浅谈地面灌溉的研究现状及发展趋势

魏阜森1，2唐 寅3潘 健4丁新新5

（1.湖州市水利投资发展有限公司；2.湖州市环湖大堤管理所；3.中煤科工集团重庆设计研究院有限公司；4.湖州市老虎潭水库水源地管理处；5.湖州市水政监察支队）

【摘 要】 本文综述了我国地面灌溉现有的技术措施，总结了影响地面灌溉效果的因素，探讨了灌溉技术和设备方面的国内外研究现状，分析了目前存在的问题，阐述了新的灌溉方法以及地面灌溉未来的发展趋势，并提出需要进一步研究探讨的有关问题。

【关键词】 地面灌溉；灌溉技术；影响因素；模型

地面灌溉是利用沟、畦或格田等作为输受水界面，使进入田间的水在重力作用下渗入作物根区，湿润土壤的古老而又广泛应用的灌水方法。它虽然具有所需田间工程设施简单、能源消耗低、易于实施等的显著优点，但也存在着田间水量渗漏损失大，灌溉效率低，灌水均匀度分布不易提高以及表层土壤易板结等缺陷。因此，研究地面灌溉理论，改进、完善、发展地面灌水技术，对减少农业水资源浪费，提高田间水利用率和灌水均匀度，减小灌水定额是一项投资小、操作简便、效果显著的农业节水增产措施，对提高灌水质量，扩大灌溉面积等方面都有直接效益。

目前在世界范围内，地面灌溉方法仍然是最重要和应用最广泛的灌水方法。如美国1997年地面灌溉面积占50.7%[1]（段爱旺等，1999），俄罗斯占80%[2]（魏新平等，1996），中国占95%，其中畦、沟灌溉占了大部分[3]（李益农等，2001），全世界灌溉面积的90%以上也在应用地面灌溉技术[4]，地面灌溉早在4000年以前就已经开始应用，是目前世界上应用最广泛、最主要的一种方法。虽然近年来人们热衷于喷、微灌等压力灌溉系统的研究与推行，但地面灌溉与这些先进的灌水技术相比，具有投资少、运行费用低、使用管理简便等优点，而且研究显示，管理好地面灌溉系统可获得接近于压力灌溉系统的灌溉效率[5]。随着能源紧缺现象的严重，人们不得不又重新重视耗能低的地面灌溉。据统计，全世界地面灌溉面积占总灌溉面积的95%以上，其中美国和俄罗斯占50%以上。目前，我国所采用的灌水技术，由于受到资金、能源和喷、微灌设备条件的限制，不可能在短期内大量发展喷、微灌，灌溉面积的98%仍需采用地面灌溉的方式，其中除水稻种植面积外，小麦、玉米、棉花、油料等主要旱作物种植面积中大多采用地面灌溉—畦灌或沟灌。但地面灌溉一直存在着灌水均匀度差、用水量大、深层渗漏严重等缺点，浪费水的现象十分严重。调查结果显示，传统的灌溉方式使我国农业成了用水大户，其用水量占全国总用水量的70%以上，而水的有效利用率只有30%～40%，仅为发达国家的50%左右，水的粮食生产能力只有0.85kg/m3左右，远低于发达国家2kg/m3以上的水平。因此，研究地面灌溉理论，改进、完善、发展地面灌溉技术是一项有重要意义的工作。

1　我国地面灌溉现有技术措施

1.1　水平畦田灌溉技术

水平畦田灌溉技术已在我国得到了广泛应用。它是在激光平地的基础上，采用较大入畦流量，使水快速、均匀地分布在整个畦田的一种灌溉方式，具有灌水快、省工、深层渗漏小等优点，田间灌水效率可达80%。畦田中水均匀入渗，起到了淋洗土壤盐分的作用，还可以直接控制供水时间，便于自动化管理。这种方法适合于所有作物和土壤条件，尤其适合于入渗率较低或中等的土壤[6]。水平畦灌畦田面积一般为2～6.67hm2，有的可达16hm2左右。水平畦灌对土地平整要求较高，一般要求地块内地面高差不超过12.4cm。如果使用激光平地技术，地面高差还会更小；推广水平畦灌技术离不开现代化的土地平整技术；如果土地不平会造成灌水不均匀，危害作物等。其应用效果如下：①田间灌溉水利用率由平均50%提高到80%；②灌溉均匀度由70%提高到85%左右；③与其他农业综合技术措施配合后，采用常规机械进行粗平后年可增产20%，采用激光控制进行精平后年可增产30%；④作物的水分生产率由1.13kg/m3的提高到1.7kg/m3。

1.2　小畦“三改”灌溉技术

小畦“三改”是指长畦改短畦，宽畦改窄畦，大畦改小畦。其主要目的是灌溉水在田间分布均匀，节约灌溉时间，减少灌溉水的流失，促进作物健壮生长，增产节水。这种灌溉方法既可以节约水量，易于实现小定额灌水，又能灌水均匀，提高灌溉质量，还能够减轻土壤冲刷和土壤板结，减少土壤养分流失。这种灌水技术要点主要有：①畦长，自流灌区以30～50m为宜，最长不超过80m，机井和高扬程提水灌区以30m左右为宜；②畦田宽度，自流灌区为2～3m，机井提水灌区以1～2m为宜；③单宽流量，地面坡度在1/400～1/1000范围时，单宽流量为0.12～0.27m3/min，灌水定额为300～675m3/hm2；④其他要求，畦埂高度一般为0.2～0.3m，底宽0.4m左右，地头埂和路边埂可适当加宽培厚。

1.3　长畦分段短灌灌溉技术

小畦灌灌溉技术需要增加田间输水渠沟和分水、控水装置，畦埂也较多，在实践中推广应用存在一定的难度。从20世纪80年代初开始，我国北方干旱缺水地区开始采用长畦分段短灌灌溉技术，即将一条长畦分成若干个没有横向畦埂的短畦，采用地面纵向输水沟或塑料薄壁软管将灌溉水输送到畦田，然后自上而下依次逐段向短畦内灌水，直至将全部短畦灌完为止。该技术具有节水、省工、适应性强、易于推广、便于田间耕作等优点。长畦分段短灌技术的畦宽可以为5～10m，畦长可达200m以上，一般均在100～400m，但其单宽流量并不增大。要求正确确定入畦灌水流量，侧向分段开口的间距（即短畦长度与间距）和分段改水时间。

1.4　平整土地，设计合理的沟、畦尺寸与灌溉技术

平整土地是提高地面灌溉技术和灌溉质量，缩短灌溉时间，提高灌溉劳动效率和节水增产的一项重要措施。基于激光控制技术、全球定位系统GPS和地理信息系统GIS、先进机械制造技术、电子技术等构建的激光控制土地精细平整技术的应用，可实现高精度的农田土地平整。田面微地形条件的明显改善为灌溉水流沿田面运动提供了相对平顺的受水下界面，可显著改善地表水流运动状态和土壤受水均布性。结合土地平整，进行田间工程改造，划长畦（沟）为短畦（沟），改宽畦为窄畦，设计合理的畦沟尺寸和入畦（沟）流量，可大大提高灌水均匀度和灌水效率。

1.5　波涌灌溉

波涌灌溉[7]是采用间歇供水大流量向沟（畦）供水，通过灌溉过程形成致密层，减小土壤入渗能力、田面糙率，以提高灌溉均匀度的新型地面灌溉方法，国内外对波涌灌的减渗机理、水流运动模型灌溉技术指标及其适应土壤种类进行了大量的研究表明，与灌溉方法相比，波涌灌溉可以加快地面水流的推进速度，提高灌溉均匀度，在砂壤土和中壤土沟灌时节水效果明显。利用波涌自动控制阀还可实现地面灌溉的自动化，在灌溉自动化程度较高的国家已得到较为广泛的应用。目前我国研制的波涌灌设备自动化程度低，实施波涌灌溉技术易造成灌溉用工量大，管理困难，而且由于各地区情况差异大，还缺乏不同地区波涌灌溉技术标准，使其应用仅限于很小的范围。今后应结合各地条件研究合理波涌灌溉的技术标准，研制低成本、高可靠性的波涌灌控制阀，同时还应加强浑水条件下波涌灌溉技术的研究。

1.6　闸管灌溉

田间闸管灌溉是利用一侧带有许多小型闸门的可移动管道，水流通过这些闸门进入畦（沟），并用闸门开度调节控制进入畦（沟）流量的灌溉方式。根据其材料不同，可分为柔性闸管和硬闸管，柔性闸管也称作地面软管，成本低，易于使用，但其寿命相对较短；硬闸管常用抗老化PVC或铝等材料，使用寿命长，但造价相对较高，目前我国普遍应用柔性闸管。田间闸管既可以替代土毛渠起到田间配水的作用，同时也可以通过闸阀控制，调整分配的畦（沟）水量。李益农[8]等（2003）在新疆进行的闸管灌溉研究表明，当使用年限为3年时折算系统每公顷年投资为75～240元，田间灌溉水利用率达到了80%，可比现状节水30%～40%，可减轻劳动强度，减少田间毛渠及田埂占地，具有投资少、见效快、使用简单的特点，适合我国大田作物推广。今后应充分利用现代材料科技的成果，重点开发低成本、耐老化、强度适宜的闸管管材，并加强渠灌区闸管灌配套技术研究。

1.7　膜孔膜侧灌溉

膜孔膜侧灌溉是在地膜栽培的基础上利用膜上或膜侧输水，通过膜孔或膜侧缝向作物供水的灌溉方法，它在不增加投入的前提下，解决了普通沟畦灌易在田块首部发生深层渗漏、灌水均匀度不易提高等问题；同时它在作物根部局部施水，改善了土壤通气状况，有利于作物生长发育，提高单位面积产量；它还能实现小定额灌溉，可降低棵间蒸发，提高灌溉水利用率，特别适合于在砂壤土和中壤土中推广。目前国内在膜孔灌的点源入渗规律、水流运动过程、灌水技术要素组合及其增产效果等方面进行了较多研究，部分成果已在新疆等地得到较好推广。今后需要研究的问题是：膜孔灌溉的入渗、水分、热、盐、溶质运移规律等及其节水增产机理；不同地区和作物膜孔膜侧灌技术要素之间的相互关系及合理灌溉技术指标；膜孔膜侧灌溉田间配水装置；膜孔膜侧灌溉制度；膜孔灌溉铺膜点播机等；另外膜侧灌溉的研究较少，应进一步加强。同时膜孔膜侧灌溉在设施农业中应用可以达到既节水又降低设施内空气湿度，减小病虫害发生概率，提高作物产量和品质的作用，是设施农业中一种低成本的灌溉技术，推广前景广阔，今后应加大研究推广工作。

1.8　隔沟灌溉技术

隔沟灌溉也是沟灌的一种节水形式，灌水时一条沟灌水，一条沟不灌水，即隔沟灌水。该方法灌水量小，灌水定额仅225～300m3/hm2，可减轻灌后遇雨对作物的不利影响，适用于缺水地区或必须采用小定额灌溉的时期，如棉花的幼苗期等。

1.9　间歇灌溉技术

间歇灌溉也称波涌灌溉，它是20世纪80年代初美国研究成功的一项地面灌溉技术。其做法是先用较大流量把水推进一段距离，暂停灌水，间隔一定时间后再次放水，如此断断续续，使水流呈波涌状推进。由于这种灌水方法水流推进速度快，土壤空隙会自动关闭，在土壤表层形成一个薄封闭层，大大减小深层渗漏。

2　影响灌溉效果的主要因素

2.1　入畦单宽流量

入畦单宽流量越大，水流的推进过程就越快，有助于获得较好的灌溉效果。但入畦单宽流量的大小，取决于畦田的宽度，宽度越小，入畦单宽流量越大。

2.2　畦田长度

畦田的长短，对田间灌溉水利用率的影响越大。

2.3　微地形条件

田块的平整度对提高灌溉效果的影响较大，地面越平整，灌溉均匀度和田间灌溉水利用率越高。

2.4　土壤特性

土壤特性对灌溉均匀度和田间灌溉水利用率的影响是特定的，由土壤性质所决定，当土壤的入渗参数值较大时，需要的灌溉供水时间也较长，在田间管理水平较低的情况下，灌溉均匀度和田间灌溉水利用率就比较低。

3　地面灌溉模型研究现状

从水力学角度出发可将地面灌溉田面水流运动看成是透水界面上的非恒定流，一般可用一维非恒定流运动方程，并考虑土壤入渗因素建立数学模型。主要有以下四种数学模型。

3.1　水量平衡模型（Water Balance Model）

它是在假定田面积水深度不变且不计蒸发损失的情况下，根据质量守恒原理，认为入畦流量等于入渗量与表层积水量之和，即

式中 Q0——进入畦田水量，L；

x——水流前峰到进水端的距离，m；

s——任意时刻水流推进长度，m；

A——入畦水流在任一时刻的横断面积，m2；

Z——入渗水层深度，m。

3.2　完全水动力学模型（Full Hydrodynamic Model）

完全水动力学模型是基于质量守恒的基本思想，以灌水畦（沟）内水流的流速v、水深H、流量Q及截面面积A之间的水力关系建模的，其关系满足圣维南方程，即

式中 Q——入畦沟水流在任一时刻的横断流量，L/s；

I——（x，t）点在单位长度上的入渗水量，L/m；

v——流速，m/s；

S0——畦田纵坡；

St——阻力坡降；

q——单宽流量，L/（s·m）；

n——满宁糙率；

y——任意t时刻的田面入流水深，m。

该模型具有坚实的理论基础，适用性广，但求解繁琐复杂，目前应用较少。Strelkoff、Holzapfel、Sing和Murty等[9-11]应用此模型研究地面灌溉水流运动规律。

3.3　零惯性量模型（Zero-inertia Model）

零惯性量模型由Strelkoff和Katapodes[9]于1977年提出，它是由完全水动力学模型忽略加速度项简化而来的，即

式中 t——净入渗时间，min；

y——任意t时刻的田面入流水深，m。

经 过Elliot等（1982）、Oweis（1983）、Rayej和Wallender（1985）、Schmitz（1990）、Clemmens和Wattburge（1989）、Strelkoff（2003）、Fariborz（2003）等[12-16]的研究发展，该模型已经很成熟了，应用也很广泛。与完全水动力学模型相比，该模型计算大为简化，计算精度高，但该模型仅适用于畦面坡度小、入畦水流加速度较小可忽略情况下的地面灌溉水流运动模拟，其他情况下模拟精度受到影响。

3.4　运动波模型（Kinematic Wave Model）

运动波模型是Smith[18]在1972年基于连续方程和均匀流假定基础上建立的，即

式中 d1、d2——经验参数。Sherman和Singh（1978，1982）等[17]发展了该模型，它适用于当灌溉的畦田呈水平或近于水平状态，畦田水流以大流量推进时的水流运动模拟，其他情况下模拟精度较差。

以上四种模型都在不同程度上反映了水流连续原理和动量守恒原理，经验证明都能取得较好的效果。完全水动力学模型在理论上最完善，模拟精度最高，但是计算复杂，实际中应用较少。水量平衡模型和运动波模型由于自身的简化，适用范围受到限制。目前零惯性量模型应用最多，应用时一般是先根据实际研究的问题，确定边界条件，然后用数学方法求解方程，得到地面灌溉的水流运动规律和灌水技术要素。即使简化后的零惯性量模型求解也是困难的，对于地面水流的运动模拟，需要开发通用高效的软件。

4　地面灌溉的发展趋势

由于降雨时空分布不均，我国农业对灌溉的依赖性很大。随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，非农业用水量日益增加，水资源供需矛盾已成为农业持续发展的主要制约因素。因此，改进农业用水管理，提高灌溉水的利用效率是当前迫切需要解决的问题，而农业用水管理中最主要的研究内容就是灌溉制度的改进和灌水技术的提高。

4.1　地面灌溉新技术[18]

4.1.1　污水灌溉

利用污水灌溉是将污水处理与农业用水结合起来的一种污水处理方式，同时又是一种开源节流的灌溉方式。在利用污水喷灌时，应先对污水进行沉淀、筛滤，除去固体污物，有的还需加入消毒杀菌剂。污水灌溉作物应以除蔬菜以外的经济作物为主，对于谷类作物最好用于作物生育前期，在作物收获前一段时间应停止污水灌溉。污水灌溉的土壤以砂壤土、壤土和壤质砂土为好，水量应结合作物的种类和生育期确定，如在作物苗期、早春和晚秋应少灌。实施污水灌要防止大定额灌溉，以免造成地表及地下径流，灌溉强度以不造成土壤黏闭和不产生地表径流为原则。

4.1.2　咸水灌溉

咸水灌溉技术主要包括不同水质的水混灌和轮灌，此外，还有依据电渗透作用原理利用地下咸水灌溉的技术。混灌是将两种不同的灌溉水混合使用，包括咸淡混灌、咸碱（低矿化碱性水）混灌和两种不同盐渍度的咸水混灌，目的是降低灌溉水的总盐渍度或改变其盐分组成。混灌在提高灌溉水水质的同时，也增加了可灌水的总量，使以前不能使用的碱水或高盐渍度的咸水得以利用。轮灌是根据水资源分布、作物种类及其耐盐性和作物生育阶段等交替使用咸淡水进行灌溉的一种方法。如旱季用咸水，雨后有河水时用淡水；强耐盐作物（如棉花）用咸水，弱耐盐作物（如小麦、玉米、大豆）用淡水；播前和苗期用淡水，而在作物的中、后期用咸水。轮灌可充分、有效地发挥咸淡水各自的作用和效益。

4.2　地面灌溉未来发展趋势

（1）应用激光平地技术，实施精细地面灌溉技术[19]。研发较佳性价比且与简易GPS设备相结合的田面地形高程测量装备，开发集精平工程优化设计、精平过程动态模拟仿真、平地施工策略智能化选择、精平效果动态实时图形显示为一体的土地精平工程优化设计辅助决策支持系统；基于系统工程优化设计原理与思路，开展将激光接收与控制设备、精平铲运装置、液压伺服控制系统和精平设备机械结构作为整体考虑的集光学、机械、电子、液压等特性一体化的综合系统设计研究，开发与不同种类拖拉机动力相匹配、能耗低、效率高、整体性能好的农田土地激光控制精细平地系统；进一步分析评价不同拖拉机牵引动力与相应精平铲运设备组合下的土地精平应用模式效果，尤其是大功率牵引动力与大容积铲运设备构成的精平设备组合应用模式下的土地精平效果、平地施工作业效率和精平效益。高精度的土地平整是提高地面灌溉质量的基础，激光平地可实现高精度的土地平整，在发达国家应用广泛。随着我国现代农业的发展和激光平地机械成本的降低，激光平地技术将会逐步推广。

（2）应用地面灌溉实时反馈控制技术提高对灌溉过程的控制。与其他压力灌溉方法相比，地面灌溉条件下水流在田间运动扩散的过程复杂，因此监测水流运动，反推地面灌溉的控制参数，实现对地面灌溉全过程的精细反馈控制是未来研究的重要方向[20]。

（3）应用高效节水地面灌溉技术和设备，实现地面灌溉自动化。积极采用水平畦田灌溉技术、波涌灌溉技术、绳索灌溉技术等先进的地面灌溉技术，不但可以使地面灌溉具有一定的自动化能力，而且也保证了高效节水效果的实现，这也是地面灌溉发展的方向之一[21]。当前我们应加强适合国情的地面灌溉技术标准化体系研究，形成可操作性强的技术指标，促进田间工程建设和灌溉管理的规范化。长畦分段灌溉、阶式水平畦灌、膜孔膜侧灌适应性强，节水技术简单，易推广，是适合国情并正在迅速推广的节水灌溉新技术，对这些灌溉条件下的水流运动和合理灌水技术指标的研究尚较少，今后需要深入研究并确定出不同地区和作物的灌水技术标准参数，促进上述技术的推广[22]。

（4）考虑地面灌溉特点，制定合理的灌溉制度，加强地面灌溉的田间管理。由于地面灌溉方法的局限，采用地面灌溉技术难以实现小定额灌溉。因此，未来灌溉制度制定需要与地面灌溉技术结合起来进行，形成可操作性强的集成技术体系[23]。应研究和验证用于评价地面灌溉系统设计和管理所涉及的土壤特性的方法学，开展实时确定土壤特性参数方法及其尺度分布效应的研究，建立土壤入渗参数与其他土壤物理特征参数间的对应转换关系，利用地面灌溉试验数据和土壤传递函数方法确定Green-Ampt入渗公式的田间平均参数[24]，在灌区尺度开展地面灌溉系统性能整体评价，深化对地面灌溉过程控制方法的研究，继续探讨利用部分田间实测试验数据预测地面灌溉过程的方法与手段，为开展地面灌溉过程实时反馈控制提供科学依据；研发智能化的灌溉信息采集装置和用于精量地面灌溉控制的设备与装置，建立具有监测、传输、诊断、决策功能的精量地面灌溉控制用水系统。

（5）利用空气中的水分进行灌溉。利用空气中的水分进行灌溉就是通过一定的设施来收集空气中的水分，直接供给植物利用或汇集到蓄水池中以供灌溉之用。德国研究人员用一个圆筒来收集空气中的水分，其内壁涂有吸收光热的涂料，圆筒与若干个喷嘴管连接，将喷嘴管埋在两行植物根部之间[25]。白天高温烤热的空气经圆筒进入喷嘴管，到夜间降温时，空气中的水分就凝结成了露水珠而流到作物的根部。秘鲁的研究人员沿海岸垂直张挂一些大型尼龙网，以吸聚雾气，待雾变为水后流进蓄水池，以供沿海滩涂灌溉之用。智利的科研人员利用沙漠地区的云雾来改造沙漠，他们在巨大的框架上面安装由聚丙烯塑料制成的双层网来“捕捉”云雾，云雾在网上凝结成水，汇集到储水池中，以供种植的林草或天然沙生植物的灌溉之用。对于沙漠地区和缺乏淡水的沿海地区，利用空气中的水分进行灌溉是一种可取的方法，但如何降低成本，提高效率和实用性是今后应着重解决的问题。

（6）研发基于地表非稳定流的地面灌溉。具体内容为在数值模型基础上开发适用于农田、灌区和流域尺度灌溉系统的地面灌溉模拟与设计及评价软件工具[26]，并在模型中考虑模拟地表水流溶质运移的功能；在现有模型中直接增添优化设计地面灌溉系统和评价其运行特性的功能，使模型具备更为灵活的地面灌溉系统优化设计与运行管理性能以及对相关技术要素进行敏感性分析的能力；在开展基于过程耦合的地表水与地下水关联状况及其溶质运移规律研究的基础上，探讨不同地面灌溉方式下的土壤水运动差异对农田水循环及溶质运移过程的影响[27]，研究精细地面灌溉施肥技术下作物水肥调控机理与高效利用模式，通过合理的系统设计与管理措施减少养分和肥料淋失，维系灌溉农业生态系统的良性循环。

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