第一节 基本概念

一、地面灌溉的分类

按照灌溉水向田间输送的形式及湿润土壤的方式，地面灌溉可分为畦灌、沟灌和淹灌3类。

1.畦灌

畦灌是指将田块用畦埂分隔成许多矩形条状地块，灌溉水以薄层水流的形式输入田间，并借助重力作用渗入土壤的灌水方法，如图1-1所示。畦灌又分尾端封堵和自由排水2种，我国的畦灌多属于前者，称封闭畦灌。畦灌通常适用于大田作物。

图1-1 畦田布置示意图

根据畦田方向与地形等高线的关系，畦灌可以分为顺坡畦灌和横坡畦灌2种。当地面坡度较小（不超过2%）时，畦长方向一般垂直于等高线布置，这种畦灌称为顺坡畦灌；当地面坡度较大（大于2%）时，为了避免田面水流过快，畦长方向常与等高线平行布置，这种畦灌称为横坡畦灌。

根据畦田长度划分，畦灌又可以分为长畦灌和短畦灌2种。一般畦长小于或等于70m时畦灌称为短畦灌，否则称为长畦灌。

2.沟灌

沟灌是指将灌溉水引入田间灌水沟，并借助重力作用及毛细管作用向灌水沟四周土壤入渗的灌水方法，如图1-2所示。沟灌也分尾端封堵和自由排水2种，我国的沟灌多属于前者，称封闭沟灌。沟灌主要适用于宽行距作物，如玉米、棉花及薯类等。由于垄沟密布，所以沟灌通常不如畦灌便于机械化耕作与收割。

图1-2 沟灌布置示意图

根据灌水沟方向与地形等高线的关系，沟灌也可以分为顺坡沟灌和横坡沟灌2种。当地面坡度较小（不超过3%）时，沟的方向一般垂直于等高线布置，这种沟灌称为顺坡沟灌；当地面坡度较大（大于0.5%）时，沟的方向常与等高线平行或斜交布置，这种沟灌称为横坡沟灌。

3.淹灌

淹灌是在田间用较高的土埂筑成方格格田，一般引入较大流量迅速在格田内建立起一定厚度的水层，水主要借助重力作用下渗的灌水方法。淹灌主要适于水稻及水生作物的灌溉。

二、土壤入渗规律

1.入渗的概念

入渗是指水分从土壤表面进入土壤的过程。入渗是灌溉过程中非常重要的一个环节，因为灌溉水正是通过入渗才被转化为土壤水分从而被作物吸收利用的。

影响入渗过程的因素有2个方面，一个是供水强度，另一个是土壤的入渗能力。当供水强度大于土壤入渗能力时，入渗由土壤入渗能力所控制，称为充分供水入渗；当供水强度小于土壤入渗能力时，入渗由供水强度控制，称为非充分供水入渗。

2.入渗率和累积入渗

（1）入渗率。单位时间内通过单位面积的土壤表面所入渗的水量，称为入渗率，常用i来表示，其单位一般用mm/min或cm/min。入渗率也称入渗强度。

在土壤表面不积水，或积水的静水压力可以忽略的情况下，充分供水条件下的入渗率反映土壤的入渗能力。

（2）累积入渗量。在某一时段内，通过单位面积的土壤表面入渗的水量，称为累积入渗量，常用I来表示，单位一般用mm或cm。

显然，入渗率与累积入渗量之间的关系为

或

式中 t——入渗历时，min；

i——入渗率，mm/min；

I——累积入渗量，mm。

3.入渗规律描述

在入渗过程中，土壤的入渗能力是随着入渗历时而变化的。考察充分供水条件下的垂直入渗过程可以发现，在入渗开始时，入渗率i较大，随着入渗历时t的延长，入渗率i逐渐减小，最后趋近于一个较稳定的数值iD，不再继续下降，如图1-3所示。由此可见，土壤的入渗能力随着入渗历时逐渐降低，直至达到稳定入渗率iD。

按如图1-3所示的入渗率随入渗历时变化的关系以及式（1-2）所表示的入渗率与累积入渗量之间的关系，可以得出累积入渗量随入渗历时变化的关系，即累积入渗过程曲线，如图1-4所示。由图1-4可以看出，随着入渗历时的延长，累积入渗量的增长速度由快变缓。理论上，随着入渗历时的延长，累积入渗过程曲线趋近于一条直线，该直线的斜率即为稳定入渗率iD。

图1-3 入渗率随入渗历时变化示意图

图1-4 累积入渗过程曲线示意图

土壤的入渗能力还与土壤质地、容重、初始含水率有关。一般地，砂土的入渗能力较高，黏土的入渗能力较低，壤土的入渗能力居中；对于同一种质地的土壤来讲，容重越小入渗能力越高，反之亦然；在土壤质地和容重相同的情况下，土壤的入渗能力与初始含水率呈负相关的关系。

4.入渗的数学模型

自20世纪初以来，不少研究者提出了经验性的、理论性的，或半经验半理论性的入渗模型，其中影响较大的有考斯加可夫（Kostiakov）模型、考斯加可夫-列维斯（Kostiakov-Lewis）模型、格林-阿姆特（Green-Ampt）模型、菲利普（Philip）模型、霍顿（Horton）模型等。这里只对应用最为广泛考斯加可夫模型加以介绍。

考斯加可夫模型属于经验模型，是1932年由苏联的考斯加可夫提出的，其表达式为

式中 t——入渗历时，min；

I——累积入渗量，mm；

α——入渗指数，无因次；

K——入渗系数，mm/min。

α、K统称为入渗参数，属于经验常数，本身并无物理含义，一般由试验或实测资料拟合求得。

由式（1-3）并根据式（1-1）推导可得考斯加可夫模型的入渗率形式为

式中 i——入渗率，mm/min；

其余符号意义同前。

虽然考斯加可夫模型在理论上不太严密，但是简单、实用，所以应用非常广泛。考斯加可夫入渗参数一般需要通过土壤入渗试验确定，其大小与土壤质地、土壤容重、初始含水率等因素有关。入渗指数α的值一般为0.2～0.7；入渗系数K的值一般为2～20mm/min。表1-1是根据室内试验资料得到的陕北榆林黄土（干容重为1.4g/cm3）的考斯加可夫入渗参数。

在参阅国内有关文献时，须注意参数α、K的意义，有的书籍中该2个参数的意义分别相当于式（1-4）中的（α-1）和αK。

需要特别指出的是，对于沟灌来讲，由于其入渗界面是一个曲面而非平面，所以用前述定义的入渗率、累积入渗量来表示入渗性能存在一定的困难。简化的方法有2种：①将沟灌的累积入渗量定义为单位沟长上的入渗水量，单位为m2；②将沟灌的入渗概化为以沟为中心，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。

采用上述第2种表示方法比较方便，本章后面对沟灌的累积入渗量按该方法表示。沟灌的入渗率仍按式（1-4）计算。

三、灌水技术要素

地面灌溉的灌水技术要素主要包括畦田（沟）规格、灌水流量、灌水持续时间和改水成数。地面灌溉设计的任务就是以完成计划灌水定额为前提，确定合理的灌水技术要素，以得到较高的灌水质量。

1.畦田（沟）规格

（1）畦田规格。畦田规格是指畦田的宽度和长度。畦田的宽度，即畦宽，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；畦田的长度，即畦长，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30～120 m范围内选取。

（2）灌水沟的规格。灌水沟的规格是指灌水沟的间距、灌水沟的长度以及灌水沟的断面结构。

灌水沟的间距（相邻灌水沟中心之间的距离），即沟距，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。入渗能力较高的轻质土壤的湿润形状为上下方向较长的长椭圆形，因此沟距应取小值；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，有时也可以超过1m；中质土壤的入渗能力居中，沟距也应居中选取。

灌水沟的长度，即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或更长。

灌水沟的断面形状有三角形、梯形以及近似为抛物线形几种，可用灌水沟断面水深与水面宽度的关系表反映。灌水沟的深度一般为25cm左右，宽度一般为30cm左右。

2.灌水流量

对于畦灌和沟灌来讲，灌水流量分别称入畦流量和入沟流量。

（1）入畦流量。入畦流量是指畦首的供水流量，一般以单位畦宽上的入流量（即单宽流量）表示。入畦单宽流量的大小主要取决于土壤的入渗能力、畦长、纵向坡度以及土壤的不冲流速等因素，一般取3～6L/（m·s），土壤入渗能力高、畦较长、纵坡较小的，取大值，反之取小值。

（2）入沟流量。入沟流量是指灌水沟首端的供水流量，一般以一个沟的入流量（即单沟流量）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。

入沟流量的另外一种表示方法为，将沟灌的入流量概化为以沟为中心，以沟距为宽度范围内均匀入流。按照此概化模型，单宽流量为单沟流量除以沟距。

3.灌水持续时间

灌水持续时间是指从向畦田或灌水沟放水开始到停水为止的时间长度，单位为min。灌水持续时间取决于灌水定额、土壤入渗能力等因素。

4.改水成数

改水成数是指封口（切断入流）时田面水流推进长度占总长度的成数。改水成数与灌水定额、土壤入渗能力、坡度等条件有关，一般有七成改水、八成改水、九成改水和满流改水。改水成数也可用封口来表示，即切断灌水流量时田面水流推进的相对长度。与七成改水、八成改水、九成改水和满流改水相对应，封口一般取0.7～1.0。一般情况下，在土壤入渗能力较强的沙土地区采用满流改水。