天津地區(qū)地面灌溉工程灌溉設(shè)計保證率的優(yōu)化選擇

王賽朝，王仰仁，亢林建，韓娜娜

（1.臨汾市汾西水利管理局，山西臨汾041000；2.天津農(nóng)學(xué)院水利工程學(xué)院，天津300384）

天津地區(qū)地面灌溉工程灌溉設(shè)計保證率的優(yōu)化選擇

王賽朝1，王仰仁2，亢林建1，韓娜娜2

（1.臨汾市汾西水利管理局，山西臨汾041000；2.天津農(nóng)學(xué)院水利工程學(xué)院，天津300384）

灌溉設(shè)計保證率，是指多年期作物在干旱缺水情況下由灌溉工程供水抗旱的保證程度。在灌溉工程設(shè)計規(guī)劃中，灌溉設(shè)計保證率會影響到工程的規(guī)模、效益及投資費(fèi)用，是灌溉工程設(shè)計的一項重要依據(jù)。其選擇的方法一般是根據(jù)灌區(qū)氣候條件及作物種類查表選用，可能不符合經(jīng)濟(jì)原則。以天津地區(qū)為研究對象進(jìn)行氣象資料的長系列分析，通過不同灌溉保證率下灌溉用水量、作物產(chǎn)量及相應(yīng)增產(chǎn)效益的計算和分析，研究了天津地區(qū)地面灌溉工程灌溉設(shè)計保證率。

灌溉保證率；效益；優(yōu)化；冬小麥

1 引言

灌溉設(shè)計保證率[1]是指多年期作物在干旱缺水情況下由灌溉工程供水抗旱的保證程度，是灌區(qū)用水量在多年間能夠得到充分滿足的幾率，一般以正常供水的年數(shù)與總年數(shù)的百分比表示。在設(shè)計農(nóng)田水利灌溉工程時，必須要根據(jù)工程所在地的情況，特別是當(dāng)?shù)厮礌顩r和作物種類，確定灌溉工程的規(guī)模。選定的灌溉設(shè)計保證率是否合理，將直接影響灌區(qū)灌溉面積的大小、灌區(qū)各類工程的尺寸以及相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益[2]。

1999年印發(fā)的《灌溉排水渠系設(shè)計規(guī)范》對我國不同地區(qū)、不同種植情況的灌溉設(shè)計保證率均作出了規(guī)定?？梢钥闯觯覈墓喔仍O(shè)計保證率采用情況是南方高于北方，豐水地區(qū)高于缺水地區(qū)，南方灌區(qū)為80%～90%，北方灌區(qū)一般為75%[3]。國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和糧食需求量的日益增加，對農(nóng)業(yè)灌溉工程的質(zhì)量提出了更高的要求[1]。灌溉設(shè)計保證率的選擇一般是根據(jù)灌區(qū)氣候條件及作物種類查表選用。但是，在實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，發(fā)現(xiàn)這種方法較為粗糙，忽視了不同地區(qū)和灌區(qū)的自然經(jīng)濟(jì)條件，這樣選擇的灌溉設(shè)計保證率有可能不符合經(jīng)濟(jì)原則。

分析表明，現(xiàn)行灌溉保證率指標(biāo)沒有考慮到缺水的時間效應(yīng)，即同樣的缺水在不同時段對作物產(chǎn)量的影響是不同的；缺水的程度效應(yīng)，即同一時段不同的缺水程度影響也不同[4]。這樣造成的影響就是灌溉保證率指標(biāo)經(jīng)濟(jì)意義不明確，不利于指導(dǎo)灌溉管理實(shí)踐。在灌溉保證率的優(yōu)選和論證方面，鄒谷泉等[3]提出采用水利經(jīng)濟(jì)分析方法對不同設(shè)計保證率方案的投資和多年間的年運(yùn)行費(fèi)、灌溉增產(chǎn)效益等進(jìn)行計算和選優(yōu)，最后選定經(jīng)濟(jì)合理的灌溉設(shè)計保證率。沈佩君等人[2]針對漳河灌區(qū)，建立了篩選模型和長系列優(yōu)化調(diào)度模型相結(jié)合的決策模型，確定了在一定水資源條件下的不同灌溉面積及其相應(yīng)的灌溉保證率，并應(yīng)用作物水分生產(chǎn)函數(shù)估算灌區(qū)歷年灌溉效益。

2 研究方法

針對天津地區(qū)，假定灌區(qū)水源工程，并以種植冬小麥和玉米兩種作物的灌區(qū)為例，通過綜合比較灌溉設(shè)計保證率以及相關(guān)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，對灌區(qū)灌溉保證程度進(jìn)行系統(tǒng)分析，以灌區(qū)的凈增產(chǎn)效益最大為目標(biāo)，確定天津地區(qū)最適宜的灌溉設(shè)計保證率。

2.1 作物需水量計算

現(xiàn)有作物需水量計算方法可大致分為兩種，第一種是直接計算作物需水量，第二種是通過計算參照作物需水量來計算實(shí)際作物需水量。筆者采用第二種方法計算作物需水量，首先采用Penman-Men?teith公式[5]計算參照作物需水量，然后利用作物系數(shù)計算作物需水量。其計算公式為：

式中：ETm為某階段內(nèi)的作物需水量（mm）；E0為與ETm同階段的水面蒸發(fā)量（mm），這里E0為20 cm口徑蒸發(fā)皿的蒸發(fā)值；α為需水系數(shù)，為需水量與水面蒸發(fā)量的比值。

2.2 不同灌溉保證率條件下的灌溉用水量計算及

其灌溉制度確定

在合理灌溉、不產(chǎn)生深層滲漏且沒有地下水補(bǔ)給的條件下，可用下式計算旱作農(nóng)田作物灌溉用水量：

式中：M為某階段內(nèi)的灌溉用水量（mm）；ETm為相應(yīng)階段內(nèi)的作物需水量（mm）；P為相應(yīng)階段內(nèi)的有效降水量（mm），筆者采用降水有效利用系數(shù)法計算[6]。

采用式（1）和（2），利用降水、蒸發(fā)資料逐年求得灌溉用水量。然后做頻率分析，求得不同頻率條件下的灌溉用水量。實(shí)際灌溉情況下，灌區(qū)總有部分年份灌溉供水量不能滿足作物的需水要求，屬于非充分灌溉。另外，由于降水量等氣象因素變化的不確定性，未來年份是充分供水還是非充分供水，目前情況下還難于準(zhǔn)確預(yù)測，因此農(nóng)戶常常根據(jù)多年經(jīng)驗(yàn)或根據(jù)試驗(yàn)等確定的灌溉制度來確定灌水時間。

2.3 作物產(chǎn)量計算

作物產(chǎn)量計算采用國內(nèi)外應(yīng)用較為普遍的相乘模型，即：

式中：i為作物生長階段編號；n為劃分的階段數(shù)目；λi為作物第i階段的缺水敏感指數(shù)，此值的大小反映該階段缺水后引起的減產(chǎn)程度，即λ值越大減產(chǎn)率越大；Ya為作物非充分供水條件下的產(chǎn)量，稱為實(shí)際產(chǎn)量（t/hm2）；Ym為作物充分供水條件下的產(chǎn)量，稱為潛在產(chǎn)量（t/hm2）；ETai為與Ya對應(yīng)的第i階段的作物實(shí)際騰發(fā)量（mm）；ETmi為與Ym對應(yīng)的第i階段的作物最大騰發(fā)量（mm）。

這里最大騰發(fā)量采用式（1）計算，實(shí)際騰發(fā)量的計算則采用簡化方法，現(xiàn)簡述如下。

對于階段i，其階段末根系層土壤儲水量計算公式為：

式中：Wi，Wi+1分別為階段i初和末根系層土壤儲水量（mm）；其他符號意義同上。

若Wi+1≥0，該階段實(shí)際騰發(fā)量為：

且若Wi+1＞W(wǎng)f，則發(fā)生深層滲漏，其滲漏損失水量D=Wi+1－Wf，其中Wf為作物根系層田間持水量（mm）；若Wi+1≤Wf，則該階段深層滲漏損失水量D=0。

若Wi+1＜0，則該階段實(shí)際騰發(fā)量為：

為了避免計算過程中階段實(shí)際騰發(fā)量等于零（即ETai＝0），階段劃分不宜太短。

2.4 灌溉效益計算及適宜灌溉保證率的確定

單位面積灌溉增產(chǎn)效益計算公式為：

其中：

式中：B為單位面積上的增產(chǎn)效益（元/hm2）；Bw，Bc分別為小麥和玉米單位面積上的增產(chǎn)效益（元/hm2）；Pyw，Pyc分別為小麥和玉米的收購價格（元/kg）；Yaw，Yac分別為小麥和玉米灌水產(chǎn)量（kg/hm2）；Ydw，Ydc分別為小麥和玉米不灌溉時的產(chǎn)量（kg/hm2）；Mw，Mc分別為小麥和玉米全生育期灌溉用水量（mm）；Pw為灌溉用水價格（元/m3）；C為地面灌溉工程單位面積投資（元/hm2），考慮到投資是一次性的，為避免重復(fù)計算，全部放在小麥的效益計算公式中。

通過上述步驟分別求出不同灌溉保證率下的灌區(qū)增產(chǎn)效益，并作圖分析，可求得增產(chǎn)效益最大值所對應(yīng)的灌溉設(shè)計保證率，該灌溉保證率即為對應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)和現(xiàn)狀種植水平的最優(yōu)灌溉保證率。

3 實(shí)例計算

3.1 降水蒸發(fā)量資料

本實(shí)例計算采用天津市1939—2007年降水量和蒸發(fā)量資料。針對天津市主要作物的種植模式為冬小麥復(fù)播玉米，故將當(dāng)年10月開始到來年9月的資料算作為1個計算年。

3.2 模型參數(shù)及取值

天津地區(qū)冬小麥復(fù)播玉米模式的種植時間與山西臨汾市基本一致，故式（1）中的α采用山西臨汾市試驗(yàn)結(jié)果[5]，見表1。

表1 冬小麥復(fù)播玉米分月需水系數(shù)α值

考慮到天津市農(nóng)田土壤的普遍特性，土壤容重取γ=1.4 t/m3，土壤計劃濕潤層深度取H=1.0 m，田間持水率取θf=24%。式（3）中作物的潛在產(chǎn)量，冬小麥取為6 750 kg/hm2，玉米取為7 500 kg/hm2，灌水定額取值變化于75～90 mm，作物生長前期取大值、后期取小值。為簡化計算，將冬小麥生長階段分為“播種—越冬”（10月1日—11月30日）、“越冬—拔節(jié)”（12月1日—3月31日）、“拔節(jié)—灌漿”（4月1—30日）和“灌漿—收獲”（5月1—31日）4個階段，分別稱為階段1、階段2、階段3和階段4；對玉米也做同樣的處理，分為“播種—拔節(jié)”“拔節(jié)—抽穗”“抽穗—灌漿”和“灌漿—收獲”4個階段，對應(yīng)時間為6、7、8和9月。相應(yīng)的冬小麥和玉米分階段水分敏感指數(shù)（λ），參照文獻(xiàn)[7]，并按照累積曲線方式確定，見表2—3。

表2 冬小麥水分敏感指數(shù)

表3 玉米水分敏感指數(shù)

采用當(dāng)?shù)禺?dāng)時農(nóng)產(chǎn)品價格，即式（8）和（9）中作物的收購價格冬小麥為2.2元/kg、玉米為2.3元/kg，地面灌溉工程單位面積上的投資為450元/hm2，灌溉用水價格為0.6元/m3。

4 結(jié)果分析

4.1 作物需水量隨時間的變化趨勢

利用式（1）和1939—2007年天津地區(qū)蒸發(fā)量資料，計算出冬小麥復(fù)播玉米種植模式條件下逐年作物需水量，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，作物需水量年際間變化較大，最大值為1 264 mm，最小值為727 mm；且近60年來，作物需水量有明顯的減小趨勢。

圖1 作物多年需水量計算結(jié)果

4.2 不同灌溉保證率條件下的灌溉供水量及灌溉制度

利用式（2）和1939—2007年天津降水量資料計算歷年的灌溉供水量，進(jìn)行頻率分析，得出不同保證率的灌溉供水量，見表4。以式（7）計算的最大效益為目標(biāo)函數(shù)，按照有關(guān)灌溉制度結(jié)果，將當(dāng)年灌水量的2/3分配給冬小麥、1/3分配給玉米，以此確定不同灌溉保證率條件下的灌溉制度，見表4。

表4 不同灌溉保證率調(diào)節(jié)下的灌溉供水量

4.3 不同灌溉保證率條件下的作物產(chǎn)量及其相應(yīng)

的實(shí)際騰發(fā)量

利用式（3）—（6）及降水量、潛在騰發(fā)量和灌溉制度等數(shù)據(jù)，可求得冬小麥、玉米兩種作物在不同灌溉保證率情況下的多年平均產(chǎn)量及其相應(yīng)的實(shí)際騰發(fā)量，計算結(jié)果見表5。

表5 不同灌溉保證率條件下冬小麥和玉米多年平均產(chǎn)量及其騰發(fā)量

續(xù)表5不同灌溉保證率條件下冬小麥和玉米多年平均產(chǎn)量及其騰發(fā)量

4.4 灌溉效益分析

利用式（7）—（9）及已有數(shù)據(jù)計算，得出在不同灌溉保證率下的兩種作物的單位面積增產(chǎn)效益及總增產(chǎn)效益，計算結(jié)果見表6。根據(jù)表6數(shù)據(jù)，繪制出效益—保證率關(guān)系曲線，如圖2所示。由圖2可以看出，總增產(chǎn)效益最大所對應(yīng)的灌溉保證率變化于60%～80%，與現(xiàn)行規(guī)范[7]中規(guī)定的“以旱作為主缺水地區(qū)灌溉設(shè)計保證率50%～75%”相比，基本一致，說明現(xiàn)有規(guī)范中的灌溉設(shè)計保證率建議值是合理的。但筆者計算的灌溉設(shè)計保證率比規(guī)范建議值略偏大，主要原因是冬小麥復(fù)播玉米種植模式的效益較一般的種植模式偏大。

表6 作物在不同灌溉保證率調(diào)節(jié)下的增產(chǎn)效益

圖2 不同灌溉保證率下的增產(chǎn)效益

5 結(jié)論

筆者針對天津地區(qū)，以種植冬小麥和玉米兩種作物的灌區(qū)為例，在一定水源條件下通過不同灌溉保證率下灌溉用水量、作物產(chǎn)量及相應(yīng)增產(chǎn)效益等的計算和分析，對不同灌溉保證率的增產(chǎn)效益進(jìn)行對比分析，得出該地區(qū)最優(yōu)的灌溉保證率為60%～80%，與現(xiàn)行規(guī)范中的建議值基本一致。模擬計算中沒有考慮灌水延續(xù)期，且采用了冬小麥復(fù)播玉米的種植模式，因而模擬計算的增產(chǎn)效益偏大，相應(yīng)地由此確定的灌溉設(shè)計保證率也可能偏大。

[1]趙惠新，李兆宇.關(guān)于提高灌溉設(shè)計保證率的必要性分析[J].中國農(nóng)村水利水電，2011，（6）：52-54.

[2]沈佩君，劉洪先，劉厚斌，等.灌溉保證率的優(yōu)選及其經(jīng)濟(jì)論證[J].武漢水利電力大學(xué)學(xué)報，1994，（4）：351-357.

[3]鄒谷泉，胡采林.灌溉設(shè)計保證率的優(yōu)化選擇[J].海河水利，1990，（5）：17-23.

[4]尹正杰，王小林，胡鐵松，等.灌溉供水可靠度的經(jīng)濟(jì)設(shè)計[J].灌溉排水學(xué)報，2005，（2）：52-54.

[5]王仰仁，孫小平.山西農(nóng)業(yè)節(jié)水理論與作物高效用水模式[M].北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2003.

[6]王仰仁，灌溉排水工程學(xué)[M].北京：中國水利水電出版社，2014.

[7]GB 50288-1999，灌溉排水工程設(shè)計規(guī)范[S].

TV93；S274.1

A

1004-7328（2015）01-0033-04

10.3969/j.issn.1004-7328.2015.01.013

2014-11-21

國家科技支撐計劃項目（2012BAD08B01）

王賽朝（1962-），男，高級工程師，主要從事水利管理工作。