第二节 灌水质量评价

一、地面灌溉的灌水过程

以末端封堵的畦灌为例，其灌水过程可分为推进、成池、消退、退水4个阶段。

1.推进阶段

从放水入畦时刻开始，田面的水流前锋在到达畦尾前一直向前推进，这一过程称为推进阶段。

2.成池阶段

水流前锋到达畦尾后，开始积水成池，直至畦首切断灌水流量为止，这一阶段称为成池阶段。

3.消退阶段

畦首切断灌水流量后，土壤入渗使得田面积水逐渐减少，直至畦首的地表水深为0，露出地面为止，这一阶段称为消退阶段。

4.退水阶段

畦首露出地面后，畦田的积水部分的土壤入渗仍然在持续，田面积水逐渐减少，退水前锋不断地由畦首向畦尾移动，直至达到畦尾为止，这一阶段称为退水阶段。

在实际灌水过程中，成池阶段和消退阶段不一定存在，对于顺坡畦灌通常没有为非满流改水，因此没有该2个阶段。当tCO>tL时，有成池阶段；当tCO≤tL时，无成池阶段。对于土壤入渗能力中等以上的顺坡畦灌，为了提高灌水均匀度，常常在水流推进到田块末端以前切断灌水流量，即tCO≤tL，所以无成池阶段。对于没有成池阶段的顺坡畦灌，畦首切断灌水流量后，畦首的水深很快为0，即tD≈tCO，所以也可以认为不存在消退阶段。图1-5是地面灌溉的灌水过程示意图，其中图1.5（a）为有成池阶段阶段的情况，图1.5（b）为无成池阶段的情况。图中，坐标T为从开始放水的时刻算起的时间，坐标x为沿畦长方向离畦首的距离，tD表示退水阶段开始的时间，tR表示退水阶段结束的时间，tCO表示停水时间，tL表示水流前锋推进到畦尾的时间。以上各时间均从开始放水的时刻算起。

图1-5 灌水过程示意图

（a）有成池阶段；（b）无成池阶段

二、灌水质量评价指标

一般来说，灌入水量沿畦（沟）长的分布是不均匀的，从而使得有的地方入渗水量过大渗到根系贮水层以下，产生了浪费，有的地方入渗水量偏小，出现了欠灌。

图1-6 入渗水量分布示意图

图1-6是入渗水量分布的示意图。图中：x表示沿畦长方向离畦首的距离，m；L为畦长，m；I为某点的入渗水量，mm；Ireq为按灌水定额计算的需要入渗水量，mm；V1表示畦田中渗入根系贮水层的水量，m3；V2表示畦田中渗到根系贮水层以外的深层渗漏水量，m3；V3表示畦田中根系贮水层欠灌的水量，m3；xc为超灌与欠灌分界点对应的坐标x，m。该图也同样适合于沟灌。

目前，对于地面灌溉的灌水质量评价，最常用的指标有灌水均匀度和灌水效率。

1.灌水均匀度

灌水均匀度是指灌溉范围内，田间土壤湿润的均匀程度，通常用沿畦（沟）长多点入渗水深的值进行计算

其中

式中 Ed——灌水均匀度，无量纲；

n——沿畦（沟）长测量的入渗水深的横断面个数；

Ij——第j个横断面上的平均入渗水深，沟灌的入渗水深为单位沟长上的入渗水量除以沟距计算得到，mm；

I——沿畦（沟）长各横断面的平均入渗水深，mm；

ΔI——沿畦（沟）长各横断面的入渗水深的平均离差，mm。

2.灌水效率

灌水效率是指灌溉范围内，根系贮水层内增加的水量与灌入田间的水量之比，其计算式为

其中

式中 Ea——灌水效率，无量纲；

V1——单位宽度上渗入根系贮水层的水量，m2；

q——入畦（沟）单宽流量，沟灌的入沟单宽流量应以单沟流量除以沟距求得，L/（m·s）；

tCO——灌水持续时间，min；

Ireq——按灌水定额计算的需要入渗水量，mm；

xc——超灌与欠灌分界点对应的离畦首的距离，m；

n——沿畦（沟）长测量的入渗水深的横断面个数；

nc——xc对应的横断面序号；

Δxj——沿畦（沟）长方向第j个横断面和第j+1个横断面之间的距离，m；

Ij、Ij+1——第j个横断面、第j+1个横断面上的平均入渗水深，沟灌的入渗水深为单位沟长上的入渗水量除以沟距计算得到，mm。

此外，作为评价灌水质量的附加指标，还有需水效率、深层渗漏率和尾水率。

三、入渗水深的估算

在进行灌水质量评价过程中，各断面的入渗水深可以通过测定灌水前后的根层土壤含水率计算得到，也可以通过观测灌水过程的推进曲线和退水曲线，结合入渗模型来计算得到。

图1-7描述了无成池阶段的畦灌过程。坐标T为从开始放水的时刻算起的时间，坐标x表示离畦首的长度。对于任一横断面，退水时间与推进时间之差即为该断面的入渗历时，即

式中 tj——第j个横断面的入渗历时，min；

Tdj——第j个横断面的退水时间，min；

Taj——水流推进到第j个横断面的时间，min。

于是，在已知土壤入渗参数的情况下，根据考斯加可夫入渗模型便可求得第j个横断面的入渗水深

式中 Ij——第j个横断面的入渗水深，mm；

tj——第j个横断面的入渗历时，min；

α——入渗指数，无因次；

K——入渗系数，mm/min。

入渗参数α、K的确定，有很多种方法。利用双套环田间下渗仪测定畦田入渗参数是比较方便的方法。根据水量平衡原理，利用灌水的推进、退水过程观测资料以及灌水流量也可以反算出畦灌、沟灌的入渗参数，有兴趣的读者可以参考有关文献。

【例1-1】 研究人员进行畦灌试验，畦长L=100m，单宽流量q=3.0L/（m·s），灌水持续时间tCO=35min，按灌水定额计算的需要入渗水量Ireq=60mm。通过灌溉前后对根系贮水层土壤含水率观测结果计算，得出沿畦长各点的入渗水量，如图1-8所示，具体数据见表1-2。试计算灌水均匀度和灌水效率。

图1-7 入渗历时计算示意图

图1-8 入渗水量沿畦长方向的分布

1.灌水均匀度计算

入渗水量沿畦长方向的分布如图1-8所示。由入渗水量沿畦长分布的数据，可以计算出11个断面入渗水量的平均值为I=62.3mm。按ΔIj=|Ij-I|计算沿畦长各断面的入渗水深离差，结果见表1-2，均值为ΔI=10.1mm。利用式（1-5）计算灌水均匀度为

2.灌水效率计算

由所给数据可以看出，超灌与欠灌分界点对应的离畦首的距离xc=70m，即nc=8。单位宽度上渗入根系贮水层的水量为

利用式（1-6）计算灌水效率为