不同空間尺度下灌區(qū)灌溉水利用效率研究
----以察爾森灌區(qū)為例

黃永江，屈忠義

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

0 引 言

灌溉水利用效率是灌入田間對作物有效的水量與從水源引入的取水總量(扣除經(jīng)排水渠排除的水量)之比，是評價灌區(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)，一個區(qū)域灌 溉水利用效率的高低直接影響著該區(qū)域農(nóng)業(yè)灌水量的多少和水資源的配置，合理測算及評價不同空間尺度下灌溉水利用效率是進(jìn)行區(qū)域水資源合理配置和制定節(jié)水灌溉發(fā)展宏觀決策的重要依據(jù)，在農(nóng)業(yè)節(jié)水工作中具有非常重要的地位[1-4]。2005年底，水利部啟動了全國農(nóng)業(yè)灌溉水利用效率的測算與分析工作。各省、區(qū)、市的水利管理部門和科研院所紛紛開展了農(nóng)業(yè)灌溉水利用效率的測算工作，其中張芳等[5]依據(jù)河南省己有的灌溉用水管理、觀測與灌溉試驗(yàn)等資料，按照不同類型灌區(qū)的灌溉用水量進(jìn)行加權(quán)平均，從而推算出河南省平均灌溉水利用率為55.4%；王小軍等[6]對廣東省的灌溉水利用率進(jìn)行了測算分析，推算出全省平均灌溉水利用率為39.9%；張亞平[7]對陜西省的現(xiàn)狀灌溉水利用率進(jìn)行了測算分析，推算出陜西省的灌溉水利用率平均值為50.3%；梁天雨等[8]對內(nèi)蒙古黃河南岸灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)進(jìn)行了測算，推算出內(nèi)蒙古黃河南岸灌區(qū)的灌溉水利用系數(shù)為0.535。所有這些測試分析大多依據(jù)首尾測算分析法，由于首尾法強(qiáng)調(diào)以年為水量分析的時段,并且無法直觀反應(yīng)水量在各個環(huán)節(jié)的損失率, 為使灌區(qū)建設(shè)和節(jié)水工作更具有針對性和有效性，許多專家和學(xué)者都認(rèn)為對灌區(qū)灌溉用水不同環(huán)節(jié)的水利用效率進(jìn)行測試分析是非常必要的，而目前針對某一灌區(qū)不同空間尺度下灌溉水利用效率的變化分析研究還較少[9-12]，特別是針對內(nèi)蒙古東部地表水灌區(qū)的灌溉水利用效率系統(tǒng)測試分析與研究尚鮮見報(bào)道。

本文以內(nèi)蒙古自治區(qū)察爾森灌區(qū)2013-2014實(shí)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，分析察爾森灌區(qū)不同空間尺度下灌溉水利用效率變化規(guī)律，合理評價察爾森灌區(qū)現(xiàn)狀工程條件下不同尺度灌溉水利用效率，科學(xué)指導(dǎo)察爾森灌區(qū)節(jié)水改造工程建設(shè)，提高灌溉水資源綜合利用效率與效益，同時為內(nèi)蒙古東部其他地表水灌區(qū)進(jìn)行灌溉水利用效率分析與評價提供參考。

1 察爾森灌區(qū)基本情況

察爾森灌區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東部興安盟境內(nèi)洮兒河的河谷平原中，北起察爾森水庫壩下科爾沁右翼前旗察爾森鎮(zhèn)，南至吉林省白城地區(qū)邊界，東西兩翼為低山丘陵區(qū)，灌區(qū)南北長74 km，東西寬2～15 km，地理坐標(biāo)為東經(jīng)121°51′～122°35′，北緯46°26′～45°45′。灌區(qū)年平均降水量408 mm，年平均蒸發(fā)量1 836～1 960 mm，多年平均引水量為4.215億m3，灌區(qū)由好田、義勒力特、烏蘭哈達(dá)、斯力很、國光、哈達(dá)那拉、生態(tài)草原(不灌溉)等7個灌域組成，設(shè)有總干渠、干渠、支渠及斗渠共4級渠系級別，現(xiàn)有總干渠6條，干渠16條，支渠7條，斗渠212條，各類渠系建筑物194座，經(jīng)過多年建設(shè)，灌區(qū)渠系工程狀況較好，渠道襯砌率高。灌區(qū)總土地面積7 531 hm2，總耕地面積4 711 hm2，草場面積3 187 hm2。

2 灌溉水利用效率測算

2.1 觀測內(nèi)容

現(xiàn)狀條件下，察爾森灌區(qū)主要作物為水稻，種植比例高達(dá)95%以上。本次測試，在灌區(qū)上、中、下游選擇6個典型田間測試點(diǎn)，在作物生育期各個階段及灌水前后量測水面高度及土壤參數(shù)，每天早、晚8點(diǎn)觀測滲漏桶和蒸發(fā)桶桶內(nèi)水位，在試驗(yàn)田塊取水口設(shè)置梯形堰量水設(shè)施，在實(shí)際灌水條件下量測試驗(yàn)田塊的每輪毛灌水量，逐日測試田間雨量筒、蒸發(fā)皿(早晚8點(diǎn)測試)數(shù)值。

2.2 田間水利用效率測算

2.2.1 實(shí)測法

通過灌前灌后測試典型田塊的田面水位變化，計(jì)算凈灌溉定額(表1，表2)，計(jì)算公式如下：

M=10 005(h2-h1)/1 000

(1)

式中：M為凈灌水定額，m3/hm2；h1為灌水前測定的田面水位，mm；h2為灌水后測定的田面水位，mm。

表1 察爾森灌區(qū)水稻生育期凈灌溉定額(實(shí)測法)Tab.1 The net irrigation norm in rice growth period in Chaersen irrigation district(the practical measurement method)

表2 察爾森灌區(qū)田間水利用效率(實(shí)測法)Tab.2 The field water use efficiency in Chaersen irrigation district(the practical measurement method)

2.2.2 水量平衡法

察爾森灌區(qū)各灌域主要分布在烏蘭浩特市周邊，各灌域的氣象條件變異不大，因此，本次采用烏蘭浩特氣象站的水文氣象資料計(jì)算參考作物蒸發(fā)蒸騰量ET0，ET0乘作物系數(shù)Kc得到實(shí)際作物蒸發(fā)蒸騰量。采用FAO-56中降雨量與有效降雨量的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算灌區(qū)有效降雨量。地下水補(bǔ)給量依據(jù)《內(nèi)蒙古河套灌區(qū)灌溉排水與鹽堿化防治》給出的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[13]。再根據(jù)其他觀測值，依據(jù)水量平衡原理計(jì)算得出水稻的凈灌溉定額(表3，表4)。

mi=ETc+S+m0-Pe-Ge

(2)

式中:mi為凈灌溉定額，mm;ETc為蒸發(fā)蒸騰量，mm;S為滲漏量，mm;m0為泡田定額，mm;Pe為有效降雨量，mm;Gg為地下水利用量，mm。

表3 察爾森灌區(qū)水稻生育期凈灌溉定額(水量平衡法)Tab.3 The net irrigation norm in rice growth period in Chaersen irrigation district(the principle of water balance)

表4 察爾森灌區(qū)田間利用水效率(水量平衡法)Tab.4 The field water use efficiency in Chaersen irrigation district(the principle of water balance)

根據(jù)表3，表4測算結(jié)果可知，實(shí)測法得出的田間水利用效率為85.6%，水量平衡法得出的田間水利用效率為85.4%，兩種方法的測算結(jié)果相近，這說明所得結(jié)果可信。

2.3 渠道水利用效率測算

本次試驗(yàn)采用典型渠道測試法[14]，根據(jù)所選典型渠道測流斷面的實(shí)測資料,首先計(jì)算典型渠段的損失水量δ典渠段、根據(jù)流量加權(quán)計(jì)算典型渠段不同過水流量下的單位長度輸水損失率σ典渠段、然后通過修正得到典型渠道單位長度損失率σ典渠道，利用該級各典型渠道的長度L典渠道加權(quán)平均，得到該級渠道的渠道水平均單位長度輸水損失率σ渠道，進(jìn)而計(jì)算各級渠道的渠道水利用系數(shù)η渠。具體計(jì)算公式如下：

δ典段=W損失/W首

(3)

σ典渠道=[k2+(k1-1)(1-k2)]δ典渠段/L典渠段

(4)

σ渠道=∑σ典渠道jL典渠道j/∑L典渠道j

(5)

δ渠=σ渠道L渠

(6)

η道=1-δ渠

(7)

式中：W首為測試渠段首部流量，m3/s；W損失為測試渠段損失流量，m3/s；L典渠段為典型渠段的長度，km；k1為輸水系數(shù)，k1=1+Qe/Q0，Q0為渠首流量，Qe為渠尾出流流量；k2為分水系數(shù)，實(shí)際渠道的分水情況是很復(fù)雜的，為便于應(yīng)用,簡化為線性分水，即假定換算到單位渠長上的分水量自渠首至渠尾呈直線變化，如果實(shí)際渠道接近均勻分水，即上下游控制面積區(qū)別不大，則k2=0.5，測算中，k2均取0.5；L典渠道j為典型渠道的長度，km；L渠為該級渠道的平均長度，km。

根據(jù)典型渠段的實(shí)測數(shù)據(jù)，求得各級渠道的渠道水利用效率見表5。

表5 察爾森灌區(qū)渠道水利用效率Tab.5 The channel water use efficiency in Chaersen irrigation district

2.4 不同空間尺度下灌溉水利用效率計(jì)算

察爾森灌區(qū)各灌域渠系并非全為四級分布，有些灌域存在越級取水現(xiàn)象，因此，本次在灌溉水利用效率進(jìn)行空間尺度轉(zhuǎn)化時，首先由田間尺度的灌溉水利用效率計(jì)算值，根據(jù)各灌域的實(shí)際渠系分布級別，應(yīng)用表5所得各級別渠道的渠道水利用效率，采用連乘方式分別得到斗渠、支渠以及干渠尺度的灌溉水利用效率和各灌域尺度的灌溉水利用效率，將所得各灌域尺度的灌溉水利用效率按各灌域的實(shí)際毛灌溉引水量(扣除排水量)加權(quán)得到灌區(qū)尺度的灌溉水利用效率，計(jì)算結(jié)果見表6和表7。

表6 察爾森灌區(qū)各灌域灌溉水利用效率 %

3 不同空間尺度下兩種方法測算結(jié)果的對比分析

兩種方法所得不同空間尺度之間數(shù)據(jù)表明(如圖1)，隨著空間尺度的減小，灌溉水利用效率逐步提高，符合一般的規(guī)律。從不同尺度間灌溉水利用效率變化率的比較表明，灌區(qū)(總干)到干渠尺度變化較小，支渠到斗渠尺度次之，變化較大的在斗渠到田間尺度以及支渠到干渠尺度，其中以斗渠到田間尺度變化最大，這表明目前影響察爾森灌區(qū)灌溉水利用效率的主要因素是斗渠及干渠工程的建設(shè)質(zhì)量和管理運(yùn)行水平。

表7 察爾森灌區(qū)不同空間尺度下灌溉水利用效率 %

為了驗(yàn)證察爾森灌區(qū)典型渠道測試法所測算灌溉水利用效率的合理性，應(yīng)用《全國灌溉用水有效利用系數(shù)測算分析技術(shù)指南》所推薦的首尾測定法對察爾森灌區(qū)的灌溉水利用效率進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表8。

表8 察爾森灌區(qū)灌溉水利用效率(首尾法)Tab.8 The irrigation water use efficiency in Chaersen irrigation district(the head-tail method)

從表8可看出，首尾法的計(jì)算結(jié)果略大于典型渠道測試法，這主要是因?yàn)椴鞝柹鄥^(qū)各灌域之間存在回歸水的多次利用，即某一灌域從渠首引入的總水量在流經(jīng)該灌域時并非全部被利用，會有部分水通過該灌域的輸水渠道進(jìn)入與之相鄰的下一灌域而被利用，首尾法在一定程度上考慮了回歸水的利用，而典型渠道測試法不能考慮回歸水的利用。

4 結(jié) 語

(1)本文應(yīng)用典型渠道測試法分析了察爾森灌區(qū)不同空間尺度下灌溉水利用效率的變化規(guī)律，得出了察爾森灌區(qū)今后提高灌溉水利用效率關(guān)鍵在于提高斗渠及干渠的襯砌率。

(2)察爾森灌區(qū)各灌域之間回歸水利用明顯，在今后的監(jiān)測過程中，應(yīng)加強(qiáng)各灌域灌排水量的監(jiān)測，以便能更準(zhǔn)確的評價察爾森灌區(qū)不同空間尺度下的灌溉水利用效率。

(3)察爾森灌區(qū)地下水位埋深淺，田間滲漏量大，田間滲漏水在地下水位埋深較淺的耕地中，還可以被作物利用，因此，由灌溉滲漏反過來又被作物利用的水量應(yīng)該算作有效的，其規(guī)程和理論有待完善，灌溉水利用效率到底如何計(jì)算，有待深入系統(tǒng)地開展研究。

(4)灌區(qū)灌溉水利用效率是一個動態(tài)變化的指標(biāo)，它與灌區(qū)建設(shè)投資、管理水平、節(jié)水技術(shù)應(yīng)用、種植結(jié)構(gòu)變化以及水文年型均有一定的關(guān)系。在現(xiàn)有測試基礎(chǔ)上，應(yīng)進(jìn)行不同水文年的數(shù)據(jù)監(jiān)測，摸清不同水文年型與灌溉水利用效率之間的關(guān)系，為察爾森灌區(qū)提出一套合理的引灌水模式。

[1] 賈宏偉，鄭世宗.灌溉水利用效率的理論、方法與應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社，2013.

[2] 趙紅潔，呂志遠(yuǎn)，霍 星，等.麻地壕黃河灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)分析研究[J].中國農(nóng)村水利水電,2014,(8):5-8.

[3] 崔遠(yuǎn)來，熊 佳．灌溉水利用效率指標(biāo)研究進(jìn)展[J]．水科學(xué)進(jìn)展，2009，20(4)：590-598.

[4] 黃永江，孫 文，屈忠義．內(nèi)蒙古河套灌區(qū)田間水利用效率測試與區(qū)域分異規(guī)律[J]．節(jié)水灌溉，2015，(7)：1-4.

[5] 張 芳，李永鑫，張玉順，等.河南省現(xiàn)狀灌溉水利用率的測算研究[J].人民黃河,2008,30(1):51-52.

[6] 王小軍，古璇清，鄧 嵐，等.廣東省灌溉水利用率測算分析[J].廣東水利水電,2008,(8):62-66.

[7] 張亞平.陜西省現(xiàn)狀灌溉水利用率測算方法與問題討論[J].水資源與水工程學(xué)報(bào),2007,18(3):60-62.

[8] 梁天雨，魏占民，白艷英，等.內(nèi)蒙古黃河南岸灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)測算[J].節(jié)水灌溉,2014,(2):65-68.

[9] 崔遠(yuǎn)來，譚 芳，王建漳.不同尺度首尾法及動水法測算灌溉水利用系數(shù)對比研究[J].灌溉排水學(xué)報(bào),2010,29(1):5-10.

[10] 謝先紅，崔遠(yuǎn)來.灌溉水利用效率隨尺度變化規(guī)律分布式模擬[J].水科學(xué)進(jìn)展,2009,29(5):682-689.

[11] 馮保清.全國大型灌區(qū)灌溉用水有效利用系數(shù)空間變異性分析[J].灌溉排水學(xué)報(bào)，2012，,31(2):42-44.

[12] 王小軍，張 強(qiáng)，古璇清.基于分形理論的灌溉水有效利用系數(shù)空間尺度變異[J].地理學(xué)報(bào),2012,67(9):1 201-1 212.

[13] 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(bào)告[R].北京:中國灌溉排水發(fā)展中心,2007.

[14] 王倫平，陳亞新，曾國芳，等. 內(nèi)蒙古河套灌區(qū)灌溉排水與鹽堿化防治[M].北京:水利電力出版社,1993.