节水灌溉技术-8 节水灌溉管理技术

节水灌溉技术目录CONTENTS节水灌溉技术现状分析地面灌溉节水技术喷灌技术微灌工程技术02010304低压管道输水灌溉工程渠道防渗工程技术水稻节水灌溉技术050607节水灌溉管理技术08节水灌溉管理技术088.1非充分灌溉条件下的作物灌溉制度8.2作物灌溉预报技术8.3灌区量测水技术01请在这里输入标题8.4灌溉自动化控制技术8.5节水灌溉工程管理模式任务一非充分灌溉条件下的作物灌溉制度2.非充分灌溉的理论依据1.非充分灌溉制度8.1非充分灌溉条件下的作物灌溉制度08非充分灌溉制度指在灌溉水资源不足或由于工程性缺水不能满足作物充足用水供应和及时调节水量的情况下，允许作物某一阶段或某一生育时期水分亏缺（或者说作物一定程度受旱）灌溉。这是一种不能完全满足作物灌溉用水的灌溉制度，其核心问题在于，对同一种作物而言，如何把有限的水量在作物各生育阶段进行合理分配。因此，非充分灌溉的实施，需要确定出各生育阶段缺水对作物产量、品质的影响，尽量减少在对作物产量、品质影响最为敏感的时段缺水，使产量、品质的降低达到最低要求。换句话说，就是不在追求产量最大化，而是牺牲局部，以最小的代价换取最大的收益。第一，当供水不足时，作物体内会发生一系列的生理、生化变化过程以适应逆境。这些过程有的可以使作物提前成熟以逃避干旱；有的则能产生一些特殊的物质，使植物的持水和吸水能力加强，利于维持正常的代谢活动；有的则能调节水分的散失过程，降低失水速率。这些适应与调节过程可使作物的耐旱性增加，从而延缓干旱胁迫的发生，降低胁迫的危害程度。第二，作物经受短期的适度水分亏缺后，生长发育过程受到一些影响。但在灌水后，其生长过程会加快，表现出一定程度的生长补偿效应。这种现象在生育前期受到水分胁迫时表现得更为明显。生长补偿效应使胁迫的影响减少，从而减轻缺水对最终产量的影响。如图所示，灌水量与作物产量之间存在增量关系，在投入量达到Wm之前，产出随投入而增加，但是单位水量增加而导致的产量增加缺在减少，在拐点A0左侧是正增长的，而在右侧成为负增长，出现了所谓的“报酬递减”。3.非充分灌溉制度的发展第三，某些时期适度的水分亏缺可以对作物营养物质的分配起到调节作用，从而实施对个体或群体的有效调控，为高产打下基础。如棉花苗期一定程度的水分亏缺可以促进根系的生长，控制地上部分的发展，提高根冠比，有利于形成适宜的株型及群体结构。第四，一些土壤中水分的有效性在较宽的含水量范围内都几乎相等，这样保持较低的含水量水平也不会使作物遭受明显的干旱，产量也不会大幅度地降低。在这样的土壤上实现低定额的非充分灌溉，可以起到明显的节水效果。第五，利用最优化理论，可以确定一个区域的最适宜水分分配方案，即确定什么时候灌水，灌多少水，以及什么时候应当控制不灌水或少灌水。这样有助于达到水资源供应与作物需水的最佳组合，实现有限水资源的最有效利用。2.非充分灌溉的理论依据非充分灌溉条件下求作物最优灌溉制度的各类模型中，目标函数一般有3种：一是单位面积产量最大；二是单位面积净收益最大；三是整个灌区净收益最大。国外多数文献采用第二种目标函数，而国内，很多学者都采用单位面积产量最大。这是因为国外，特别是人少地多的西方国家，农业追求经济效益最大，而不是单产。而在我国，人多地少，为解决吃饭问题，农业一直追求单产最高为主要目标。实际上，采用哪种目标对模型结构及求解并不产生影响，只不过以收益最大为目标需确定费用函数，相对敏感些。至于DP模型中水分生产函数采用相乘还是相加模型，主要取决于哪种模型更适合所研究的作物。8.1非充分灌溉条件下的作物灌溉制度08非充分灌溉的关键问题是在作物全生育期内，如何将有限的水量合理的分配，并获得高产或效益，或者使缺水造成的减产损失最小。所谓非充分灌溉制度则是在有限的水量下，以获得最高产（或收益）为目标，对作物灌水量、灌水时间、灌水定额进行优化分配的灌水方案。目前我国主要以有限水资源为条件，以单位面积产量或效益最大为目标，制度某种作物的灌溉制度。4.非充分灌溉制度的制定动态规划法。目标：单位面积产量最大。阶段：以作物生育阶段为阶段变量。状态变量：对于旱作物，其状态变量是指各阶段初可供水量及计划湿润层内可供作物利用的土壤含水率；对于水稻，则指各阶段初可供水量及初始田面需水深度。约束条件（3个）：（1）资源约束：水资源总量。（2）土壤含水率或田间水层深度。（3）决策约束：灌水定额、灌溉定额和作物腾发量。8.1非充分灌溉条件下的作物灌溉制度08任务二作物灌溉预报技术田间墒情是农田耕作层土壤含水率的俗称，墒情监测即直接监测农作物当前土壤水分的供给状况，它是农田用水管理和区域性水资源管理的依据，也是作物灌溉预报的基础。通过土壤墒情监测，可确定作物“关键水”能够灌的适时适量，以减少棵间蒸发，从而控制和减少灌水次数。1.土壤墒情预报土壤墒情监测在国内外均有悠久的历史。常用的方法有：称重法、中子法、

γ射线法、张力计法和时域反射仪(TDR)等等。总的来说，可以分为两大类：直接法、间接法。直接法：直接法是通过从土壤中移去水分而确定含水量。直接法包括烘干法和各种去水测定方法，其共同特点是需要采集土样并移去其中的水量。间接法：间接法是通过对土壤的某些物理与化学特性的测定来确定土壤含水量的方法。其特点是不需要采取土样，因而不扰动土壤，且可以定点连续监测含水量的变化，便于进行与土壤水分动态有关的各种研究。间接法又可分为非放射性方法和放射性方法两类。8.2作物灌溉预报技术08（1）土壤墒情检测技术。（2）土壤墒情检测的方法。地下水源的水量比较稳定，因此灌溉水源预报一般指对河川径流的预报，对那些无调蓄能力的、直接从河流引水或堤坝引水灌区更是这样。因此，对这类灌区来讲，准确地分析预报河源来水量是编制和调整灌区用水计划，确定灌溉任务，充分利用水资源，发挥工程设施效益的重要依据。2.灌溉预报技术灌溉用水的基本要求是做到适时、适量灌溉，因而掌握土壤墒情，及时对其进行监测，对灌水预报是至关重要的。灌水预报以农田土壤墒情预报为基础，作物生长条件下土壤水分动态的预报系指在起始农田土壤水分状况的基础上，结合短中期气象预报，确定未来某段时间内农田土壤含水量及其随时间的变化状况。适时地进行土壤墒情预测预报，对于防治旱、涝、渍、盐碱和许多作物病虫害等灾害，确保农作物高产稳产是十分重要的。灌溉和排水的实质就是根据作物生产情况和田间土壤墒情，人为地调节田间土壤水分状况，使其有利于作物的生长。农田土壤水分动态的预测预报能够为作物适时适量地补充水分，使有限的可用水量发挥较大的经济效益。8.2作物灌溉预报技术08（1）灌溉水源预报。（2）作物灌水实时预报。旱区农业节水一个重要的环节就是高水平的灌溉用水管理。高水平的灌溉用水管理能节约用水，提高灌区农业产量，充分发挥灌溉工程效益。灌溉用水管理的核心是实行计划用水，而指导计划用水的依据是用水计划。我国制定的常规用水计划属于“静态”用水计划，它是根据历史资料，选定几种典型水文年，针对典型年的气象、水文情况，制定出当年的用水汁划；在执行过程中，再依据当时的气象、水文等情况进行调整。实时灌溉预报是编制与执行灌区动态用水计划的必要条件，只有做出实时灌溉预报，才可能制定出动态用水计划；实时灌溉预报可靠、准确，动态用水计划才可能符合实际，才能发挥指导用水以取得节水、高产、高效益的效果。2.灌溉预报技术实时灌溉预报是以“实时”资料为基础，即以各种最新的实测资料和最近的预测成果为依据，通过计算机模拟分析，逐次预测作物所需的灌水日期及灌水定额；同时预报出灌区可供作物灌溉的水源水量，从而及时调整灌区的灌溉用水计划，提高灌水效益。今后灌溉预报的发展趋势是开展实时灌溉预报，因此研究与应用实时灌溉预报有着重要的理论意义与实用价值。8.2作物灌溉预报技术08（2）作物灌水实时预报。（2）作物灌水实时预报。任务三灌区量测水技术灌溉量测水是农业用水计量的重要方法，对提高水资源利用效率和灌溉水量的配置具有重要作用。灌区量测水的设备和方法是实现计划用水和控制灌水质量的基本措施，是实行计量收费、促进节约用水的必要工具和手段。1.灌区量水技术流速仪测流法，是用流速仪测定水流速度，由流速与过水断面面积的乘积来推求流量的方法。其工作内容主要包括准备工作、观测水位、过水断面测量、流速测量、现场检查、计算与整理、建立数学模型和拟定水位～流量关系曲线等。该方法优点是精度较高、便于携带，1台仪器可在多个地点移动使用，投入低。缺点是工作量大，劳动强度高。月记式水位记录仪由感应部分、传感部分和记录部分3部分组成。它的量测方法是根据记录纸上记录的水位过程变化曲线摘录水位。要求摘录的点距能完整准确地反映水位变化全过程。根据该点过水断面的水位～流量关系曲线或数学模型查出或计算出相应的流量及历时，就可计算出总的用水量。优点是工作时间长(31d)，累计误差小(4min)；资料保存完整，便于查对；记录精度较高；无须设专人看守。缺点是投资较高，操作及内业整理工作较复杂。8.3作物灌溉预报技术082.灌区量水方法灌区量水的方法很多，常用的有流速仪测流法、水位计水位记录法、水工建筑物量水法、电磁流量计记录法、特设量水设备测流法等。（1）流速仪测流法。（2）水位计法。三角形薄壁堰量水：三角形量水堰，由竖直薄板上的“V”形缺口作为过水断面，角项向下，根据不同需要，通顶角可制成20°、45°、60°、90°、120°等不同角度的三角量水堰。通常采用90°，即直角三角形量水堰。通常渠道设计流量大小使用标准三角形量水堰的结构尺寸。水流经过三角形薄壁堰，读取薄壁堰水池的水位，通过结构尺寸利用流量公式计算流量，或查取水位流量关系曲线得出相应的流量。三角形薄壁堰结构简单，造价低，过水能力较小，一般适用于比降较大或有跌差的小型渠道。8.3作物灌溉预报技术08此法是根据水力学原理进行量水的，要求建筑物完整无损，无变形，不漏水，无冲积阻塞现象，调节设备不漏水，无歪斜、扭曲、损坏现象，闸门边缘与闸槽能紧密吻合，符合水力计算要求；水头损失不少于5cm；水流呈潜流状态时，其潜没度不大于0.9。此法优点是可利用现有水工建筑物进行测量，不必新添设备。缺点是现有水工建筑物经多年运行老化、破损严重，不能符合利用建筑物量水的条件无喉道量水槽：无喉道量水槽由巴歇尔量水槽改进而来。当水流经过量水槽时，读取上下游水尺读数，判别流态为自由流或是潜流。根据无喉道量水槽的结构尺寸，利用流量公式计算流量或查取水位流量，得出相应的流量。（3）水工建筑物法。电磁流量转换器是一种结构独特，技术完善的管道式流量仪表。它是应用导体在磁场中运动产生感应电动势，而感应电动势又和流量大小成正比，通过测量电动势来反映管道流量的原理而制成的。此法量测精度:流量≤0.2%，优点是量测精度高。缺点是投入巨大，且需220V交流电源；发生故障后数据易丢失。8.3作物灌溉预报技术08：梯形薄壁堰量水梯形量水堰断面为上宽下窄的梯形堰口，堰口侧边的边坡为4∶1（竖：横水位与流量关系较为稳定），堰口边缘是45°角，斜面朝下游的锐缘。通常渠道设计流量大小使用标准梯形量水堰的结构尺寸。水流经过梯形薄壁堰，读取薄壁堰水尺的水位，通过结构尺寸利用流量公式计算流量。或查取水位流量关系曲线得出相应的流量。该种堰结构简单造价低，过水能力大但壅水较多，水头损失大，一般适用于比降大、含沙量小的渠道。（4）电磁流量计法。灌溉流量管理器：灌溉流量管理器，适用于干、支、斗、农各种渠道流量计量，涵盖用水计量、水费计算收取、农户用水管理等方面功能。具有测量精度高、测量范围宽、运行稳定、安装和操作简便、价格低廉的特点。水尺量水：在比较规则的渠道上选一测量断面建立水尺，有流速仪在不同水位进行测量，建立出该端面的水位—流量关系曲线，量水时只读取当时渠道的水位，再查对相应的水位—流量关系曲线后，获得当时流量。也可在水尺上直接标出流量。此方法简单实用。8.3作物灌溉预报技术08转轮式量水器量水：转轮式量水器是一种新式的量水装置，其工作原理属于动态体积测量方法。（５）特设设备测流法。任务四灌溉自动化控制技术水力自动化、电控自动化、微机自动化。水力自动化比较简单，通常也只能按照一种预定的方式进行自动化控制。例如，当水位或水压力达到某预定值时，使得阀门打开或关闭。电控自动化出了能达到水力自动化的功能外，还能进行数据检测，并根据监测值而手动或自动的调控。微机自动化则是在电控的基础上配备了微机系统，把自动化监测和调控连接起来，从而提高了自动化水平。微机自动化技术通过各种传感器检测、采集数据信息，并通过通讯技术传输，由计算机存储和处理，为灌区灌溉方案的制定提供了依据和方便。其组成有以下几个部分：1.灌溉自动化控制技术（1）传感器。即测量部件，对监控对象进行（土壤、水体、气体、植物等）进行数据检测，并将数据传输给控制器。（2）控制器。对信号进行储存和分析处理并为执行机构提供控制命令，一般由计算机系统承担。（3）执行机构。按照控制指令进行操作，如启闭阀门等。该系统的关键技术是:精确可靠地实现对作物生长过程中的湿度、温度、降雨量、蒸发量及土壤水分含量等因子的自动采集、传输、分析，并作出综合判断；根据不同作物不同生育阶段所需求的适宜土壤含水量及其他因素实时作出控制机泵开启的指令，并根据预置的灌水计划有序的启闭闸阀，使整个灌水过程处于无人值守的控制状态。该系统的最大特点是:高产高效优质作物与现代化的科学的自动化灌溉技术相结合，替代了传统的粗放的灌溉方式。建立在对气温、湿度、土壤含水量、降雨、蒸发量及不同作物不同生育期所需适宜含水量及相应的气象参数的综合分析基础上的灌溉专家决策支持系统，可根据作物生长需要，支持机泵及电磁阀按照预定的供水计划实施启闭，使不同的作物在不同的生育期可以科学地获取适宜的灌水时间和适宜的灌水量，从而使有限的水资源发挥最大效益。8.4灌溉自动化控制技术08（1）灌溉自动化控制技术原理。国外一些先进国家，如美国、以色列和加拿大等，运用先进的电子技术、计算机和控制技术，在节水灌溉技术方面起步较早，并日趋成熟。这些国家从最早的水力控制、机械控制，到后来的机械电子混合协调式控制。到当前应用广泛的计算机控制、模糊控制和神经网络控制等，控制精度和智能化程度越来越高，可靠性越来越好，操作也越来越简便。灌溉控制自动化技术的应用前景：现代农业是以高新技术应用为标志的。在西方发达国家，通过遥感（RS）、地理信息系（GIS）、全球定位系统（GPS）及计算机网络获取、处理、传送各类农业信息的应用技术已到了实用化阶段，欧共体将信息及信息技术在农业上的应用列为重点课题，美国农业部建立了全国农作物、耕地、草地等信息网络系统，可以说信息技术已成为现代农业不可缺少的一部分。8.4灌溉自动化控制技术08（2）发展现状与前景。2.常用的自动化控制模式（原理、控制方式）两点控制三点控制比例控制积分控制微分控制（１）渠系自动化管理。渠系自动化监控与管理的目的在于通过自动化监控系统，控制