第三节 地面灌溉设计

地面灌溉设计就是根据实际资料，以完成计划灌水定额为前提，以灌水质量较高为目标，确定合理的灌水技术要素，包括沟畦规格、流量、持续灌水时间和改水成数。

一、畦灌系统设计

1.畦田（沟）规格

畦宽取决于畦田的横向坡度、土壤的入渗能力、农业机械的宽度等因素，一般约2～4m。

畦长取决于畦田的纵向坡度、土壤的入渗能力、水源可提供的灌水流量等因素，一般可在60～300m范围内选取，土壤入渗能力高、纵坡较小的，取短些，反之取大些。畦长可以参考表1-3中的数值来确定。

2.灌水持续时间

灌水持续时间取决于灌水定额、土壤入渗能力等因素。在假定灌水均匀度为1的前提下，各处的土壤入渗历时等于灌水持续时间，累积入渗水深等于灌水定额，即

式中 t——灌水持续时间，min；

α——入渗指数，无因次；

K——入渗系数，mm/min。

根据式（1-7）推导，得估算灌水持续时间的公式

式中 各符号意义同前。

3.单宽流量

对于畦灌，按照水量平衡原理，有

式中 t——灌水持续时间，min；

q——入畦单宽流量，L/（m·s）；

m——计划灌水定额，mm；

L——畦长，m。

根据上式及式（1-8），可得单宽流量为

式中 各符号意义同前。

单宽流量还应保证不冲刷土壤，而且又能分散覆盖于整个田面，其最大、最小单宽流量分别为

式中 qmax——最大单宽流量，L/（m·s）；

s0——地面坡度，无量纲；

L——畦长，m；

n——曼宁糙率系数。

畦首的水深不应超过畦埂高度。畦首水深的计算式为

式中 y0——畦首水深，m；

其余符号意义同前。

如果由式（1-9）计算出的单宽流量不满足最大、最小单宽流量的限制，或畦首水深超过了畦埂高度，则应调整灌水定额、畦田规格等，以满足要求。

4.改水成数

改水成数与灌水定额、土壤入渗能力、坡度、畦长、单宽流量等条件有关，一般有七成改水、八成改水、九成改水和满流改水。改水成数需要通过田间试验或其他更复杂的理论计算来确定。一般对于地面坡度大、单宽流量大、土壤入渗能力低的畦田，改水成数取低值，反之取高值。

河南省引黄灌区根据畦灌试验，给出了不同土壤质地、不同坡度条件下的灌水技术要素，列于表1-4，供参考。

【例1-2】 冬小麦畦田的起身-拔节期间，灌水定额确定为60mm。畦田规格为畦宽3m，畦长70m，畦埂高度0.20m。畦田的纵坡0.001。土壤为黏壤土，经田间实际测定，考斯加可夫模型的入渗指数α=0.377，入渗系数K=18.6mm/min，曼宁糙率系数n=0.084。试确定灌水持续时间和入畦单宽流量。

根据式（1-8）计算灌水持续时间t。将灌水定额m=60mm，入渗指数α=0.377，入渗系数K=18.6mm/min代入公式，得灌水持续时间为

根据式（1-9）计算单宽流量。将灌水定额m=60mm，畦长L=70m，灌水持续时间t=22.3min代入公式，得入畦单宽流量为

将畦田纵坡s0=0.001代入式（1-10），计算最大单宽流量为

将畦田纵坡s0=0.001，畦长L=70m，满宁糙率系数n=0.084代入式（1-11），计算最小单宽流量为

将入畦单宽流量q=3.1L/（m·s），畦田纵坡s0=0.001，满宁糙率系数n=0.084代入式（1-12），计算畦首水深为

入畦单宽流量为3.1L/（m·s）满足最大、最小限制，畦首水深不超过畦埂高度，于是入畦单宽流量取3.1L/（m·s），相应的灌水持续时间为22.3min。

二、沟灌系统设计

1.灌水沟的规格

沟距应和灌水沟的湿润范围相适应，并满足农作物的耕作和栽培要求，一般在50～80cm范围内选取。入渗能力较低的重质土壤的湿润形状为水平方向较长的长椭圆形，因此沟距应取大值；中质土壤的入渗能力居中，沟距也应居中选取。沟距可以参考表1-5中的数值确定。

灌水沟的断面形状一般采用三角形、梯形。灌水沟的深度一般在25cm左右，宽度一般在30cm左右。

沟长主要取决于土壤的入渗能力和灌水沟的纵向坡度。当灌水沟纵向坡度较大，土壤入渗能力较低时，沟长可以取大些；当灌水沟纵向坡度较小，土壤入渗能力较高时，沟长应取小些。一般砂壤土上的沟长取30～50m，黏性土壤上的沟长取50～100m。沟长可以参考表1-6中的数值来确定。

2.灌水持续时间

灌水持续时间取决于灌水定额、土壤入渗能力等因素。本书在讲述入渗数学模型内容时已经提及，沟灌的入渗可以概化为以沟为中心，以沟距为宽度范围内的均匀入渗。按照此概化模型，累积入渗量为

式中 I——累积入渗量，mm；

IL——单位沟长上的入渗水量，m2；

d——灌水沟的沟距，m。

将概化的累积入渗量用考斯加可夫模型表示，即I=Ktα，并考虑灌水停止时刻沟中尚存蓄一定的水量的情况，则按照水量平衡原理有

式中 m——沟灌的灌水定额，mm；

d——沟距，m；

L——沟长，m；

b0——灌水沟中蓄水的平均水面宽度，m；

h——灌水沟平均蓄水深度，mm；

t——灌水持续时间，min；

α——概化模型的入渗指数，或称为沟灌的折引入渗指数，无因次；

K——概化模型的入渗系数，或称为沟灌的折引入渗系数，mm/min。

灌水沟平均蓄水深度h，一般在沟深度的1/3～2/3范围内选取，土壤入渗能力较低、灌水沟坡度较大的选小值，反之选大值。

于是，沟灌的灌水持续时间计算为

式中 各符号意义同前。

3.灌水流量

入沟流量一般以单沟流量来表示。和畦灌相同，单沟流量的大小主要取决于土壤的入渗能力、沟长、纵向坡度以及土壤的不冲流速和不淤流速等因素，一般取0.5～3.0L/s，土壤入渗能力高、沟较长、纵坡较小的，取大值，反之取小值。

对于沟灌，则按照水量平衡原理有

式中 t——灌水持续时间，min；

q——单沟流量，L/s；

m——计划灌水定额，mm；

d——沟距，m；

L——畦长，m。

根据上式及式（1-13），可得单沟流量为

式中 各符号意义同前。

单沟流量还应保证不冲刷土壤，因此也应该用灌水沟允许的最大流速校核。对于易侵蚀的淤泥土，灌水沟允许的最大流速为8m/min；对于砂土、黏土，灌水沟允许的最大流速为13m/min。

如果由式（1-15）计算出的单沟流量不满足最大流速的限制，则应调整灌水定额、畦田规格等，以满足要求。

4.改水成数

根据沟灌的灌水定额，土壤入渗能力，以及灌水沟的纵坡，沟长和入沟流量等条件，改水成数可采用七成改水、八成改水、九成改水或满流改水。一般对于地面坡度大、入沟流量大、土壤入渗能力低的灌水沟，改水成数取低值，反之取高值。

河南省引黄灌区根据沟灌试验，给出了不同土壤质地、不同坡度条件下的灌水技术要素，列于表1-7，供参考。