充分灌溉条件下的灌溉制度
充分灌溉条件下的灌溉制度，是指灌溉供水能够充分满足作物各生育阶段的需水量要求而设计制定的灌溉制度。长期以来，人们都是按充分灌溉条件下的灌溉制度来规划、设计灌溉工程。当灌溉水源充足时，也是按照这种灌溉制度来进行灌水。因此，研究制定充分灌溉条件下的灌溉制度有重要意义。常采用以下三种方法来确定灌溉制度。
1.总结群众丰产灌水经验
多年来进行灌水的实践经验是制定灌溉制度的重要依据。灌溉制度调查应根据设计要求的干旱年份，调查这些年份的不同生育期的作物田间耗水强度（mm/d）及灌水次数、灌水时间间距、灌水定额及灌溉定额。根据调查资料，可以分析确定这些年份的灌溉制度。一些实际调查的灌溉制度举例见表2-3。
表2-3 湖北省水稻泡田定额及生育期灌溉定额调查成果表（中等干旱年）
对于旱作物，湿润年份及南方地区的灌水次数少，灌溉定额小；干旱年份及北方地区的灌水次数多，灌溉定额大。我国北方地区几种主要作物的灌溉制度见表2-4。
表2-4 我国北方地区几种主要旱作物的灌溉制度（调查）
2.根据灌溉试验资料制定灌溉制度
我国许多灌区设置了灌溉试验站，试验项目一般包括作物需水量、灌溉制度、灌水技术等。试验站积累的试验资料，是制定灌溉制度的主要依据。但是，在选用试验资料时，必须注意原试验的条件，不能一概照搬。
3.按水量平衡原理分析制定作物灌溉制度
根据农田水量平衡原理分析制定作物灌溉制度时，一定要参考群众丰产灌水经验和田间试验资料。也即这三种方法结合起来，所制定的灌溉制度才比较完善。下面分别就水稻和旱作物介绍这一方法。
（一）水稻灌溉制度
水稻本田的灌溉制度。可分别针对泡田期及插秧以后的生育期进行设计。
泡田期的灌溉用水量（泡田定额）可用下式确定：
式中 M1——泡田期灌溉用水量，m3/亩；
h0——插秧时田面所需的水层深度，mm；
S1——泡田期的渗漏量，即开始泡田到插秧期间的总渗漏量，mm；
t1——泡田期的日数；
e1——t1时期内水田田面平均蒸发强度，mm/d，可用水面蒸发强度代替；
P1——t1时期内的降雨量，mm。
通常，泡田定额按土壤、地势、地下水埋深和耕犁深度相类似田块上的实测资料决定，一般在h0=30～50mm条件下，泡田定额大约等于以下数值：黏土和黏壤土为50～80m3/亩；中壤土和沙壤土为80～120m3/亩（地下水埋深大于2m时）或70～100m3/亩（地下水埋深小于2m时）；轻沙壤土为100～160m3/亩（地下水埋深大于2m时）或80～130m3/亩（地下水埋深小于2m时）。
在水稻生育期中任何一个时段（t）内，农田水分的变化，决定于该时段内的来水和耗水之间的消长，它们之间的关系，可以用下列水量平衡方程表示：
式中 h1——时段初田面水层深度；
h2——时段末田面水层深度；
P——时段内降雨量；
d——时段内排水量；
m——时段内的灌水量；
WC——时段内田间耗水量。
式中各数值均以mm计。
如果时段初的农田水分处于适宜水层（水田）上限（hmax），经过一个时段的消耗，田面水层降到适宜水层的下限（hmin），这时如果没有降雨，则需进行灌溉，灌水定额即为
这一过程可用图2-2所示的图解法表示。如在时段初A点，水田应按1线耗水，至B点田面水层降至适宜水层下限，即需灌水，灌水定额为m；如果时段内有降雨P，则在降雨后，田面水层回升降雨深P，再按2线耗水至C点时进行灌溉；如降雨P′很大，超过适宜水层上限（或允许蓄水深），多余的部分需要排除，排水量为d，然后按3线耗水至D点时进行灌溉。表2-5中列出的各种水层深度可供参考。表中水层为：适宜水层下限（hmin）；适宜水层上限（hmax）；降雨后最大蓄水深度（Hp）。
图2-2 水稻生育期中任一时段水田水分变化图解法
表2-5 各生育阶段淹灌水层深度 单位：mm
根据上述原理可知，当确定了各生育阶段的适宜水层hmax、hmin以及阶段需水强度ei，便可用图解法或列表法推求水稻灌溉制度。
【例2-1】 现以某灌区某设计年早稻为例，说明列表法推求水稻灌溉制度的具体步骤。其基本资料如下：
1）早稻生育期各生育阶段耗水强度，见表2-6。
表2-6 逐日耗水量计算表
注 稻田渗漏量为1mm/d。
2）生育期降雨量，见表2-7第（5）栏。
3）各生育阶段适宜水层深度。
根据灌区具体条件，采用浅灌深蓄方式，参照灌溉试验站资料，选取表2-5所列早稻数值，黄熟期自然落干，列入表2-7第（3）栏。
解 计算过程列于表2-7。
表2-7 某灌区某年早稻生育期灌溉制度计算表 单位：mm
续表
续表
与7月6日淹灌水层相符，计算无误。
说明：在插秧后的3～5d，允许田面水层略低于适宜水层下限，避免过早灌水引起漂秧。
例如，起始日4月24日末水层深h1=10mm（泡田后建立的田面水层）。则25日末水深为
超过蓄水上限，应排水12.1mm，使水层保持在50mm。
又如5月10日，h2=21.9+0+0-7=14.9（mm），低于淹水层下限，需进行灌水。灌水量按灌水上限50mm控制，在5月10日灌水30mm，水层为44.9mm。
如此进行逐日计算，即可求得生育期灌溉制度成果表2-8所列。
若泡田定额为80m3/亩，则总灌溉定额为M=M1+M2=227+80=307（m3/亩）。
表2-8 某灌区某年早稻生育期设计灌溉制度表
续表
（二）旱作物灌溉制度
用水量平衡分析法制定旱作物的灌溉制度时，通常以作物主要根系吸水层作为灌水时的土壤计划湿润层，并要求该土层内的储水量能保持在作物所要求的范围内。
1.水量平衡方程
对于旱作物，在整个生育期中任何一个时段t，土壤计划湿润层（H）内储水量的变化可以用下列水量平衡方程表示（图2-3）：
图2-3 土壤计划湿润层水量平衡示意图(https://www.daowen.com)
式中 W0、Wt——时段初和任一时间t时的土壤计划湿润层内的储水量；
Wr——由于计划湿润层增加而增加的水量，如计划湿润层在时段内无变化则无此项；
P0——保存在土壤计划湿润层内的有效雨量；
K——时段t内的地下水补给量，即K=kt，k为t时段内平均每昼夜地下水补给量；
M——时段t内的灌溉水量；
ET——时段t内的作物田间需水量，即ET=et，e为t时段内平均每昼夜的作物田间需水量。
以上各值可以用mm或m3/亩计。
为了满足农作物正常生长的需要，任一时段内土壤计划湿润层内的储水量必须经常保持在一定的适宜范围以内，即通常要求不小于作物允许的最小储水量（Wmin）和不大于作物允许的最大储水量（Wmax）。在天然情况下，由于各时段内需水量是一种经常的消耗，而降雨则是间断的补给。因此，当在某些时段内降雨很小或没有降雨量时，往往使土壤计划湿润层内的储水量很快降低到或接近于作物允许的最小储水量，此时即需进行灌溉，补充土层中消耗掉的水量。
例如，某时段内没有降雨，显然这一时段的水量平衡方程可写为
图2-4 土壤计划湿润层（H）内储水量变化
式中 Wmin——土壤计划湿润层内允许最小储水量；
其余符号意义同前。
如图2-4所示，设时段初土壤储水量为W0，则由式（2-11）可推算出开始进行灌水时的时间间距为
而这一时段末灌水定额m为
式中 m——灌水定额，m3/亩；
H——该时段内土壤计划湿润层的深度，m；
n——计划湿润层内土壤的空隙率（以占土壤体积的%计）；
θmax、θmin——该时段内允许的土壤最大含水率和最小含水率（以占土壤空隙体积的%计）；
γ——计划湿润层内土壤的干容重，t/m3；
θ′max、θ′min——同θmax、θmin，但以占干土重%计。
同理，可以求出其他时段在不同情况下的灌水时距与灌水定额，从而确定出作物全生育期内的灌溉制度。
2.基本资料的收集
拟定的灌溉制度是否正确，关键在于方程中各项数据如土壤计划湿润层深度、作物允许的土壤含水量变化范围以及有效降雨量等选用是否合理。
（1）土壤计划湿润层深度（H）。土壤计划湿润层深度系指在旱田进行灌溉时，计划调节控制土壤水分状况的土层深度。它随作物根系活动层深度、土壤性质、地下水埋深等因素而变。在作物生长初期，根系虽然很浅，但为了维持土壤微生物活动，并为以后根系生长创造条件，需要在一定土层深度内有适当的含水量，一般采用30～40cm；随着作物的成长和根系的发育，需水量增多，计划湿润层也应逐渐增加，至生长末期，由于作物根系停止发育，需水量减少，计划层深度不宜继续加大，一般不超过0.8～1.0m。在地下水位较高的盐碱化地区，计划湿润层深度不宜大于0.6m。计划湿润层深度应通过试验来确定，下面给出冬小麦、棉花不同生育阶段的计划湿润层深度，见表2-9和表2-10。
（2）土壤最适宜含水率及允许的最大、最小含水率。土壤最适宜含水率（θ适）随作物种类、生育阶段的需水特点、施肥情况和土壤性质（包括含盐状况）等因素而异，一般应通过试验或调查总结群众经验确定。表2-9和表2-10中数字可供参考。
由于作物需水的持续性与农田灌溉或降雨的间歇性、土壤计划湿润层的含水率不可能经常保持某一最适宜含水率数值而不变。为了保证作物正常生长，土壤含水率应控制在允许最大和允许最小含水率之间变化。允许最大含水率（θmax）一般以不致造成深层渗漏为原则，所以采用θmax=θ田，θ田为土壤田间持水率，见表2-11。作物允许最小含水率（θmin）应大于凋萎系数。具体数值可根据试验确定，缺乏试验资料时，可参考表2-9和表2-10中的下限值。
表2-9 冬小麦土壤计划湿润层深度和适宜含水率表
表2-10 棉花土壤计划湿润层深度和适宜含水率表
表2-11 各种土壤的田间持水率
在土壤盐碱化较严重的地区，往往由于土壤溶液浓度过高，而妨碍作物吸取正常生长所需的水分，因此还要依作物不同生育阶段允许的土壤溶液浓度作为控制条件来确定允许最小含水率（θmin）。
（3）降雨入渗量（P0）。指降雨量（P）减去地面径流损失（P地）后的水量，即
一般用以代表有效降雨量。
降雨入渗量也可用降雨入渗系数来表示：
式中 α——降雨入渗系数，其值与一次降雨量、降雨强度、降雨延续时间、土壤性质、地面覆盖及地形等因素有关。一般认为一次降雨量小于5mm时，α为0；当一次降雨量在5～50mm时，α为1.0～0.8；当次降雨量大于50mm时，α=0.7～0.8。
（4）地下水补给量（K）。地下水补给量系指地下水借土壤毛细管作用上升至作物根系吸水层而被作物利用的水量，其大小与地下水埋藏深度、土壤性质、作物种类、作物需水强度、计划湿润土层含水量等有关。地下水利用量（K）应随灌区地下水动态和各阶段计划湿润层深度不同而变化。目前由于试验资料较少，只能确定总量大小，如内蒙古灌区春小麦地下水利用量，当地下水埋深为1.5～2.5m时，利用量为40～80m3/亩；河南省人民胜利渠在1957年、1958年观测资料证明，冬小麦生长期内地下水埋深1.0～2.0m时，地下水利用量可占耗水量的20%（中壤土）。由此可见，地下水补给量是很可观的，在设计灌溉制度时，必须根据当地或条件类似地区的试验、调查资料估算。
（5）由于计划湿润层增加而增加的水量（WT）。在作物生育期内计划湿润层是变化的，由于计划湿润层增加，可利用一部分深层土壤的原有储水量，WT可按下式计算：
当确定了以上各项设计依据后，即可分别计算旱作物的播前灌水定额和生育期的灌溉制度。
3.旱作物播前的灌水定额（M1）的确定
播前灌水的目的在于保证作物种子发芽和出苗所必需的土壤含水量或储水于土壤中以供作物生育后期之用。播前灌水往往只进行一次。一般可按下式计算：
式中 H——土壤计划湿润层深度，m，应根据播前灌水要求决定；
n——相应于H土层内的土壤孔隙率，以占土壤体积百分数计；
θmax——一般为田间持水率，以占孔隙的百分数计；
θ0——播前H土层内的平均含水率，以占孔隙率的百分数计；
θ′max、θ′0——同θmax、θ0，但以占干土重的百分数计。
4.根据水量平衡图解法拟定旱作物的灌溉制度
以棉花灌溉制度为例（图2-5）。
图2-5 棉花灌溉制度设计图
1—作物需水量E累积曲线；2—渗入土壤内的降雨量累积曲线；3—WT累积曲线；4—K值累积曲线；5—计划湿润土层中的实际储水量W曲线；6—计划湿润土层允许最小储水量Wmin曲线；7—计划湿润土层允许最大储水量W max曲线
在采用水量平衡图解分析法拟定灌溉制度时，其步骤如下：
1）根据各旬的计划湿润层深度H和作物所要求的计划湿润层内土壤含水率的上限θmax和下限θmin，求出H土层内允许储水量上限Wmax及下限Wmin，绘于图2-5上（Wmax=667n Hθmax，Wmin=667n Hθmin）。
2）绘制作物田间需水量（ET）累积曲线，由于计划湿润层加大而获得的水量（WT）累积曲线、地下水补给量（K）累积曲线以及净耗水量（ET-WT-K）累积曲线。
3）根据设计年雨量，求出渗入土壤的降雨量P0，逐时段绘于图上。
4）自作物生长初期土壤计划湿润层储水量W0。逐旬减去（ET-WT-K）值，即至A点引直线平行于（ET-WT-K）曲线，当遇有降雨时再加上降雨入渗量P0，即得计划湿润土层实际储水量（W）曲线。
5）当W曲线接近于Wmin时，即进行灌水。灌水时期除考虑水量盈亏的因素外，还应考虑作物各发育阶段的生理要求，与灌水相关的农业技术措施以及灌水和耕作的劳动组织等。灌水定额的大小要适当，不应使灌水后土壤储水量大于Wmax，也不宜给灌水技术的实施造成困难。灌水定额值也像降雨入渗量一样加在W曲线上。
6）如此继续进行，即可得到全生育期的各次灌水定额、灌水时间和灌水次数。
7）生育期灌溉定额M2=∑m，m为各次灌水定额。
根据上述原理，也可列表计算，计算时段采用一旬或5d。计算也十分简便。
把播前灌水定额加上生育期灌溉定额，即得旱作物的总灌溉定额M，即
按水量平衡方法估算灌溉制度，如果作物耗水量和降雨量资料比较精确，其计算结果比较接近实际情况。对于比较大的灌区，由于自然地理条件差别较大，应分区制定灌溉制度，并与前面调查和试验结果相互核对，以求比较切合实际。
应当指出，这里所讲的灌溉制度是指某一具体年份一种作物的灌溉制度，如果需要求出多年的灌溉用水系列，还须求出每年各种作物的灌溉制度。为节省计算时间，各种作物的灌溉制度均可编制程序利用电子计算机进行计算。下面给出计算水、旱作物灌溉制度的通用电算框图，如图2-6所示。
必须强调指出，在本节中所讨论的作物需水量是指在充分供水条件下的作物腾发量而言，一般来说，它是一个固定的常数。如果在非充分供水条件下，则作物的需水量将随供水量的多少而变化。供水多时，需水量大；供水少时，需水量小。需水量将是供水量的函数，而不是一个定值。换言之，在这种情况下的作物需水量是随非充分供水条件下的作物灌溉制度而异，求出灌溉制度即可计算其相应的需水量。