白龍江引水工程受水區(qū)典型作物灌溉需水量計(jì)算方法研究

岳立恒

（甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 甘肅 蘭州 730000）

1 白龍江引水工程農(nóng)業(yè)灌溉概況

甘肅省白龍江引水工程[1]是大型跨流域引水工程，通過從長江流域引水至涇、渭河流域，以減緩慶陽、平?jīng)龊吞焖兴Y源短缺問題，促進(jìn)地區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，具有重要的戰(zhàn)略意義。白龍江引水工程受水區(qū)耕地面積為1462.4萬畝，其中農(nóng)田有效灌溉面積182.53萬畝，園林草灌溉面積6.05萬畝。受水區(qū)天水市、平?jīng)鍪?、慶陽市農(nóng)田有效灌溉面積分別為60.05萬畝、53.18萬畝、69.31萬畝。白龍江引水工程受水區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉需水對(duì)當(dāng)?shù)厮Y源的配置有直接的影響，從而間接影響到白龍江引水工程的調(diào)水規(guī)模。因此研究受水區(qū)畝均灌溉需水量，對(duì)工程的調(diào)水規(guī)模影響較大，以冬小麥作為本次研究的主要對(duì)象，天水市、平?jīng)鍪?、慶陽市冬小麥種植面積分別為15.89萬畝、13.64萬畝、16.48萬畝。白龍江引水工程受水區(qū)灌溉面積見表1。

2 作物灌溉需水量的主要計(jì)算方法

（1）間接法（彭曼公式法）

彭曼公式[2]依據(jù)的是能量平衡原理和水汽擴(kuò)散原理及空氣的熱導(dǎo)定律，1948年由英國的科學(xué)家彭曼提出，是現(xiàn)今被廣泛應(yīng)用來計(jì)算作物需水量的方法。它利用氣象因素計(jì)算各階段參考作物的蒸發(fā)蒸騰量，然后乘以作物系數(shù)求各階段作物需水量，是一種間接計(jì)算作物需水量的方法。常用的半經(jīng)驗(yàn)半理論公式為：

式中Δ=（es-ea）/（Ts-Ta）為飽和水汽壓對(duì)溫度的導(dǎo)數(shù)，即在平均氣溫Ta時(shí)飽和水汽壓曲線的斜率，只是溫度的函數(shù)；R為輻射平衡，根據(jù)英國和瑞典的資料建立經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式R=Ra（1-α）（0.18+0.55n/N）-σTa（0.56-0.092ed）（0.10+0.90n/N），Ra 是 天 文輻射，α是蒸發(fā)面反射率，n/N是日照百分率，σ是斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)，Ta是以絕對(duì)溫度表示的氣溫；L為蒸發(fā)潛熱；γ為干濕表常數(shù)，數(shù)值上等于CpPa/0.622L，Cp是定壓比熱，Pa為大氣壓；Ea為空氣干燥力，它與空氣飽和差和道爾頓蒸發(fā)風(fēng)速函數(shù)有關(guān)。彭曼公式對(duì)計(jì)算田間可能蒸發(fā)量，確定作物需水量和灌溉量有重要意義。聯(lián)合國糧農(nóng)組織一直推薦這個(gè)公式。利用彭曼公式所計(jì)算作物需水量考慮有效降水采用水量平衡法便可推求作物的灌溉需水量。

（2）試驗(yàn)法

甘肅省采用試驗(yàn)法探求作物需水量的歷史是極其悠久的，試驗(yàn)方法主要采用田測(cè)與坑測(cè)兩種。但由于作物需水量受“土壤～作物～大氣”綜合體系中諸多因素的制約，比較復(fù)雜，再加上人為因素的影響，如試驗(yàn)方法不當(dāng)，儀器設(shè)備落后等等，雖然試驗(yàn)可能有一定的年限，但得出的數(shù)據(jù)可能不盡合理。因此必須做到試驗(yàn)方法得當(dāng)，一切按操作要求進(jìn)行，這樣得出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本才是可靠的。

表1 白龍江引水工程受水區(qū)灌溉面積統(tǒng)計(jì)表 單位：萬畝

圖1 各地區(qū)作物潛在騰發(fā)量ET0示意圖

表3 各地區(qū)冬小麥生長周期統(tǒng)計(jì)表

表4 各地區(qū)典型作物作物系數(shù)Kc值統(tǒng)計(jì)表

表5 各地區(qū)冬小麥生長期ET值計(jì)算成果表 單位：mm/d

（3）間接法即產(chǎn)量法（K值法[3]）

該法曾在我省廣泛應(yīng)用，簡便易求，但K值穩(wěn)定性較差，有一定的局限性。作物產(chǎn)量是太陽能的累積一水、土、肥、熱、氣諸因素的協(xié)調(diào)及農(nóng)業(yè)措施的綜合結(jié)果，但在一定的氣象和農(nóng)業(yè)技術(shù)措施條件下，作物產(chǎn)量與需水量有較好的關(guān)系。因而把作物在一定的自然條件和農(nóng)業(yè)技術(shù)措施下所獲得的產(chǎn)量及其相適應(yīng)的需水量聯(lián)系起來，以需水系數(shù)表示它們之間的關(guān)系，即

或 ETc=K（15Y）n+C

式中：ETc為作物全生育期總需水量（m3/kg）；K為需水系數(shù)，即形成1kg產(chǎn)量所消耗的水量；Y為作物產(chǎn)量（kg/hm2）；C，n為經(jīng)驗(yàn)常熟及指數(shù)，n一般取0.3～0.5。

3 白龍江引水工程受水區(qū)典型作物（冬小麥）灌溉需水量的計(jì)算

（1）彭曼公式法計(jì)算成果

本次收集受水區(qū)1956年～2013年主要站點(diǎn)氣象及水文資料作為研究依據(jù)。其中氣象資料主要包括站點(diǎn)海拔、經(jīng)緯度以及逐日降水量、逐日小型蒸發(fā)量、逐日大型蒸發(fā)量、逐日最高氣溫、逐日最低氣溫、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度和逐日平均風(fēng)速等氣象因子，水文資料主要包括逐年月降水資料。以各縣區(qū)氣象站長系列氣象資料（主要以降水、蒸發(fā)）與區(qū)域內(nèi)平均值以及當(dāng)?shù)亟涤晁馁Y料進(jìn)行相關(guān)性分析，綜合考慮各縣區(qū)不同的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，確定各區(qū)域的代表縣區(qū)。經(jīng)分析，白龍江受水區(qū)分別為天水、平?jīng)?、慶陽，三市的氣象代表站分別為清水、崆峒、西峰氣象站。

①ET0計(jì)算成果：根據(jù)彭曼公式中的要求對(duì)受水區(qū)1956年～2013年相關(guān)長系列氣象資料進(jìn)行了全面的收集，并根據(jù)各代表站長系列氣象資料進(jìn)行分析計(jì)算，從而分析出各農(nóng)業(yè)灌溉分區(qū)ET0逐年月變化值。由計(jì)算結(jié)果可知，受水區(qū)作物潛在騰發(fā)量ET0值從北向南呈遞減趨勢(shì)。各地區(qū)計(jì)算結(jié)果見表2及圖1。

②作物生長周期的調(diào)查分析：通過對(duì)受水區(qū)主要農(nóng)作物進(jìn)行調(diào)查分析[4]，確定冬小麥作為各農(nóng)業(yè)灌溉分區(qū)的主要典型作物，經(jīng)調(diào)查：白龍江引水工程受水區(qū)冬小麥生長周期為第一年9月～10月至次年6月～7月。各地區(qū)冬小麥生長周期見表3。

③作物系數(shù)的推求：農(nóng)作物實(shí)際需水量與作物潛在騰發(fā)量之間的比值為作物系數(shù)KC，由于受水區(qū)相關(guān)的農(nóng)業(yè)試驗(yàn)站各典型作物的作物系數(shù)無從查證，因此本次利用FAO（聯(lián)合國糧農(nóng)組織）所推薦的相關(guān)作物的作物系數(shù)和當(dāng)?shù)氐臍庀笠蛩貙?duì)冬小麥作物系數(shù)進(jìn)行修正確定。各地區(qū)典型作物的作物系數(shù)Kc值（經(jīng)氣象因子修正）見表4。

④典型作物生長期ET值及作物需水量：

由所確定各農(nóng)業(yè)灌溉分區(qū)典型作物生長周期及作物系數(shù)計(jì)算出各作物生長期內(nèi)的ET值。由作物生長期ET值與生長期對(duì)應(yīng)時(shí)間可推算出作物生長期內(nèi)的灌溉凈需水量。

各農(nóng)業(yè)灌溉分區(qū)冬小麥生長期內(nèi)ET值和典型作物畝均年需水量分別見表5和表6。

（2）試驗(yàn)法計(jì)算成果

通過對(duì)受水區(qū)三市農(nóng)業(yè)試驗(yàn)資料[5]整理分析，得出冬小麥作物需水量相關(guān)試驗(yàn)成果。白龍江受水區(qū)冬小麥需水量試驗(yàn)成果見表7。

（3）產(chǎn)量法（即K值法）計(jì)算成果

根據(jù)隴東地區(qū)試驗(yàn)站得出K值一般在0.7～1.0之間，冬小麥畝均產(chǎn)量在400公斤～550公斤之間，利用K值法計(jì)算冬小麥需水成果見表8。

（4）與近年來實(shí)際灌溉情況的對(duì)比

根據(jù)上述典型作物（冬小麥）畝均灌溉需水量的計(jì)算成果與甘肅省根據(jù)近年來實(shí)際灌溉情況所確定的隴東、隴中地區(qū)冬小麥多年平均畝均灌溉定額[6]情況對(duì)比成果，分析可知，采用彭曼公式法所計(jì)算的作物需水量與作物實(shí)際的畝均需水量相差最小。計(jì)算成果對(duì)比情況見表9。

表6 各地區(qū)典型作物畝均年需水量計(jì)算成果表 單位：m3/畝

表7 各地區(qū)試驗(yàn)法畝均年需水量（作物毛需水）成果表

表8 各地區(qū)K值法畝均年需水量（作物毛需水）計(jì)算成果表

表9 各種計(jì)算方法畝均年需水量（作物毛需水）計(jì)算成果與實(shí)際灌溉情況對(duì)比表

4 結(jié)論

本文分別采用彭曼公式法、試驗(yàn)法、K值法，對(duì)白龍江引水工程受水區(qū)三個(gè)市區(qū)代表站的典型作物（冬小麥）的畝均需水量進(jìn)行了分析計(jì)算。研究結(jié)果表明，應(yīng)用彭曼公式計(jì)算作物需水量時(shí)，因其考慮了有效降水、蒸發(fā)、氣溫、相對(duì)濕度及風(fēng)速等氣象因素對(duì)作物需水量的影響，所計(jì)算的作物需水量比其他方法的計(jì)算成果更接近實(shí)際灌溉用水量，故而計(jì)算結(jié)果較為精確。研究結(jié)果可為白龍江引水工程受水區(qū)的灌溉制度擬定提供依據(jù)，進(jìn)而保證農(nóng)業(yè)需水預(yù)測(cè)的合理性。陜西水利

[1]白龍江引水工程規(guī)劃[R].甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2014

[2]郭元裕.農(nóng)田水力學(xué)[M].3 版.北京:中國水利水電出版社,1997.

[3]張丹,張廣濤,王麗學(xué),等.彭曼-蒙特斯公式在參考作物需水量中的應(yīng)用研究[J].干旱區(qū)地理,2005,28（4）:531-536.

[4]甘肅省冬春小麥需水量及作物潛在騰發(fā)量（ET0）等值線圖的研究（1984-1991），甘肅省水利廳水利管理局,1993.

[5]甘肅省灌溉試驗(yàn)成果資料選編[R].甘肅省水利廳水利管理局，1989

[6]甘肅省行業(yè)用水定額（修訂本）[S].甘肅省水利廳,2011.