基于WinSRFR 5.1的地面灌水技术不确定性研究

高卓卓，郑志伟

（天津农学院水利工程学院，天津300384）

0 引 言

畦灌是目前农业灌溉中应用最广泛的方法之一，占据着非常重要的地位。影响畦田灌水质量的因素有很多，主要有关口时间（基于时间关口，即灌水时长）、畦田规格、单宽流量、田面糙率、田面坡度等，优化这些参数能够保证灌水质量高效、均匀度一致。

目前学者们对土壤入渗参数和田面糙率做了大量的研究。白寅祯等人[1]以河套灌区田间实测资料为基础，使用WinSRFR 4.1模型提出2种满足灌水要求并具有较高灌水质量的典型田块设计方案。李佳宝等人[2]根据田间实测资料，利用WinSRFR 4.1模型对土壤入渗参数和田面糙率进行了优化求解，提高了灌水质量。白寅祯等人[3]利用WinSRFR 4.1模型模拟了小麦不同生育期土壤入渗参数和田面糙率变化规律，发现春小麦在灌浆期土壤入渗参数和糙率均有明显差异。赵印英等人[4]采用零惯量模型模拟畦灌水流运动，建立地面灌溉灌水技术参数优化模型，优化了畦长和流量。

由于一些条件限制，土壤存在空间变异性等问题[5]，且缺少对模拟结果的合理性验证，导致实际效果与模拟结果有一定偏差。本研究对灌水技术的不确定性进行研究分析，充分考虑各项灌水技术参数变化对田间畦灌灌水效率的影响，采用WinSRFR 5.1模型对地面灌水试验中的土壤入渗参数进行优化求解，确定合理的畦长L、单宽流量q和田面糙率n，得出最高效畦长及单宽流量组合。在此基础上使用田间实测法验证模型参数及模型优化畦长和单宽流量后的灌水效率和灌水均匀度指标，同时针对性地将长畦进行分段灌溉并提出适宜的单宽流量范围，为精准地面灌水技术提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 基本情况

本次试验位于天津市武清区崔黄口镇北靳庄和西吕村，北纬39°80'～39°33'，东经117°10'～117°12'，该区已建成完善的灌排工程体系，低压输水管道铺设至田间，由于大多数畦田畦长较长，导致灌水时间较长，灌水效率低下，灌水过程存在不确定性。该地区年平均气温为11.6℃，年平均降水量为660 mm。土壤土质为中壤土，土壤平均干容重为1.41 g/cm3，田间持水率为24.6%。

1.2 模型介绍

WinSRFR 5.1是美国农业部干旱农业研究中心开发的多功能综合性地面灌溉系统水力分析模型，该版本于2019年发布。通过田块几何尺寸参数、土壤作物参数和单宽流量等参数，可获得畦田灌水水流推进、消退曲线和地面水分入渗情况、灌水质量评价指标（常用的有灌水效率PAE和灌水均匀度DU）等。该模型有4个功能即灌溉分析评价、灌溉模拟、灌溉系统设计和灌溉运行管理。

1.3 试验方法

在试验区内选取冬小麦（品种为邯麦16，播种量为262.5 kg/hm2）作为试验对象，先对畦长、单宽流量、灌前的土壤含水率、地面坡度、田面糙率等参数进行量测并记录，再利用WinSRFR 5.1模型进行模拟地面灌水试验，优化灌水技术要素及畦长、单宽流量，对影响地面灌水的不确定因素进行预判分析。

田间试验于2018年3月19日至3月27日进行，灌水次数为2次。以水流推进方向为正方向，沿畦长在20、40、60、80 m 处分别设观测点，观测关口时间、灌水量、单宽流量、实时土壤入渗强度、土壤稳定入渗率、灌水历时并观察水流推进、消退情况，记录水流推进与消退时间，记录每个观测点灌前灌后土壤含水率。第2年在试验田继续试验，方法同上，应用田间实测法计算灌水效率和灌水均匀度，保证2次试验时间、作物品种、灌水次数、施肥情况等都相同，以确保试验准确性。

1.4 土壤入渗参数和田面糙率优化

土壤入渗参数和田面糙率是进行灌溉系统设计、管理和灌水质量评价的基础依据。由于灌水过程受到土壤空间变异性影响，因此以实测水流推进和消退数据为依据，模拟水流运动优化土壤入渗参数。采用WinSRFR 5.1模型中的灌溉分析评价功能，输入田间实测的基础数据和水流推进与消退数据，利用模型中Merriam−Keller 分析方法，解出Kostiakov 公式中的参数（田面糙率n、入渗系数K和入渗指数α）。

Kostiakov公式为：

式中：I(t)为入渗时间为τ时的累积入渗量，mm；K为入渗系数、α为入渗指数，由田间试验确定。

1.5 灌水质量指标与畦田规格优化

使用WinSRFR 5.1模型中的灌溉系统设计功能，基于试验区实际情况在畦宽7.5 m 不变的条件下，分析灌水质量指标等值线图，得到满足要求的畦长及单宽流量。

本研究选择灌水效率PAE和灌水均匀度DU作为水平畦田灌溉过程的评价指标。为获得较高的灌水质量，通常要求潜在灌溉效率和灌水均匀度都大于80%[5]。灌水效率PAE是指灌水中被植物利用的水量与实际灌水总水量的百分比，即灌溉水的利用效率，计算公式如下：

式中：PAE为满足于最小入渗深度的灌水效率；DZ为可储存在土壤计划湿润层的灌溉水深，mm；Dapp为灌溉后的实际灌水深度，mm。

灌水均匀度DU反映了灌水后灌溉水在田间分布的均匀度，是考察灌水结果的重要指标，计算公式如下：

式中：DU为基于最小入渗深度的灌水均匀度；Dmin为田间的最小入渗水深，mm；Dinf为田间的平均入渗水深，mm。

1.6 灌水质量指标验证

根据灌溉前后在监测点测量的根系含水层的水量，与实际灌水量对比，计算灌水效率[6]，计算公式如下：

式中：PAE为灌水效率，%；Zreg为灌溉需水深度，mm；Zavg为平均入渗水深，mm；Zlq为入渗量最小的1/4 田块内的平均入渗水深，mm。

根据灌溉后测量的实际入渗水深可计算出灌水均匀度。计算公式如下：

式中：DU为灌水均匀度，%；| |ΔZ为各点实际入渗水深与平均入渗水深的平均离差；Zj为各点实际入渗水深，mm。

2 结果与分析

当畦宽一定时，分析畦田灌水质量。单宽流量q、田面糙率n、畦长L等灌水技术要素与土壤入渗参数等自然因素相比，更容易影响灌水质量[6]。

2.1 土壤入渗参数模拟分析

将实测水流曲线和模拟水流曲线结果进行对比，不断调节入渗参数K和入渗指数α，使得水流推进与消退曲线的实测值和模拟值具有较高的相关性，此时得到的土壤入渗参数和田面糙率n即为模拟的最优值。表1为试验田水流推进消退过程的实测值与模拟值拟合度较高时的土壤入渗参数、田面糙率和基本数据。

表1 土壤入渗参数和曼宁糙率值模拟优化结果及田间基本数据Tab.1 Simulation and optimization results of soil infiltration parameters and Manning roughness values and basic field data

图1 试验田水流推进与消退的实测值与模拟值比较Fig.1 Comparison of measured and simulated curves of water flow advancing and retreating in text plot

由图1可知，试验田水流推进与消退的实测值与模拟值的吻合程度较高，相关系数可达到95%以上，相关性较高，表明WinSRFR 5.1模型对本研究是适用的。

2.2 灌水质量指标等值线图分析

根据WinSRFR 5.1模型灌溉系统设计功能输出的灌水质量等值线图，分析单宽流量q和畦长L对灌水质量指标的影响。在试验区畦宽一定的基础上，得到合理的单宽流量q和畦长L优化范围，指导实际田间灌水过程在节水基础上高效率高质量进行。

在灌溉系统设计模块中设定畦长范围为0～150 m，单宽流量范围为0～10.67 L/（s·m），等值线网格尺寸为10 m×10 m，输出得到田块畦长、单宽流量与灌水效率等值线图和灌水均匀度等值线图，如图2所示。

图2 灌水效率和灌水均匀度重合等值线图Fig.2 Contour map of the coincidence of irrigation efficiency and irrigation uniformity

由图2可知，深灰部分表示在畦宽固定7.5 m时，畦长和单宽流量的任意组合均可使PAE和DU均达到90%以上；浅灰部分的畦长和单宽流量的任意组合均可使PAE和DU均达到80%以上；白色部分表示畦长和单宽流量组合的灌水质量较差。图2中任意一点都可得到对应的畦长、单宽流量、灌水效率PAE和灌水均匀度DU。灌水效率和均匀度拟合程度很高，在畦宽一定时，畦长在一定范围内，灌水效率和灌水均匀度均随着单宽流量的增大而保持不变；当单宽流量一定时，灌水效率和灌水均匀度均随着畦长的增大而逐渐减小。

在固定畦宽为7.5 m，畦长0～30 m 以内，增大单宽流量对于灌水效率和灌水均匀度的影响不大，此时PAE和DU均达到90%以上。畦长大于30 m时，当随着单宽流量增大，灌水效率和灌水均匀度先增大后减小；当灌水效率PAE和灌水均匀度DU一定时，单宽流量和畦长呈正比关系，线性相关性高达90%。当单宽流量在0～6.67 L/（s·m）以内时，随着畦长增大，灌水效率和灌水均匀度逐渐减小；当单宽流量大于6.67 L/（s·m）时，随着畦长增大，灌水效率和灌水均匀度呈现先减小后增大再减小的变化过程。

在试验田冬小麦拔节期前进行灌水，水流推进速度快，灌水时间长以保证畦尾可达到入渗要求水深，土壤含水率达到较高水平。在模拟中相对应的畦长和单宽流量条件下，灌水效率PAE和灌水均匀度DU均能达到较高水平，满足要求。

图3为灌水效率和灌溉均匀度均达到95%以上的灌水高效区。由图3可知：在畦长为30～53 m时控制入地单宽流量可达到较高的灌水质量；畦长超过55 m 灌水效率会降低；畦长过长会相应加大流量并且会对畦首产生冲刷，同时也不利于满足灌溉需水深度要求。

图3 灌水效率和灌水均匀度均95%以上的高效区Fig.3 High-efficiency area where both irrigation efficiency and irrigation uniformity are above 95%

2.3 灌水质量指标检验

根据第2年实测灌前灌后土壤含水率及入渗水深等数据，使用公式（4）～（6）可计算出灌水效率和灌水均匀度，如表2和表3所示。

表2 不同畦长对应的灌水效率及灌水均匀度Tab.2 Irrigation efficiency and irrigation uniformity corresponding to different border lengths

表3 不同流量对应的灌水效率及灌水均匀度Tab.3 Irrigation efficiency and irrigation uniformity corresponding to different flow rates

由表2可知，畦长40～80 m时，实测法得到的灌水效率均在85%以上，灌水均匀度在90%以上；畦长20 m时，灌水效率和灌水均匀度均有明显下降，且灌水效率低于灌水质量要求。在一定的单宽流量条件下，随着畦长增大，灌水效率和灌水均匀度均先增大后减小，并且灌水效率变化更明显。由表3可知，同一畦长条件下，适当增大单宽流量，灌水效率和灌水均匀度均会增加，且灌水效率没有灌水均匀度增加幅度大。说明增大单宽流量可以提高灌水效率和灌水均匀度，并且灌水均匀度的提高更明显。

3 结 语

（1）在已知田间基本数据资料和实测水流推进消退过程数据的前提下，水平畦灌水流推进消退的实测值与模拟值相关性较高。表明使用WinSRFR 5.1模型模拟计算土壤入渗参数和田面糙率是可行的，可以很准确地描述田间地面灌水水流过程，能够更加精确的计算土壤入渗参数和田面糙率并减少误差，且所需资料少，工作量少，操作简单，计算精度高。

（2）畦长和单宽流量变化均会影响灌水效果。畦长30 m以内，单宽流量增加对灌溉质量影响不大；畦长30～53 m，单宽流量2.7～5.7 L/（s·m）时灌水效率和灌水均匀度均达到95%；畦长50～100 m，控制单宽流量不低于3.34 L/（s·m）；畦长100～150 m，控制单宽流量不低于6 L/（s·m）。