0 引言
目前畦灌作为国内北方地区最主要的灌水方式，其田间设施简单，不需能源，易于实施，今后仍将为引黄灌区广泛采用。但畦灌也有水的利用率较低，灌水均匀度较差，用工较多等缺点。为了提高灌水质量，需要确定合理的畦田规格、平整土地、优化畦灌技术要素等。围绕灌水技术要素的优化问题，科研工作者做了大量研究。许多学者[1-3]在田间试验的基础上进行了灌水技术要素的优化组合研究，得出了适合不同地域条件的最优灌水技术要素组合。已有研究中，对地面灌溉系统中各性能指标的内在关系及各性能指标同灌溉系统中的畦田规格、供水时间等变量的关系进行了定性分析和定量分析[4-5]；不同灌水技术要素组合下畦灌灌水深度控制目标对灌溉性能指标值的影响程度受畦长影响最为明显[6]；通过建立的地面灌溉零惯量模型评估了不同条件下的地面灌溉入渗量和径流量[7]；考虑了土壤入渗参数和糙率对灌水结果的影响[8]；合理的改水成数可以减少灌溉水资源的浪费，提高灌溉水效率[9-10]。
不同的畦田规格对灌水过程和灌水效率有着显著的影响。随着社会发展，为适应现代农业规模化发展的需要，对土地平整要求越来越高，大规格畦田是发展的必然趋势。以往的研究主要从灌溉水利用效率的角度出发研究畦田规格，认为畦田规格对畦灌系统的性能具有重要的影响。在对我国北方的水平畦田灌溉技术进行研究后认为短畦不利于田间栽培管理且占用耕地，但有利于提高灌溉系统性能[11]；研究了畦灌条件下，在不同土壤质地和田间坡度条件下所对应的最佳畦长[12]；对不同的畦面结构下地面灌溉效果进行分析，提出了不同畦面结构适宜的最佳畦长[13]；基于WinSRFR软件对水平畦田规格进行优化分析，确定了具有较高灌水质量并满足灌水要求的灌溉系统的优化范围，考虑土地权属现状与畦田规格，提出了河套灌区的典型田块设计方案[14]。现有关于合理畦田规格的研究多针对典型条件，且多是畦田长度较小的情况。现有规范[15]给出的适宜畦长在40～150 m之间，但合理的畦长选择除了要考虑田面平整精度、入流量、改水成数、田间坡度等多种因素的影响，还应考虑农机作业效率及规模化发展需要。兹提出超长畦田的概念，主要研究对象为长度大于150 m的畦田。现有针对超长畦田的研究成果较少，为此，在田间试验的基础上，通过系统模拟分析对超长畦田的灌水效果进行评价，为畦田规划提供一定依据。
1 材料与方法
1.1 试验区概况
尊村引黄灌区地处运城涑水河盆地，南靠中条山，西临黄河，东至闻喜吕庄，北与小樊、夹马口灌区相邻，东西长145 km，南北宽30 km，历来是山西省重要的粮、棉生产基地。试验区位于山西省运城市楚侯乡（海拔386 m，110o50′E、35o03′N）。试验田通过梯级泵站（第五级站）引黄河水至田间，田间出水口处实测灌水流量200 m3/h，灌水方式为畦灌，灌水水源为黄河水，试验期间从田间测得引黄灌溉水中含沙量如表1所示。经实地踏勘，发现灌区内田块划分较为复杂，畦田长度多在150～400 m之间，畦田宽度在1～6 m之间，畦田长度和宽度为农户自行确定。试验区土壤质地见表2。试验于2015年5月—2016年12月间进行，在试验区内选取3种坡度的9块畦田进行田间试验。试验畦田的基本资料及灌水要素如表3所示。
表1 田间测得引黄水含沙量
表2 试验验区土壤质地
表3 试验畦田资料及灌水要素
1.2 试验设计
试验田是在灌区内选取的典型田块，为农户自有的果树地，果树植于畦垄。试验前，用卷尺测量畦田长度、宽度，沿水流方向布设间距为10 m的PVC管；试验进行时，在畦首处用面积流速法超声流量计测量入畦流量、用水尺测量入畦水深，用秒表测定水头推进到各PVC管的时间及改水时间；灌水结束后，用秒表测定水流消退时间；灌水前后，用时域反射仪（TDR）测定表层110 cm内的土壤体积含水率，测量方法为从地表开始每隔10 cm测量1次。
1.3 WinSRFR4.1模型
WinSRFR模型是一款集地面灌溉评价、设计和模拟为一体的综合性地面灌溉系统分析软件，可对3类灌溉设计与运行模型进行分析与功能运算：SRFR（一维地面灌溉）、BASIN（水平畦田灌溉）、BORDER（有坡的畦田灌溉）。WinSRFR软件包括4大核心功能：灌溉分析与评价、灌溉模拟、田块几何设计、灌溉运行管理。WINSRFR软件自2006年9月美国农业部干旱农业研究中心发布以来，已在地面灌溉领域得到广泛应用，取得了很好的效果，兹在WinSRFR4.1版本的基础上对尊村引黄灌区的灌溉效果进行分析并提出优化灌水方法。
通过WinSRFR软件可以对畦灌的灌水结果进行模拟，其主要评价指标灌水效率（AE）、灌水均匀度（DUmin）、深层渗漏率（DP）可以看作是对水分分布的评价，这些指标可以反映各次灌水的水分分布情况。将灌溉需水量设定为100 mm，根据田间实测的畦长、坡度、水流推进、灌水时间及模拟所得的土壤入渗参数等对灌水过程进行模拟分析。各灌水指标的计算式为：
2 结果与分析
2.1 WinSRFR模型适用性分析
为了研究水流在田间的推进情况及挟沙水流的灌溉效果，利用WinSRFR软件对畦田的各次灌水过程进行模拟分析，通过反复调试参数，使田面水流的实测推进曲线和模拟曲线的误差最小化，以获得各次灌水过程的灌溉参数。试验所采用的灌水模型为零惯量模型。通过测算各次灌水的单宽流量，并将各项田间实测数据及通过模型模拟所得的土壤入渗参数及田间糙率系数等指标代入模型中，可得各次灌水过程中实测田间水流推进过程与模拟水流推进过程对比图，如图1所示。限于论文篇幅，图1中只给出了4块畦田的水流推进与模拟情况，其余5块畦田的各次灌水中软件模拟水流推进过程和实测水流推进过程与图1类似。
图1 灌溉水流在田间的实测推进与模拟推进对比
从图1可以看出，通过WinSRFR软件模拟的水流推进过程曲线与实测的水流推进过程曲线基本重合，表明WinSRFR软件可以很好地反映畦灌灌水过程，通过软件模拟所得的各试验参数可作为试验畦田的基本参数。
表4 灌水效果
2.2 灌溉效果分析与评价
表4为各畦田的灌水效果，各畦田的灌溉管理条件根据表3输入，灌溉需水量设定为100 mm，田面糙率为0.04，土壤入渗参数由WinSRFR的Event Analysi（s灌溉分析与评价）模块返演，畦田尾部闭合。结合表3、表4可以看出，各次灌水的灌水定额差别较大，存在灌水过多和灌水不足的问题，表明灌溉管理措施还需进一步改进；畦田2-1、2-2、2-3、3-2的灌水效率均在90%以下，这是由于畦田2-1、2-2、2-3、3-2的改水成数较大造成的，由于引黄水流量较大，如果不能及时改水，很容易造成灌水过多，深层渗漏较多，导致灌水效率低下；畦田3-1、3-2、3-3的畦田坡度较大，加之黄河水的流量较大，因此水流在田间推进较快，很快到达畦尾，而导致灌水不足，因此3-1、3-2的灌水定额未能达到灌水要求。除畦田2-1、3-3之外，各畦田的灌水均匀度均未能达到85%以上，畦田2-1、2-2、2-3、3-2的灌水效率未能达到90%，表明部分畦田未能满足节水灌溉的要求。综合考虑各灌水要素，有必要对灌区内的畦田规格进行优化设计，并提出合理的优化方案，以更合理利用引黄灌区的土地资源和黄河水资源。
2.3 畦田规格的优化设计
采用WinSRFR软件的Physical Design（田块几何设计）模块可在田间坡度、入渗参数、田面糙率、灌水流量、灌溉时间等参数已定的情况下，利用灌水效率等值线图对最佳畦田长度和宽度进行分析，确定畦田最佳规格范围。图2为以畦田1-1的灌水要素为模拟参数的灌水等值线图，图中选择的等值线栅格大小为20×20，模拟畦田长度范围为0～500 m，模拟畦田宽度范围为0～10 m。图2（a）中颜色标识为“80-90”和“90+”的部分均满足灌水效率大于80%的要求，图2（b）中颜色标识为“90+”的满足灌水均匀度大于90%的要求。图2（c）为深层渗漏率等值线图。以上各区域所对应的畦田长度和宽度为畦田规格的优化区间，可结合WinSRFR软件所提供的其他参数等值线图以及田间需要来选择最佳畦田长度和宽度，并可在图中选择特定的点查看其最优灌水方案。
图2 WinSRFR软件模拟参数等值线图
在田间只有一个出水口的情况下，根据灌水效率等值线图，以灌水效率大于90%，灌水均匀度大于85%为筛选条件，从图2中模拟得到的畦田优化规格为：畦田宽度1～2 m时，畦田长度295～425 m；畦田宽度2～3 m时，畦田长度250～345 m；畦田宽度3～4 m时，畦田长度154～250 m；畦田宽度4～5 m时，畦田长度122～154 m；畦田宽度5～6 m时，畦田长度108～122 m；畦田宽度6～8 m时，畦田长度80～108 m；畦田宽度8～10 m时，畦田长度65～120 m。此外，当畦长为0～27 m范围时，畦田宽度取0～10 m内的任意值均可满足灌水效率在90%以上，但这种小型畦田并不适合灌区的规模化发展。由于引黄灌区的设计流量（200 m3/h）较大，当畦田宽度较小时很容易出现灌溉水流溢出畦垄现象，且窄畦田不利于大型机械通过，影响机械化作业，因此在进行畦田规划时，畦田宽度最好不要小于2 m。但是当畦田宽度过大时，在单出水口情况下，容易出现畦田横向的灌水不均，同时考虑到果树之间的经济行距，因此畦田宽度也不宜过大，在进行软件模拟时可将畦田宽度限定在2～6 m的范围内。
根据已有的灌水资料，利用WinSRFR软件的设计模块，按照上述选取畦田规格的方法，在不同的灌水流量下对引黄畦灌的畦田规格进行模拟可得畦田设计规格，结果如表5所示，表中的畦田规格均满足灌水效率大于90%，灌水均匀度大于85%。由表5可知，在不同的设计流量下，灌区内的果树畦田规格不同，同时，畦田长度和畦田宽度存在一定的制约关系，一般而言，畦田宽度越大，则畦田长度越小。从图2可以看出，当畦田长度较大时，WinSRFR软件模拟等值线图中灌水效率较高、灌水均匀度较高的区域较少，表明能满足超长畦田节水灌溉要求的畦田规格范围较窄，即畦田长度越长，越难满足节水灌溉要求。因此，给出的畦田设计规格表，可以看作是在一定的改水成数、供水时间和适宜的田间管理措施下的一组优化解。
表5 畦田设计规格表
注 表中畦田的模拟坡度均为0.1%
结合灌区的田间实际情况，在进行田间畦田规格设计时，可对果树地的畦田规格进行优化，即当设计流量为200 m3/h的情况下，畦田长度在280～340 m范围时，畦田宽度选择为2 m；畦田长度范围为240～270 m时，选择畦田宽度3 m；畦田长度在170～240 m范围时，畦田宽度选择为4 m；畦田长度范围为130～170 m时，选择畦田宽度5 m；畦田长度在110～140 m范围时，畦田宽度选择为6 m。
3 讨论
以往的研究[16-18]多在小畦田规格上进行，认为小畦田规格有利于提高灌溉系统性能，本文认为畦田越长越难满足节水灌溉要求，这与以往的研究成果一致。畦田长度较大时很难满足节水灌溉要求，但不是完全不能满足节水灌溉要求，本文研究结果表明，在一定的灌溉条件下和适宜的畦长畦宽组合下，超长畦田果树畦灌也可以达到较好的灌水效果。该研究结果补充了在超长畦田畦灌方面的研究不足，为大规格畦田的发展提供一定的理论参考。本文的不足之处在于未能考虑不同季节的果树计划灌水定额对畦田规格优化的影响，限于试验条件和试验样本数量，关于超长畦田规格优化还需要更多的研究。
4 结论
1）WinSRFR模型对畦长较大田块的田间水流推进过程模拟结果可靠，可用该模型对田间的灌水效果进行合理评价与分析。
2）尊村引黄灌区的入畦流量较大，灌水较快，可为灌水节省大量时间。但大部分畦田的灌水均匀度未能达到85%，不能满足畦灌节水灌溉的要求。
3）对于超长畦田，畦田越长，越难满足节水灌溉要求。在满足节水灌溉要求的前提下，结合引黄灌区的实际情况，通过WinSRFR软件模拟，得出尊村引黄灌区畦田规格优化设计方案，即当设计流量为200 m3/h的情况下，畦田宽度2 m，长度280～340 m；当畦田宽度为3 m时，畦田长度为240～270 m；当畦田宽度为4 m时，畦田长度范围为170～240 m；畦田宽度5m时，长度130～170 m；当畦田宽度为6 m时，畦田长度为110～140 m。
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