第一章農田灌溉原理

水利與建筑工程學院農業水利工程系2006年5月第一篇灌溉工程第一節農田土壤水分狀況第二節作物需水量與灌溉制度第三節非充分灌溉原理與作物水分生產函數第四節灌溉用水量與灌水率第一章農田灌溉原理第一節農田土壤水分狀況本章的教學目的：要求學生掌握作物需水量的估算方法，了解農作物灌溉制度制訂的一般方法，掌握作物灌溉制度制定中有關參數（如土壤含水量上下限、計劃濕潤層、有效降雨量、地下水利用量等）的擬定方法掌握利用農田水量平衡方程式制定農作物灌溉制度的方法；了解我國主要農作物的灌溉制度；了解非充分灌溉原理與作物水分生產函數的一般概念凈灌溉用水量和毛灌溉用水量概念及計算方法；單一作物一次灌溉用水量和灌區多種作物灌溉用水量；灌水流量與灌水率；灌水率圖的繪制與修正。學習提綱一、農田土壤水分存在的基本形式二、作物生長對農田土壤水分狀況的要求三、農田土壤水分運動四、土壤—植物—大氣連續體水分運移五、農田土壤水調控第一節農田土壤水分狀況第一節

農田土壤水分狀況

農田水分狀況是農田灌排系統規劃、設計和管理的基礎。農田水分狀況是指農田地面水、土壤水和地下水數量的多少、存在的形式及其在時空上的變化。農田土壤水與作物生長關系最為密切，它直接影響到作物生長的水、氣、熱、養分等狀況。而地面水和地下水只有通過一定的轉化關系變為土壤水分，才能為作物直接吸收利用。因此，農田土壤水分狀況是作物生長環境的核心。

一、農田土壤水分存在的基本形式

1．常用的術語

空氣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

(占土體%)

ρ水=Ww/Vwθ=β*r/ρ水

=Ww/Ws*Ws/V*Vw/Ww=Vw/V2.土壤水分測定方法1).取土烘干法；2).負壓計法；3).r射線法；4).中子儀法5).時域反射儀（TDR）;6).電測法。

VWsWwVwVsWaWVa烘干測定法

儀器設備：土鉆、鋁盒（已知重量和編號）、烘箱、剖面刀和電子天平（或分析天平）儀器準備取土稱重烘干稱重計算操作步驟：4301/4302中子儀（美國產）CPN503DR中子儀2500S電子張力計（法國）TDR測定儀管式TDR土壤水分測定儀Diviner2000一、農田土壤水分存在的基本形式

3．土壤水分常數及存在形式1）θs飽和含水率2）

θfc田間持水率3）毛管斷裂含水率4）PWP永久凋萎點

θs

飽和含水率

θfc田間持水率

重力水毛管水

薄膜水吸著水毛管斷裂含水率

PWP永久凋萎點多余水

易效水分有效水分無效水分一、農田土壤水分存在的基本形式第一節農田土壤水分狀況吸濕水：緊束于土粒表面，不能在重力和毛管力作用下移動。薄膜水：吸附于吸濕水外部，沿土粒表面進行速度極小的移動。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著水的部分。上升毛管水：地下水沿土壤毛細管上升的水分。懸著毛管水：不受地下水補給時，上層土壤由于毛細管作用所能保持的地面滲入的水分。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，這種水稱為重力水。一、農田土壤水分存在的基本形式

一、農田土壤水分存在的基本形式

4.土水勢土水勢Φ土的構成：Φ土=Φp+Φg+Φm+Φo式中：1).Φp

為壓力勢，是由于壓力場中壓力差的存在而引起的水勢。對于非飽和土壤水，Φp=0。2).Φg為重力勢，是由于土壤水在重力場中受重力作用所引起的勢值。其大小是由土壤水在重力場中的位置，即相對于參考面的高差所決定的。3).Φm為基質勢，是由于土-水系統中土壤固體特性所引起的一種勢能。即土壤固相部分吸水的基質。一是由于土壤膠體顆粒具有巨大的表面能；二是土壤膠體表面所吸附的離子的水化作用；三是土粒間空隙的毛管作用。4).Φo為溶質勢或稱滲透勢，是由于土壤中含有一定可溶性鹽類，溶于水中成為離子，離子水化時，對水分子的吸引作用。因此，對非飽和土壤，土水勢Φ土=Φg+Φm+Φo

例1：某農田1m深以內土壤質地為壤土，其孔隙率為47%，懸著毛管水的最大含水率為30%，凋萎系數為9.5%（以上各值皆按占整個土壤體積的百分數計），土壤容重為1.40g/cm3，地下水面在地面以下7m處，土壤計劃濕潤層厚度定為0.8m。要求：計算土壤計劃濕潤層中有效含水量的上、下限，并分別用m3/畝，m3/ha和mm水深三種單位表示有效含水量的計算結果。第一節農田土壤水分狀況解：已知H=0.8mθ田=0.3θ凋=0.095γ土=1.4g/cm3，土壤計劃濕潤層中有效含水量的上、下限為:

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

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/畝

Wmin=H×θ田×10000=0.8m×0.095×10000m2=760m3/hm2第一節農田土壤水分狀況二、作物生長對農田水分狀況要求

由于作物所需的水分是通過根系吸收土壤中的水分而得到的，對于不同的作物而言，其對農田水分狀況的要求是不一樣的。

旱作物要求農田具有適宜的含水率；對水稻而言則要求農田具有適宜的淹灌水層．

第一節農田土壤水分狀況二、作物生長對農田水分狀況要求

旱作物根系吸水層中允許的平均最大含水率為田間持水率。通常地面不允許積水；地下水位必須維持在根系吸水層以下一定深度處。1．旱作物對農田水分狀況的要求第一節農田土壤水分狀況二、作物生長對農田水分狀況要求

由于大氣的溫度過高和相對濕度過低，陽光過強，或遇到干熱風造成植物蒸騰耗水過大，都會使根系吸水速度不能滿足蒸騰需要，這種情況謂之大氣干旱。

當土壤含水率過低，會出現植物根系從土壤中所能吸取的水量難于滿足葉面蒸騰的消耗，而影響作物的生長，這種現象稱為土壤干旱。當植物根部從土壤中吸收的水分來不及補給葉面蒸騰時，植物體內水分就會不斷減少，特別是葉片水分迅速降低，從而影響植物體水分平衡和協調，這種現象稱為作物生理干旱。大氣干旱和土壤干旱都會造成作物生理干旱。

第一節農田土壤水分狀況二、作物生長對農田水分狀況要求

凋萎系數不僅決定于土壤性質，它還與土壤溶液濃度、作物種類和生育期有關。使土壤溶液濃度不超過作物在各個生育期所容許的最高值是確定根系吸水層土壤最低含水率的一個重要指標。式中：

S為根系吸水土層中易溶于水的鹽類數量（占干土重的百分數）；C為允許的鹽類溶液濃度（占水重的百分數）；為按鹽類溶液濃度要求所規定的最小含水率（占干土重的百分數）。

以鹽漬土為例，根系吸水層內土壤含水率應不小于：第一節農田土壤水分狀況二、作物生長對農田水分狀況要求

2．水稻地區的農田水分狀況

水稻采用淹灌的方法．灌溉水層上下限的確定，對水稻生產具有重要的實際意義。通常根據作物品種、生育階段、自然環境及人為條件由經驗來確定。

近幾年來，安徽、江蘇、山東、湖南、四川、湖北、廣西等省(自治區)通過試驗逐步形成了“淺水灌溉”、“間歇灌溉”、“淺、曬、濕”灌溉、“淺、曬、深、濕”等節水型灌溉方式。

作業經測定某灌區土壤干容重為1.41g/cm3，田間持水量為23%（重量比），冬小麥拔節期計劃濕潤層為0.6m,

土壤水分下限為70%田間持水量，假定土壤初始含水率為20%（重量比），試計算初始土壤儲水量；是否需要灌溉？其灌水量為多少？分別用m3/畝,mm和

m3/公頃表示。第一章農田灌溉原理

水利與建筑工程學院農業水利工程系2006年5月第一篇灌溉工程第一節農田土壤水分狀況（2）學習提綱一、農田土壤水分存在的基本形式二、作物生長對農田土壤水分狀況的要求三、農田土壤水分運動四、土壤—植物—大氣連續體水分運移五、農田土壤水調控第一節農田土壤水分狀況第一節農田土壤水分狀況三、農田土壤水分運動

土壤水是農田水分存在的主要形式，土壤水分運動是農田水分循環的一個重要環節。飽和水達西定律(1856)------毛管假設(1877)------水分形態分類(1877)----毛管勢概念（1907）----達西定律推廣(1931)研究土壤水分運動可用毛管理論（形態學）與勢能理論（能量觀點）。形態學簡單、形象，可用來定性分析研究土壤水分問題。應用能量觀點研究土壤水分運動，便于用數學模擬方法及儀器定量反映土壤水分變化，為定量分析研究土壤水分問題提供了條件。第一節農田土壤水分狀況1.土水勢概念：在標準大氣壓下，可逆并且等溫地將無窮小單位數量的指定高度的純水，移至土壤中所必須做的功。勢的概念可應用于土壤中水分運動的所有過程，如滲透、排水以及毛管上升等。土壤水分一直是從勢高的部位流向勢低的部位，并在這一移動的過程中釋放能量。這個運動一直持續到其總勢在土壤中所有部分都相等為止。

三、農田土壤水分運動

第一節農田土壤水分狀況1.土水勢土壤中的水勢一般主要由重力勢、基質勢、滲透勢、壓力勢、溫度勢等構成。

重力勢（gravitationalpotential）：將單位數量的土壤水從某一點移動到標準參照狀態（或參考狀態）水平處，而其他各項維持不變時，土壤水所做的功即為該點土壤水的重力勢。

土水勢＝基質勢＋重力勢＋壓力勢＋溶質勢＋溫度勢＝Φm+Φg+Φp+Φs+ΦT三、農田土壤水分運動

第一節農田土壤水分狀況1.土水勢

基質勢（matricpotential）：又稱基膜勢，系土壤基質對水分的吸持作用引起，水和土壤骨架之間的毛管力和吸附力將土壤水束縛在土壤中，為了克服這種吸持作用，將土壤水移動到標準參照狀態（自由水，無束縛），必須對土壤水所做的功稱為土壤水的基質勢。

壓力勢（pressurepotential）：由壓力場中的壓力差引起，常將標準參照狀態下的壓力定義為標準大氣壓或當地大氣壓，相對于大氣壓力所存在的勢能差為壓力勢。三、農田土壤水分運動

第一節農田土壤水分狀況1.土水勢

溶質勢（osmoticpotential）：系由于可溶性物質（如鹽類）溶解于土壤溶液中，降低了土壤溶液的勢能所導致，由于溶質對水分子具有吸引力，將水分移動到標準參照狀態（純自由水）時，必須對土壤水做功，這種溶液與純自由水之間存在的勢能差即稱為溶質勢。溫度勢（temperaturepotential）：由于溫度場的溫差引起，土壤中任一點土壤水分的溫度勢由該點的溫度與標準參照狀態的溫度之差所決定。三、農田土壤水分運動

第一節農田土壤水分狀況1.土水勢但一般情況下，由于非飽和土壤中，ΦP=0，而ΦT與Φs對土壤水分運動的影響都可忽略，故土水勢常被簡化為：

Φ=Φm+Φg對于飽和土壤，必須考慮重力勢；鹽堿地必須考慮溶質勢。張力計結構示意圖

電信號張力計（美國）三、農田土壤水分運動

第一節農田土壤水分狀況2.土壤水分特征曲線概念：土壤水的基質勢或土壤水吸力是隨土壤含水率而變化的，其關系曲線稱為土壤水分特征曲線。土壤水分特征曲線表示土壤水的能量和數量之間的關系，是研究土壤水分的保持和運動所用到的反映土壤水分基本特性的曲線。土壤水分特征曲線的測定多用壓力膜法三、農田土壤水分運動

第一節農田土壤水分狀況不同土壤質地對土壤水分特征曲線的影響第一節農田土壤水分狀況3．達西定律——1856年Darcy提出水分在飽和土壤中流動的動力是土壤水的勢能梯度．土壤水流速的大小與土壤水勢梯度成正比，其流向與勢能減小的方向相一致，即式中：q為土壤水流速（單位時間通過單位導水斷面的水量）；K為飽和導水率常數（單位勢能梯度下的水流通量）三、農田土壤水分運動

第一節農田土壤水分狀況3．達西定律——1856年Darcy提出1931年Richards的研究證明達西定律同樣適用于非飽和土壤水運動只是導水率不再是常數式中：qx，

qy，

qz分別為x，

y，

z方向上的土壤水滲透速度；θ為土壤體積含水率。Φ為土水勢（單位數量土壤水分的勢能）。三、農田土壤水分運動

第一節農田土壤水分狀況4．土壤水分運動基本方程根據達西定律：三、農田土壤水分運動

第一節農田土壤水分狀況4．土壤水分運動基本方程其中h為基質勢水頭，取決于土壤的干濕狀況；而位置水頭則取決于參考面的位置。K（）為土壤的非飽和導水率，、、則分別為x,y,z方向的水勢梯度。式中：、、分別為沿x、y、z軸的水流通量；ф為土壤的總水勢，由于研究非飽和土壤水分運動，可忽略溶質勢(滲透勢)、壓力勢及溫度勢，而僅考慮重力勢和基質勢，即。三、農田土壤水分運動

第一節農田土壤水分狀況4．土壤水分運動基本方程假設水的密度為常數，且土壤具有各向同性，dx、dy、dz不隨時間變化（固相骨架不變形），則在dt時間內，流入和流出單元體的土壤水分質量差總計為:dt時間內單元體內土壤水分質量的變化量為:

三、農田土壤水分運動

第一節農田土壤水分狀況4．土壤水分運動基本方程

非飽和土壤水運動的基本方程式:三、農田土壤水分運動

第一節農田土壤水分狀況5．入滲條件下土壤水分運動降雨和灌水時水分向土壤中入滲，入滲速度、一定時段內的累計入滲量、入滲后水分在土壤剖面上的分布是確定灌水定額、制定灌溉制度的依據。

（１）入滲過程的一般規律it—t和I—t關系曲線示意圖時間t(min)三、農田土壤水分運動

第一節農田土壤水分狀況5．入滲條件下土壤水分運動（１）入滲過程的一般規律當入滲前土壤的初始含水率很小時，地面維持有薄水層的初始入滲速度很大，地面處的土壤含水率在很短的時間內就接近于土壤的飽和含水率。隨著入滲時間的延長，由于入滲路徑加長，從地面到入滲鋒面的水勢梯度逐漸減小，所以入滲速度也不斷地減小，最后趨于一穩定值，它接近于土壤的滲透系數K。通常以入滲速度及累積入滲水量與時間t的關系曲線描述入滲規律。三、農田土壤水分運動

第一節農田土壤水分狀況5．入滲條件下土壤水分運動（2）入滲量的計算一般情況下，it—t和I—t關系曲線可由田間雙環入滲實驗或實驗室土柱入滲實驗測定。生產實踐中，常采用經驗公式計算入滲速度和入滲量。1)考斯加可夫(A．H．KOCTЯKOB)公式：

式中：it是任一時間的入滲速度，以單位時間滲入土壤的水層厚度(mm／min或cm／h)計；i1是第一單位時間末的入滲速度；t為入滲時間(min或h)；α為經驗指數，決定于土壤性質和初始含水率，α=0.3～0.8。輕質土壤α值小，重質土壤α值大；初始含水率愈高，α值愈小，一般土壤可取α=0.5。

三、農田土壤水分運動

三、農田土壤水分運動將實驗資料I、t按時序求出i＝?I／?t，取1gi及1gt，點繪于雙對數紙上，可擬合成一條直線，如圖1—5所示。累計入滲量與入滲時間的關系可用下式計算：

由于(lgil—lgi2)／(1gt1—1gt2)＝-tgθ＝-α

，所以α

就是直線的斜率。將直線向左上方延長，得其在縱坐標上的截距即為i1。有了α及il后，累計入滲量與入滲時間的關系可用下式計算：圖1—5lgi一lgt關系圖

1第一節農田土壤水分狀況5．入滲條件下土壤水分運動（2）入滲量的計算1)考斯加可夫公式累計入滲量與入滲時間的關系可用下式計算：三、農田土壤水分運動

第一節農田土壤水分狀況5．入滲條件下土壤水分運動（2）入滲量的計算

2)菲利普(J．R．Philip)入滲公式式中：S為滲吸系數；if為穩定入滲速度；二者都是與土壤性質有關的參數，S值還與初始含水率有關。初始含水率越低，S值愈大。在入滲初期，參數S起主要作用，相當于水平滲吸的情況。隨著入滲時間的增長，if

參數則成為影響入滲的主要因素。當應用菲利普(Philip)公式解決實際問題時，入滲參數S和if常由入滲試驗求出。三、農田土壤水分運動

第一節農田土壤水分狀況5．入滲條件下土壤水分運動（3）入滲時土壤剖面含水量的計算在灌水和雨量稍大的降雨過程中，地表形成薄水層，當假定地下水埋深較大，且剖面土壤含水率均勻分布時，土壤的入滲可視為垂直一維入滲問題，其定解條件寫為：三、農田土壤水分運動

第一節農田土壤水分狀況6．蒸發條件下土壤水分運動

(1)無地下水位補給條件下的土壤水分蒸發

蒸發過程中一般可分為三個階段：

第一階段是穩定蒸發階段；

第二階段開始于土壤含水率逐漸減少到θ≤θk稱為蒸發強度遞減階段；第三階段：蒸發強度不僅取決于干土層厚度，而且取決于干土層內水汽擴散的能力．

三、農田土壤水分運動

第一節農田土壤水分狀況6．蒸發條件下土壤水分運動

(2)地下水位補給條件下的土壤水分蒸發

當地下水位埋藏深度較淺時，表土蒸發消耗掉的水分在毛管力作用下由地下水得到補給。當外界蒸發力不隨時間而變時，土壤水分蒸發強度與潛水向上補給的通量處于相對平衡狀態，形成穩定蒸發。這時從地面到地下水位的剖面含水量分布及吸力分布也維持相對穩定狀態。

三、農田土壤水分運動

第一節農田土壤水分狀況四、土壤一植物一大氣連續體水分運移

菲利普1966年提出了較為完整的SPAC（soil-plant-atmospherecontinuum）概念．水分經由土壤到達植物根表皮，進入根系后，通過植物莖，到達葉片，再由葉片氣孔擴散到大氣層，形成一個統一的、動態的相互連續系統。盡管介質不同，界面不一，但在物理上都可看作為一個統一的連續體．水在該系統中的流動過程互相銜接，而且完全可用統一的能量指標——“水勢”來研究整個SPAC系統中各個環節能量水平的變化，并計算出水流通量。第一節農田土壤水分狀況式中：q為水流通量；φs、φr、

φl、

φa分別為土水勢、根水勢、葉水勢、和大氣水勢；Rsr、Rrl

、Rla分別為土壤水分通過土壤到達根表皮，越過根部通過植物木質部導管輸送到葉氣孔腔，通過氣孔蒸騰擴散到周圍空氣中各段路徑的水流阻力。四、土壤一植物一大氣連續體水分運移

第一節農田土壤水分狀況

在SPAC中，水分運動的驅動力是水勢