咸陽市農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測算與分析

蔡曉東，陳新明,2，李普超(.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 7200；2.旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實驗室，陜西 楊凌 7200；.陜西省咸陽市水利局，陜西 咸陽 72000)

0 引 言

農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)的研究對于農(nóng)田灌溉具有重要意義，本文選取了咸陽市內(nèi)具有代表性的40個樣點(diǎn)灌區(qū)進(jìn)行測算，采用典型田塊的作物凈灌溉定額與典型田塊面積加權(quán)平均來代替整個片區(qū)作物的凈灌溉定額，高峰等[1]的農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)方法研究中，提出了綜合測定方法，即用8個步驟來計算出農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)，可以省去傳統(tǒng)測量方法中工作量大、需要很大人力的缺點(diǎn)，只需測量典型渠段推算整個灌區(qū)的農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)，最后進(jìn)行渠道修正來得出結(jié)果。但是這樣會使計算結(jié)果有誤差，忽略了進(jìn)入田塊的渠道大多為土渠滲漏嚴(yán)重會對結(jié)果產(chǎn)生影響。按大型灌區(qū)、中型灌區(qū)、小型灌區(qū)、純井灌區(qū)的類別進(jìn)行測算，發(fā)現(xiàn)灌溉過程中導(dǎo)致農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)偏低的問題而改進(jìn)灌溉方法，從而減小灌溉定額，提高灌溉水利用率，節(jié)約了灌溉用水，為農(nóng)田灌溉提供有效的保障。

1 咸陽市農(nóng)田基本情況

1.1 咸陽市農(nóng)田灌溉情況概況

我國農(nóng)業(yè)用水存在著資源性 、水質(zhì)性 、工程性和用水結(jié)構(gòu)性缺水問題, 農(nóng)業(yè)用水供需矛盾突出[2]，因此農(nóng)業(yè)用水效率極為重要。咸陽市位于陜西關(guān)中平原腹地，東接省會西安，西鄰楊凌國家農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū)，轄1市2區(qū)10縣，總面積10 246 km2，全市耕地總面積36.62 萬hm2，有效灌溉面積35 萬hm2，是陜西省的農(nóng)業(yè)大市，是全國最大的優(yōu)質(zhì)蘋果生產(chǎn)基地。2016年，全市糧食產(chǎn)量總產(chǎn)187.09 萬t，全年水果產(chǎn)量583.37 萬t，增長1.1%。蔬菜產(chǎn)量443.07 萬t，增長2.0%。其中咸陽市大型灌區(qū)3處，有效灌溉面積為19.74 萬hm2；中型灌區(qū)有26處，有效灌溉面積為3.96 萬hm2；小型抽水灌區(qū)共1 110處，有效灌溉面積3.26 萬hm2；井灌區(qū)共有19 320處，有效灌溉面積7.12 萬hm2。

1.2 灌區(qū)以及典型斗渠的選擇

咸陽市40個樣點(diǎn)灌區(qū)包括自流灌區(qū)、提水灌區(qū)、土渠、渠道防滲、低壓管道、噴灌、微灌不同類型灌溉方式。其中如表1灌區(qū)選取了典型斗渠。

表1 典型斗渠的選擇以及凈灌溉用水量

1.3 典型田塊的選擇

典型田塊需要有清楚地輪廓、面積適中、作物的種類、畦田規(guī)格、灌溉方式等的代表性。也需要在進(jìn)水口和出水口有量水設(shè)施。選擇典型田塊的主要目的是計算田塊的每公頃平均凈灌溉用水量，其計算方法主要有：

(1)直接測量法：需要觀測田塊每次灌水的灌前及灌后的土壤含水率。再根據(jù)公式：

(1)

式中：γ為土壤容重，g/cm2；θg2、θg1為表示灌前與灌后的土壤質(zhì)量含水率。

(2)觀測分析法：需要測量進(jìn)入田塊的水量、排出田塊的水量及典型田塊的面積。再根據(jù)公式：

(2)

式中：W進(jìn)、W出為表示進(jìn)入以及排出田塊的水量，m3/hm2；A田為田塊面積，hm2。

其中大中型灌區(qū)采用了直接測量法，小型以及井灌區(qū)由于設(shè)備不足的原因采用了觀測分析法，再根據(jù)水量平衡方程確定凈灌溉定額[3]乘以折減系數(shù)與計算的每公頃平均凈灌溉定額作比較來選用凈灌溉定額。

1.4 農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)計算

農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)的計算是利用典型田塊的代表性，采用雙作物系數(shù)法將作物蒸發(fā)蒸騰量劃分為作物蒸騰和土壤蒸發(fā)[4]再根據(jù)水量平衡方程來確定作物的凈灌溉定額。利用公式(3)來計算每種作物的每公頃平均凈灌溉定額然后計算出同片區(qū)內(nèi)作物的凈灌溉定額。然后利用公式(4)來計算出某種作物整個灌區(qū)內(nèi)的凈灌溉定額，最后通過作物的實灌面積來確定整個灌區(qū)的凈灌溉定額。灌區(qū)內(nèi)所有種植作物的凈灌溉用水量的加和即為灌區(qū)凈灌溉用水量，灌區(qū)凈灌溉用水量與毛灌溉用水量的比值即為灌區(qū)的農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)(表2)。

(3)

式中：W為年凈灌溉用水總量，m3；W田凈,1為第1種作物年每公頃平均凈灌溉用水量，m3/hm2；A田1為第1個田塊的面積，hm2。

(4)

式中：W樣凈為年凈灌溉用水總量，m3；Wij為第i片區(qū)第j種作物次每公頃平均凈灌溉用水量，m3/(hm2·次)；Aij為第i片區(qū)第j種作物畝次灌溉面積，hm2；m為樣點(diǎn)灌區(qū)片區(qū)數(shù)量，個。

利用各個灌區(qū)的農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)跟毛灌溉用水量加權(quán)平均根據(jù)公式(5)計算。

(5)

式中：η為灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)；ηi為第i個灌區(qū)樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)；W樣毛i為第i個灌區(qū)樣點(diǎn)灌區(qū)年毛灌溉用水量，萬m3；n為灌區(qū)樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)量，個。

表2 典型田塊計算以及灌溉水利用系數(shù)

通過計算得出，η大=0.577 7，η中=0.565 0，η小=0.599 0，η井=0.761 3。

2 結(jié)果與分析

本文計算咸陽市大型樣點(diǎn)灌區(qū)的數(shù)量和面積均為100%，中型灌區(qū)數(shù)量占全部中型灌區(qū)的34.6%大于15%，面積占42.4%大于20%，小型樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)量占全部小型灌區(qū)的3.96%大于2%，面積占2.5%大于1%，純井灌區(qū)各種作物至少選了2個樣點(diǎn)，樣點(diǎn)灌區(qū)的選擇具有代表性，均符合水利部發(fā)布的《全國農(nóng)田農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測算分析技術(shù)指導(dǎo)細(xì)則》的要求。如表3。

表3 樣點(diǎn)灌區(qū)的數(shù)量跟面積占比

大、中、小、純井灌區(qū)的凈灌溉用水量利用典型田塊的凈灌溉定額與作物實灌面積來計算，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)則用凈灌溉用水量與毛灌溉用水量的比值來求得。

表4是大型灌區(qū)、中型灌區(qū)、小型灌區(qū)以及井灌區(qū)的農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)計算表，其中大型灌區(qū)和中型灌區(qū)由于渠道干支渠部分的損失系數(shù)偏小，而小型灌區(qū)及井灌區(qū)由于輸水過程的損失水較小，計算的農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)偏大。

表4 大、中型灌區(qū)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)

根據(jù)咸陽各縣樣點(diǎn)灌區(qū)分布，可計算出各縣行政區(qū)域內(nèi)的農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)(表5～表7)。

2016年咸陽市農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)采用首尾測算法，反映用水的總體情況，其中將首尾測算法與動水法進(jìn)行了比較，首尾法考慮了回歸水的利用[5]，其影響與回歸水的利用率有關(guān)，其中大型灌區(qū)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)偏高，可能由于典型田塊選取不當(dāng)導(dǎo)致的數(shù)據(jù)偏高，而中型灌區(qū)的數(shù)據(jù)略小于

表5 小型及井灌區(qū)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)

表6 各類型灌區(qū)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)

表7 各縣市農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)及降雨量

大型灌區(qū)，由于土壤、地下水及河水中均含有一定數(shù)量的可溶鹽，為使灌區(qū)內(nèi)鹽分平衡或脫鹽，就必須通過排水排出一定數(shù)量的鹽分；冷浸田灌溉也需有一部分回歸水，以排除土壤中的有害物質(zhì)。農(nóng)田用水粗放及管理不當(dāng)、自然條件、灌區(qū)的類型和規(guī)模、灌溉工程狀況、灌水技術(shù)、用水管理水平等[6]，而小型灌區(qū)的農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)大于大中型灌區(qū)，純井灌區(qū)大于小型灌區(qū)[7]。在Won-Ho Nam等的研究[8]中，介紹了一種方法來評估輸水性能指標(biāo)的開放灌溉渠道，確定存在問題的渠道，渠道防滲是提高渠系水利用系數(shù)最有效、應(yīng)用最普遍的工程技術(shù)措施之一，應(yīng)加強(qiáng)灌區(qū)管理，盡量使用低壓管道輸水，而我們的計算結(jié)果表明，做好渠道的防滲的灌區(qū)，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)高于沒有做節(jié)水灌溉工程的灌區(qū)。

3 討 論

(1)2015年陜西省農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)為0.556，相比較而言2016年農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)為0.577 0，在田間觀測的時候需要測定土壤含水率，在計算每公頃平均凈灌溉定額的時候也需要用到，由于技術(shù)人員在測量土壤含水率時取完土?xí)r沒有立刻稱量，利用土壤中所含水量與干土重的比值，導(dǎo)致土壤含水率偏小，從而使得農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)偏小。

(2)水量損失可分解為渠系輸水損失和田間灌水損失[9]，也就需要確定渠系農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)和田間水利用系數(shù)來分析水量的損失過程，由于測算過程過于復(fù)雜，渠系情況各不相同對測算造成了很大影響從而影響精度，而首尾測算法很好地避開了這一復(fù)雜的過程，數(shù)據(jù)顯示：大型灌區(qū)、中型灌區(qū)、小型灌區(qū)、井灌區(qū)的農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)分別為：0.577 7、0.565 0、0.599 0、0.761 3，大、中型灌區(qū)輸水渠道過長而導(dǎo)致水分損失增加，使農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)相比較小型及井灌區(qū)偏低。

(3)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)與當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)，灌區(qū)用水狀況、作物規(guī)模與種類、地下水埋深、氣候條件等有關(guān)系[10]，在用典型田塊法測定農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)過程中，結(jié)果為：乾縣降雨量為537.9 mm，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)為0.557 9；武功縣為552.6 mm，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)為0.579 4；禮泉縣為537 mm，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)為0.577 2；興平市為584.7 mm，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)為0.579 4；涇陽縣為584.7 mm，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)為0.582 8；三原縣為537.6 mm，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)為0.546 9。發(fā)現(xiàn)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)隨著降雨量的增加而增加，由于禮泉縣、三原縣中小型灌區(qū)和井灌區(qū)偏多導(dǎo)致縣區(qū)域的農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)偏高,可見用區(qū)域內(nèi)包含的灌區(qū)不能完全反映區(qū)域的灌水水平。

4 結(jié) 語

(1)根據(jù)與毛灌溉用水量加權(quán)平均得出大型灌區(qū)、中型灌區(qū)、小型灌區(qū)及井型灌區(qū)的農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)分別為0.577 7、0.565 0、0.599 0、0.761 3，綜合計算得出咸陽市的農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)為0.577 0。

(2)根據(jù)各縣所在的灌區(qū)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)與毛灌溉用水量加權(quán)平均得出乾縣、武功縣、禮泉縣、興平市、涇陽縣、三原縣的農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)分別為0.557 9、0.579 4、0.577 2、0.579 4、0.582 8、0.546 9。

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