井灌區(qū)節(jié)水灌溉效率與潛力分析
——以內蒙古通遼市為例

魏子涵，魏占民，李春強，白寅禎，蘇婷婷，徐大為

（1.內蒙古農業(yè)大學水利與土木建筑工程學院，內蒙古呼和浩特010018；2.內蒙古沐禾金土地節(jié)水工程設備有限公司，內蒙古赤峰024500；3.內蒙古方圓建設工程有限公司，內蒙古赤峰024000）

井灌區(qū)節(jié)水灌溉效率與潛力分析
——以內蒙古通遼市為例

魏子涵1，2，魏占民1，李春強3，白寅禎1，蘇婷婷1，徐大為1

（1.內蒙古農業(yè)大學水利與土木建筑工程學院，內蒙古呼和浩特010018；2.內蒙古沐禾金土地節(jié)水工程設備有限公司，內蒙古赤峰024500；3.內蒙古方圓建設工程有限公司，內蒙古赤峰024000）

在對內蒙古通遼市井灌區(qū)水資源利用現(xiàn)狀和農業(yè)灌區(qū)用水現(xiàn)狀進行實際調查與分析的基礎上，按不同灌溉方式、土壤類型、分布位置和灌溉管理水平選擇典型樣點灌區(qū)，分別用田間實測法和水量平衡法科學地測算不同灌溉方式下的樣點灌區(qū)、灌區(qū)和地區(qū)的灌溉水利用效率，并分析評估樣點灌區(qū)、灌區(qū)和地區(qū)三個尺度的節(jié)水效果與潛力。測算得出通遼市所轄的奈曼旗、科爾沁左翼中旗、科爾沁區(qū)、開魯縣、庫倫旗、科爾沁左翼后旗、扎魯特旗和霍林郭勒市灌溉水利用系數(shù)分別為0.799、0.832、0.813、0.803、0.823、0.806、0.802和0.810。現(xiàn)狀年通遼市地下水灌溉總面積為64萬hm2，其中節(jié)水灌溉面積為30萬hm2，還有34萬hm2農田使用傳統(tǒng)的灌溉形式。假定未來34萬hm2待改造農田全部發(fā)展為低壓管灌時，通遼市64萬hm2灌溉面積可節(jié)約水量3 860萬m3；全部發(fā)展為噴灌時，可節(jié)約水量8 298萬m3；全部發(fā)展為膜下滴灌時，可節(jié)約水量10 904萬m3。各灌區(qū)灌溉水利用效率的高低主要取決于不同灌溉方式的面積占總灌溉面積的比例，采用高效節(jié)水灌溉可整體提升灌區(qū)灌溉效率。

井灌區(qū)；灌溉水利用效率；田間實測法；水量平衡法；節(jié)水潛力

中國是農業(yè)大國，灌溉對于保障我國糧食安全具有重要的地位和作用［1］，在農業(yè)增產的諸多影響因素中，農業(yè)灌溉是最主要因素之一［2］。而農業(yè)用水是我國水資源的最大消費者［3］，占國內水資源總量63.4%，農業(yè)灌溉用水量占到了水資源總量的90%左右。但我國灌溉水利用效率低下，農業(yè)灌溉用水浪費嚴重，加劇了農業(yè)灌溉用水短缺的問題［4－5］。但同時，低效率農業(yè)灌溉現(xiàn)狀也說明農業(yè)灌溉領域具有很大的節(jié)水潛力［6］。大力發(fā)展節(jié)水灌溉成為克服灌溉水資源短缺的必然選擇［5］。因此，農業(yè)節(jié)水的發(fā)展空間巨大，提高農業(yè)灌溉用水效率是我國發(fā)展農業(yè)的必由之路。實施農業(yè)節(jié)水、提高農業(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。

內蒙古通遼市井灌區(qū)處于半干旱區(qū)，由于氣候干燥，降水量少，蒸發(fā)強烈，加之該地區(qū)水資源短缺，生態(tài)環(huán)境脆弱，農業(yè)生產完全依賴于灌溉，屬于沒有灌溉就沒有農業(yè)的地區(qū)。在灌溉用水短缺的嚴峻形勢下，灌區(qū)灌溉工程仍不夠完善，灌溉管理粗放，灌溉水損失嚴重，農業(yè)用水效率明顯低于全國平均水平。充分挖掘灌區(qū)節(jié)水潛力，加大灌區(qū)農業(yè)節(jié)水力度，提高灌溉水資源綜合利用效率與效益，是內蒙古自治區(qū)水利發(fā)展亟待解決的問題。在保障糧食安全的前提下，灌區(qū)農業(yè)灌溉需水量閾值為多少？灌區(qū)節(jié)水潛力有多大？節(jié)水灌溉工程的實施效果如何？這些問題目前尚無明確答案。近年來通遼市井灌區(qū)節(jié)水工程發(fā)展迅速，開展灌區(qū)灌溉水利用效率測試分析與評估，科學地計算通遼市的節(jié)水潛力，正確地制定出合理可行的節(jié)水灌溉發(fā)展規(guī)劃，從而緩解通遼市水資源供需矛盾［7］。

1 試驗設計與研究方法

1.1 試驗區(qū)概況

通遼市位于內蒙古自治區(qū)東部，地處北緯42° 15′～45°41′、東經119°15′～123°43′，南北長約418 km，東西寬約370 km，總面積5.95萬km2。轄科爾沁區(qū)、開魯縣、庫倫旗、奈曼旗、扎魯特旗、科爾沁左翼中旗、科爾沁左翼后旗和霍林郭勒市。通遼市地勢南部和北部高，中部低平呈馬鞍形。北部為大興安嶺南麓余脈的石質山地丘陵，占全市總面積的22.8%，海拔高度400～1 300m；南部為遼西山地邊緣的淺山、黃土丘陵區(qū)，占全市總面積的7.0%，海拔高度550～730m；中部為西遼河流域沙質沖積平原，占全市總面積的70.7%，海拔高度120～320 m。

通遼市年平均氣溫0～6℃，年平均日照時數(shù)3 000 h左右，≥10℃積溫3 000℃～3 200℃，無霜期140～160 d，年平均降水量350～400 mm，蒸發(fā)量是降水量的5倍左右，年平均風速3～4.4 m·s－1，全年8級以上大風日數(shù)20～30 d。通遼市地帶性土壤為栗鈣土，其余土壤主要有風沙土、灰色草甸土等十個種類，以風沙土為主，占總面積的43.5%。

通遼市流域面積100 km2以上的河流共47條，自然湖泊600多個，有大、中、小型水庫121座。水系以西遼河水系為主，分布在其支流西拉木倫河、老哈河、教來河以及新開河，還有東遼河下游和遼河干流的一部分支流、大凌河和霍林河的一部分。由于連年干旱，全市境內遼河、新開河、教來河常年斷流，70多座中小型水庫干涸，局部地下水位下降，水資源匱乏。

1.2 研究方法

內蒙古通遼市近年來連年干旱，河道斷流、水庫干涸，農業(yè)灌溉水源幾乎全部來自地下水，以機井提水形式進行灌溉。2014年對井灌區(qū)開展調研，搜集、整理、分析灌區(qū)有關資料，確定施測典型灌區(qū)為奈曼旗、科爾沁左翼中旗和科爾沁區(qū)。按不同灌溉方式、土壤類型、分布位置、灌溉管理水平和用水狀況，以單井控制區(qū)為依據(jù)在施測典型灌區(qū)選擇典型樣點灌區(qū)。奈曼旗選取6個樣點灌區(qū)，分別位于舍力虎水庫農業(yè)隊、伊和烏素嘎查和代筒村；科爾沁左翼中旗選取6個樣點灌區(qū)，分別位于扎如德倉嘎查、白彥柴達木嘎查和巨寶山村；科爾沁區(qū)選取6個樣點灌區(qū)，分別位于新建村、豐田村和天慶東村。

在各樣點灌區(qū)開展必要的田間觀測，通過田間實測法和水量平衡法計算出典型樣點灌區(qū)灌溉水利用效率［8－12］。以典型樣點灌區(qū)灌溉水利用效率為基礎，經面積加權計算出灌區(qū)和地區(qū)的現(xiàn)狀灌溉水利用效率，在此基礎上進行樣點灌區(qū)、灌區(qū)和地區(qū)三個尺度的灌溉水利用效率及節(jié)水效果與潛力評估［13－16］。

（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為凈灌水定額（m3·667m－2）；γ為土壤容重（t·m－3）；H為作物計劃濕潤層深度（m）；θ1為灌水前測定的土壤重量含水率（干土重的%）；θ2為灌水后測定的土壤重量含水率（干土重的%）。

（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主要作物的凈灌溉定額。公式如下：

式中，M為作物凈灌溉定額（m3·667m－2）；ETc為作物的蒸騰蒸發(fā)量（mm）；Pe為作物生育期內的有效降水量（mm）；Ge為作物生育期內地下水利用量（mm）；ΔW為作物生育期始末土壤儲水量變化值（mm）。

根據(jù)井灌區(qū)的實際情況，典型田塊的毛灌溉水量統(tǒng)一在地下水井出口采用超聲波流量計測定，按灌水時段計算測試田塊和樣點灌區(qū)的灌水量，各測試田塊和樣點灌區(qū)的灌溉面積采用測尺和RTK進行精確測量，由此可以計算出樣點灌區(qū)的毛灌水定額，最終計算出樣點灌區(qū)灌溉水利用效率。

2 結果與分析

2.1 樣點灌區(qū)灌溉水利用效率測算

基于田間實測法和水量平衡法的各灌區(qū)灌溉水利用效率計算結果見表1。

2.2 樣點灌區(qū)灌溉水利用效率分析與評估

由圖1可見，對于奈曼旗的4個低壓管灌樣點灌區(qū)，基于田間實測法和水量平衡法計算的灌溉水利用系數(shù)較為接近，總體而言，隨著樣點灌區(qū)面積的增大，灌溉水利用系數(shù)呈減小的趨勢。膜下滴灌灌溉水利用系數(shù)均值比低壓管灌大0.054，灌溉效率提高6.6%。

科爾沁左翼中旗各樣點灌區(qū)基于田間實測法和水量平衡法計算出的灌溉水利用系數(shù)較為接近。由圖2可見，膜下滴灌灌溉水利用系數(shù)最大，平均為0.906；噴灌次之，平均為0.878；低壓管灌最小，平均為0.865。相對于低壓管灌的方式，噴灌和膜下滴灌灌溉效率分別提高1.5%和4.8%。

表1 各樣點灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)Table 1 The Irrigation water use coefficient in each sample irrigation districts

圖1 奈曼旗各樣點灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)對比Fig.1 Contrast of irrigation water use coefficient in each sample irrigation district in Naiman Banner

總體而言，科爾沁區(qū)各樣點灌區(qū)基于田間實測法和水量平衡法計算出的灌溉水利用系數(shù)較為接近。由圖3可見，膜下滴灌灌溉水利用系數(shù)最大，平均為0.897；噴灌次之，平均為0.853；低壓管灌最小，平均為0.807。相對于低壓管灌的方式，噴灌和膜下滴灌灌溉效率分別提高5.7%和11.2%。

圖2 科爾沁左翼中旗各樣點灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)對比Fig.2 Contrast of irrigation water use coefficient in eacch sample irrigation district in Horqin Left Middle Banner

圖3 科爾沁區(qū)各樣點灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)對比Fig.3 Contrast of irrigation water use coefficient in each sample irrigation district in Horqin District

其中有的樣點灌區(qū)采用田間實測法與水量平衡法計算出的灌溉水利用效率有些差異，這是因為田間實測法是根據(jù)各次灌溉前后土壤含水率的變化計算得出凈灌水定額，而水量平衡法是根據(jù)樣點灌區(qū)作物生育期內的氣象數(shù)據(jù)因子計算得出凈灌水定額，屬于理論值，然而實際中灌水相隔的時間及各次灌水的水量只是按農民自己的經驗實施，由此造成兩種方法得出的數(shù)據(jù)不同，因此通過理論與實際相結合計算得出的數(shù)據(jù)才更加能夠代表樣點灌區(qū)的灌溉水利用效率。

2.3 灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)計算分析與評估

統(tǒng)計現(xiàn)狀年各樣點灌區(qū)不同灌溉方式的灌溉面積，利用計算出的樣點灌區(qū)不同灌溉方式下的灌溉水利用系數(shù)，采用面積加權法計算出灌區(qū)的灌溉水利用系數(shù)。此外，本次效率測試只是奈曼旗、科爾沁左翼中旗和科爾沁區(qū)進行了測試，還有許多灌區(qū)沒有進行實測。為了能夠將灌區(qū)尺度的灌溉水利用系數(shù)提升至地區(qū)尺度，又收集其它未進行實測灌區(qū)不同灌溉方式下的灌溉面積以及灌溉水利用系數(shù)等統(tǒng)計數(shù)據(jù)。由于這些灌區(qū)沒有實測灌溉水利用系數(shù)，因此采用本地區(qū)相鄰灌區(qū)的系數(shù)或取同一地區(qū)不同灌溉作物灌溉水利用系數(shù)的平均值代替。通遼市各旗（縣／區(qū)）灌溉水利用系數(shù)計算結果見表2。

由表2可以看出，通遼市奈曼旗灌溉水利用系數(shù)最小，為0.799；科左中旗灌溉水利用系數(shù)最大，為0.832。各灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)的高低主要取決于不同灌溉形式的面積占總灌溉面積的比例，噴灌、膜下滴灌推廣面積越大，則灌溉水利用系數(shù)也越高，這也充分說明采用高效節(jié)水灌溉對整體提升灌區(qū)灌溉效率的重要性?？傮w而言，通遼市各灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)相差不大。

表2 通遼市各灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)Table 2 Irrigation water use coefficient in each irrigation district in Tongliao City

3 節(jié)水效率分析與潛力預測

2005年以后，通遼市開始加大節(jié)水灌溉的建設力度，經過十多年的發(fā)展，農業(yè)節(jié)水成效顯著。由表3可見，從2005年至今，各旗縣區(qū)灌溉水利用效率提升3.8%～25.2%，奈曼旗、科爾沁左翼中旗、庫倫旗和科爾沁左翼后旗提升幅度均在20%以上，科爾沁區(qū)、開魯縣和扎魯特旗提升幅度在10%左右，霍林郭勒市為3.8%。

由表3可見，節(jié)水灌溉面積占灌溉面積的比例也發(fā)生了顯著變化，由2005年的5.4%～18.6%增大至現(xiàn)在的29.1%～57.0%，科左中旗、科爾沁區(qū)和開魯縣節(jié)水灌溉面積占當?shù)毓喔让娣e的比例均在50%以上，庫倫旗所占比例為46.3%，奈曼旗、扎魯特旗和科爾沁左翼后旗所占比例在30%左右，霍林郭勒市所占比例為75.0%，在于當?shù)剞r田灌溉面積僅為0.11萬hm2，基數(shù)不大，容易實現(xiàn)。由此可見，奈曼旗、扎魯特旗和科爾沁左翼后旗農田節(jié)水灌溉還有很大的發(fā)展空間。

表3 通遼市各灌區(qū)節(jié)水灌溉效率變化Table 3 The change of the water-saving irrigation efficiency in each irrigation district in Tongliao City

表4 通遼市各灌區(qū)不同節(jié)水改造形式下節(jié)水潛力Table 4 Water-saving potential under different water saving reform in each irrigation district in Tongliao City

通遼市各灌區(qū)發(fā)展節(jié)水灌溉的農作物主要是玉米，目前高效節(jié)水灌溉形式主要是低壓管灌、噴灌和膜下滴灌三種?，F(xiàn)狀年通遼市地下水灌溉總面積為64萬hm2，其中節(jié)水灌溉面積為30萬hm2，還有34萬hm2農田使用傳統(tǒng)的灌溉形式。假定未來34萬hm2待改造農田全部發(fā)展為低壓管灌、噴灌和膜下滴灌三種形式，則可計算出不同灌區(qū)不同節(jié)水灌溉形式下的灌溉水利用效率。由表4可見，待節(jié)水改造面積全部發(fā)展為低壓管灌時灌溉水利用效率提升幅度最小，全部發(fā)展為膜下滴灌時灌溉水利用效率提升幅度最大。待節(jié)水改造面積全部發(fā)展為低壓管灌時，通遼市64萬hm2灌溉面積可節(jié)約水量0.38億m3；全部發(fā)展為噴灌時，可節(jié)約水量0.83億m3；全部發(fā)展為膜下滴灌時，可節(jié)約水量1.09億m3。由此可見，發(fā)展膜下滴灌節(jié)水潛力最大。

4 討論與結論

通遼市主要種植作物為玉米，各樣點灌區(qū)灌溉方式主要是低壓管灌、噴灌和膜下滴灌。奈曼旗、科爾沁左翼中旗和科爾沁區(qū)低壓管灌灌溉水利用系數(shù)分別為0.820、0.865和0.807，奈曼旗和科爾沁區(qū)灌溉水利用系數(shù)未達到《節(jié)水灌溉工程技術規(guī)范》（GB／T50363－2006）［17］（以下簡稱《規(guī)范》）中規(guī)定的低壓管灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)不低于0.86的要求。在田間觀測過程中發(fā)現(xiàn)當?shù)剞r民有的受傳統(tǒng)灌溉方式的影響灌水時間過長，有的為圖方便省事不按照設計給水栓間距取水灌溉而隨意加大畦長，有的甚至在支管上游第一個給水栓取水采取“條田首尾直通式”灌溉方式，從而導致灌水定額過大，灌溉水有效利用效率偏低。

奈曼旗、科爾沁左翼中旗和科爾沁區(qū)膜下滴灌灌溉水利用系數(shù)分別為0.874、0.906和0.897，除科爾沁左翼中旗外，其它兩個樣點灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)小于0.90，未到達《規(guī)范》中規(guī)定的滴灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)不低于0.90的要求。雖然采用膜下滴灌的節(jié)水方式，但當?shù)匾泊嬖诠嗨址诺膯栴}，因為通遼市易春旱，播種后第一水尤其重要，因此農民灌水時間普遍延長，造成不必要的滲漏。

科爾沁左翼中旗和科爾沁區(qū)噴灌灌溉水利用系數(shù)分別為0.878和0.853，符合《規(guī)范》中規(guī)定的噴灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)不低于0.85的要求。噴灌是高效節(jié)水形式，屬于在指針式噴灌圈內大面積整合作業(yè)方式。噴灌系統(tǒng)輸水損失極小，能夠很好控制灌水強度和灌水量，灌水均勻度高，水的利用率就高。

通遼市所轄的奈曼旗、科爾沁左翼中旗、科爾沁區(qū)、開魯縣、庫倫旗、科爾沁左翼后旗、扎魯特旗和霍林郭勒市灌溉水利用系數(shù)分別為0.799、0.832、0.813、0.803、0.823、0.806、0.802和0.810。奈曼旗灌溉水利用系數(shù)最小，為0.799；科左中旗灌溉水利用系數(shù)最大，為0.832。各旗縣區(qū)灌溉水利用效率的高低主要取決于不同灌溉方式的面積占總灌溉面積的比例，噴灌、膜下滴灌推廣面積越大，則灌溉水利用系數(shù)也越高，這也充分體現(xiàn)了采用高效節(jié)水灌溉對整體提升灌區(qū)灌溉效率的重要性?？傮w而言，通遼市各灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)相差不大。

通遼市現(xiàn)狀灌溉水利用系數(shù)為0.811，高于之前灌溉水有效利用系數(shù)0.62［6］很多，原因是通遼市近年來連年干旱，全市境內遼河、新開河、教來河常年斷流，70多座中小型水庫干涸，局部地下水位下降，水資源匱乏，地表水枯竭，農業(yè)灌溉水源全部來自地下水，以機井提水形式進行灌溉，灌溉水的利用率較高。目前傳統(tǒng)的井灌面積還占有較大的比例，隨著高效節(jié)水噴灌和膜下滴灌的不斷推廣，灌溉水利用系數(shù)還有一定的提升空間。

在研究過程中尚未利用權威的節(jié)水潛力的計算方法，在水分利用效率研究中仍然需要確認哪種計算方法更具有現(xiàn)實意義，尤其是水量的計算。節(jié)水潛力也因研究對象的不同而存在很大差異，目前還是針對灌溉方式開展研究工作，今后將從其它要素方面研究灌區(qū)的節(jié)水潛力。

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Analysis of water-saving irrigation efficiency and potential in well-irrigation district——Taking Tongliao City of Inner Mongolia as an Example

WEIZi-han1，2，WEIZhan-min1，LIChun-qiang3，BAIYin-zhen1，SU Ting-ting1，XU Da-wei1
（1.College of Water Conservancy and Civil Engineering，Inner Mongolia Agricultural University，Huhhot，Inner Mongolia 010018，China；2.Inner Mongolia Muhe Golden Land Water-Saving Engineering Equipment Limited Company，Chifeng，Inner Mongolia 024500，China；3.Inner Mongolia Fangyuan Construction Engineering Limited Company，Chifeng，Inner Mongolia 024000，China）

Based on the actual investigation and analysis for the status of water resources utilization and agricultural irrigation water use in well-irrigation district of Tongliao City in Inner Mongolia，according to the different irrigation mode，soil types，distribution position and irrigation management level，selected some typical sample irrigation districts，scientifically measured the irrigation water use efficiency for the sample irrigation district，irrigation district and region by using the field test method and water balance method respectively，analyzed and evaluated the water-saving effect and potential by three dimensions for the typical sample irrigation district，irrigation district and region.Measured and calculated the irrigation water use coefficients were 0.799，0.832，0.813，0.803，0.823，0.806，0.823 and 0.806 respectively for the Naiman Banner，Horqin Left Middle Banner，Horqin District，Kailu County，Kulun Banner，Horqin Left Back Banner，Zhalute Banner and Huolinguole City in Tongliao City.The whole groundwater irrigated areas in current year in Tongliao City were 640 thousand hm2.Among them the water saving irrigation areas were 300 thousand hm2，and remained 340 thousand hm2were utilized the traditional irrigation methods.Suppose total340 thousand hm2farmlands will be developed into the low pressure pipe irrigation in future，the water saving volume can be reached 38.6 million m3from the 640 thousand hm2irrigation aresa in Tongliao City.If whole areas were developed into the sprinkler irrigation，the total water saving volume 82.98 million m3can be saved.If total were developed into the drip irrigation under film，thewater savng volume 109.04 million m3can be reached.The irrigation water use efficiency of each irrigation district mainly dependent on the proportion of different methods irrigation area in the total irrigation area，using high efficiency watersaving irrigation can improve the irrigation efficiency.

well-irrigation district；irrigation water use efficiency；field test method；water balance method；water saving potential

S275

A

1000-7601（2016）06-0143-07

10.7606／j.issn.1000-7601.2016.06.22

2015-10-19

內蒙古自治區(qū)水利廳專項

魏子涵（1989—），女，內蒙古赤峰人，碩士研究生，主要從事節(jié)水灌溉理論與管理決策方面研究。E-mail：weizihan2008＠126.com。

魏占民（1960—），男，內蒙古呼和浩特人，教授，博士生導師，主要從事節(jié)水灌溉理論與新技術方面研究。E-mail：wei zhanmin＠aliyun.com。