农业水土工程概论 节选
bsp;前言
水资源紧缺、洪涝灾害频繁、水污染严重、水土环境恶化已成为制约我
国农业乃至整个国民经济可持续发展的瓶颈。农业水土工程学科正是瞄准解
决上述这些不仅影响我国国民经济可持续发展和人类生存环境，而且倍受世界
所关注的重大问题而逐渐发展起来的。
农业水土工程是农业工程一级学科中一个覆盖范围较广的二级学科，是
以土壤学与作物学、水文气象学、水力学、工程力学为理论基础和技术基础
的应用学科。它是研究水及相关的溶质运行规律与水土资源持续高效利用的
理论与技术，创造良好的农业水土环境，为农业可持续发展服务的新兴边缘
科学。其重点研究内容是农业节水理论、田间节水灌溉新技术与节水灌溉设
备、中低产田改良的排水技术、水资源持续利用理论与工程技术、灌区用水
管理、农业水土环境监测、修复与保育、农业高效用水的工程技术等方面的
应用基础理论和新技术。其学科覆盖范围较广、交叉性很强。农业水土工程
是由农田灌溉和农田水利工程学科发展起来的，并以水文水资源、水利水电
工程、水土保持与荒漠化防治、环境工程等学科为相邻学科。
农业水土工程学科在我国的发展，经历了一个较长的阶段。大约从20世
纪30年代起，在土木工程和水利工程学科中，一部分内容开始向以服务农业
为目标的农业水利工程方向发展。到目前为止，农田水利学科仍以灌溉排水
为主要内容，实际上只突出一个水字。而多年的农业生产和科学实践表明，
水、土、植物之间有着密不可分的联系，科学地调控土壤水分，协调好土
壤一植物～大气连续体的水分关系，是保证植物生长的基本条件；增加植被
是涵养水源，减小土壤侵蚀，防止土壤水分、养分流失，搞好水土保持的重
要手段；而合理施肥，改良土壤，以肥促水，又是提高作物水分利用效率的
重要途径。揭示水、土、植物之间这种内在本质的联系，已成为农业水土工
程科学研究的一个重要领域。特别是20世纪中叶以来，土壤物理学、植物生
理学、现代数学、信息技术、材料科学的迅速发展和向农业水土工程学科的
渗透，多学科的交叉融合，极大地促进了农业水土工程学科理论体系的形成
和技术创新，丰富了农业水土工程的科学内涵。正是在这种背景下，形成了
研究水及相关的溶质运动规律，综合高效利用农业水土资源，为农业可持续
发展服务的农业水土工程学科。
农业水土工程作为一个新的交叉性学科具有明显特点：同原有的农田水
利工程学科比较，它的覆盖面已大大拓宽，包括灌溉排水、农田水土保持、
土壤改良、农业水土资源与环境、农业水土工程建筑等；农业水土工程学科
把水、土、植物紧密结合，把生物和工程措施相统一，成为农业工程的一个
重要分支；农业水土工程是在农业和工程的交叉点上建立起来的一个新的
学科。
目前，农业水土工程学科已得到了国内外的认同及重视。1998年开始，
中国农业工程学会设立了农业水土工程专业委员会；1993年农业部批准在原
西北农业大学建立了农业水土工程研究所；1996年农业部评估批准建立了农
业水土工程重点开放实验室；2000年教育部评估批准建立了旱区农业水土工
程重点实验室；2002年教育部还批准有农业水土工程国家重点学科。在《：农
业工程学报》中开设有农业水土工程专栏，其研究论文的数量大幅度增加。
在国家自然科学基金委员会工程与材料科学部水利学科资助的领域中出现了
“农田水利与水土工程”，而且“九五”以来，有关农业水土工程学科领域资
助项目的数量和经费强度增加也较快，先后立项启动了多项重点项目。农业
水土工程学科在我国农业和整个国民经济持续发展中的重要性和不可替代的
作用已得到了社会的承认。
为了系统总结农业水土工程学科的发展历程和学术成就，探索农业水土
工程学科的发展前景和方向，为发展节水农业和促进水土资源可持续利用，
我们组织国内有关专家编写了《农业水土工程概论二》一书。本书为我国该学
科**部以反映学科前沿进展和重要研究成果为主的学术专著，对中国农业
水土工程学科体系的建立和发展将起到重要作用。
本书的编写有如下特点：一是带有专著性质；二是带有学科不同领域综
述性质；三是要反映各个领域的发展方向和战略；四是具有一定的系统性。
因此，作者站在学科发展的前沿，全面收集和阅读了国内外的相关文献，并
从一定的高度进行分析和判断，使用的文献较新，基本反映了农业水土工程
学科不同领域的*新进展和发展趋势、*新理论与方法及其应用状况。每章
的写作基本论述了各个领域的内涵、所研究的问题、基本的概念和方法、研
究的进展、已达到的水平和存在的问题，解决问题的可能方法，未来不同领
域的发展方向和可能的突破以及进一步研究的思路。力求为全面了解农业水
土工程学科的*新进展提供帮助。
参加该书编写的都是近年活跃在农业水土工程学科科研一线的专家，主
要包括中国农业大学中国农业水问题研究中心康绍忠、冯绍元、黄冠华、李
光永、杜太生，西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室蔡焕
杰、汪志农、魏晓妹、马孝义、吕宏兴、张富仓、粟晓玲、胡田田、宋松柏、
何武全，中国水利水电科学研究院水利研究所李久生，国家节水灌溉杨凌工
程技术研究中心吴普特、冯浩，武汉大学王长德、邵东国，西安理工大学费
良军，石河子大学李明思，长江大学朱建强，中国农业科学院农田灌溉研究
所孙景生，中国科学院、水利部水土保持研究所郑粉莉、高学田，中国科学
院石家庄农业现代化研究所张正斌，香港浸会大学张建华，农业部天津环境
保护监测研究所徐应明，北京市水利科学研究所师延武，山西省水利科学研
究所王仰仁等。该书由康绍忠教授主编，杜太生任本书编写组学术秘书，协
助主编做了大量具体工作。由于编者水平、时间所限，对各自领域的*新进
展的了解还不是十分全面，对有些问题的认识和判断还有待于更进一步深化，
错误和不足之处亦必颇多，恳请同行专家指教。
编 者
2005年1月
第七章 明渠非恒定流理论与模拟及调控
**节 非恒定流理论与应用的研究状况
一、明渠水流的不恒定性
由于降雨补充、分支汇流以及沿程人渗等作用，自然河道中的水流几乎始终是不恒定
的。与此类似，灌区中的输、配水渠系的水流也由于需水的时变性、沿程分流及渗漏损失
等作用而经常处在变动之中。例如，灌区中不同作物所要求的灌水时间不同及灌水量不
同，使得渠系在不同时问里要输、配不同流量和水量。采取轮灌制的灌区，渠系沿程不同
分水点在不同时间有各自的计划流量分出，从而使输水渠的水流变动。为了提高灌区的用
水效率，不仅要求渠系能稳定地以设计流量运行、降低渗漏损失率，而且还要求其能够适
时、适量地向需水农田供水。同时，还要求渠系尽量减少弃水。要达到这些要求，必须对
渠系水流的动态过程有全面的了解，才能对其进行控制。
系统分析理论的应用，已经能使灌区的配水计划达到相对优化的程度。然而，水流在
渠系中运行存在一个过渡过程。从上游到下游，从低水位涨到高水位或从高水位落到低水
位，都不是瞬间完成的，必须经过一个时间过程，才能从一个水流状态过渡到另一个水流
状态。一次输、配水中，优化的配水方案包含多个不同的输、配水流量和水量组合，即包
含多个不同的渠系水流状态。要执行每一个流量或水量，渠系水流都要经过一个过渡过程
才能达到相应的状态。这样，任何优化的配水方案在实际执行过程中都可能由于过渡过程
的存在而不能保证适时、适量向农田供水，使其失去了优化的意义。解决这一问题的方法
是利用渠系控制器(如闸门)对水流状态进行调控，缩短过渡过程，使其尽快稳定。渠系
水流调控的研究是以明渠非恒定流理论为基础。数学模型多以圣一维南(Saint Venant)
方程为主。
二、地面灌水系统的水流不恒定性
同输、配水明渠水流一样，地面灌水系统中的水流也是非恒定的。沟、畦中的水流
一边向前推进，一边下渗，导致地面上水流流速及流量沿程变化。任何一个田间灌水
系统都被要求能实现设计灌水定额和灌水均匀度。目前的监测手段和分析理论已能够
得到较为准确合理的灌水定额。然而，由于地面灌水的不均匀，造成有些地点灌水量
大，有些地点灌水量小，使精确合理的灌水定额在实践中失去了意义。要解决这个问
题，就要对水流过程进行调控。地面灌水系统水流调控的研究也是以明渠非恒定流理
论为基础。
三、明渠非恒定流理论在农业水土T程中的应用
把明渠非恒定流理论用于渠系水量调控*早起源于20世纪60年代(Wylie 1969)。
人们把Saint Venant方程同渠系闸门运行过程(Gate Stroking)相结合，分析研究为满足
某一输、配水目标，相应渠系水流动态的闸门所应执行的调控措施，以及闸门调节对渠系
水流的影响。国外学者(Merkley等，1990)分析认为，由于闸门操作不当而造成的渠系
水量损失很大。而渠系水流的非恒定性使得人工准确调控闸门变得十分难。对明渠非恒定
流进行模拟从而得出闸门运行制度不仅有利人员培训、渠系运行质量提高，更有利自动化
调控的实施。因此，该问题的研究和技术应用成为许多国家水利专家关注的对象。美国、
法国、日本、比利时、新西兰及伊朗等国都试验性地应用过非恒定流的调控技术。其中美
国亚利桑那州中部输水渠系以明渠非恒定流理论为基础，通过摇感对渠系配水进行调控
(Zimbelman等，1983)。美国土木工程学会1987年成立了灌溉渠系水力模型项目组，旨
在研究明渠非恒定流及渠系控制算法(Bautista等，1999)。在多年应用实践基础上开发
出4套较为通用的明渠非恒定流系统调控软件，并对其进行了测试。目前，国外在明渠非
恒定流理论研究及应用方面发展很快，不仅把现代控制理论引入到明渠水流调控的研究领
域(Reddy，1990)，而且把明渠非恒定流理论用到渠系自动控制的研究领域(Bautista，
1997；Schuurmans，1997)取得许多成果。
中国在这一领域的研究进展也十分显著。20世纪50年代，我国学者对Saint Venant
方程的求解提出了有价值的方法(林秉南，1952)。80年代不仅对Saint Venant方程计算
进行了系统研究和总结(谭维炎，1982)，而且把现代控制理论用到明渠非恒定流调控技
术研究中(王念慎等，1989)。进入21世纪，这方面的研究和应用成果更多(李明思，
2000；赵竞成等，2001)。国内外学者对这一领域的研究目的是发展渠系水管理的现代化，
高质量的实现管理和运行目标。
传统上对渠系的设计多采用恒定流理论，但也有学者以明渠非恒定流理论为基础进行
渠道设计(Manz，1985)，全面地分析出渠道冲淤平衡过程，以及滚波对渠道的安全影响
(Mahnwod等，1975)。
明渠非恒定流理论还被用于渠道泥沙运移规律的研究(Mahmood等，1975)以及浑
水灌溉技术的研究。另外，该理论在洪水预报和水库调洪削峰方面也被较多应用(Mah—
mood等，1975)。
20世纪60年代，明渠非恒定流理论被引入到地面灌水技术及理论的研究(Hart等，
1968；Wilke，1968)，以揭示水流在地面灌溉系统中(沟或畦及水平格田)推进过程、
消退过程及入渗分布。这一理论的引入导致地面灌溉理论的快速发展。除了Saint Venant
方程(水动力学模型)以外，在对此方程简化的基础上发展了零惯性模型和适用地面灌溉
研究的水动力波模型，并且使地面灌水理论更加趋于完善(Walker，Skogerboe，1987)。
在非恒定流理论的帮助下，学者们不仅对传统的沟、畦灌中的水流过程进行了研究
(Schmitz等，1990；1992)，还对经过改进的地面灌水技术：水平畦灌和坡涌流灌的水流
过程进行了较详细的研究(Clemmens等，1979；Playan等，1994；Walker，etc．1983)。
田间灌溉中灌水均匀度是个十分重要的指标，新型的田间灌水技术如肥水灌溉(fertiga—
tion)、化学灌溉(chemigation)等都要求有很高均匀度，这一类技术的参数设计主要是
建立在非恒定流模型基础上(Abbasi等，2003)。除了对水流过程的模拟外，学者们还利
用非恒定流理论对地面灌水系统的水流调控技术进行研究。分析在灌水均匀度等指标的限
定下，改水时间、入沟、畦流量等水流调控参数的变化规律(Bautista等，1993)。该理
论为现代控制论在地面灌水系统研究中的应用提供了帮助(Katopodes等，1990；Clem—
mens，1992)。两个理论的结合不仅有利寻求合理的水流调控方案，还可对灌水系统的结
构参数(如沟、畦尺寸、糙率、底坡及土壤人渗能力等)进行设计和选择，是地面灌水新
技术研发的有利工具。另外，在地面灌水系统的设计中，非恒定流理论已取代了传统的恒
定均匀流理论，成为系统设计的基础(Valiantzas，1999，2001)。
我国学者利用明渠非恒定流理论对地面灌水系统也进行了许多研究，甚至部分工作的
结论十分具有指导意义(刘钰，惠士博，1986，1987；刘群昌，许迪等，2001)。
在农业用水管理领域中，非恒定流理论的应用贯穿了从水源工程到输、配水工程再到
田间工程整个系统，而且成为这一领域中解决优化问题、调控问题以及其他对农业高效用
’ 水有实际意义的复杂问题的基础理论之一。
第二节 圣维南方程及其求解
一、圣维南方程的推导
较严格的圣维南(Saint Venant)方程推导过程是以纳维一斯托克斯(Navier—
Stokes)方程为起点。本节为简便起见，直接从水流守恒原理开始推。
圣维南方程描述的是浅水长波运动过程，它满足以下两条假设：
水压力在垂线上按静水压力分布
P—pg(丘一z) z≤^ (7一1)
式中，P为水压力，p为水密度，h为水深，z为垂向坐标，g为重力加速度。
河槽或渠道底坡很小，其余弦接近于1。因此，水体重力在渠底法线方向上的分量近
似等于重力本身。
