激光平地对田地灌水质量的影响

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1　材料与方法

试验区位于内蒙古河套灌区上游的磴口县补隆淖乡坝楞村，地理位置东经106°98′，北纬40°33′，土壤质地为沙壤土，土壤轻度含盐。河套灌区主要作物为春小麦、玉米和葵花，灌溉方式均采用畦灌，畦田面积在0．1～0．2hm2之间。全年农业灌溉分为夏灌和秋浇。夏灌在作物生长季进行，为作物生长提供所需水分；秋浇在作物收割后进行，除淋洗土壤盐分外，还为次年春季作物播种保墒，保证作物出苗。秋浇设计灌溉定额较大，为1　800m3／hm2［1］。由于土地不平整，实际秋浇灌水量常大于设计灌水定额，灌溉水浪费严重，具有显著的节水潜力。针对河套灌区秋浇分析激光精细平地技术对灌水质量的影响和节水效果。试验设2个处理，处理1为现状畦田田块；处理2为激光平地畦田田块，以处理1为对照。在试验区按河套灌区末级渠道毛渠的现状布局选择实际畦田田块进行试验。处理1的畦田规格为50m×21m，处理2的畦田规格为50m×37m。试验前使用水准仪对处理1和处理2田块进行地形测量，测量网格为5m×5m。而后对处理2田块采用激光平地机系统（美国）和农用拖拉机（904）实施无纵横坡激光平地作业。激光平地完成后对处理2田块再进行一次地形测量。对于处理1和处理2田块，在畦长方向每5m设一个观测点，沿畦宽方向在1／3点处设二列。秋浇灌水时在各观测点处观测田面水流的推进时间；灌水停止后在各观测点处观测田面水流的消退时间。田面水流的推进和消退时间取二列对应测定的平均值。在灌水过程中在田口处使用梯形量水堰观测入畦流量，通过控制毛渠田口开口数量，使处理1和处理2的单宽流量尽量接近，消除畦宽对田间试验的影响。按河套灌区农民常规做法，对处理1当水流到达畦田末端后停止灌水，处理2当达到与处理1相近单位灌水量时停止灌水，使用秒表记录灌水历时。

2　激光精细平地对土地平整状况和畦田田面水流的影响

土地平整度通常采用田块内所有地形测点处地面相对高程的标准偏差值（Sd）予以定量描述。Sd越小表示田面平整状况越好，Sd＝0是理论上可达到的最佳田面平整度。目前，国内外激光平地技术所能达到的最佳Sd值为1．50cm［2］。根据地形测量数据，计算处理1和处理2（激光平地前）现状田块的土地平整度分别为Sd1＝4．05cm，Sd2＝4．13cm，二者接近。处理2田块采用激光平地后的土地平整度Sd2l＝1．85cm，接近目前国内外激光平地技术所能达到的最佳值1．50cm。由此可见，实施激光平地后，该田块土地平整度的绝对改善程度为2．28cm，相对改善程度为55．2％，土地平整状况得到显著改善。激光平地技术的土地平整效果十分明显，是常规土地平整难以达到的。由图1可以看出，处理2田块田面水流推进速度明显快于处理1，表明激光平地由于显著改善了土地平整状况，减少了田面水流阻力，可使灌溉水以较快的速度流入畦田并布满整个畦田田面。图1中处理2田块的田面水流推进过程线和消退过程线接行，而处理1田块的2条线则呈交叉状，表明激光平地可使畦田各点具有相近的灌溉水入渗时间，对于减少深层渗漏，改善灌水均匀度，进而提高地面灌溉的灌水质量具有重要作用。图1中处理2田块的田面水流消退过程明显慢于处理1，是由于激光平地过程使土壤密实度增加，土壤水分入渗能力降低，消退时间延长，表现出缓慢均匀入渗特征。

3　激光精细平地技术对秋浇灌水质量的影响及节水效果模拟分析

3．1　土壤入渗参数和田面糙率推求

由于土壤、田面状况空间变异性和水流对土壤入渗特征和田面糙率的影响，目前，国内外通常利用实测田间灌溉田面水流的推进和消退过程来推求入渗参数和田面糙率。采用国内外广泛使用的由美国农业部开发的地面灌溉综合模拟模型WinSRFR　3．1模型的Event　Analysis模块，通过实测田间灌溉田面水流推进和消退过程及相关试验数据，推求处理1和处理2田块的土壤入渗参数和田面糙率；而后采用该模型的Hy－draulic　Simulation模块进行激光平地后畦田灌水质量和节水效果模拟分析。处理1实测田面纵坡1．4‰，畦长50m，畦宽21m，单宽流量0．002　5m2／s，灌水历时84min，灌水量263．6m3。处理2实测田面纵坡0．2‰，畦长50m，畦宽37m，单宽流量0．003　2m2／s，灌水历时62min，灌水量436．5m3。处理1和处理2的实测田面水流推进过程和消退过程见图1。将以上实测数据输入SRFR3．1模型，采用Event　Analysis模块中的Merriam－Keller法经模拟优化，求解Kostiakov公式土壤水分入渗系数K和入渗指数α以及曼宁糙率系数n。具体做法为：假定若干曼宁糙率系数n，以实测水流推进、消退过程为依据，利用WinSRFR3．1模型反复进行模拟，求解土壤水分入渗系数K和入渗指数α，直至模拟和实测田面水流推进、消退过程吻合程度达到满意为止，并以得到的相应的土壤水分入渗系数K和入渗指数α为求解结果。模拟优化所得的处理1和处理2田块的Kostiakov公式土壤水分入渗系数K、入渗指数α和曼宁糙率系数n，见表1。图2表明，在表1的土壤水分入渗系数K、入渗指数α和曼宁糙率系数n下，采用WinSRFR3．1模型模拟的水流运动过程同实测值一致，二者吻合程度较高。因此，由田间试验得到的水流推进、消退过程采用WinSRFR3．1模型模拟优化所得的Kostia－kov公式土壤水分入渗参数和曼宁糙率系数精度合适，能较好表达了畦田土壤的水分入渗特性和田面水流阻力特性，可用于研究的地面灌溉水力学模拟。

3．2　激光精细平地对秋浇灌水质量的影响及节水效果分析

由表1的土壤入渗系数K、入渗指数α和田面糙率n，以秋浇设计灌溉定额1　800m3／hm2为控制条件，对处理1和处理2田块使用WinSRFR　3．1模型进行模拟，分析激光平地技术对灌水质量的影响及节水效果。模拟时均采用代表性单宽流量0．002　5m2／s。采用式（1）和式（2）的灌水效率E、灌水均匀度Umin评价秋浇灌水质量。由WinSRFR　3．1模型模拟秋浇灌水质量指标见表2。由表2可以看出，在设计灌水定额条件下处理2田块的E和Umin灌水质量指标均明显高于处理1，并且没有发生深层渗漏，取得了较好的灌水质量。由WinSRFR　3．1模型模拟秋浇灌溉水分入渗分布如图3。由图3可以看出，处理1田块水流没有达到畦田尾部，并且深层渗漏显著，导致Umin＝0，E偏小。其原因是由于现状田块不平整，田面水流推进阻力大，水流推进过程缓慢，上游入渗过多，畦田的尾部留有较大范围的未浇地。处理2田块的灌溉水分入渗较均匀，并且能满足需水水深，表明激光平地显著改善了土地平整状况，减少了田面水流阻力，可使灌溉水以较快的速度流入畦田并布满整个畦田田面，因此入渗时间较均匀，没有深层渗漏，灌水均匀度和灌水效率显著提高。由模拟结果可知，在设计灌溉定额条件下，现状田块田面水流达不到畦田尾部，留有较大范围的未浇地，无法实现秋浇。在实际秋浇灌溉中，为达到秋浇目的，农户则只有加大灌水定额，待水流到达畦尾部在停止灌水，从而造成水量浪费。针对此情况，假设畦田尾部达到需水水深，利用WinSRFR　3．1进行模拟，分析激光平地的节水效果。现状畦田秋浇畦尾达需水深度下的灌溉水入渗分布见图4，相应的灌水质量指标见表2。由图4可以看出，虽然畦田尾部达到了需水水深，但是深层渗漏更加严重，达17mm，造成了水量的浪费。由WinSRFR　3．1模型模拟计算的实际灌水量1　975m3／hm2，比设计灌水定额1　800m3／hm2多灌水175m3／hm2，水量浪费约9．7％。

由表2可知，在设计灌溉定额条件下激光平地田块比现状田块的灌水效率可提高7．43％，深层渗漏减少13mm；在加大灌水定额满足灌水要求实际情况中，灌水定额增加了175m3／hm2，虽然提高了灌水均匀度，但是深层渗漏也明显增加17mm，造成水量大大的浪费。因此，激光平地技术可以达到很好的节水效果，水量节约9．7％。同时灌水效率可提高9．4％，灌水均匀度可提高8．1％。

4　结　论

采用激光平地后河套灌区畦田土地平整度达1．85cm，接近目前国内外激光平地技术所能达到的最佳值50cm，土地平整状况得到显著改善。激光平地可有效减少田面水流阻力，使灌溉水以较快的速度流入畦田并布满整个畦田田面，畦田各点获得相近的灌溉水入渗时间，对于减少深层渗漏，改善灌水均匀度，进而提高地面灌溉的灌水质量具有重要作用。在设计灌溉定额条件下与现状畦田相比，激光平地可提高灌水效率7．43％，减少深层渗漏13mm；与加大灌水定额满足秋浇灌水要求实际情况相比，水量节约9．7％，节水效果明显。同时灌水效率可提高9．4％，灌水均匀度可提高8．1％，可以有效改善秋浇灌水质量。