0 引言
在我国，地面灌溉面积占总灌溉面积的95%以上，畦灌是最常见的地面灌水技术，但灌水质量不高仍是目前存在的主要问题。国内外学者从不同角度分析了田间不同因素对畦灌灌水质量的影响，并提出了相应的畦灌系统优化设计方法，李益农等[1]通过分析田间不同因素对灌水效率和灌水均匀度的影响，提出了合理的畦灌灌水技术要素组合；Eldeiry等[2]以水量平衡原理为基础，分析了不同灌水技术要素对灌水效率的影响，提出了研究区域内黏壤土条件下合理的沟灌灌水技术要素组合；闫庆健等[3]和王京等[4]分别采用Win-SRFR软件研究了畦田水流特性及畦长、单宽流量和田面糙率对灌水质量的影响，提出了研究区域内适宜的畦田规格及田面参数；Gillies等[5]分析了农田尺度沟灌灌水质量的变化规律，并以灌水效率和灌水均匀度为控制目标，提出了试验点不同入渗参数取值下合理的入沟流量和停水时间；郑和祥等[6]研究了畦灌灌水质量在不同因素影响下的变化规律，并建议通过优化田块规格来提高灌水质量；González等[7]采用数值模拟的方法，分析了田面坡度对畦灌灌水质量的影响，并通过优化灌水流量和田面坡度来提高灌水质量；缴锡云等[8]采用田口方法对畦灌技术要素组合进行了优化，增强了设计结果的稳健性；Koech等[9]以沟灌灌水效率最大作为目标函数，提出了沟灌技术要素优化组合；吴彩丽等[10]采用数值模拟和理论分析相结合的方法，提出了不同灌溉技术要素组合下满足灌溉性能综合最优的灌水深度控制目标适宜值；白美健等[11]研究表明选用合理的关口时间（改水成数）能有效提高畦灌灌水质量；白寅祯等[12]采用数值模拟方法，对河套灌区现状畦田规格进行优化，提出了研究区域农田的优化布置模式。综上所述，以往研究所取得成果在一定程度上提升了畦灌系统的设计与管理水平，有助于灌水质量的提高；但其研究主要集中在农田尺度，其土壤质地、田面坡度、田块规格等相对单一，使研究成果具有一定的局限性，较难在灌区尺度上推广应用。灌区尺度地形和土壤质地等差异较大，使畦灌灌水方案的制定很难有统一标准，因此采用数值模拟方法，给出适合灌区尺度的畦灌灌水技术参数就具有十分重要的意义。基于此，选取陕西省泾惠渠灌区作为典型研究区域，利用遥感技术获取灌区尺度不同位置处的田面坡度数据，并根据土壤传递函数估算土壤入渗特性，结合数值模拟方法，提出灌区尺度畦田规格优化布置模式，以期进一步提高畦灌灌水质量，为畦灌系统设计和管理提供一定理论依据和技术支撑。
1 材料与方法
1.1 泾惠渠灌区概况
泾惠渠灌区位于陕西省关中平原中部，为关中九大灌区之一的大(Ⅱ)型灌区，东西长约70 km，南北宽约20 km，总面积为1568 km2；地势自西北向东南倾斜，海拔350～450 m，地面坡度1/300～1/600，是典型的北方平原灌区，土壤质地主要为塿土、黄墡土和新积土，田间持水率约23.5%（质量含水率）[13]。泾惠渠灌区属大陆性半干旱气候区，多年平均降水量535 mm，降水时空分布极其不均匀，7—9月降水量占全年降水总量的50%～60%，年蒸发量1212 mm左右，日照总时间为2200 h，年平均气温为15℃。泾惠渠灌区所控区域为西安、咸阳、渭南三市的泾阳、三原、高陵、临潼、阎良、富平6个县（区）；设计灌溉面积9.7万hm2，有效灌溉面积8.8万hm2，主要种植作物为小麦和玉米，占农作物种植面积的62.13%，所采用的灌水技术主要为畦灌。
1.2 灌区尺度田面坡度获取方法
对于灌区尺度而言，采用实测法进行田面坡度的测量费时费力，较难实现，故急需提出一种高效且具有一定精度的田面坡度获取方法。本次研究利用研究区域的遥感影像资料，采用高程提取软件获取高程数据，即可根据不同位置处的田块长度求得相应的田面坡度值。在泾惠渠灌区所控制区域内，即泾阳、三原、高陵、临潼、阎良、富平6个县（区），各县（区）选取50个典型田块，采用所提田面坡度获取方法进行计算，其中各典型田块设置3条测量线，分别求出各测量线的比降，用均值作为该典型田块田面坡度的代表值。
1.3 灌区尺度土壤入渗参数获取方法
土壤入渗参数是区域尺度参数估值的重要基础。对于灌区尺度而言，涉及范围较大，实测土壤水分运动参数较难实现，一般由间接方法得到，相应灌区尺度上的精度要求相对较低。Wosten等[14]研究表明土壤水力参数本质上是土壤质地等物理特性决定的，通过构建其与易测定的土壤理化特性参数的函数关系，估算灌区尺度上的土壤水力参数。描述土壤水分特征曲线的方程常采用van Genuchten模型[15]（VG模型），即：
式中：θ为土壤体积含水率(cm3/cm3)；h为压力水头(cm)；θr为土壤剩余体积含水率(cm3/cm3)；θs为土壤饱和体积含水率(cm3/cm3)；β和n是经验拟合参数(或曲线性状参数)；m=1-1/n；K(Se)为土壤非饱和导水率(cm/min)；Ks为土壤饱和导水率(cm/min)；Se为土壤相对饱和度；l为经验拟合参数，通常取平均值0.5。VG模型中各参数的获取是灌区尺度土壤入渗特性参数估值的重要基础，可采用由美国盐土实验室开发的RETC软件进行估算。RETC软件可根据土壤粒径和体积质量等数据信息，采用嵌入软件系统中的土壤传递函数估算VG模型中的参数。众多学者对RETC软件估算土壤水力特性参数的可靠性进行了验证[16-17]，在此不再赘述。将获取的土壤水力特性参数值代入HYDRUS软件[18]模拟土壤一维垂直入渗过程，对所得累积入渗量数据采用Kostiakov公式进行拟合[13,19]，可得土壤入渗参数，Kostiakov公式为：
式中：Z为单位面积累积入渗量(cm)；k为入渗系数(cm/minα)；α为入渗指数，其值反映了入渗的时间效应。
根据《陕西土壤》[20]可知，泾惠渠灌区土壤类型土壤质地特性参数见表1。
表1 泾惠渠灌区土壤质地特性参数
1.4 畦田规格优化方法
WinSRFR软件是由美国农业部灌溉研究中心开发的地面灌溉模拟模型，可动态模拟地面灌溉的水流运动过程，并对灌水质量进行评价分析，以确定合理的灌水技术要素组合。WinSRFR软件输入的数据分为3类：①土壤参数。主要为土壤入渗参数和田面糙率。已有文献[21-22]研究表明，田面糙率的取值对地面灌溉水流运动过程和灌水质量影响较小，可取典型值简化研究。因此，本研究畦灌田面糙率均取典型值0.10[13]；②几何参数。包括田块长度，宽度和田面坡度等，根据实地调研，泾惠渠灌区田块长度基本介于50～100 m之间，田块宽度与灌水流量和田面坡度等因素有关，可根据不同田面坡度条件下确定的单宽流量反算求得；③管理参数。包括灌溉需水量、灌水流量和灌水时间（改水成数），灌溉需水量主要通过田间土壤含水率、作物计划湿润层等确定，泾惠渠灌区主要种植农作物为小麦和玉米，根据其生长特性确定不同生育期灌水定额，一般为60 mm；泾惠渠灌区农渠大多采用D30 U型渠道，渠道坡降1/300～1/600，根据其水力特性，可知其流量在0.03～0.05 m3/s之间；综合考虑各种因素，兹采用均值0.04 m3/s作为农渠代表性流量。由于灌区尺度涉及范围较大，使得土壤特性具有明显变异特征，为保证灌溉水流能够覆盖整个田面，研究过程中改水成数均取1.0值，即水流至田块尾部停水。
畦灌灌水质量指标包括灌水效率Ea、灌水均匀度Du和储水效率Es，其中灌水均匀度Du表征沿田块长度方向土壤受水最小的1/4段内的灌水均匀度。由于地面灌溉灌水质量所采用的3个评价指标往往相互矛盾，且在评价指标制定时还需考虑存在极值的情况。因此，采用与文献[22]类似的方法，以灌水质量评价指标几何平均值最大作为准则，即
式中：Y为畦灌综合灌水质量指标（%）。将综合灌水质量指标Y≥80%作为畦田规格优化的约束条件。
2 结果与分析
2.1 泾惠渠灌区田面坡度与获取方法验证
为验证所提田面坡度获取方法可靠性，将所得坡度与田间实测值进行比较，结果见表2。由表2可知，田面坡度计算值与实测值具有较好的一致性，二者比较最大相对误差为36.2%，最小为7.9%，所有田块相对误差绝对值均值为16.8%。
同理，采用文中方法可得泾惠渠灌区所选典型田块的田面坡度，并对所选取的各县（区）典型田块所求田面坡度值进行汇总，将田面坡度分为6个等级：≤2‰、2～4‰、4～6‰、6～8‰、8～10‰和＞10‰，结果见表3。由表3可知，泾惠渠灌区田面坡度分布最多的区间为2‰～4‰，占所有测点的比例为28.66%，其与灌区整体的地面坡降1/300～1/600基本匹配，表明所提的田面坡度获取方法具有一定的可靠性。田面坡度超过10‰的田块所占比例为16.67%，其中富平县最多为23个，原因为泾惠渠灌区所控制的富平县灌溉区域北部方向距离渭北塬区较近，该区域地形起伏相对较大，导致部分田面坡度过大，其与实际情况一致。由于采用畦灌灌水技术，田面坡度不宜过大，否则易导致田块尾部积水，降低灌水质量，故将畦灌田面坡度上限定为10‰，即田面坡度大于10‰的田块不宜直接采用畦灌灌水技术，否则需对其进行土地平整，以满足畦灌技术对田面坡度的要求。对于田面坡度≤10‰的田块，其田面坡度取各相应等级划分的中值，具体见表3。
表2 田面坡度计算值与实测值比较
表3 泾惠渠灌区田面坡度分析结果
2.2 泾惠渠灌区土壤入渗参数
将表1数据代入RETC软件，根据土壤粒径和体积质量估算VG模型中的土壤水力特性参数（表4）。
表4 泾惠渠灌区土壤水力特性参数
将表4中土壤水力特性参数代入HYDRUS软件模拟土壤一维垂直水分入渗过程。由于农田耕作的原因，耕作层土壤体积质量、孔隙度等与下层土壤有着较为明显的区别，导致耕作层与下层土壤水力特性参数存在差异，故模拟时对农田土壤按层状土进行处理。泾惠渠灌区主要种植作物为小麦和玉米，根据其对土壤含水率的要求，模拟时初始含水率θ0设定为上层土壤田间持水率的65%和75%，入渗水深h0分别为5 cm和10 cm，各土壤质地共4种模拟组合，模拟结果见图1。
图1 泾惠渠灌区不同初始条件土壤入渗过程模拟
对图1中的土壤入渗过程采用Kostiakov公式，即式（4）进行拟合，可得泾惠渠灌区各土壤质地不同初始条件下的入渗参数值，结果见表5。
表5 泾惠渠灌区土壤入渗参数
由表5可知，泾惠渠灌区各土壤质地不同初始条件下，Kostiakov公式中入渗系数取值范围在0.916～1.675 cm/min（α69.23～157.28 mm/hα）之间，入渗指数在0.490～0.553之间，这与文献[13]所得泾惠渠灌区畦灌条件下，土壤入渗系数和入渗指数的变化范围分别在95.0～210.0 mm/hα和0.42～0.67之间基本一致，表明文中所提方法估算土壤入渗参数是可靠的，可满足灌区尺度畦田规格优化研究的需要。
2.3 泾惠渠灌区畦田规格优化
采用WinSRFR软件对泾惠渠灌区不同土壤质地下畦灌灌水质量进行模拟，其中各土壤质地的入渗参数取不同初始条件下的均值（表5），可得不同坡度、畦长和单宽流量等灌水技术要素组合下的灌水质量指标值；采用MATLAB软件编写程序，绘制综合灌水质量指标Y与畦长和单宽流量关系的等值线图形，列举部分结果，见图2。
图2 泾惠渠灌区不同土壤质地畦灌灌水质量综合指标与畦长和单宽流量等值线图（单位：%）
由图2可知，以塿土质地为例，当畦长为定值，随单宽流量的增加，灌水质量综合指标Y随之提高，但单宽流量的增加到一定程度后，其值到达最大值后就会降低，原因为单宽流量过大，可使水流快速推进至田块尾部，由于模拟过程中采用的改水成数为1.0，导致灌溉水聚集在畦尾，而畦首往往会出现灌水不足的情况；反之，当单宽流量过小，可能导致畦首出现严重深层渗漏，而畦尾灌水不足的情况；同时发现，当入畦单宽流量为定值时，随畦长的增加，灌水质量综合指标Y随之提高，但单宽流量的增加到一定程度后，其值到达最大值后就会降低，其与上述原因类似，这与已有文献资料的研究结论[35-36]一致。综合考虑畦灌田间实际情况，可得塿土质地不同田面坡度条件下合理的畦田规格，对于黄墡土和新积土采用相同的研究方法，结果见表6。
表6 泾惠渠灌区合理的畦灌灌水技术要素组合
3 讨论
田面坡度和土壤入渗参数是进行畦灌田块规格优化的基础数据。对于灌区尺度而言，所涉及的范围较大，实测田面坡度和入渗参数非常困难。因此，采用间接方法快速获取基础数据是进行灌区尺度畦灌规格优化的关键所在。采用的灌区尺度田面高程的获取方法，所得田块不同位置处绝对高程数据可能与实际有所差别，但相对高程数据精度较为一致。所有田块田面坡度计算值与实测值之间的相对误差绝对值均值为16.8%；且所得泾惠渠灌区田面坡度主要分布范围与灌区整体坡降基本匹配，综合考虑灌区尺度的实际情况，认为该误差是可以接受的，表明文中所采用的田面坡度获取方法具有一定的可靠性。土壤特性具有明显的空间变异特征[23,37]，即便对同一土壤质地，其土壤体积质量和粒径等理化特性也有着一定的差异，而这些差异又会影响土壤水力特性参数。本文根据《陕西土壤》[20]中的土壤质地分布图，选取了泾惠渠灌区3种主要土壤质地进行研究；根据HYDRUS软件的模拟结果可知，所得泾惠渠灌区土壤入渗参数取值范围与蔡焕杰等[13]的研究结果基本一致，表明本文研究具有一定的代表性。但文中所选用的土壤质地类型较少，以后还需在泾惠渠灌区进行土样采集，以丰富本文的研究成果。畦灌灌水质量的影响因素众多[10-11]，但本文研究过程中未有效考虑田面微地形、改水成数等因素，如何对这些因素进行综合考虑，以提出适用性更强的畦灌规格优化布置模式还有待进一步研究。
4 结论
1）提出了灌区尺度田面坡度获取方法，并对泾惠渠灌区典型田块田面坡度进行了分析。结果表明，所提方法获取的田面坡度计算值与实测值具有较好的一致性，所有田块相对误差绝对值均值为16.8%；泾惠渠灌区田面坡度分布最多的区间为2‰～4‰，占所有测点比例为28.66%，与灌区整体地面坡降1/300～1/600基本匹配，表明所提田面坡度获取方法具有一定的可靠性。
2）提出了灌区尺度土壤入渗参数的估算方法。根据泾惠渠灌区土壤质地的物理特性参数，采用RETC软件估算土壤水力特性参数，并通过HYDRUS软件模拟土壤入渗过程，对其采用Kostiakov公式进行拟合，得到了泾惠渠灌区不同土壤质地条件下的入渗参数。
3）提出了泾惠渠灌区合理的畦田规格布置模式。以WinSRFR软件模拟为基础，通过改变不同灌水技术要素组合，提出了泾惠渠灌区不同土壤质地和田面坡度条件下合理的畦田规格布置模式，即泾惠渠灌区塿土、黄墡土和新积土不同田面坡度条件下，合理的畦长分别为50～130、50～80和40～80 m，畦宽分别为4～8、5～10和6～10 m，其中田面坡度越小，畦长取小值，畦宽取大值，反之亦然。研究结果为泾惠渠灌区畦田规格的标准化布置提供了依据。
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