较高。因而农田土地平整过程中可以综合考虑这两种方法的特点及长处，结合起来使用会收到更好的效果。由于

9、传统的地面灌水方法灌水均匀度差，田间水利用率低，灌水定额大，故许多国家均投入力量对其进行改进，形成多种比传统地面灌水方法要节水的地面灌水技术，也称改进地面灌水技术。在改进的地面灌溉技术中，融入一些高新技术，使其实现精细节水地面灌溉技术，其中包括水平畦灌和波涌灌溉等。思考题地面灌溉一般要经过输配水、田间灌水和作物消耗水3个过程。现阶段适合我国应用的地面灌溉节水技术很多，如长畦改短畦，宽畦改窄畦、隔沟灌、细流沟灌、平整土地、坐水种、膜上灌、波涌灌等。这些技术耗能少， 投入低，农民易于掌握，节水效果也比较明显。要实现地面灌溉用水的高效率，首先要确保土地有一个较高的平整度。土地平整的作用？土地平整方法

10、包括常规土地平整措施和激光控制平地技术。土地平整工程设计的原则？平整土地要满足的一些基本要求？第二节 畦灌畦田灌水技术是地面灌溉中推广应用最广泛的灌水方法之一，也是保护地中普遍采用的灌溉方法。以往在我国采用的畦田灌溉方式比较粗放，对畦田的大小、规格、田面的平整度、灌水均匀性等没有严格的标准要求。近年来，随着节水灌溉技术的发展，我国农田灌溉除继续应用传统的畦灌法，改进和完善其灌水技术外，还不断吸取了许多国外推行的较为先进的畦灌技术，同时我国灌区群众也创造了不少新的、更行之有效的节水畦灌方法。畦灌是在田面内用临时修筑的土埂将灌溉土地分隔成一系列长方形平整田块，即灌水畦，又称畦田。灌溉水从输水垄沟、

11、输水暗管或直接从田间毛渠引入畦田后，在畦田田面上形成较薄的水层，沿畦长方向均匀流动，在流动的过程中水借重力作用，以垂直下渗的方式逐渐湿润土壤，对作物进行灌溉。在畦灌中首先要对畦田的布置、规格和平整度进行改进，这是提高畦灌灌水均匀性和提高水的有效利用率的前提条件。畦田改造在我国有两种方案：一是大畦改小畦实施小畦灌溉；另一种方案是采用激光平整土地技术，对土地进行精平，进行水平畦灌。小畦灌溉优点：比较容易地实现平整土地，灌水均匀，与传统畦灌相比作物生长优势强，灌水均匀度提高25%，产量提高10%15%；改进地面灌溉技术投入少、见效快；改畦是一项技术性简单、易掌握和推广的技术。 在没采用激光平地，田面

12、平整度不够高的情况下，进行大畦灌水时，亩次灌水量多，容易形成灌水不均匀，造成土壤团粒结构破坏，加快土地的盐碱化，水的大量渗漏还会带走许多土壤中的养分，对作物的生长造成一定的影响。畦田的设计与规划应主要依据地形条件，并结合考虑耕作方向，一般认为以南北方向布置为最好，也有平行于保护设施长度方向。不论采用什么布置方向，都应保证畦田沿长边方向有一定的坡度，便于流入畦田的水在田面上形成流动的薄水层，实现均匀灌溉的目的。一般布置适宜的畦田田面坡度为1/10001/500，最大可达0.02，但畦田田面坡度不宜过大，否则会造成水对土壤的冲刷，而引发水土流失。畦田规格设计畦田规格设计主要有畦田的长度、畦面的宽度

13、和畦埂断面等。畦宽畦宽主要取决于畦田的土壤性质和农业技术要求以及农业机具的宽度。通常畦宽多按当地农业机具宽度的整倍数确定，一般为24m，传统畦灌法的畦宽一般都要求最宽不要超过4m，每公顷75150个畦田。尤其在水源流量较小时或井灌区，为了迅速在整个畦田面上形成流动的薄水层，一般畦田的宽度都较小。畦长畦长随畦田纵向坡度、土壤质地及土壤透水性能、土地平整度等情况变化。 畦田田面纵向坡度大时畦长可长些； 砂质土壤透水性能强，畦田长度宜短； 黏质土壤透水性能弱，畦长稍长。 保护地畦长取决于保护地设施的长度或宽度。畦埂畦埂断面一般为三角形，畦埂高0.20.25m，底宽0.30.4m畦埂是临时性的，应与整

14、地、播种相结合，最好采用筑埂器修筑。对于密植作物，畦埂也可以进行播种。为防止畦埂跑水，在畦田地边和路边最好修筑固定的地边畦埂，埂高不应小于0.3m，底宽为0.50.6m，顶宽为0.20.3m。水平畦田灌水技术是建立在激光控制土地精细平整技术应用基础上的一种地面灌溉技术。与传统的地面灌溉系统相比，合理的系统设计和田间管理可使水平畦田灌溉系统下的田间灌水效率达到90%以上，灌溉均匀度得以有效改善。水平畦灌 水平畦灌是将田间做成水平的畦田，水以较大流量流入畦内，并作均匀分布，在重力作用下渗入根区。优点：灌水技术要求低，田间灌水利用率高，拦蓄降雨，劳动生产率高。特别适合地势平坦、面积较大、机械化程度较

15、高的地区。水平畦田灌溉系统中的田面与小畦灌溉的田面有所不同，它要求田面具有较高的水平状态，畦田可以是任意形状，周边由田埂封闭，畦块规格的设计取决于供水流量、土壤人渗特性等因素。畦块的规格一般在24hm2左右，较大的可达到16hm2。灌溉时要求的灌水流量较大，使灌溉水能在较短的时间内迸人整个田块。平整的农田表面有利于人渗水分的相对均匀分布、田间深层渗漏水量损失的有效减少；起到改善地面灌溉系统性能、提高田间灌水效率和灌溉均匀度的作用。经过合理的系统设计和田间管理，与其他传统的地面灌溉系统相比，水平畦田灌溉系统可使田间灌水效率最高达到90%以上，灌溉均匀度亦得到有效改善。土地精细平整还有益于田间农机

16、耕作和栽培措施的实施，增加作物出苗率和种植密度。促进作物生长发育，便作物产量有较大幅度增长。达到节水增产、提高劳动生产率和能源利用率的目的。此外，田间水分的均匀人渗还可减少残留在土壤中的盐分，水量渗漏损失的减小也使得肥料的淋洗损失得到一定程度的控制。思考题畦田改造在我国有两种方案：一是大畦改小畦实施小畦灌溉；另一种方案是采用激光平整土地技术，对土地进行精平，进行水平畦灌。小畦灌溉有许多优点？畦田的设计与规划应主要依据地形条件，并结合考虑耕作方向，一般认为以南北方向布置为最好，也有平行于保护设施长度方向，不论采用什么布置方向，都应保证畦田沿长边方向有一定的坡度。畦宽主要取决于畦田的土壤性质和农业

17、技术要求以及农业机具的宽度。通常畦宽多按当地农业机具宽度的整倍数确定，一般为24m。畦埂断面一般为三角形，畦埂高0.20.25m，底宽0.30.4m，引浑水灌溉的地区应适当加大些。水平畦田灌水技术是建立在激光控制土地精细平整技术应用基础上的一种地面灌溉技术.第三节 波涌灌溉波涌灌溉 又称间歇灌溉或涌流灌溉。它是人们在研究沟 (畦)灌的基础上发展起来的地面灌水技术，它可分为波涌沟灌和波涌畦灌。与传统的沟 (畦)灌不同，它不是将灌溉水流一次推进到沟 (畦)末端，而是将水流按一定周期间歇式地逐次推进到沟 (畦)末端。 1979年，美国尤他州立大学的Straingham和Keller博士在研究变流量灌

18、溉的基础上首先提出波涌灌溉的概念。1980年Allen,Poole，Bishop,1981年Coolidge等人在美国科罗拉多、爱德华、华盛顿等州开展了波涌灌溉方面的室内外试验研究。结果表明，间歇供水使得表层土壤入渗率降低，近似为连续灌溉入渗率的1/4，并且较同条件下连续灌溉方式具有节水和水流推进速度快的优点。在波涌灌溉过程中，随着田面供水的一放一停，田面水流相应地经历了一个起涨和落干的过程。当水流流经上一个周期湿润过的田面时，因田面的粗糙率减小，水流速度加快，入渗能力减小。这就使得波涌沟 (畦)灌溉较传统的地面沟 (畦)灌具有省时、省水、节能、灌水质量高等优点。并能基本解决长畦 (沟)灌水难

19、的问题。 一些研究结果表明，波涌灌溉比连续灌溉具有以下特点：具有明显的节水效果，且节水效果与土壤质地、耕作条件和灌水次数等有关。节水率随畦长的增长而增大，两者间为线性关系。对井灌区和抽水灌区具有明显的节能效果，其节能率大小与节水率相同。波涌畦灌田面水流推进速度快，其平均推进速度为同条件下连续灌的1.21.6倍，所以波涌灌溉也具有省时、浇地效率高的优点。波涌灌溉能减小深层渗漏和提高灌水均匀度，提高肥力对作物生长的有效性，所以波涌灌还具有保肥和灌水质量高的优点。波涌灌溉的灌溉机理 由于波涌灌溉方式的改变，从灌溉效果来看，灌溉机理与传统的连续灌溉明显不同。波涌灌溉采用的是间歇式灌水方式，当第一次灌水

20、停止后，田面表层土壤的结构状态发生了改变，使凸凹不平的块状土壤被浸泡破碎，地表会变成较为光滑的土壤致密层，导致土壤容重增大 土壤导水率和入渗率及土壤孔隙度减小。通过一些波涌灌溉与连续灌溉的对比试验表明，连续灌溉土壤耕作层03Ocm土层的土壤容重平均为1.318g/cm3，波涌灌溉土壤耕作层030cm土壤容重为1.320g/cm3，可以看出，在030cm土层的土壤容重变化不大。但对表层010cm范围的土壤容重测定，波涌灌溉比常规连续灌溉容重增幅5%9%，而土壤孔隙率变化量则比常规连续灌溉减少1%5%。这说明间歇灌溉使得土壤容重在表层的10cm内比连续灌溉增大，孔隙度减少。波涌灌溉技术不同于传统的

21、连续灌溉就在于它利用了各灌水周期的干、湿交替过程，使表土形成一致密层，这一过程的不断形成与发展构成波涌灌溉的特点。逐次形成的表土致密层为下一周期的灌溉水流创造了一个有利于减少人渗已 加快水流推进速度的新边界。当第一次波涌停水后，由于土壤浸泡破碎，颗粒膨胀，致密层形成，土壤糙率减小，间枕一定时间后进行第二次波涌灌水，其田间水流界面流畅，犹如渠中输水，灌水进度要比上次明显加快。波涌灌溉的田间布设方式目前，实现波涌灌溉的途径有两大类。第一，采用人工的方法，此方法不需要任何设备，而是经人工控制实现波涌灌溉，但它增加了劳动强度，同时，灌溉参数不容易掌握。第二，采用波涌灌水装置进行灌溉，即通过一定的控制设

22、备来完成波涌灌溉，这就是前面单元中介绍的波涌阀，它可以对灌溉中的各种性能参数实施自动控制，如:单宽流量、周期灌水时间、周期停水时间和循环率等。土壤质地对间歇入渗减渗效果有直接影响砂土或黏粒含量相对较少的砂壤土在各种人渗技术参数下，都没有减渗效果或减渗效果极小。黏粒含量相对较高的砂壤土及中壤土具有较大的间歇入渗减渗效果。黏性土壤具有较高的相对减渗率，但因其本身人渗量小，因而减渗效果甚微。思考题波涌灌溉又称间歇灌溉或涌流灌溉。它是人们在研究沟 (畦)灌的基础上发展起来的地面灌水技术，它可分为波涌沟灌和波涌畦灌。在波涌灌溉过程中，随着田面供水的一放一停，田面水流相应地经历了一个起涨和落干的过程。波涌

23、灌溉比连续灌溉具有以下特点?波涌灌溉的灌溉机理？土壤质地对间歇入渗减渗的效果？第四节 膜上灌水技术膜上灌水技术，俗称膜上灌，是我国新疆地区20世纪80年代发展起来的一种地面节水灌溉技术。膜上灌溉技术是在地膜栽培的基础上，把过去的地膜旁侧流水改为膜上流水，通过水在地膜上流动过程中，利用其自身的重力，从放苗孔或膜缝慢慢地流人到作物根部土层，进行局部浸润灌溉，防止土壤无效渗漏，以满足作物各自生育期最优的需水要求的新型节水灌溉技术。它在不增加地膜投入，只需要改装铺膜机情况下，实现了一膜多用。膜上灌是一种投资较少，节水效果好的地面灌溉技术。以棉花膜上灌为例，在窄膜 (幅宽7090cm)种植情况下，如每亩

24、保苗12000株，放苗孔的面积约9l0cm2，占种植面积的1.6%1.8%。如果加上随作物生长发育阶段增补的灌水孔，其灌水面积也不超过种植面积的3%。在宽膜种植下，地膜的覆盖面积更大，苗孔面积占种植面积的比例更小。因此，在膜上灌条件下，97%以上的面积都是依靠灌水孔的旁渗浸润来实现灌溉的，所以就大大防止了地面灌的深层渗漏。同时，由于覆膜避免了棵间无效蒸发，从而使灌溉用水效率得到提高。该项技术的田间试验研究表明，与常规的玉米、棉花沟灌相比，省水40%60%，并有明显增产效果。1. 膜上灌溉的基本形式膜上灌是在地面沟灌、畦灌基础上的一种改进地面灌溉技术，其基本形式仍然以地面灌溉的沟灌、畦灌、波涌灌

25、等技术为主，通过地膜的不同铺设方式与渗水孔的不同结构加以区别，形成了多种膜上灌溉形式。畦田膜上灌 畦田膜上灌是将地膜铺在畦田内，灌溉时水在膜上流入畦田内的各个角落，水由放苗孔 (或增打的渗水孔)和膜缝渗入土壤中，如棉花膜上灌基本就是此种形式。但根据筑埂方法不同又分为打埂膜上灌和膜孔灌。打埂膜上灌 也叫高垄低膜细流畦 (沟)膜上灌。这种膜上灌溉方式是将原来使用的铺膜机前面的平土板改装成打埂器，刮去地表58cm左右的土层，在膜床两侧筑起约20cm高的土埂，根据选用不同幅宽的农膜形成一个0.70.9m的灌水畦，操作时平地、刮土打埂、铺膜、施肥、播种等一次完成。在农膜的两边各留有10cm左右的渗水带。

26、特点：这种形式的膜上灌，膜面低于原来的田面，膜上的水流不易溢出，除了沿放苗孔供给作物用水外，膜两侧渗水带还可以补充供水，在膜床不很平整的情况下，即使个别苗孔不能进水，也可满足作物需水要求。畦 (沟)长短可以根据地形坡度及地膜两侧的渗水膜缝而定，一般为30100m不等。这种形式的膜上灌水技术，灌水省工，节水效果一般达30%50%，工序简单。另外对土地的平整度要求不严，所以很受灌区用户的欢迎，适用于棉田和不同种类的蔬菜田。膜孔灌溉 此种形式是打埂膜上灌的进一步改进。也是由专门铺膜机完成铺膜，将70cm宽农膜铺成梯形断面，两侧翘起5cm，并且埋入土埂内，畦宽仅为40cm。特点：这种形式的作物供水完全

27、靠放苗孔和增打的渗水孔灌水，可以消除畦首尾供水不均匀的问题，由于水在梯形的地膜内流动，避免了畦首的深层渗漏和旁侧渗漏，又减少了棵间蒸发，是膜上灌的理想形式，灌溉效果类似滴灌，有较好的节水效果，可达50%以上。膜孔沟灌(沟内膜上灌) 膜孔沟灌是将土地犁成沟、垄相间酌地块，在沟底和沟坡上以及一部分垄背上铺上农膜，作物种在沟坡或垄背上(西瓜、甜瓜、果树、葡萄、苹果、葫芦等)。沟的规格依作物而异，水流在沟中铺设的地膜上流动时，水通过渗水孔渗人土壤中，再通过土壤的毛细作用润湿到作物根部，有的也可通过种在沟坡上的作物放苗孔浸润土壤。膜缝沟灌膜缝沟灌是膜孔灌的改进型。它是将地膜铺在沟坡上，沟底两膜相会处留有24cm的缝隙，通过放苗孔和膜缝向作物供水，膜缝沟灌的沟长为50m左右，这种方法减少了垄背杂草和土壤水分的蒸发，多用于蔬菜，其节水效果好。喷灌膜上灌 喷灌膜上灌是在覆膜种植的情况下利用喷灌对作物进行灌溉，水喷洒到田间的农膜上，靠作物放苗孔和渗水孔渗人土壤，灌溉作物。由于它覆盖了农膜，较不覆膜的裸地大大减