基于雙作物系數(shù)模型的田間灌溉水利用效率估算

閆 昕，劉 鈺* ，張寶忠，魏 征

(1.中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京100038;2.國家節(jié)水灌溉北京工程技術(shù)研究中心，北京100048)

農(nóng)業(yè)灌溉水利用效率是評價(jià)灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水效率的重要指標(biāo)，也是灌區(qū)水利工程建設(shè)及用水管理的基本參數(shù)，在農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉工作中具有非常重要的地位［1］。然而農(nóng)業(yè)灌溉水利用效率的基礎(chǔ)理論國內(nèi)外還存在比較大的爭議，大尺度區(qū)域灌溉水在渠系輸水、用水管理、田間的效率如何確定還缺少比較科學(xué)的理論和方法［2］，從而也給農(nóng)業(yè)水利工程建設(shè)和區(qū)域水資源高效利用工作帶來了很大的困擾。筆者以盈科灌區(qū)為研究對象，對灌溉過程中田間灌溉水利用效率進(jìn)行了評估。

選取盈科灌區(qū)為研究尺度，灌區(qū)內(nèi)的典型農(nóng)渠控制區(qū)為田間尺度研究區(qū)，分別開展了樣點(diǎn)布設(shè)、試驗(yàn)取樣、實(shí)地調(diào)查與數(shù)據(jù)收集等工作。在進(jìn)行研究區(qū)渠系和排水系統(tǒng)實(shí)地調(diào)查基礎(chǔ)上，完成了盈科灌區(qū)多尺度區(qū)域水文地理數(shù)據(jù)庫，包括灌排渠系、土壤質(zhì)地、土地利用、觀測點(diǎn)、種植結(jié)構(gòu)等，主要選取盈科灌區(qū)上的8個(gè)典型試驗(yàn)小區(qū)為研究對象，8個(gè)典型試驗(yàn)小區(qū)的種植作物均為制種玉米。

1 材料與方法

1.1 雙作物系數(shù)SIMDual_Kc模型 SIMDual_Kc雙作物系數(shù)模型是根據(jù)雙作物系數(shù)法并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行延伸和擴(kuò)展估算作物蓄水量。模型可以模擬和計(jì)算每日的作物蒸騰量和棵間蒸發(fā)量［3］，采用黑河流域盈科灌區(qū)2012年試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對模型進(jìn)行了調(diào)參和驗(yàn)證。模型可以模擬每日田間尺度上的土壤水量平衡，預(yù)測作物騰發(fā)量，制定灌水規(guī)劃和進(jìn)行環(huán)境研究。根區(qū)土壤水量平衡以每天末根區(qū)土壤蓄水量的形式表示。計(jì)算公式為:

式中:ASWi+1為第i+1天根區(qū)土壤蓄水量(mm);ASWi:第i天根區(qū)土壤蓄水量(mm);Ii為第i天的凈灌溉水量(mm);DIi為第i天由于灌溉水而產(chǎn)生的根系層滲漏損失量(mm);Pi為第i天的降水量(mm);DP為第i天由于降水而產(chǎn)生的根系層滲漏損失量(mm);ETc，j為第i天的作物騰發(fā)量(mm);Gi為第i天的地下水利用量(mm)。

1.2 凈灌溉定額計(jì)算 凈灌溉定額為作物整個(gè)生育期內(nèi)，單位灌溉面積上從供水到田間所被作物利用的總灌溉水量［4］。

盈科灌區(qū)渠系組成級別有:干－直斗－農(nóng)－毛，干－支－斗－農(nóng)－毛。灌區(qū)收集的灌水資料為各支渠及直斗渠的灌溉引水量，實(shí)際灌水量I凈為:

式中:I凈為凈灌溉量;W引為渠道斗口引水量;η系為渠系水利用系數(shù)。

根據(jù)各渠系灌溉引水量，引水時(shí)間及相應(yīng)的作物種植面積利用上述公式得到各支渠控制范圍內(nèi)的作物實(shí)際灌水量，各渠系級別的渠系水利用系數(shù)可參照2012年張掖市水利年報(bào)中的統(tǒng)計(jì)。盈科灌區(qū)各渠系使用輪灌制度，根據(jù)灌溉作物的不同，設(shè)定不同的灌水定額和灌水時(shí)間。因此不同作物，不同渠系控制區(qū)的實(shí)際灌水制度都有所不同，各支渠，分支渠及直斗渠的灌溉引水量及各渠系控制面積由張掖市水管所提供。所研究的8個(gè)典型小區(qū)所處渠系及灌水時(shí)間，試驗(yàn)小區(qū)所在引水渠道的位置及灌水量和灌水時(shí)間如表1所示。

表1 試驗(yàn)小區(qū)的灌水時(shí)間及灌溉水量及時(shí)間

2 實(shí)例分析

2.1 灌區(qū)概況 研究區(qū)域位于黑河流域中游盈科灌區(qū)，盈科灌區(qū)地理位置為東經(jīng) 100°17'～ 100°34'，北緯 38°50'～38°58'。地勢西南高東北低，海拔高程1 456～1 600 m。灌區(qū)東西長17.4 km，南北寬14.2 km，總面積192 km2，多年平均引提水量1.75×109m3。灌區(qū)屬內(nèi)陸干旱氣候，多年平均氣溫6.5～7.0 ℃，最低氣溫 －28 ℃，最高氣溫33.5 ℃，多年平均降雨量約125 mm，年蒸發(fā)量1 972 mm，日照時(shí)數(shù)3 000 h以上，無霜期140 d左右［5］。灌區(qū)地下水埋深在5 m以下。土壤主要為灌漠土，耕灌層厚度一般為70～150 cm，土壤質(zhì)地主要為均質(zhì)壤土或沙壤土。農(nóng)作物以糧食作物為主，有小麥，玉米等。灌區(qū)有效灌溉面積有效灌溉面積13 146.67 hm2(19.72 萬畝)，其中農(nóng)田 12 900.00 hm2(19.35 萬畝)，林地240.00 hm2(0.36萬畝)，農(nóng)作物以糧食作物為主。灌區(qū)土壤主要為灌漠土，地下水埋深在5 m以下;土壤質(zhì)地主要為均質(zhì)壤土。灌區(qū)有各級渠道1 735條1 119.1 km，高標(biāo)準(zhǔn)襯砌干渠3條41 km，支渠27條133 km，斗渠173條180.4 km，多年平均引提水量1.75×109m3。

2.2 雙作物系數(shù)模型估算

2.2.1 模型輸入。SIMDual_Kc雙作物系數(shù)模型需要輸入的數(shù)據(jù)包括:

(1)氣象資料。包括氣溫、降雨量、相對濕度、風(fēng)速、總輻射和凈輻射等。采用用中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺張掖站的實(shí)測數(shù)據(jù)代表整個(gè)研究區(qū)域上的氣象資料。每0.5 h采集1次數(shù)據(jù)。

(2)作物數(shù)據(jù)。包括種植日期，作物各生長階段長度，各階段推薦的基礎(chǔ)作物系數(shù)，根深，最大株高，各生長階段無水分脅迫條件下的土壤水量消耗比率，根據(jù)覆蓋度修正的Kcb值。

(3)土壤數(shù)據(jù)。包括易蒸發(fā)水量，總蒸發(fā)水量，總有效水量。

(4)灌溉數(shù)據(jù)。包括灌溉系統(tǒng)類型，選項(xiàng)(無灌溉，當(dāng)前灌溉制度，可評價(jià)給定的灌溉制度，每次灌水事件允許的最大灌水深度等)。

2.2.2 模型率定和驗(yàn)證。當(dāng)模型的結(jié)構(gòu)和輸入?yún)?shù)初步確定后，就需要對模型進(jìn)行率定和驗(yàn)證。通常將使用的資料系列分為2部分，其中一部分用于校準(zhǔn)模型，而另一部分則用于模型的驗(yàn)證［6］。為了檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠行裕靡呀⒌哪Ｐ湍M計(jì)算出了田間條件下1 m土層土壤蓄水量的變化，并與實(shí)測土壤體積含水率換算為重量含水率后算出的1 m根深土壤蓄水量進(jìn)行了對比。田間試驗(yàn)區(qū)位于黑河流域盈科灌區(qū)典型小區(qū)內(nèi)，田間土壤體積含水率用TRIME-T3/IPH土壤水分測量儀，采用人工測量的方式，每10 d測量1次。1 m土層土壤需水量經(jīng)各層次實(shí)測土壤重量含水率乘以容重累加而得，通過SIMDual_Kc雙作物系數(shù)模型進(jìn)行根區(qū)土壤蓄水量模擬值與實(shí)測值的對比，并選取具有代表性的前4塊試驗(yàn)田進(jìn)行對比(圖1)。由圖1可以看出，根區(qū)土壤蓄水量的模擬值與實(shí)測值均吻合較好。這說明所建立的模型用以計(jì)算作物根區(qū)蓄水量及模擬作物根區(qū)水分的變化是可信的。

將在試驗(yàn)區(qū)設(shè)置的渦動相關(guān)儀測得的渦度數(shù)據(jù)(通過黑河數(shù)據(jù)中心下載獲取)通過單位換算轉(zhuǎn)化為ETa數(shù)據(jù)。驗(yàn)證SIMDual_Kc模型輸出的ETa數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，模型模擬出的ETa數(shù)據(jù)和實(shí)測ETa數(shù)據(jù)對比［7］如圖2所示。由圖2可以看出，模型模擬ETa值和實(shí)測值擬合良好，兩者數(shù)據(jù)具有一定的線性相關(guān)關(guān)系。模型有效性系數(shù)分別為0.94，相關(guān)系數(shù)為R2=0.81，這說明所建立的模型表明模型可以很好地解釋制種玉米蒸散發(fā)的實(shí)際變化［8］。

3 結(jié)果與分析

3.1 田間灌溉水有效利用率的計(jì)算 灌溉水利用系數(shù)是衡量灌入田間的有效水量同與之相對應(yīng)的灌溉水源引進(jìn)的總水量的比值［9］。灌溉水有效利用率的定義為:將凈灌溉水量中儲存在作物根系層能被作物有效利用的水量占凈灌溉水量的比例稱為灌溉水有效利用率。在灌溉水由水源到田間輸送過程中，蒸發(fā)損失所占比例很小，主要為滲漏損失量。

根據(jù)建立的農(nóng)田水量平衡模型，利用甘肅省張掖市2012年的逐日氣象資料，模擬計(jì)算了夏玉米生育期的1 m根區(qū)土壤需水量。在模擬過程中，當(dāng)對作物進(jìn)行灌溉時(shí)或者有較大降雨時(shí)，作物根系層一般會產(chǎn)生一定滲漏損失量。則田間灌溉水有效利用率的計(jì)算公式為:

式中:Ii為第i天的凈灌溉水量(mm);DIi為第i天由于灌溉水而產(chǎn)生的根系層滲漏損失量(mm)。

3.2 評價(jià)與分析 由上述計(jì)算公式計(jì)算得出盈科灌區(qū)種植制種玉米的8個(gè)典型試驗(yàn)田的灌溉水有效利用率見表2。

表2 研究區(qū)域灌溉水有效利用率

由上述計(jì)算公式得出的盈科灌區(qū)8個(gè)典型試驗(yàn)田的田間灌溉水有效利用率分別為:76%、62%、77%、75%、67%、76%、74%，70%。(試驗(yàn)研究表明在干旱內(nèi)陸河灌區(qū)，田間灌溉水有效利用為80%～90%)田間水利用系數(shù)是衡量田間工程狀況和灌水技術(shù)水平的重要指標(biāo)。在田間工程完善，灌水技術(shù)良好的條件下，旱作農(nóng)田的田間水利用系數(shù)可以達(dá)到90%以上。因此故該灌區(qū)具有一定的節(jié)水潛力?？商岣咴摴鄥^(qū)的田間工程狀況和灌水技術(shù)水平。

4 結(jié)語

(1)通過盈科灌區(qū)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合雙作物系數(shù)模型SIMDualKc模型模擬計(jì)算了黑河流域盈科灌區(qū)夏玉米逐日的1 m根區(qū)土壤蓄水量，驗(yàn)證了該模型在西北干旱地區(qū)的實(shí)用性和可靠性?？蛇\(yùn)用該模型模擬土壤儲水量的變化過程。

(2)以灌溉水利用率，水量平衡理論為基礎(chǔ)，以研究區(qū)域灌溉水利用率的宏觀評價(jià)分析方法為導(dǎo)向，從灌區(qū)的灌溉結(jié)構(gòu)和基本理論入手，通過研究灌區(qū)系統(tǒng)的組成和規(guī)律，構(gòu)建宏觀研究區(qū)域灌溉水利用率的整體模型，并可將其應(yīng)用于整個(gè)黑河流域的評定中。

(3)由田間灌溉水有效利用率計(jì)算公式計(jì)算得出的典型試驗(yàn)田的田間灌溉水有效利用率在62%～77%之間。該灌區(qū)具有一定的節(jié)水潛力。

(4)灌溉水利用率的估算極為復(fù)雜，每一個(gè)環(huán)節(jié)都需要經(jīng)過一個(gè)極為復(fù)雜的運(yùn)算過程以及需要大量實(shí)際的觀測資料和當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)部門的配合，通過實(shí)測獲得大范圍區(qū)域內(nèi)的灌溉水利用率是十分困難的事情，所以該文也只能建立在區(qū)域已有的相關(guān)研究數(shù)據(jù)之上。

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