一种果树节水灌溉设计灌水定额计算方法与流程

1.本发明属于节水灌溉技术领域，涉及果树等经济林果(包括植物)由于干旱缺水需要进行节水灌溉时灌水定额(单位面积的一次灌水量)的确定，特别是一种果树节水灌溉设计灌水定额计算方法。


背景技术：

2.对于干旱半干旱地区，灌溉是支撑农业生产持续稳定发展的重要保障措施。随着农田灌溉水资源的日益紧缺，节水灌溉成为灌溉农业发展的必然局势。
3.纵观节水灌溉技术的发展，节水灌溉技术的节水效率与技术系统单位面积的投入呈正相关关系，高效的节水灌溉技术其系统建设成本相对较高，因此高效的节水灌溉技术普遍应用于高附加值的经济作物或严重缺水地区的大田作物。近几十年来，随着我国社会经济的发展和退耕还林还草政策的实施，经济效益较好的经济林果、花卉等作物或植物得到快速发展和大面积的栽植。与此同时，以滴灌为主的高效节水灌溉技术也获得了较大的发展机遇。
4.实施节水灌溉技术的一项重要任务内容就是确定合理灌溉制度：即灌水定额、灌水时间和灌水次数，而灌水定额则是影响灌水效率的主要因素。在节水灌水定额确定方面，传统的方法是基于大田作物田面充分灌溉(地面灌溉)条件下，以单位灌溉面积(1亩或1hm2)为计算单元，以拟灌溉作物的主要根系吸水层深度作为灌溉土壤计划湿润层深度，以计划湿润层范围内土壤达到相对稳定持水能力时的含水率(称之为土壤田间持水率)为上限，计算土壤持水率从作物正常生长需水允许的最低土壤含水率(作物开始受到供水胁迫时的含水率，对于大田作物，通常取田间持水率的60％)增加到土壤田间持水率时需要补充的水量来确定设计灌水定额，也就是单位面积下，土壤计划湿润体范围内土壤含水量的增量。因此，设计灌水定额通常采用计划湿润层深度乘以计划湿润层内土壤含水率的增量来计算，通常采用单位面积的灌水量深度(mm)或单位面积的灌水量体积(m3/亩或m3/hm2)来表示，通用的灌水定额计算公式如下：
5.m
设
＝0.1γh(β
max
‑
β
min
)a
ꢀꢀꢀꢀ
(1)
6.m
设
＝0.1h(θ
max
‑
θ
min
)a
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
7.式中:m
设
——设计灌水定额，若采用灌水量深度mm表示时，a(灌水定额单位转换折算系数)＝1；若采用每公顷灌水量体积(m3/hm2)表示时，a＝10，若采用每亩灌水量体积(m3/亩)表示时a＝0.667；γ——土壤容重(t/m3)；h——土壤计划灌溉湿润层深度(cm)；β
max
、β
min
——分别为灌水后田间土壤的最大含水率和灌水前田间土壤的实际含水率或作物允许的土壤最小含水率，为重量含水率，以占干土重％计；θ
max
、θ
min
——分别为灌水后土壤的最大含水率和灌水前田间土壤的实际含水率或作物允许的土壤最小含水率，为体积含水率，以占土壤体积％计。
8.随着节水灌溉技术的发展，特别是滴灌等现代节水技术的广泛应用，通过有压管道将灌溉水输送到田间作物植株附近，采用小流量、多点源的分散型局部湿润土壤的方式
灌溉，使得节水效率大幅提高。在大多数地方，果树、花卉这种稀植植物及设施农业普遍采用了滴灌这种局部湿润土壤的灌溉方式。近年来，在缺水得西北和东北地区，为了节约灌溉用水，普通的大田玉米、棉花等种植密度相对较大作物也广泛采用滴灌这种局部湿润土壤的灌溉方式，在这种灌溉条件下，以传统的全面湿润田面的灌溉模式确定的灌水定额相对于局部湿润土壤的滴灌模式，灌水量偏多，会产生水资源浪费的发生，因此需要适当缩减。为此，对于以局部湿润土壤的滴灌模式，目前灌水定额的缩减方法就是在传统漫灌灌水模式下确定的灌水定额基础上乘以一个小于1的湿润系数ρ(或湿润比)，即m
′
设
＝ρm
设
，湿润系数ρ的取值大小一般根据作物(植物)种植密度或覆盖度的大小确定，但是没有一个准确的计算公式或方法。根据相关资料，ρ的取值大小主要依据作物种类确定，对于密植作物，ρ的取值较大；对于稀植作物，ρ的取值较小，通常为0.3
‑
0.8。ρ的取值带有经验系数的成分，因此在实际应用过程中，ρ的取值大小缺乏准确可靠的依据，存在一定的随意性。另一方面，该方法确定的灌水定额反映的是单位灌溉面积(通常指1公顷或1亩)的总灌水量，不是每个灌水对象的灌水量。对于果园灌溉，用此方法确定的灌水定额是单位面积上所有果树的灌水量，并不是每一颗果树的灌水量。由于果树品种不同，目前果园每亩地的栽植数目介于30
‑
160棵之间，同时果树的大小不同，耗水量强度不同，对应的灌水定额也就不同，因此传统灌水定额计算方法计算的结果不便于判断灌水定额大小的合理性。另外，基于局部湿润土壤的滴灌节水灌溉技术，目前标准的果园灌溉系统(包括水肥一体化灌溉系统)设计是以湿润果树根区土壤为目标，如果不知道每棵果树的设计灌水定额，就无法确定适宜的滴灌灌水器(滴头)配置数量，也就无法确定每次灌水过程的持续时间，也不便于灌溉制度的设计，因此，对于滴灌这种局部湿润土壤的灌溉模式，传统的灌水定额确定方法存在改进的必要性。


技术实现要素：

9.针对传统的灌水定额计算方法和表示方式不便于果园高效节水灌溉技术在实际中的操作和应用问题，本发明的目的在于，提出一种果树节水灌溉设计灌水定额计算方法，该方法适用于以稀植为特征、以滴灌等局部湿润土壤为灌溉方式的果园，目标是简单快捷地确定出单棵果树的一次灌水量大小，以此作为灌水定额，这样有利于结合果树的生长情况，直观的判断灌水量大小的合理性，实现高效节水，同时也便于后期计算对应灌水小区的灌水持续时间，制定相应的灌溉制度。
10.为了实现上述任务，本发明采用的技术方案如下：
11.一种果树节水灌溉设计灌水定额计算方法，包括如下步骤：
12.步骤1，设计灌水定额的确定是以单株果树为灌溉设计对象；
13.步骤2，计算果树根区计划湿润区域土壤湿润体的体积s
×
h；其中，s为果树根区计划湿润区域土壤湿润体的水平投影面积，h为果树根区计划湿润层深度；
14.步骤3，计算设计土壤体积持水率增量；
15.设计土壤重量持水率增量＝β
max
‑
β
min
，或者，
16.设计土壤体积持水率增量＝θ
max
‑
θ
min
；
17.(β
max
‑
β
min
)——土壤湿润体内土壤重量含水率的增量百分数；β
max
、β
min
——分别为灌水后土壤最大重量含水率和灌水前土壤的实际重量含水率，以占干土壤重量％计；(θ
max
‑
θ
min
)——土壤湿润体内体积含水率的增量百分数；θ
max
、θ
min
——分别为灌水后土壤最大体
积含水率和灌水前土壤的实际体积含水率，以占土壤体积％计；
18.步骤4，计算果树设计灌水定额；
19.m
设
＝10γsh(β
max
‑
β
min
)，或者，
20.m
设
＝10sh(θ
max
‑
θ
min
)；
21.式中：m
设
——设计灌水定额，l/棵；s——计划湿润区的面积，m2；h——土壤计划灌溉湿润层深度(m)；γ——土壤容重(t/m3)。
22.进一步的，所述步骤2中：
23.对于乔化果树，s＝πr2或πd2/4，其中，r、d分别为果树树冠在地面垂直投影得到的圆的半径和直径；
24.对于矮化密植果树，s＝w
×
l，其中，w为果树的株距，l为果树的树冠在行间的投影幅宽。
25.进一步的，所述步骤2中，h根据果树大小取0.4m
‑
0.8m。
26.进一步的，所述步骤4中，
27.m
设
＝10γsh(β
max
‑
β
min
)，或者，
28.m
设
＝10sh(θ
max
‑
θ
min
)
29.式中：m
设
——设计灌水定额，l/棵。
30.进一步的，β
max
、θ
max
分别取田间持水量的90％，β
min
、θ
min
分别取田间持水量的55％。
31.本发明的方法与现有方法相比，具有以下优点：
32.1、目标明确，计算结果可信：本发明的果树灌溉设计灌水定额的计算方法是基于果树的分散栽植特点和与之相配套的局部湿润土壤的节水灌溉技术，以果树个体的独立灌水区域为计算单元，计算土壤湿润体内土壤含水率从缺水状态提高到设计含水率水平时土壤持水量的增量作为设计灌水定额。灌水湿润范围的大小根据果树的大小和长势确定，灌水量更接近于实际需求，消除了湿润比确定不合理对灌水定额的影响。
33.2、概念简单明了，便于合理性判断：传统的以灌水深度或单位面积灌水量的灌水定额表示方式更适合于密植作物，对于稀植的果树而言，由于不同的果树，不同的密度，不同的生长年限，果树个体的需水量不同，所以不能直接反映每棵树的灌水量，也就很难判断灌水定额结果的合理性。本发明灌水定额表示的是每棵果树(每个灌水点)的灌水量，灌水定额的单位为:m3/棵或l/棵。这种表示方式对于果树、花卉等稀植植物来说，计算结果的物理意义明确，便于判断灌水量多少的合理性。
34.3、实用性强：当确定了每棵树(或灌水点)的设计灌水定额(灌水量)后，一方面可根据同时灌溉的果树数量准确的确定出灌溉系统需要的配水量；另一方面结合土壤特性以及选择的灌水器参数和数量，便于容易确定灌水持续时间。
附图说明
35.图1为独立果树根区土壤需湿润区域示意图；其中，图1(a)为正视图；图1(b)为俯视图；
36.图2为密植果树根区土壤需湿润区域示意图；其中，图2(a)为正视图；图2(b)为俯视图；
37.图中标号代表：d—设计湿润区域的直径，h—设计湿润土壤深度，l—设计湿润区
域长度，w—设计湿润区域宽度。
38.以下结合附图和工作原理以及实施例，对本发明进一步详细说明：
具体实施方式
39.根据上述设计方案，本发明的果树节水灌溉设计灌水定额计算方法主要包括如下步骤：
40.步骤1：计算果树根区计划湿润区域土壤湿润体的体积。具体是根据果树的生长年限(树龄)、树冠大小(长势)等条件，在确定出设计灌溉单元拟湿润区域的面积(s)、设计的计划湿润层深度(h)的基础上，计算果树灌溉计划湿润区域土壤湿润体的体积(s
×
h)。
41.由于果树栽植方式不同，果树灌溉设计湿润区域土壤计划湿润体的体积计算方法略有不同。对于不同栽植方式的果树，具体计算如下：
42.1)对于乔化果树，由于树冠较大，根系较深，所以栽植较为分散，通常株距最小在3m以上，行距5m左右，株行距都较大，树冠之间很少相互交织，每棵果树都相对独立。
43.在土壤质地和水分相对均匀的条件下，果树的根系像其冠层一样也向四周发育生长，一般情况下，树冠在地面垂直投影的边界与根系向外延伸的范围相近。对于栽植较为分散，株行距较大，相对独立的乔化果树，其树冠通常按圆锥体修剪，所以其根系的分布也接近于倒圆锥，其垂直投影接近于圆形。因此，本发明根据果树树冠的大小确定设计灌溉计划湿润区域(主要根系区)的半径r或直径d，在此基础上计算计划湿润区域(单元)的面积s(πr2或πd2/4)，再根据果树的生长年限和品种等因素分析确定主要根系层最大埋深，在此基础上，确定计划湿润层深度h,该参数的确定方法与传统计算方法中计划湿润层深度的确定方法一致，主要根据果树的大小和品种确定，通常为0.4m
‑
0.8m，乔化果树的根系相对较深，计划湿润区域土壤湿润体的体积就等于圆柱体的体积s
×
h；
44.2)对于矮化密植果树，由于树冠较小，根系较浅，所以栽植密度较大。为了便于果园管理及果树采光，通常采取大行距，小株距的栽植方法，行距一般为4m，但其株距较小，一般只有1m
‑
2m，随着果树的生长，其相邻果树的树冠和根系不同程度会有相互交织，形成一个带状的覆盖，相应的灌溉计划湿润区域也应该是一个带状区域，为了避免湿润区域重复计算，单棵果树的计划灌溉湿润区域面积可取树冠投影面积的平均值，这样单棵果树的灌溉计划湿润区域其形状就可以简化为矩形，以果树的株距为该矩形的宽度w，以果树的树冠在栽植行间的投影幅宽为该矩形的长度l，计划湿润区域的面积s＝w
×
l，再根据果树的生长年限和品种等因素分析主要根系层最大埋深，确定计划湿润层深度h，设计湿润体的体积就等于该长方体的体积s
×
h。
45.步骤2：计算设计土壤体积持水率增量，具体包括如下步骤：
46.根据土壤物理性质及果树的生长耗水需求，确定设计灌溉单元拟湿润土壤的平均含水率上、下限，从而确定设计灌溉单元土壤湿润体内土壤含水率的增量。
47.设计灌水定额涉及的拟湿润土壤含水率下限值就是计划实施灌水前的土壤实际含水率，不同作物和植物，不同生育期其蒸发强度不同，对实施灌水前的土壤下限含水率要求不同，对于果树，由于主要根系埋深相对较大，实施灌水前的土壤平均含水率最低可以容许降低到土壤田间持水率的55％。对于滴灌等高效节水灌溉技术，由于灌水过程为小流量供水，土壤含水率达到田间持水率的区域较小，高含水率的持续时间较短，所以设计的灌水
后计划湿润层内土壤的平均含水率最大值取土壤田间持水率的90％比较合理。
48.步骤3：考虑到在生产实际中，每棵果树的一次灌溉水量并不是很大，很少超过1m3，所以设计灌水定额的单位用升(l)/棵表示比较合理，最后通过对计算量纲协调，设计灌水定额可按照下式计算：
49.m
设
＝10γsh(β
max
‑
β
min
)
ꢀꢀꢀ
(3)
50.m
设
＝10sh(θ
max
‑
θ
min
)
ꢀꢀꢀ
(4)
51.式中:m
设
——设计灌水定额，l/棵；s——计划湿润区的面积，m2；h——土壤计划灌溉湿润层深度(m)；γ——土壤容重(t/m3)；(β
max
‑
β
min
)——灌水后土壤湿润体内土壤重量含水率的增量百分数；β
max
、β
min
——分别为灌水后土壤最大重量含水率和灌水前土壤的实际重量含水率或果树允许的土壤最小含水率，以占干土壤重量％计。(θ
max
‑
θ
min
)——土壤湿润体内体积含水率的增量百分数；θ
max
、θ
min
——分别为灌水后土壤最大体积含水率和灌水前土壤的实际体积含水率或果树允许的土壤最小含水率，以占土壤体积％计。