灌溉用水有效利用系數(shù)對(duì)需水量的影響

（河南省豫東水利工程管理局三義寨分局）

灌溉用水有效利用系數(shù)對(duì)需水量的影響

□孟玉清□李世月□聶鑫鑫□宋欣玲

（河南省豫東水利工程管理局三義寨分局）

研究灌區(qū)引黃需水量，有利于為黃河管理部門編制中長(zhǎng)期水量調(diào)度方案提供決策依據(jù)，便于協(xié)調(diào)黃河水資源供需矛盾。文章通過計(jì)算三義寨灌區(qū)主要作物理論灌溉需水量，結(jié)合灌區(qū)灌水現(xiàn)狀推算灌區(qū)引黃灌溉凈需水量，從而求得不同灌溉水利用系數(shù)時(shí)灌區(qū)引黃需水量，定量分析得出灌溉水利用系數(shù)每提高0.01灌區(qū)引黃節(jié)水量及增加的灌溉面積和糧食產(chǎn)量，對(duì)緩解灌區(qū)水資源危機(jī)和保障糧食核心區(qū)生產(chǎn)安全意義重大。建議今后從灌溉水利用系數(shù)的影響因素即工程因素、自然因素、灌溉管理水平、灌溉技術(shù)水平、農(nóng)藝節(jié)水技術(shù)等方面采取措施，增加投資和加強(qiáng)管理來提高灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)。

灌溉用水；有效利用系數(shù)；引黃需水量；影響

0 引言

隨著最嚴(yán)格的水資源管理制度的實(shí)施，水資源日益短缺，各部門、各地區(qū)之間用水矛盾日益突出，農(nóng)業(yè)用水在各行業(yè)用水中的比例呈逐年減少的趨勢(shì)，截至目前，每年得不到灌溉的有效灌溉面積達(dá)到了6.67×106hm2，僅全國(guó)大型灌區(qū)每年就缺水2.00×1010m3，農(nóng)業(yè)缺水呈現(xiàn)加重的趨勢(shì)。特別是我國(guó)黃河下游地區(qū)，本來已短缺的水資源形勢(shì)更加嚴(yán)峻，各灌區(qū)用水矛盾日益突出。因此，研究引黃需水量，探究灌溉水利用系數(shù)對(duì)灌區(qū)引黃需水量的影響，定量分析灌溉水利用系數(shù)每提高0.01的灌區(qū)引黃節(jié)水量，可為黃河管理部門編制中長(zhǎng)期黃河水量調(diào)度方案提供決策依據(jù)，這將進(jìn)一步提高黃河水量調(diào)度的科學(xué)性和前瞻性，對(duì)協(xié)調(diào)黃河水資源供需矛盾、緩解灌區(qū)水資源短缺現(xiàn)象，保障國(guó)家糧食安全都具有重要意義，同時(shí)也為其他引黃灌區(qū)研究引黃需水量提供參考。

1 研究區(qū)域概況

三義寨引黃灌區(qū)是河南省水利廳直管的大型灌區(qū)，擔(dān)負(fù)著國(guó)家糧食生產(chǎn)基地豫東平原地區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉和商丘市城市生活及工業(yè)生產(chǎn)供水任務(wù)。灌區(qū)取水口過水能力150 m3/s。灌區(qū)范圍涉及開封、商丘兩市的9個(gè)縣（區(qū)），灌區(qū)設(shè)計(jì)灌溉面積21.73萬hm2。灌區(qū)灌溉主要用水為黃河水和地下水。黃河水自取水口無壩自流引水，經(jīng)過灌區(qū)引水總干渠、樞紐工程和各級(jí)渠系，通過引水或提水向田間輸送灌溉。地下水則通過機(jī)電井提水進(jìn)行灌溉。灌區(qū)灌溉采用渠灌、井灌、井灌與渠灌相結(jié)合的灌溉模式。面上配套工程在布局上采用灌排合一的方式。引水渠道和主要河道及排水溝，相互貫通形成輸水網(wǎng)絡(luò)，滿足灌溉用水。灌區(qū)自1994年通水至2011年，共計(jì)引水43多億m3，灌溉面積220.40萬hm2次，補(bǔ)源287.40萬hm2次，灌區(qū)工程效益顯著。

2 灌區(qū)理論灌溉需水量計(jì)算

2.1 計(jì)算時(shí)段的選取

由于灌區(qū)主要作物冬小麥生育期為每年10月份到次年的5月份，棉花為4月份至10月份，夏玉米為6月份至9月份，灌區(qū)理論灌溉需水量測(cè)算必須與主要作物生育期相對(duì)應(yīng)，故本研究計(jì)算時(shí)段統(tǒng)一選用為2011年10月至2012年10月。

2.2 灌區(qū)理論灌溉凈需水量

灌區(qū)的灌溉需水量不僅受到灌區(qū)種植作物種類和種植面積的影響，還和灌區(qū)的氣候、土質(zhì)以及灌溉管理水平等因素有著密切的關(guān)系。灌區(qū)年灌溉用水量是指灌區(qū)一年灌溉需要的水量，它是由灌區(qū)實(shí)際灌溉面積、土壤性質(zhì)、水文地質(zhì)情況、氣象條件以及各種作物的種植比例、各種作物的需水情況、灌溉管理水平、灌溉管理措施、灌溉節(jié)水措施等共同決定的。灌區(qū)某種作物一次灌水所需要的凈灌溉用水量為某種作物的灌溉面積與該種作物的次灌水定額乘積，灌區(qū)作物全年凈灌溉用水量為各種作物一次灌水所需的凈灌溉用水量之和。

灌溉用水由水源地經(jīng)各級(jí)渠道輸送到田間，由于渠道滲漏、蒸發(fā)及田間滲漏等因素會(huì)造成水量損失。衡量灌溉水利用率的指標(biāo)用η來表示，灌區(qū)的毛灌溉用水量計(jì)算公式為：

式中：M毛為灌區(qū)毛用水量，M凈為灌區(qū)凈灌溉用水量，η為灌溉水利用系數(shù)。

2.3 水平衡方程

研究采用觀測(cè)分析法，水量平衡方程用作物需水量、有效降雨量、地下水利用量、田間凈灌溉用水總量來表示。用下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：ETc為灌區(qū)主要農(nóng)作物需水量；P為有效降雨量；G為地下水補(bǔ)給利用量。其他符號(hào)意義同前。

2.4 有效降雨量

有效降雨量是指能保持在田間被作物吸收用于生長(zhǎng)發(fā)育的那部分水量，其值可以用總降雨量與地表徑流、深層滲漏量之差進(jìn)行計(jì)算，其有效作用的大小取決于降水強(qiáng)度、土壤質(zhì)地、植被覆蓋、地下水等情況。有效降雨量的計(jì)算方法有很多，在本研究中，為了計(jì)算方便，首先確定有效降雨的系數(shù)，通過系數(shù)乘以次降雨量所得數(shù)值即為有效降雨量。目前我國(guó)已經(jīng)形成了一套適用于我國(guó)的不同降水量級(jí)的有效降水系數(shù)，即次降雨量＜5 mm，系數(shù)取0；5 mm＜次降雨量＜50 mm，系數(shù)取1；50 mm＜次降雨量＜150 mm，系數(shù)取0.8；次降雨量＞150 mm，系數(shù)取0.7。在計(jì)算三義寨引黃灌區(qū)有效降水量時(shí)，采用該經(jīng)驗(yàn)有效降雨系數(shù)及河南省惠北水利科學(xué)試驗(yàn)站日觀測(cè)降雨資料進(jìn)行有效降雨量計(jì)算，見表1。

由表1可以看出，灌區(qū)2011年10月至2012年10月年有效降雨量為453.50 mm。

表1 灌區(qū)有效降雨量逐旬、月計(jì)算表 單位：mm

2.5 地下水補(bǔ)給量

地下水補(bǔ)給量的計(jì)算是采用惠北試驗(yàn)站多年觀測(cè)試驗(yàn)得出的灌區(qū)地下水利用量的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式結(jié)合灌區(qū)的地下水埋深觀測(cè)資料計(jì)算得出。根據(jù)監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)資料的分析，灌區(qū)絕大部分地下水埋深＞2.80 m，地下水補(bǔ)給量基本為0，因此本測(cè)算忽略地下水補(bǔ)給量。

2.6 作物需水量計(jì)算

作物需水量是設(shè)計(jì)灌溉制度的主要依據(jù)，灌區(qū)作物需水量計(jì)算主要采用國(guó)內(nèi)penman修正式來計(jì)算參考作物騰發(fā)量，方法采用公式3計(jì)算。

式中：ETc是指作物需水量，ET0指參考作物騰發(fā)量，Kc是指作物系數(shù)。

參考作物需水量和作物系數(shù)直接采用惠北科學(xué)實(shí)驗(yàn)站試驗(yàn)測(cè)定的數(shù)值。根據(jù)《三義寨灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造骨干工程項(xiàng)目總體可行性研究報(bào)告（2012-2020年）》中的資料，三義寨灌區(qū)目前主要種植作物為小麥和玉米，經(jīng)濟(jì)作物為棉花，其種植比例為小麥82%、玉米70%、棉花25%。整理灌區(qū)小麥、棉花、玉米三種作物的作物系數(shù)如表2、表3、表4所示。

在作物需水量的計(jì)算過程中，主要計(jì)算了三義寨灌區(qū)主要種植作物2012年的生育期冬小麥、棉花、玉米的需水量分別為457.43、450.22、323.33 mm。結(jié)合作物種植比例，經(jīng)計(jì)算，灌區(qū)2012年綜合作物需水量為713.98 mm。

2.7 理論灌溉需水量計(jì)算

數(shù)據(jù)進(jìn)行整合計(jì)算，可以得到灌區(qū)主要作物的生育期灌溉需水量。在計(jì)算灌區(qū)灌溉需水量時(shí)，小麥、棉花、玉米三種主要作物的種植比例分別為82%、25%、70%，灌區(qū)綜合作物年灌溉需水量260.48 mm，2012年灌區(qū)實(shí)灌面積17.07萬hm2，則2012年灌區(qū)年灌溉需水量為4.45億m3。

表2 三義寨灌區(qū)主要作物小麥作物系數(shù)（Kc）表

表3 三義寨灌區(qū)主要作物棉花作物系數(shù)（Kc）表

表4 三義寨灌區(qū)主要作物玉米作物系數(shù)（Kc）表

3 灌溉引黃凈需水量計(jì)算

3.1 井灌水量

井灌水量是根據(jù)灌區(qū)地下水資源總量6.92億m3和地下水可開采量為5.85億m3結(jié)合灌區(qū)地下水多年平均開采量3.85億m3，占總用水量的63%。因此在研究中，認(rèn)為灌區(qū)井灌水量占灌溉總水量的63%。

3.2 地下水回歸補(bǔ)給量

本研究直接采用涇惠渠灌區(qū)地下水和水量平衡調(diào)查對(duì)影響回歸水利用量的各個(gè)因素綜合分析結(jié)果，將14.20%作為計(jì)算三義寨灌區(qū)地下水回歸補(bǔ)給量占灌溉水量百分比。

3.3 灌溉引黃需水量計(jì)算

根據(jù)灌區(qū)2012年理論灌溉需水量、井灌水量、地下水回歸水補(bǔ)給量的計(jì)算數(shù)據(jù)，灌區(qū)的灌溉引黃凈需水量為理論灌溉需水量與井灌水量、地下水回歸補(bǔ)給量之差，計(jì)算結(jié)果為1.02億m3。

綜上所述，根據(jù)灌區(qū)的作物種植比例，采用綜合作物灌溉需水量，結(jié)合灌區(qū)當(dāng)年的實(shí)際灌溉面積，灌區(qū)2012年實(shí)際灌溉總需水量為4.45億m3；由于灌區(qū)為井渠結(jié)合灌溉的大型灌區(qū)，綜合考慮井灌水量和地下水的回歸補(bǔ)給量，確定出2012年灌區(qū)灌溉引黃凈需水量為1.02億m3。

4 灌溉水利用系數(shù)的概念及提高灌溉水利用系數(shù)的措施

灌溉水有效利用系數(shù)指田間凈灌溉用水量與相同區(qū)域毛灌溉用水量之比，是衡量灌區(qū)從水源引水到田間作物吸收利用水的過程，是評(píng)價(jià)灌溉水利用程度的一個(gè)重要指標(biāo)，也是集中反映灌溉工程質(zhì)量、灌溉技術(shù)水平和灌區(qū)用水管理水平的一項(xiàng)綜合指標(biāo)。

由此可知，該數(shù)值的大小受灌區(qū)工程狀況、配套設(shè)施、渠道襯砌防滲等工程因素的影響，同時(shí)也受引水量、土壤墑情、地下水資源、降水情況和土壤地質(zhì)情況等自然因素的影響，還受灌區(qū)農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)、節(jié)水工程投資、農(nóng)藝節(jié)水技術(shù)、水價(jià)管理等灌溉技術(shù)和灌溉管理水平的影響，作為灌區(qū)管理單位則應(yīng)從灌溉工程、自然因素、灌溉管理水平、灌溉技術(shù)水平、農(nóng)藝節(jié)水技術(shù)等方面采取措施，增加投資和加強(qiáng)管理來提高灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)。

5 不同灌溉水利用系數(shù)的引黃需水量計(jì)算及引黃節(jié)水效益分析

三義寨灌區(qū)2012年灌溉水利用系數(shù)測(cè)算值為0.46，在現(xiàn)狀水平年的基礎(chǔ)上灌溉引黃凈需水量為1.02億m3，不同灌溉水利用系數(shù)的引黃需水量如圖1所示：

圖1 不同灌溉水利用系數(shù)的灌溉引黃需水量

由上圖可以看出，現(xiàn)狀條件下灌溉水利用系數(shù)每提高0.01大約就可為灌區(qū)節(jié)水500萬m3。按灌區(qū)規(guī)劃，采用小灌水定額，灌溉制度優(yōu)化，求得不同作物不同水平年灌溉定額為：75%保證率時(shí)，小麥2 700 m3/hm2，玉米1425 m3/hm2，棉花1 350 m3/ hm2，那么節(jié)水量可增加灌溉小麥18.52 hm2，玉米35.09 hm2，棉花37.04 hm2；按規(guī)劃水平年水分生產(chǎn)率達(dá)1.50 kg/m3以上，可增加糧食產(chǎn)量7 500 t以上，對(duì)有效緩解灌區(qū)水資源短缺，保障灌區(qū)糧食安全意義重大。

6 結(jié)語

通過以上研究分析可知，灌溉水利用系數(shù)對(duì)灌區(qū)的引黃需水量有很大影響，對(duì)農(nóng)業(yè)節(jié)水意義重大。灌區(qū)的管理工作者要提高灌溉水利用系數(shù)以節(jié)約引黃需水量，增加作物需水保證率，緩解水資源供需矛盾，保證經(jīng)濟(jì)社會(huì)和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。建議今后從影響灌溉水利用系數(shù)的工程因素、自然因素、灌溉管理水平、灌溉技術(shù)水平、農(nóng)藝節(jié)水技術(shù)等方面采取措施，增加投資和加強(qiáng)管理來提高灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)。

［1］白雪蓮.內(nèi)蒙古河套灌區(qū)引黃用水統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)研究［D］.鄭州，華北水利水電學(xué)院，2012.

［2］山侖，等.中國(guó)農(nóng)業(yè)節(jié)水［M］.北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2004.

［3］顧宇平，黃修橋，竇以松，等.節(jié)水灌溉工程技術(shù)規(guī)范：GB/ T50363-2006［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2006：1-32.

［4］馮躍華，馮峰，孟玉清，等.三義寨灌區(qū)灌溉用水有效利用系數(shù)研究［R］.開封：河南省豫東水利工程管理局，2015：37-47.

TV213.9

A

1673-8853（2017）04-0018-03

2017-2-23

編輯：符蕾

河南省2014年水利科技攻關(guān)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：GG201429）

孟玉清（1967-），女，高級(jí)工程師，主要從事引黃灌區(qū)工程建設(shè)與管理工作。