青海省香日德河谷灌區(qū)典型地塊作物耗水試驗(yàn)與模擬研究

金瑞琴 蔣秀華 任笑焱

摘要 在對(duì)青海省香日德河谷灌區(qū)典型地塊進(jìn)行引退水監(jiān)測(cè)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分別采用引排差和VSMB模型2種方法開展耗水系數(shù)計(jì)算。2種方法計(jì)算得到的灌區(qū)典型地塊2014年耗水系數(shù)分別為0.908和0.938，差值僅為0.03。研究區(qū)內(nèi)計(jì)算耗水系數(shù)時(shí)，VSMB模型的方法可以對(duì)引排差法進(jìn)行較好的驗(yàn)證。研究可為灌區(qū)及黃河流域水資源合理利用和優(yōu)化配置提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞 作物耗水；監(jiān)測(cè)試驗(yàn)與模擬；香日德河谷灌區(qū)；青海省

中圖分類號(hào) S274；TV211 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2017）18-0169-04

Abstract On the basis of monitoring the surface diversion and drainage water， the two methods of diversion and drainage and VSMB model were adopted to calculate the crop water consumption coefficient of typical plot of Xiangride river valley irrigation area in Qinghai Province. The crop water consumption coefficient in 2014 calculated by diversion and drainage method and the VSMB model method were 0.908 and 0.938 respectively， whose difference was only 0.03. The VSMB model method could lead better validation to the diversion and drainage method for crop water consumption coefficient calculation in the scope of the study area. The study can provide technical support for reasonablely using and optimally allocatiing water resources of the irrigation area and the Yellow River basin.

Key words Crop water consumption；Monitoring test and simulation；Xiangride river valley irrigation area；Qinghai Province

黃河多年平均可供水量370×108 m3[1]，國家分配給青海省的黃河用水指標(biāo)14.1×108 m3，其中青海省黃河流域農(nóng)田灌溉耗水量占總耗水量的70%左右。根據(jù)《青海省水資源綜合規(guī)劃》，2010年青海省黃河流域地表水資源開發(fā)利用率僅為7.5%，需水量22.5億m3，可供水量18.8億m3，缺水率達(dá)16.1%，而且隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，缺水形勢(shì)將更加嚴(yán)峻。青海省黃河流域是經(jīng)濟(jì)政治中心，水資源供需矛盾突出。因此率定灌區(qū)耗水系數(shù)是當(dāng)前亟待解決的問題。水量平衡原理是耗水系數(shù)相關(guān)研究的理論基礎(chǔ)[2-3]。近年來諸多學(xué)者基于水量平衡原理，對(duì)耗水系數(shù)進(jìn)行了大量研究，主要方法包括河段差法、引排差法、大蒸發(fā)量法、作物總需水量法、蒸滲儀法、數(shù)值模擬法等[4-8]。用黃河干流入境年徑流量減去出境年徑流量加區(qū)間匯入量，稱河段差法；直接從黃河取水的渠道統(tǒng)計(jì)年引水量之和，減去各排水溝年排水量，再減去灌區(qū)以潛流形式直接排入黃河的排水量，稱引排差法；用彭曼公式計(jì)算灌區(qū)蒸發(fā)蒸騰量，換算灌區(qū)耗水量，稱最大蒸發(fā)量法；灌區(qū)作物生長期耗水來自灌溉、有效降水和作物根系吸收地下水量，3項(xiàng)之和稱作物總需水量法，計(jì)算耗用黃河水量[1]；用蒸滲儀模擬土壤水分蒸滲規(guī)律、小區(qū)灌溉水下滲試驗(yàn)等稱作蒸滲儀法；采用SWAT、VSMB、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等數(shù)學(xué)方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)建立模擬和預(yù)測(cè)水循環(huán)過程，稱作數(shù)值模擬方法。但是采用多種方法研究耗水系數(shù)還較少。在此背景下，筆者分別采用引排差法和VSMB模型模擬2種方法開展青海省香日德河谷灌區(qū)典型地塊耗水系數(shù)研究，這不僅是灌區(qū)加強(qiáng)計(jì)劃用水和節(jié)約用水的前提，也為灌區(qū)及黃河流域水資源合理利用和優(yōu)化配置提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

香日德河谷灌區(qū)始建于1956年2月26日，1972年正式投入使用，灌溉面積0.452萬hm2，主要種植作物有枸杞、馬鈴薯、小麥、油菜、青稞、豆類等。灌區(qū)在每年的3月25日左右開始放水，11月10日左右停水，5—8月灌區(qū)用水量較大，9—11月灌區(qū)用水量逐漸減小。

香日德河谷灌區(qū)引水樞紐位于都蘭縣香日德鎮(zhèn)大橋下游河道左岸，距香日德鎮(zhèn)大橋0.48 km，修建于1972年9月，主要建筑物有進(jìn)水閘（設(shè)3孔，每孔凈寬3.0 m，凈高1.2 m，進(jìn)水閘地板比沖砂閘地板高1.0 m，閘室后設(shè)5.0 m的斜坡段，閘頂以上有啟閉機(jī)工作室）、泄洪沖砂閘（設(shè)5孔，每孔凈寬3.1 m）、溢流壩（長330.0 m，由主壩、消力池、漿砌石海漫等組成）。引水總干渠全長7.69 km，渠道斷面為梯形，渠底寬2.0 m，渠口寬4.5 m，渠深1.1 m，漿砌石砌筑，主要建筑物有引水口1個(gè)、分水口6個(gè)、農(nóng)橋5座，灌溉總面積3 246.67 hm2，過閘設(shè)計(jì)流量6.00 m3/s，最大流量9.00 m3/s。

香日德河谷灌區(qū)全長60.80 km，共有支渠7條，支渠斷面為梯形；共有斗渠52條，全長86.90 km，擁有各類建筑物659座，均為砼預(yù)制板梯形襯砌。

灌區(qū)屬高原干旱大陸性氣候，年均氣溫2.7 ℃，極端最低氣溫為-29.8 ℃，極端最高溫度達(dá)33.0 ℃。年均降水量179.1 mm?？h域西部干旱少雨，日照充足，東部氣候溫涼，晝夜溫差大。年平均氣溫1.4～5.1 ℃，年平均降水量37.9～180.5 mm，蒸發(fā)量1 358.0～1 765.0 mm，年日照時(shí)數(shù)2 903.9～3 252.5 h。

香日德河谷灌區(qū)典型地塊選在香日德鎮(zhèn)到香日德農(nóng)場(chǎng)公路9.8 km處西側(cè)，包括1號(hào)和2號(hào)2塊相鄰的地塊。1號(hào)地塊主要種植農(nóng)作物為青稞，面積0.53 hm2（長198.0 m，寬約27.0 m）；2號(hào)地塊主要種植農(nóng)作物為小麥，面積0.47 hm2（長198.0 m，寬約23.5 m），詳見圖1。

2 材料與方法

2.1 引退水量監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

香日德河谷灌區(qū)典型地塊設(shè)有引水監(jiān)測(cè)斷面、退水監(jiān)測(cè)斷面各2處，可代表整個(gè)灌區(qū)進(jìn)行引退水量監(jiān)測(cè)。

流量監(jiān)測(cè)：采取委托觀測(cè)來水時(shí)間和專業(yè)人員巡測(cè)流量的方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)。灌區(qū)典型地塊的引退水量均采用實(shí)測(cè)流量過程線法推求。流量測(cè)驗(yàn)采用懸桿流速儀法，懸桿測(cè)深，布設(shè)5條測(cè)深垂線，3條測(cè)速垂線，測(cè)速歷時(shí)不少于100 s。垂線的流速測(cè)點(diǎn)布置位置采用相對(duì)水深0.5、0.6，測(cè)點(diǎn)位置滿足《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》表4.3.3的規(guī)定；岸邊流速系數(shù)采用0.7、0.9，符合《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》表4.8.1的規(guī)定；測(cè)速垂線布設(shè)、水道斷面測(cè)深垂線的布設(shè)及單次流量測(cè)驗(yàn)允許誤差均符合《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》的規(guī)定。灌區(qū)典型地塊引退水監(jiān)測(cè)斷面水文監(jiān)測(cè)實(shí)施方案見表1。

2.3 VSMB模型原理

2.3.1 概念基礎(chǔ)。

根據(jù)根密度分布和田間持水量隨土壤深度變化而不同，VSMB模型將包含根部在內(nèi)的土壤剖面劃分為若干個(gè)土層。Dyer和Robertson[9]最初給這個(gè)“土層”的定義是包含植物根部在內(nèi)的土壤厚度。這個(gè)“土層”被分成2個(gè)排水層，用來計(jì)算地表漫灌至下滲到地下水層條件下，并延遲1 d的最小排水量。

排水層的概念是在VSMB3中對(duì)氣候濕潤的地區(qū)超過田間持水量的多余水量做預(yù)算時(shí)引進(jìn)來的。VSMB3的兩層系統(tǒng)模型是由簡(jiǎn)單的兩土層模型改編而來的，用于田間機(jī)動(dòng)性研究[10]，可與各種土壤水分預(yù)算模型兼容[11]。

只有下過雨后和第2層已經(jīng)排盡水時(shí)，第1排水層中的多余水分才會(huì)排進(jìn)第2層。由于按順序排水和延遲1 d排水的概念是VSMB3兩層子模型的基礎(chǔ)，同時(shí)也是下面所說的VSMB2000是三層子模型的基礎(chǔ)，其流程見圖2。

在這個(gè)文件里，VSMB新加了個(gè)底層（第3層），專門用來模擬潛水位。與其他排水層一致，這一層應(yīng)該從第2層的底部開始。但是，由于潛水位的動(dòng)態(tài)變化特性，第3層被認(rèn)為與上面兩層是分開的，從而第2和第3層之間有可能存在重疊部分。這意味著只有當(dāng)水位函數(shù)存在時(shí)才存在第3層；每個(gè)土層至少屬于上面2個(gè)排水層中的一個(gè)。第3個(gè)排水層也稱為“儲(chǔ)水庫”。

VSMB2000根據(jù)水分的動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)來管理土層內(nèi)的水分：蒸散、滲濾、滲透、徑流、排水水位，側(cè)向排水和毛細(xì)上升。土壤剖面的水分來自降水或灌溉，通過蒸散、徑流、滲透或側(cè)向排水而失去水分。土壤剖面中發(fā)生的下滲、潛水位變化和毛細(xì)上升等運(yùn)動(dòng)，都需要在各個(gè)排水層中的每個(gè)土層進(jìn)行預(yù)算。

3 結(jié)果與分析

3.1 基于引排差法耗水系數(shù)計(jì)算

典型地塊主要種植的農(nóng)作物為青稞（1號(hào)地塊）和小麥（2號(hào)地塊），并且灌溉時(shí)間和頻次各不相同，小麥灌溉時(shí)間和頻次比青稞要多。2014年香日德河谷灌區(qū)典型地塊XRD-JS1共灌溉7次，XRD-JS2共灌溉8次。灌溉期間，除了1號(hào)地塊4月23日、2號(hào)地塊5月13日有退水外，其他時(shí)間均無退水。

灌區(qū)典型地塊流量監(jiān)測(cè)，測(cè)次必須根據(jù)高、中、低各級(jí)水位的水流特性，斷面控制情況和測(cè)驗(yàn)精度要求，合理分布于各級(jí)流量變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)處，掌握各個(gè)時(shí)段的水情變化。

1號(hào)地塊XRD-JS1引水灌溉時(shí)間一般為1～3 h，2號(hào)地塊XRD-JS2引水灌溉時(shí)間一般為1～2 h。灌溉開始開閘放水至水量平穩(wěn)、灌溉結(jié)束至流量為零一般需要3～5 min，因此，流量測(cè)次一般布置3次，即引水灌溉開始至水量平穩(wěn)時(shí)測(cè)流1次，中間測(cè)流1次，引水灌溉結(jié)束前測(cè)流1次。為了使監(jiān)測(cè)到的引水量更加準(zhǔn)確，可在灌溉過程中增加測(cè)次，最多可達(dá)7次，這樣可控制水量的變化過程，符合《河流流量測(cè)驗(yàn)規(guī)范》要求。

1號(hào)和2號(hào)地塊退水?dāng)嗝鎄RD-TS1、XRD-TS2退水過程一般需要1.5～3.0 h，為了控制退水過程，每個(gè)退水?dāng)嗝媪髁繙y(cè)次布置3次，這樣可掌握水量的變化過程。

香日德河谷灌區(qū)引水?dāng)嗝鎄RD-JS1、XRD-JS2，退水?dāng)嗝鎄RD-TS1、XRD-TS2垂線測(cè)點(diǎn)流速均采用LS10型流速儀施測(cè)。型號(hào)為85210和85041，公式分別為V=0.103 0n/s+0.021 8、V=0.104 0n/s+0.033 6，流速使用范圍0.100～4.00 m/s。

在灌溉期間以及流量測(cè)驗(yàn)過程中，要加強(qiáng)與地塊主人聯(lián)系，及時(shí)了解和掌握引退水情況，并根據(jù)引退水情況布置流量測(cè)次，以滿足能控制引退水口流量變化過程為原則。XRD-JS1、XRD-JS2、XRD-TS1、XRD-TS2引退水量按照水文監(jiān)測(cè)方案監(jiān)測(cè)，采用實(shí)測(cè)流量過程線法推求水量。

通過對(duì)香日德河谷灌區(qū)典型地塊4月13日至11月4日監(jiān)測(cè)資料分析計(jì)算，得出典型地塊引水總量為5 600.0 m3，退水總量106.1 m3。其中XRD-JS1的引水總量為2 971.0 m3，退水總量86.4 m3；XRD-JS2的引水總量為2 629.0 m3，退水總量19.7 m3。

典型地塊引、退水量統(tǒng)計(jì)見表2，XRD-JS1、TS1監(jiān)測(cè)斷面各時(shí)期引、退水量見表3，XRD-JS2、TS2監(jiān)測(cè)斷面各時(shí)期引、退水量統(tǒng)計(jì)見表4。

綜合考慮地表和地下退水量后，根據(jù)公式（1）采用引排差法計(jì)算得到香日德河谷灌區(qū)典型地塊2014年耗水系數(shù)為0.908。

3.2 基于VSMB模型耗水系數(shù)計(jì)算

2014年香日德灌區(qū)典型地塊降水量僅為210.9 mm，灌溉水量590.9 mm，潛在蒸散發(fā)量1 213.7 mm，實(shí)際蒸散發(fā)量752.4 mm，深層滲漏55.8 mm。即有93.8%的水消耗于蒸發(fā)蒸騰，折算成耗水系數(shù)為0.938。香日德灌區(qū)典型地塊模擬結(jié)果RMSE為1.86，模擬結(jié)果精度較高。土壤水分和蒸散發(fā)模擬結(jié)果見表5、圖3和圖4所示。

模擬結(jié)果表明，2014年香日德灌區(qū)典型地塊年實(shí)際蒸散發(fā)量等于當(dāng)?shù)亟邓凸喔人恐偷?3.8%。

4 結(jié)論

該研究得出，香日德河谷灌區(qū)典型地塊監(jiān)測(cè)期總引水量5 600 m3，總退水量106.1 m3，典型地塊滲漏系數(shù)取值5.60%。采用引排差法計(jì)算得到香日德河谷灌區(qū)典型地塊2014年耗水系數(shù)為0.908。

VSMB模型模擬結(jié)果表明，香日德河谷灌區(qū)典型地塊凈灌溉水量中有93.8%消耗于蒸發(fā)蒸騰，折算成2014年耗水系數(shù)為0.938。2種方法耗水系數(shù)差值僅為0.03，說明在香日德河谷灌區(qū)典型地塊內(nèi)，在耗水系數(shù)計(jì)算方面，VSMB模型可以為引排差法提供較好的驗(yàn)證。

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