區(qū)域灌溉水利用效率測算分析

魏子涵，魏占民，張 健，梁天雨，高紅艷，付晨星

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 水利與土木建筑工程學院，呼和浩特010018；2.吉林省水利水電勘測設計研究院，長春130021）

實施農(nóng)業(yè)節(jié)水，提高農(nóng)業(yè)灌溉水利用效率，受到了國家和地方政府及相關部門的高度重視。國家實行最嚴格的的水資源管理制度，將灌溉水有效利用率列為最嚴格的水資源管理制度中“三條紅線”的控制指標之一，明確提出到2015年全國農(nóng)田灌溉水有效利用率提高到0.53以上，到2020年提高到0.55以上［1］。在灌溉用水短缺的嚴峻形勢下，灌區(qū)灌溉工程不夠完善，灌溉管理粗放，灌溉水損失嚴重，灌溉用水效率與世界先進水平還有較大差距［2－3］。為了充分挖掘灌區(qū)節(jié)水潛力，加大灌區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水力度，提高灌溉水資源綜合利用效率與效益，開展灌區(qū)灌溉水利用效率測試分析與評估是內(nèi)蒙古通遼市水利發(fā)展亟待解決的問題，受到自治區(qū)黨委與政府及水利部門的高度關注。

灌溉水有效利用系數(shù)是指灌區(qū)從水源取水到田間作物吸收利用過程中灌溉水利用程度或浪費程度的度量，可反映灌區(qū)灌溉工程質(zhì)量、灌溉技術(shù)水平、用水管理水平和農(nóng)藝技術(shù)水平［4］，表達節(jié)水措施實施效果，揭示灌區(qū)節(jié)水潛力，是對灌區(qū)進行縱向和橫向科學評價的一項指標［5］。無論是灌區(qū)灌溉水有效利用現(xiàn)狀還是節(jié)水工程技術(shù)實施后的變化情況，無不受到國家和地方政府及相關部門的高度重視，通遼市灌溉農(nóng)業(yè)在自治區(qū)國民經(jīng)濟中占用重要地位，農(nóng)業(yè)灌溉用水也在通遼市水資源利用和配置中起著舉足輕重的作用。而通遼市科爾沁左翼中旗近年來農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉發(fā)展迅速，節(jié)水灌溉方式多種多樣，本文擬計算2014年科爾沁左翼中旗的節(jié)水灌溉灌溉水有效利用效率。

1 試驗設計及方法

1.1 試驗區(qū)概況

科左中旗位于通遼市東北部，地處東經(jīng)121°08′—123°32′，北緯43°33′—44°31′。西北、西、南、東南分別與扎魯特旗、開魯縣、科爾沁區(qū)、科左后旗接壤；東、北分別與吉林省四平、興安盟毗鄰。全旗東西長191 km，南北寬32～116km，總面積1 472km2。地勢總體是西北高、東南低，由西向東傾斜，以平原地貌為主，最顯著的特點是沙地分布廣泛。氣候?qū)儆诒睖貛Т箨懶约撅L氣候，年平均氣溫5.2～5.9℃，年降水量340～400mm，年蒸發(fā)量1 800～2 000mm。科左中旗春季短促，干旱多風；夏季炎熱，雨量集中；秋季短暫降溫快；冬季漫長寒冷。

流經(jīng)科左中旗的河流有新開河、西遼河、烏力吉木仁河，均屬于西遼河水系。近年來連年干旱，境內(nèi)新開河、西遼河常年斷流，中小型水庫干涸，局部地下水位下降，水資源匱乏，地表水枯竭，科爾沁左翼中旗農(nóng)業(yè)灌溉水源全部來自地下水，以機井提水形式進行灌溉，屬于井灌區(qū)。井灌區(qū)在全旗各鎮(zhèn)、蘇木和國營農(nóng)牧場均有分布。全旗井灌區(qū)現(xiàn)有灌溉機電井37 167眼，其中淺井17 815眼，深井19 352眼，工程完好率為83%?，F(xiàn)有機電井灌溉工程30 849處，有效灌溉面積13.53萬hm2，占總耕地面積的46.03%，節(jié)水灌溉面積為7.05萬hm2。

1.2 試驗方法

科左中旗土壤類型在東西方向上略有差異，南北方向上差異性較小，降雨量等氣候因素有一定變化，地下水埋深較深。主要灌溉方式為低壓管灌、膜下滴管和時針式噴灌，主要作物為玉米，其他作物有蔬菜、雜糧等，種植面積均小于10%。本次測試分別在科左中旗上、中、下游針對主要作物選擇3組樣點灌區(qū)，每組選取2個重復樣點灌區(qū)，共6個樣點灌區(qū)。收集整理樣點灌區(qū)的有關資料，并開展必要的田間觀測，通過綜合分析，得出樣點灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)，以此為基礎加權(quán)平均到科爾沁左翼中旗，由點推及到面。樣點灌區(qū)分別位于敖包蘇木扎如德倉嘎查，努日木蘇木白彥柴達木嘎查和?？垫?zhèn)巨寶山村。采用環(huán)刀法測定土壤容重及田間持水量，在實驗室內(nèi)采用篩分法和粒度儀法進行土壤顆粒分析并在TAL軟件中按美國農(nóng)業(yè)部土壤質(zhì)地三角形確定根系層土壤質(zhì)地，各樣點灌區(qū)的土壤狀況見表1。

努日木蘇木白彥柴達木嘎查兩個樣點灌區(qū)采用的灌溉方式是低壓管灌，在單井控制區(qū)選擇測試田塊，對于分段灌溉取一個灌溉段作為測試田塊，對于不分段灌溉取該支管控制范圍條田作為測試田塊；敖包蘇木扎如德倉嘎查兩個樣點灌區(qū)采用的灌溉方式是膜下滴灌，在單井控制區(qū)內(nèi)的近端和遠端支管控制范圍內(nèi)各選擇測試田塊；?？垫?zhèn)巨寶山村兩個樣點灌區(qū)采用的灌溉方式是時針式噴灌，在噴灌機控制區(qū)內(nèi)沿噴灌機運行軸線的控制范圍內(nèi)，選擇測試田塊。

1.3 觀測內(nèi)容

（1）灌溉面積：各樣點灌區(qū)和測試田塊灌溉面積采用測尺和RTK進行精確測量。（2）灌溉水量：根據(jù)井灌區(qū)的實際情況，進入典型田塊的毛灌溉水量的測定，統(tǒng)一在地下水井出口采用超聲波流量計測定其流量，按灌水時段計算測試田塊和樣點灌區(qū)的灌水量，每輪灌水測定1次。（3）土壤含水率：在每個測試田塊上、中、下游均勻選取9個采樣點，利用不銹鋼取土鉆取樣，放入鋁盒用膠帶纏封后，送實驗室，采用烘干法測定其土壤含水率。對每個采樣點按每層厚度20cm采取土樣，共取5層，即100cm。每次灌水前1d和灌后1～2d采集土樣。（4）有效降雨量：在各典型樣點灌區(qū)布設雨量筒，動態(tài)觀測全生育期各次的降雨量，以此為基礎，采用相關公式計算有效降雨量。（5）地下水位埋深：在各典型樣點灌區(qū)選擇灌溉井利用人工觀測或自記水位計的方法動態(tài)觀測地下水位的變化。（6）氣象資料：收集周邊氣象站在作物各生育期內(nèi)的降水量、空氣濕度、2m高風速、大氣溫度及日照時數(shù)等氣象要素。

2 灌溉水有效利用系數(shù)測算分析

2.1 作物騰發(fā)量計算

此次試驗收集了科左中旗及周邊的科爾沁區(qū)、開魯縣、扎魯特旗、科左后旗的氣象站的日最高氣溫、最低氣溫、日最大濕度、最小濕度、日太陽輻射、日平均風速（2m處）等氣象數(shù)據(jù)，采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦Penman－Monteith公式［6］計算出參政站處的日參考作物騰發(fā)量，在此基礎上，采用距離反比法估算各樣點灌區(qū)處的日參考作物騰發(fā)量，插值的權(quán)重見表2。

表2 樣點灌區(qū)估值時采用的氣象站及其估值權(quán)重

根據(jù)科左中旗調(diào)查和試驗資料分析，利用FAO－56［6］推薦的84種作物的標準作物系數(shù)和修正公式，并依據(jù)當?shù)貧夂?、土壤、作物和灌溉條件對其進行修正。2014年各樣點灌區(qū)玉米的生育期為4月底—9月中旬。各樣點灌區(qū)作物生育期間的作物系數(shù)修正后，玉米的作物系數(shù)為0.38～1.20。根據(jù)計算結(jié)果，作物生育期內(nèi)的實際騰發(fā)量結(jié)果見表3。

2.2 有效降雨量計算

在典型樣點灌區(qū)布設雨量筒，動態(tài)觀測全生育期各次的降雨量，再采用FAO－56［6］中降雨量與有效降雨量的經(jīng)驗公式（表4）估算樣點灌區(qū)全生育期的有效降雨量。

表3 樣點灌區(qū)參照作物騰發(fā)量及作物實際騰發(fā)量計算結(jié)果

表4 FAO－56中降雨量與有效降雨量的關系

2014年科左中旗所選取的6個典型樣點灌區(qū)玉米作物生育期內(nèi)各生育階段的有效降水量如圖1所示。

圖1 玉米各生育階段有效降雨量

2.3 地下水利用量計算

通過觀測地下水位觀測井，科爾沁左翼中旗地下水位均大于5m，故全生育期不同階段作物根系對地下水的利用量為零。

2.4 樣點灌區(qū)灌溉水利用效率的計算

2.4.1 田間實測法 田間實測法也稱計劃濕潤層法，即在灌水前后取土樣，利用灌水前后的土壤含水率、分層干容重數(shù)據(jù)計算樣點灌區(qū)的凈灌水定額。其計算公式如下：

式中：M——凈灌水定額（mm）；H——時段內(nèi)作物計劃濕潤層深度（m）；θ1——灌水前土壤體積含水率（以占土壤體積%計）；θ2——灌水后土壤體積含水率（以占土壤體積%計）。

基于水量平衡法的通遼市科左中旗各樣點灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)計算結(jié)果見表5。

表5 基于田間實測法的樣點灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)計算結(jié)果

2.4.2 水量平衡法 因為樣點灌區(qū)均為旱作物，依據(jù)水量平衡原理計算得出作物生育期內(nèi)主要作物的凈灌溉定額［7］。公式如下：

式中：M——作物凈灌溉定額（mm）；ETc——作物的蒸騰蒸發(fā)量（mm）；Pe——作物生育期內(nèi)的有效降水量（mm）；Ge——作物生育期內(nèi)地下水利用量（mm）；ΔW——作物生育期始末土壤儲水量變化值（mm）。

基于水量平衡法的通遼市科左中旗各樣點灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)計算結(jié)果見表6。

2.4.3 不同灌溉方式灌溉水利用系數(shù) 將基于田間實測法和水量平衡法計算出的各灌區(qū)不同灌溉方式的灌溉水利用系數(shù)匯總，取兩種方法的均值作為樣點灌區(qū)的灌溉水利用系數(shù)，見表7。

2.5 科左中旗灌溉水有效利用系數(shù)計算

灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)根據(jù)樣點灌區(qū)不同灌溉方式的灌溉水利用系數(shù)及其灌溉面積，采用加權(quán)平均法計算，公式如式（3）所示：

式中：η灌區(qū)——灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)；ηi——第i種灌溉方式下的灌溉水利用系數(shù)；Ai——第i種灌溉方式下的灌溉面積（萬hm2）；A——灌區(qū)總灌溉面積（萬hm2）。

根據(jù)加權(quán)平均法，2014年科左中旗節(jié)水灌溉水有效利用系數(shù)計算結(jié)果見表8。

表6 基于水量平衡法的樣點灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)計算結(jié)果

表7 科左中旗不同灌溉形式的灌溉水利用系數(shù)計算結(jié)果

表8 科左中旗灌溉水利用系數(shù)計算結(jié)果

3 結(jié) 論

本文以2014年數(shù)據(jù)為基礎，計算了科爾沁左翼中旗的灌溉水有效利用效率?？茽柷咦笠碇衅熘饕N植作物為玉米，各樣點灌區(qū)灌溉方式主要是低壓管灌、噴灌和膜下滴灌，灌溉水利用系數(shù)分別為0.865，0.874，0.906，均達到《節(jié)水灌溉工程技術(shù)規(guī)范》（GB/T50363－2006）［7］中規(guī)定的低壓管灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)不低于0.86，噴灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)不低于0.85和膜下滴灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)不低于0.9的要求。

本文結(jié)果表明，在2014年的水文氣象條件、灌區(qū)灌溉系統(tǒng)狀況以及灌區(qū)的管理等綜合因素條件下，灌區(qū)的灌溉水有效利用系數(shù)為0.880，達到我國《節(jié)水灌溉工程技術(shù)規(guī)范》（GB/T50363－2006）［7］中規(guī)定，灌區(qū)的灌溉水利用系數(shù)，井灌區(qū)不應低于0.80。這與科爾沁左翼中旗的灌溉規(guī)模、工程狀況和管理水平基本情況相符，進一步驗證了測算分析方法的正確性和可靠性，研究成果可以科學準確地計算出科爾沁左翼中旗農(nóng)業(yè)灌區(qū)灌溉水利用現(xiàn)狀，為正確制定合理可行的節(jié)水灌溉發(fā)展規(guī)劃，緩解水資源供需矛盾提供科學的數(shù)據(jù)支撐。

［1］ 國務院.關于實行最嚴格的水資源管理制度的意見［Z］.（國發(fā)［2012］3號）

［2］ 毛顯強，鐘瑜.面向市場經(jīng)濟的中國水資源可持續(xù)利用策略［J］.中國人口·資源與環(huán)境.2002.12（2）：48－52.

［3］ 全國灌溉水利用系數(shù)測算分析專題組.全國現(xiàn)狀灌溉水利用系數(shù)測算分析報告［R］.北京：中國灌溉排水發(fā)展中心.2007.

［4］ 李英能.淺論灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)［J］.中國農(nóng)村水利水電，2003（7）：23－26.

［5］ 韓振中，裴源生，李遠華，等.灌溉用水有效利用系數(shù)測算與分析［J］.中國水利.2009（3）：11－14.

［6］ Allen R G，Pereira L S，D Raes，et al.Crop evapotranspiration guidelines for computing crop water requirements［M］.FAO Irrigation and Drainage Paper 56，1998.

［7］ 中華人民共和國水利部.節(jié)水灌溉工程技術(shù)規(guī)范［S］.2006.