农田灌溉原理

第一章农田灌溉原理

水利与建筑工程学院农业水利工程系2006年5月第一篇灌溉工程第一节农田土壤水分状况第二节作物需水量与灌溉制度第三节非充分灌溉原理与作物水分生产函数第四节灌溉用水量与灌水率第一章农田灌溉原理第一节农田土壤水分状况本章的教学目的：要求学生掌握作物需水量的估算方法，了解农作物灌溉制度制订的一般方法，掌握作物灌溉制度制定中有关参数（如土壤含水量上下限、计划湿润层、有效降雨量、地下水利用量等）的拟定方法掌握利用农田水量平衡方程式制定农作物灌溉制度的方法；了解我国主要农作物的灌溉制度；了解非充分灌溉原理与作物水分生产函数的一般概念净灌溉用水量和毛灌溉用水量概念及计算方法；单一作物一次灌溉用水量和灌区多种作物灌溉用水量；灌水流量与灌水率；灌水率图的绘制与修正。学习提纲一、农田土壤水分存在的基本形式二、作物生长对农田土壤水分状况的要求三、农田土壤水分运动四、土壤—植物—大气连续体水分运移五、农田土壤水调控第一节农田土壤水分状况第一节

农田土壤水分状况

农田水分状况是农田灌排系统规划、设计和管理的基础。农田水分状况是指农田地面水、土壤水和地下水数量的多少、存在的形式及其在时空上的变化。农田土壤水与作物生长关系最为密切，它直接影响到作物生长的水、气、热、养分等状况。而地面水和地下水只有通过一定的转化关系变为土壤水分，才能为作物直接吸收利用。因此，农田土壤水分状况是作物生长环境的核心。

一、农田土壤水分存在的基本形式

1．常用的术语

空气air

1).土壤干容重:r=Ws/V.

水分water

2).土壤含水量:β=Ww/Ws*100

(占干土重%)土壤

soil

θ=Vw/V*100

(占土体%)

ρ水=Ww/Vwθ=β*r/ρ水

=Ww/Ws*Ws/V*Vw/Ww=Vw/V2.土壤水分测定方法1).取土烘干法；2).负压计法；3).r射线法；4).中子仪法5).时域反射仪（TDR）;6).电测法。

VWsWwVwVsWaWVa烘干测定法

仪器设备：土钻、铝盒（已知重量和编号）、烘箱、剖面刀和电子天平（或分析天平）仪器准备取土称重烘干称重计算操作步骤：4301/4302中子仪（美国产）CPN503DR中子仪2500S电子张力计（法国）TDR测定仪管式TDR土壤水分测定仪Diviner2000一、农田土壤水分存在的基本形式

3．土壤水分常数及存在形式1）θs饱和含水率2）

θfc田间持水率3）毛管断裂含水率4）PWP永久凋萎点

θs

饱和含水率

θfc田间持水率

重力水毛管水

薄膜水吸着水毛管断裂含水率

PWP永久凋萎点多余水

易效水分有效水分无效水分一、农田土壤水分存在的基本形式第一节农田土壤水分状况吸湿水：紧束于土粒表面，不能在重力和毛管力作用下移动。薄膜水：吸附于吸湿水外部，沿土粒表面进行速度极小的移动。毛管水：在毛管作用下土壤中所能保持的那部分水分，亦即在重力作用下不易排除的水分中超出吸着水的部分。上升毛管水：地下水沿土壤毛细管上升的水分。悬着毛管水：不受地下水补给时，上层土壤由于毛细管作用所能保持的地面渗入的水分。重力水：土壤中超出毛管含水率的水分在重力作用下很容易排出，这种水称为重力水。一、农田土壤水分存在的基本形式

一、农田土壤水分存在的基本形式

4.土水势土水势Φ土的构成：Φ土=Φp+Φg+Φm+Φo式中：1).Φp

为压力势，是由于压力场中压力差的存在而引起的水势。对于非饱和土壤水，Φp=0。2).Φg为重力势，是由于土壤水在重力场中受重力作用所引起的势值。其大小是由土壤水在重力场中的位置，即相对于参考面的高差所决定的。3).Φm为基质势，是由于土-水系统中土壤固体特性所引起的一种势能。即土壤固相部分吸水的基质。一是由于土壤胶体颗粒具有巨大的表面能；二是土壤胶体表面所吸附的离子的水化作用；三是土粒间空隙的毛管作用。4).Φo为溶质势或称渗透势，是由于土壤中含有一定可溶性盐类，溶于水中成为离子，离子水化时，对水分子的吸引作用。因此，对非饱和土壤，土水势Φ土=Φg+Φm+Φo

例1：某农田1m深以内土壤质地为壤土，其孔隙率为47%，悬着毛管水的最大含水率为30%，凋萎系数为9.5%（以上各值皆按占整个土壤体积的百分数计），土壤容重为1.40g/cm3，地下水面在地面以下7m处，土壤计划湿润层厚度定为0.8m。要求：计算土壤计划湿润层中有效含水量的上、下限，并分别用m3/亩，m3/ha和mm水深三种单位表示有效含水量的计算结果。第一节农田土壤水分状况解：已知H=0.8mθ田=0.3θ凋=0.095γ土=1.4g/cm3，土壤计划湿润层中有效含水量的上、下限为:

Wmax=H×θ田=800mm×0.3=240mmWmax=H×θ田×667=0.8m×0.3×667m2=160.08m3/亩

Wmax=H×θ田×10000=0.8m×0.3×10000m2=2400m3/hm2Wmin=H×θ田=800mm×0.095=76mmWmin=H×θ田×667=0.8m×0.095×667m2=50.69m3/亩

Wmin=H×θ田×10000=0.8m×0.095×10000m2=760m3/hm2第一节农田土壤水分状况二、作物生长对农田水分状况要求

由于作物所需的水分是通过根系吸收土壤中的水分而得到的，对于不同的作物而言，其对农田水分状况的要求是不一样的。

旱作物要求农田具有适宜的含水率；对水稻而言则要求农田具有适宜的淹灌水层．

第一节农田土壤水分状况二、作物生长对农田水分状况要求

旱作物根系吸水层中允许的平均最大含水率为田间持水率。通常地面不允许积水；地下水位必须维持在根系吸水层以下一定深度处。1．旱作物对农田水分状况的要求第一节农田土壤水分状况二、作物生长对农田水分状况要求

由于大气的温度过高和相对湿度过低，阳光过强，或遇到干热风造成植物蒸腾耗水过大，都会使根系吸水速度不能满足蒸腾需要，这种情况谓之大气干旱。

当土壤含水率过低，会出现植物根系从土壤中所能吸取的水量难于满足叶面蒸腾的消耗，而影响作物的生长，这种现象称为土壤干旱。当植物根部从土壤中吸收的水分来不及补给叶面蒸腾时，植物体内水分就会不断减少，特别是叶片水分迅速降低，从而影响植物体水分平衡和协调，这种现象称为作物生理干旱。大气干旱和土壤干旱都会造成作物生理干旱。

第一节农田土壤水分状况二、作物生长对农田水分状况要求

凋萎系数不仅决定于土壤性质，它还与土壤溶液浓度、作物种类和生育期有关。使土壤溶液浓度不超过作物在各个生育期所容许的最高值是确定根系吸水层土壤最低含水率的一个重要指标。式中：

S为根系吸水土层中易溶于水的盐类数量（占干土重的百分数）；C为允许的盐类溶液浓度（占水重的百分数）；为按盐类溶液浓度要求所规定的最小含水率（占干土重的百分数）。

以盐渍土为例，根系吸水层内土壤含水率应不小于：第一节农田土壤水分状况二、作物生长对农田水分状况要求

2．水稻地区的农田水分状况

水稻采用淹灌的方法．灌溉水层上下限的确定，对水稻生产具有重要的实际意义。通常根据作物品种、生育阶段、自然环境及人为条件由经验来确定。

近几年来，安徽、江苏、山东、湖南、四川、湖北、广西等省(自治区)通过试验逐步形成了“浅水灌溉”、“间歇灌溉”、“浅、晒、湿”灌溉、“浅、晒、深、湿”等节水型灌溉方式。

作业经测定某灌区土壤干容重为1.41g/cm3，田间持水量为23%（重量比），冬小麦拔节期计划湿润层为0.6m,

土壤水分下限为70%田间持水量，假定土壤初始含水率为20%（重量比），试计算初始土壤储水量；是否需要灌溉？其灌水量为多少？分别用m3/亩,mm和

m3/公顷表示。第一章农田灌溉原理

水利与建筑工程学院农业水利工程系2006年5月第一篇灌溉工程第一节农田土壤水分状况（2）学习提纲一、农田土壤水分存在的基本形式二、作物生长对农田土壤水分状况的要求三、农田土壤水分运动四、土壤—植物—大气连续体水分运移五、农田土壤水调控第一节农田土壤水分状况第一节农田土壤水分状况三、农田土壤水分运动

土壤水是农田水分存在的主要形式，土壤水分运动是农田水分循环的一个重要环节。饱和水达西定律(1856)------毛管假设(1877)------水分形态分类(1877)----毛管势概念（1907）----达西定律推广(1931)研究土壤水分运动可用毛管理论（形态学）与势能理论（能量观点）。形态学简单、形象，可用来定性分析研究土壤水分问题。应用能量观点研究土壤水分运动，便于用数学模拟方法及仪器定量反映土壤水分变化，为定量分析研究土壤水分问题提供了条件。第一节农田土壤水分状况1.土水势概念：在标准大气压下，可逆并且等温地将无穷小单位数量的指定高度的纯水，移至土壤中所必须做的功。势的概念可应用于土壤中水分运动的所有过程，如渗透、排水以及毛管上升等。土壤水分一直是从势高的部位流向势低的部位，并在这一移动的过程中释放能量。这个运动一直持续到其总势在土壤中所有部分都相等为止。

三、农田土壤水分运动

第一节农田土壤水分状况1.土水势土壤中的水势一般主要由重力势、基质势、渗透势、压力势、温度势等构成。

重力势（gravitationalpotential）：将单位数量的土壤水从某一点移动到标准参照状态（或参考状态）水平处，而其他各项维持不变时，土壤水所做的功即为该点土壤水的重力势。

土水势＝基质势＋重力势＋压力势＋溶质势＋温度势＝Φm+Φg+Φp+Φs+ΦT三、农田土壤水分运动

第一节农田土壤水分状况1.土水势

基质势（matricpotential）：又称基膜势，系土壤基质对水分的吸持作用引起，水和土壤骨架之间的毛管力和吸附力将土壤水束缚在土壤中，为了克服这种吸持作用，将土壤水移动到标准参照状态（自由水，无束缚），必须对土壤水所做的功称为土壤水的基质势。

压力势（pressurepotential）：由压力场中的压力差引起，常将标准参照状态下的压力定义为标准大气压或当地大气压，相对于大气压力所存在的势能差为压力势。三、农田土壤水分运动

第一节农田土壤水分状况1.土水势

溶质势（osmoticpotential）：系由于可溶性物质（如盐类）溶解于土壤溶液中，降低了土壤溶液的势能所导致，由于溶质对水分子具有吸引力，将水分移动到标准参照状态（纯自由水）时，必须对土壤水做功，这种溶液与纯自由水之间存在的势能差即称为溶质势。温度势（temperaturepotential）：由于温度场的温差引起，土壤中任一点土壤水分的温度势由该点的温度与标准参照状态的温度之差所决定。三、农田土壤水分运动

第一节农田土壤水分状况1.土水势但一般情况下，由于非饱和土壤中，ΦP=0，而ΦT与Φs对土壤水分运动的影响都可忽略，故土水势常被简化为：

Φ=Φm+Φg对于饱和土壤，必须考虑重力势；盐碱地必须考虑溶质势。张力计结构示意图

电信号张力计（美国）三、农田土壤水分运动

第一节农田土壤水分状况2.土壤水分特征曲线概念：土壤水的基质势或土壤水吸力是随土壤含水率而变化的，其关系曲线称为土壤水分特征曲线。土壤水分特征曲线表示土壤水的能量和数量之间的关系，是研究土壤水分的保持和运动所用到的反映土壤水分基本特性的曲线。土壤水分特征曲线的测定多用压力膜法三、农田土壤水分运动

第一节农田土壤水分状况不同土壤质地对土壤水分特征曲线的影响第一节农田土壤水分状况3．达西定律——1856年Darcy提出水分在饱和土壤中流动的动力是土壤水的势能梯度．土壤水流速的大小与土壤水势梯度成正比，其流向与势能减小的方向相一致，即式中：q为土壤水流速（单位时间通过单位导水断面的水量）；K为饱和导水率常数（单位势能梯度下的水流通量）三、农田土壤水分运动

第一节农田土壤水分状况3．达西定律——1856年Darcy提出1931年Richards的研究证明达西定律同样适用于非饱和土壤水运动只是导水率不再是常数式中：qx，

qy，

qz分别为x，

y，

z方向上的土壤水渗透速度；θ为土壤体积含水率。Φ为土水势（单位数量土壤水分的势能）。三、农田土壤水分运动

第一节农田土壤水分状况4．土壤水分运动基本方程根据达西定律：三、农田土壤水分运动

第一节农田土壤水分状况4．土壤水分运动基本方程其中h为基质势水头，取决于土壤的干湿状况；而位置水头则取决于参考面的位置。K（）为土壤的非饱和导水率，、、则分别为x,y,z方向的水势梯度。式中：、、分别为沿x、y、z轴的水流通量；ф为土壤的总水势，由于研究非饱和土壤水分运动，可忽略溶质势(渗透势)、压力势及温度势，而仅考虑重力势和基质势，即。三、农田土壤水分运动

第一节农田土壤水分状况4．土壤水分运动基本方程假设水的密度为常数，且土壤具有各向同性，dx、dy、dz不随时间变化（固相骨架不变形），则在dt时间内，流入和流出单元体的土壤水分质量差总计为:dt时间内单元体内土壤水分质量的变化量为:

三、农田土壤水分运动

第一节农田土壤水分状况4．土壤水分运动基本方程

非饱和土壤水运动的基本方程式:三、农田土壤水分运动

第一节农田土壤水分状况5．入渗条件下土壤水分运动降雨和灌水时水分向土壤中入渗，入渗速度、一定时段内的累计入渗量、入渗后水分在土壤剖面上的分布是确定灌水定额、制定灌溉制度的依据。

（１）入渗过程的一般规律it—t和I—t关系曲线示意图时间t(min)三、农田土壤水分运动

第一节农田土壤水分状况5．入渗条件下土壤水分运动（１）入渗过程的一般规律当入渗前土壤的初始含水率很小时，地面维持有薄水层的初始入渗速度很大，地面处的土壤含水率在很短的时间内就接近于土壤的饱和含水率。随着入渗时间的延长，由于入渗路径加长，从地面到入渗锋面的水势梯度逐渐减小，所以入渗速度也不断地减小，最后趋于一稳定值，它接近于土壤的渗透系数K。通常以入渗速度及累积入渗水量与时间t的关系曲线描述入渗规律。三、农田土壤水分运动

第一节农田土壤水分状况5．入渗条件下土壤水分运动（2）入渗量的计算一般情况下，it—t和I—t关系曲线可由田间双环入渗实验或实验室土柱入渗实验测定。生产实践中，常采用经验公式计算入渗速度和入渗量。1)考斯加可夫(A．H．KOCTЯKOB)公式：

式中：it是任一时间的入渗速度，以单位时间渗入土壤的水层厚度(mm／min或cm／h)计；i1是第一单位时间末的入渗速度；t为入渗时间(min或h)；α为经验指数，决定于土壤性质和初始含水率，α=0.3～0.8。轻质土壤α值小，重质土壤α值大；初始含水率愈高，α值愈小，一般土壤可取α=0.5。

三、农田土壤水分运动

三、农田土壤水分运动将实验资料I、t按时序求出i＝∆I／∆t，取1gi及1gt，点绘于双对数纸上，可拟合成一条直线，如图1—5所示。累计入渗量与入渗时间的关系可用下式计算：

由于(lgil—lgi2)／(1gt1—1gt2)＝-tgθ＝-α

，所以α

就是直线的斜率。将直线向左上方延长，得其在纵坐标上的截距即为i1。有了α及il后，累计入渗量与入渗时间的关系可用下式计算：图1—5lgi一lgt关系图

1第一节农田土壤水分状况5．入渗条件下土壤水分运动（2）入渗量的计算1)考斯加可夫公式累计入渗量与入渗时间的关系可用下式计算：三、农田土壤水分运动

第一节农田土壤水分状况5．入渗条件下土壤水分运动（2）入渗量的计算

2)菲利普(J．R．Philip)入渗公式式中：S为渗吸系数；if为稳定入渗速度；二者都是与土壤性质有关的参数，S值还与初始含水率有关。初始含水率越低，S值愈大。在入渗初期，参数S起主要作用，相当于水平渗吸的情况。随着入渗时间的增长，if

参数则成为影响入渗的主要因素。当应用菲利普(Philip)公式解决实际问题时，入渗参数S和if常由入渗试验求出。三、农田土壤水分运动

第一节农田土壤水分状况5．入渗条件下土壤水分运动（3）入渗时土壤剖面含水量的计算在灌水和雨量稍大的降雨过程中，地表形成薄水层，当假定地下水埋深较大，且剖面土壤含水率均匀分布时，土壤的入渗可视为垂直一维入渗问题，其定解条件写为：三、农田土壤水分运动

第一节农田土壤水分状况6．蒸发条件下土壤水分运动

(1)无地下水位补给条件下的土壤水分蒸发

蒸发过程中一般可分为三个阶段：

第一阶段是稳定蒸发阶段；

第二阶段开始于土壤含水率逐渐减少到θ≤θk称为蒸发强度递减阶段；第三阶段：蒸发强度不仅取决于干土层厚度，而且取决于干土层内水汽扩散的能力．

三、农田土壤水分运动

第一节农田土壤水分状况6．蒸发条件下土壤水分运动

(2)地下水位补给条件下的土壤水分蒸发

当地下水位埋藏深度较浅时，表土蒸发消耗掉的水分在毛管力作用下由地下水得到补给。当外界蒸发力不随时间而变时，土壤水分蒸发强度与潜水向上补给的通量处于相对平衡状态，形成稳定蒸发。这时从地面到地下水位的剖面含水量分布及吸力分布也维持相对稳定状态。

三、农田土壤水分运动

第一节农田土壤水分状况四、土壤一植物一大气连续体水分运移

菲利普1966年提出了较为完整的SPAC（soil-plant-atmospherecontinuum）概念．水分经由土壤到达植物根表皮，进入根系后，通过植物茎，到达叶片，再由叶片气孔扩散到大气层，形成一个统一的、动态的相互连续系统。尽管介质不同，界面不一，但在物理上都可看作为一个统一的连续体．水在该系统中的流动过程互相衔接，而且完全可用统一的能量指标——“水势”来研究整个SPAC系统中各个环节能量水平的变化，并计算出水流通量。第一节农田土壤水分状况式中：q为水流通量；φs、φr、

φl、

φa分别为土水势、根水势、叶水势、和大气水势；Rsr、Rrl

、Rla分别为土壤水分通过土壤到达根表皮，越过根部通过植物木质部导管输送到叶气孔腔，通过气孔蒸腾扩散到周围空气中各段路径的水流阻力。四、土壤一植物一大气连续体水分运移

第一节农田土壤水分状况

在SPAC中，水分运动的驱动力是水势