平原水網(wǎng)地區(qū)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算方法研究

倪深海，周凌輝，華幸超，徐文元，潘棟飛

(1.水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210029；2.南京水利科學(xué)研究院，南京 210029；3.江蘇省宜興市水利農(nóng)機(jī)局，江蘇 宜興 214200)

灌溉水有效利用系數(shù)是灌溉用水效率的表征指標(biāo)之一，能夠綜合反映灌溉工程狀況、用水管理水平和灌溉技術(shù)水平等，是正確評(píng)估灌溉水有效利用程度及存在問(wèn)題，評(píng)價(jià)灌溉節(jié)水潛力及節(jié)水灌溉發(fā)展成效的重要基礎(chǔ)[1,2]。近年來(lái)，隨著我國(guó)大力推行最嚴(yán)格水資源管理制度，將灌溉水有效利用系數(shù)作為“三條紅線”考核指標(biāo)之一，有關(guān)灌溉水有效利用系數(shù)的測(cè)算分析工作取得了重大進(jìn)展，提出了首尾測(cè)算法、動(dòng)水法等一系列分析計(jì)算方法[3-9]，并對(duì)氣候、節(jié)水灌溉、灌區(qū)管理水平等影響灌區(qū)灌溉效率的因素展開(kāi)了分析[10,11]，推動(dòng)了我國(guó)灌溉管理的發(fā)展進(jìn)步。平原水網(wǎng)地區(qū)由于水網(wǎng)密布，農(nóng)業(yè)灌溉多是利用機(jī)動(dòng)水泵直接從田旁的河道提水，灌溉水除了作物吸收、蒸騰和滲入地下外，還有相當(dāng)部分的水量回歸到河道中，計(jì)量灌溉推行很難。開(kāi)展平原水網(wǎng)地區(qū)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算分析工作，可推進(jìn)農(nóng)業(yè)水價(jià)綜合改革，建立農(nóng)業(yè)灌溉用水總量控制和定額管理制度，對(duì)于有效指導(dǎo)農(nóng)田水利工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)，合理評(píng)估農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力，促進(jìn)平原水網(wǎng)地區(qū)水資源合理配置具有重大現(xiàn)實(shí)意義。

1 平原水網(wǎng)地區(qū)灌溉特點(diǎn)

我國(guó)平原水網(wǎng)地區(qū)主要分布在長(zhǎng)江三角洲、珠江三角洲、成都平原、江漢平原、洞庭湖和鄱陽(yáng)湖地區(qū)，降雨量充沛、地勢(shì)低洼平坦、河網(wǎng)湖蕩密布、水道縱橫交錯(cuò)、水流流向往復(fù)。河網(wǎng)是農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)生產(chǎn)及畜禽養(yǎng)殖的直接水源，既可以蓄納區(qū)域內(nèi)的雨水徑流和上游水庫(kù)河道的來(lái)水，也是灌區(qū)排澇的承納區(qū)，具有蓄水、供水、輸水、排水和區(qū)域水環(huán)境調(diào)節(jié)的多種功能。平原水網(wǎng)灌區(qū)由眾多的小型提水泵站組成，一個(gè)小型泵站具有獨(dú)立的灌溉系統(tǒng)，控制灌溉面積多為20～40 hm2，相當(dāng)于一個(gè)小微型灌區(qū)，平原水網(wǎng)提水灌區(qū)是由眾多小微型灌區(qū)組成的較大灌區(qū)。投入極大的物力和人力而僅僅是要得到灌溉水量數(shù)據(jù)，很難得到灌區(qū)管理單位支持，而要落實(shí)到包含數(shù)量眾多灌區(qū)的平原水網(wǎng)地區(qū)則更為困難。

2 平原水網(wǎng)地區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算方法

平原水網(wǎng)地區(qū)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算工作，主要是通過(guò)選擇不同規(guī)模、不同類型、不同工程狀況和管理水平的典型代表灌區(qū)作為樣點(diǎn)灌區(qū)，并依據(jù)樣點(diǎn)灌區(qū)已有的灌溉用水管理資料、灌溉試驗(yàn)與觀測(cè)資料和灌溉實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)等，必要時(shí)補(bǔ)充典型觀測(cè)，通過(guò)調(diào)查觀測(cè)，采用“首尾測(cè)算分析法”進(jìn)行測(cè)算分析典型灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)。在此基礎(chǔ)上，采用點(diǎn)與面相結(jié)合的方法，按不同分類灌區(qū)灌溉面積進(jìn)行加權(quán)平均，推算平原水網(wǎng)地區(qū)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)。

2.1 樣點(diǎn)灌區(qū)選擇

樣點(diǎn)灌區(qū)按照具有代表性和可行性等原則選擇。在選擇過(guò)程中，考慮平原水網(wǎng)地區(qū)灌溉面積的分布、灌區(qū)節(jié)水改造等情況，盡量使所選的樣點(diǎn)灌區(qū)能基本反映平原水網(wǎng)地區(qū)灌區(qū)整體特點(diǎn)。按以下原則選擇樣點(diǎn)灌區(qū)：

(1)灌區(qū)所在區(qū)域的代表性。樣點(diǎn)灌區(qū)應(yīng)在降雨量、土壤類型等自然因素，以及作物的種植比例、灌水習(xí)慣等方面都具有代表性。根據(jù)水系流域特點(diǎn)，結(jié)合水利普查的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，選擇樣點(diǎn)灌區(qū)。

(2)灌區(qū)面積和作物的代表性。按農(nóng)業(yè)用水性質(zhì)，將平原水網(wǎng)地區(qū)的灌區(qū)劃分水田(水旱輪作)灌區(qū)、菜田等類型灌區(qū)。按照不同作物的面積比例，選擇各類樣點(diǎn)灌區(qū)。

(3)灌區(qū)軟硬件水平的代表性。硬件建設(shè)水平包括渠道襯砌率、渠系建筑物配套率、節(jié)水灌溉工程覆蓋面積率；組織管理機(jī)構(gòu)包括灌區(qū)管理人員的配備、技術(shù)人員數(shù)量、規(guī)章制度等；節(jié)水灌溉技術(shù)包括節(jié)水灌溉模式、節(jié)水模式推廣面積及其比例；管理水平按照好、中、差進(jìn)行評(píng)估，每個(gè)檔次均抽取一定數(shù)量的灌區(qū)進(jìn)行測(cè)試，保證樣本的均勻分布。

除代表性外，還需考慮測(cè)試的可行性，應(yīng)選擇具備一定技術(shù)力量和量測(cè)條件的灌區(qū)進(jìn)行測(cè)試。

2.2 樣點(diǎn)灌區(qū)典型田塊選擇

為了合理確定和復(fù)核灌區(qū)實(shí)際灌溉情況、田間凈灌溉用水量等，對(duì)典型田塊進(jìn)行田間灌水次數(shù)、灌水方式與習(xí)慣等調(diào)查，并進(jìn)行田間灌溉用水量觀測(cè)。基本要求如下。

(1)典型田塊應(yīng)面積適中、邊界清楚、形狀規(guī)則，同時(shí)綜合考慮田間平整度、土質(zhì)類型、地下水埋深、降雨氣候條件、灌溉習(xí)慣和灌溉方式等因素的代表性。

(2)典型作物選擇可根據(jù)其實(shí)灌面積在灌區(qū)內(nèi)的比例確定。原則上對(duì)于作物實(shí)灌面積超過(guò)灌區(qū)實(shí)灌面積10%以上的作物，均應(yīng)進(jìn)行田間毛灌溉水量(直接進(jìn)入田塊的灌溉水量)觀測(cè)，灌水量觀測(cè)位置應(yīng)為田間進(jìn)水口，水量進(jìn)入田間的過(guò)程中無(wú)任何渠道輸水；如不具備上述條件，也可根據(jù)其他方法估算田間毛灌溉用水量，如在斗(農(nóng))渠供水口計(jì)量，應(yīng)考慮從計(jì)量口到田塊入口過(guò)程的輸水損失，或按照相近作物灌水情況進(jìn)行估算。

(3)每次灌水期間都應(yīng)進(jìn)行典型田塊毛灌溉水量觀測(cè)，并據(jù)此確定田間毛灌溉定額。田間毛灌溉定額與灌溉次數(shù)多少是判斷是否充分灌溉的重要依據(jù)。也可以進(jìn)行深入的田間灌水觀測(cè)分析，確定田間凈灌溉定額，為凈灌溉用水量計(jì)算以及相關(guān)數(shù)據(jù)復(fù)核提供依據(jù)。

2.3 樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水量觀測(cè)

(1)毛灌溉用水量的觀測(cè)。毛灌溉用水量的觀測(cè)主要采用電量估算法和手持式聲學(xué)多普勒流量計(jì)(ADC)等測(cè)定，不論哪種方法都要通過(guò)多次測(cè)量，建立一定的用電量～出水量之間關(guān)系或水位～流量關(guān)系曲線，并定期進(jìn)行率定。

(2)凈灌溉用水量的觀測(cè)。水田淹水灌溉采用水位差值法、水位觀測(cè)井法、農(nóng)用水表法；水田濕潤(rùn)灌溉、經(jīng)濟(jì)作物采用取土烘干法，根據(jù)典型田塊灌溉前后計(jì)劃濕潤(rùn)層內(nèi)土壤含水率的變化來(lái)計(jì)算每公頃平均凈灌溉用水量。根據(jù)平原水網(wǎng)地區(qū)以水稻灌溉為主的特點(diǎn)，運(yùn)用水位變化法和水量平衡法進(jìn)行水稻灌區(qū)(水田)的凈灌溉用水量測(cè)算。

①水位變化法。采用水位變化法測(cè)定(水田)，即：

hi=he-hs

(1)

式中：hi為灌水深度，mm；he為灌水結(jié)束后田面水深，mm；hs為灌水開(kāi)始時(shí)的田面水深，mm。

具體測(cè)定方法如下。

灌水前有水層田塊的測(cè)定方法。在每個(gè)田塊適當(dāng)?shù)臏y(cè)量位置，灌水前打入木樁，其上端與起始水位相平，灌水結(jié)束20 min后，以此木樁上端作為起點(diǎn)，測(cè)定水深H1，忽略灌水過(guò)程中的入滲水量，該水深即為灌水深度。為便于尋找木樁位置，在木樁附近插入樹(shù)枝、旗幟作為標(biāo)識(shí)。

灌水前無(wú)水層田塊的測(cè)定方法。在每個(gè)田塊的適當(dāng)位置，灌水前打入木樁，其上端與地面相平。灌水結(jié)束20 min后，以此木樁上端作為起點(diǎn)，測(cè)定水深，該水深即為不考慮入滲損失的灌水深度H1。

灌溉的實(shí)際灌水深度測(cè)算。灌水前另外固定某點(diǎn)，采用無(wú)底的鐵筒或者塑料筒(上下直徑必須相同)，埋于地面以下20 cm以上，以防止側(cè)滲(筒壁與土壤緊密結(jié)合)。灌水前桶內(nèi)須預(yù)鋪設(shè)塑料布等起到防沖作用，灌水前還需在桶內(nèi)預(yù)先打入木樁，其上端水平，高出地面Ha(Ha一般可取大田設(shè)計(jì)灌水深度)。迅速加水與木樁頂端齊平，灌水結(jié)束20 min后，以此木樁上端作為標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)定筒內(nèi)水位，此水位與木樁頂端的差值即為灌水過(guò)程中的入滲水量H。此次灌溉的實(shí)際灌水深度為：

H=H1+H2

(2)

②水量平衡法。水稻的凈灌溉需水量包括泡田水量、蒸發(fā)蒸騰水量以及必要的滲漏水量3部分。水稻全生育期(包括泡田)凈灌溉定額計(jì)算式：

M=ETc+Fd+Mo-Pe-Ge

(3)

式中：M為水稻凈灌溉定額，mm；ETc為水稻蒸騰蒸發(fā)量，mm；Pe為水稻生育期內(nèi)的有效降水量，mm；Fd為水稻全生育期滲漏量，mm；Mo為插秧前的泡田定額，mm，可根據(jù)當(dāng)?shù)毓喔仍囼?yàn)或灌溉經(jīng)驗(yàn)確定；Ge為水稻全生育期地下水的利用量，mm。

2.4 樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算分析方法

首尾測(cè)算分析法是指直接測(cè)量統(tǒng)計(jì)灌區(qū)從水源引入(取用)的毛灌溉用水總量，通過(guò)分析測(cè)算得到田間實(shí)際凈灌溉用水總量，田間實(shí)際凈灌溉用水總量與毛灌溉用水總量的比值即為樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)，第i個(gè)樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)由下式計(jì)算：

(4)

式中：ηw,i為第i個(gè)樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)；Wj,i為第i個(gè)樣點(diǎn)灌區(qū)凈灌溉用水總量，m3；Wa,i為第i個(gè)樣點(diǎn)灌區(qū)毛灌溉用水總量，m3。

為了能夠反映樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水利用的整體情況，計(jì)算分析時(shí)段以測(cè)算分析年的日歷年為準(zhǔn)，即每年1月1日至12月31日；對(duì)于跨年度的作物則應(yīng)分段計(jì)算(以下同)，合理確定測(cè)算分析年該作物凈灌溉用水量。

2.5 平原水網(wǎng)地區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算分析

在已知樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)和灌溉面積的情況下，按樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉面積加權(quán)平均求得平原水網(wǎng)地區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)：

(5)

式中：ηw為平原水網(wǎng)地區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)；Aa,i為第i個(gè)樣點(diǎn)灌區(qū)的灌溉面積，hm2；Aa為平原水網(wǎng)地區(qū)所有樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉面積，hm2；N為平原水網(wǎng)地區(qū)樣點(diǎn)灌區(qū)總數(shù)。

2.6 測(cè)算方法準(zhǔn)確性和可靠性分析

(1)渠首取水量測(cè)定。針對(duì)平原水網(wǎng)地區(qū)樣點(diǎn)灌區(qū)特點(diǎn)，主要采用電量估算法和高精度移動(dòng)式流量計(jì)(如，手持式聲學(xué)多普勒流量計(jì))流速儀等測(cè)定，且根據(jù)作物生長(zhǎng)需水特點(diǎn)，嚴(yán)格掌握灌水測(cè)試頻率，規(guī)范測(cè)試步驟，從而提高渠首取水量測(cè)定的準(zhǔn)確性。

(2)田間凈灌水量計(jì)算。根據(jù)田間觀測(cè)水位變化和有效降雨量(降雨量-排水量)進(jìn)行逐日水量平衡來(lái)確定各生育期灌水量，在每次灌水時(shí)間確定時(shí)，合理選定水稻節(jié)水灌溉技術(shù)，準(zhǔn)確計(jì)算蒸騰蒸發(fā)量、有效降水量、滲漏量、地下水利用量等，這樣可科學(xué)測(cè)算水稻生育期灌水量(凈灌溉定額)，從而提高田間凈灌水量測(cè)算的準(zhǔn)確性。

(3)平原水網(wǎng)地區(qū)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算與分析采用點(diǎn)與面相結(jié)合的方法，其中，樣點(diǎn)灌區(qū)采用首尾測(cè)算分析方法，在保障樣點(diǎn)灌區(qū)選擇具有代表性的條件下，則采用樣點(diǎn)灌區(qū)面積加權(quán)法計(jì)算的結(jié)果即可代表平原水網(wǎng)地區(qū)的農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)，所以點(diǎn)面相結(jié)合的方法是可靠的。

3 算 例

以江蘇省宜興北部水網(wǎng)地區(qū)為例，多年平均降水量1 247.4 mm，最大年降水量1 738.4 mm(1957年)，最小年降水量679.1 mm(1978年)。降水量集中在汛期，汛期(5-9月)降水量857.8 mm。多年平均水面蒸發(fā)量849.0 mm。該地區(qū)已形成了以防洪排澇為主，引水排水，抗旱灌溉，農(nóng)田配套相結(jié)合的較為完善的農(nóng)田水利工程體系，為農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算提供必要條件。

3.1 樣點(diǎn)灌區(qū)的數(shù)量與分布

按照《全國(guó)灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算分析技術(shù)指導(dǎo)細(xì)則》(2013年12月)，考慮樣點(diǎn)灌區(qū)代表性和組織管理要求，2016年宜興北部水網(wǎng)地區(qū)選擇了8個(gè)樣點(diǎn)灌區(qū)進(jìn)行測(cè)試，均為小型提水灌區(qū)，灌溉作物均為單季水稻。2016年宜興北部水網(wǎng)地區(qū)樣點(diǎn)灌區(qū)規(guī)模見(jiàn)表1，樣點(diǎn)灌區(qū)分布見(jiàn)圖1。

表1 2016年宜興北部水網(wǎng)地區(qū)樣點(diǎn)灌區(qū)規(guī)模

圖1 宜興北部水網(wǎng)地區(qū)樣點(diǎn)灌區(qū)分布

3.2 灌溉水代表年分析

宜興北部水網(wǎng)地區(qū)2016年1-10月降水量2 122 mm，各樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉期(6-10月)降水量均比多年平均降水量偏多，但是7月中旬至9月上旬降水量偏少，只有98.4 mm，且出現(xiàn)高溫天氣50 d之多，蒸發(fā)量偏高，造成本年度灌溉次數(shù)及灌水總量均有所增加。

3.3 樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算分析

宜興北部水網(wǎng)地區(qū)樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算值見(jiàn)表2。

表2 樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)

3.4 樣點(diǎn)灌區(qū)測(cè)算分析成果合理性、可靠性分析

2016年度宜興北部水網(wǎng)地區(qū)選擇了8個(gè)樣點(diǎn)灌區(qū)，根據(jù)《全國(guó)灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算分析技術(shù)指導(dǎo)細(xì)則》(2013年12月)、《灌溉水利用率測(cè)定技術(shù)導(dǎo)則》(SL/Z 699-2015)及相關(guān)文件要求，樣點(diǎn)灌區(qū)選擇與上一年度保持相對(duì)穩(wěn)定，有利于測(cè)算分析工作連續(xù)進(jìn)行，獲取的數(shù)據(jù)具有年際可比性。2016年結(jié)果與2015年結(jié)果相比，戈塍灌區(qū)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)最大，達(dá)到0.689，同里灌區(qū)提高到0.685，主要由于灌區(qū)面積較小，在2015年進(jìn)行了改造，輸水方式由土渠變成了混凝土防滲渠道，因此農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)有較大提高。其余灌區(qū)的農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)與2015年相比變化較小，與現(xiàn)實(shí)情況基本相符。綜上，各樣點(diǎn)灌區(qū)分布合理，自然和經(jīng)濟(jì)社會(huì)條件、管理水平均具有較好的代表性；樣點(diǎn)灌區(qū)歷年測(cè)算分析結(jié)果年際間變化趨勢(shì)與現(xiàn)有文獻(xiàn)的規(guī)律描述基本符合，表明測(cè)算結(jié)果是可靠的。

3.5 宜興北部水網(wǎng)地區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)分析

根據(jù)樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉面積加權(quán)法算出2016年宜興北部水網(wǎng)地區(qū)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)均值為0.654， 比2015年農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)0.648及2014年農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)平均值0.639有所提高，這是由于宜興市2015年中央財(cái)政小型農(nóng)田水利重點(diǎn)縣項(xiàng)目實(shí)施，戈塍、宜塍等灌區(qū)輸水渠道改造使渠系防滲效果明顯。

4 結(jié) 論

(1)本文通過(guò)分析平原水網(wǎng)地區(qū)灌溉特點(diǎn)，選擇點(diǎn)與面相結(jié)合方法測(cè)算平原水網(wǎng)地區(qū)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)，實(shí)例驗(yàn)證測(cè)算方法合理、可靠，可供其他類似地區(qū)測(cè)算農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)時(shí)參考。

(2)首尾測(cè)算分析法的重要參數(shù)之一是灌區(qū)渠首取水量的測(cè)定。目前水網(wǎng)地區(qū)樣點(diǎn)灌區(qū)主要采用移動(dòng)式流量計(jì)、流速儀等測(cè)定，但有些灌區(qū)渠首不夠完整，類型差別較大，影響測(cè)試精度，亟需對(duì)渠首測(cè)量斷面進(jìn)行改造。

□

[1] SL/Z 699-2015,灌溉水利用率測(cè)定技術(shù)導(dǎo)則[S]．

[2] 水利部. 全國(guó)灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算分析技術(shù)指導(dǎo)細(xì)則[R]．北京：水利部，2013．

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