楊旭洋,劉 彬,閆丹丹,孫玲玲,楊旭濤
(1.河北工程大學(xué),河北 邯鄲 056001;2.陜西文強(qiáng)建工集團(tuán)有限公司,西安 710075)
灌溉在作物生產(chǎn)中起著至關(guān)重要的作用,全球大約69%的淡水用于作物灌溉[1]。在經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展的現(xiàn)代社會(huì),城市享有水資源分配的優(yōu)先權(quán)[2,3],農(nóng)業(yè)灌溉用水將在一定程度上被擠占。因此,農(nóng)業(yè)灌溉用水的利用效率必須提高[4,5]。我國(guó)現(xiàn)狀田間大多為地面灌溉,地面灌溉容易發(fā)生深層滲漏,農(nóng)業(yè)用水效率極低,灌溉用水有效利用系數(shù)平均為0.536[6,7]。灌溉用水定額是農(nóng)業(yè)灌溉用水管理實(shí)施“總量控制,定額管理”、科學(xué)的進(jìn)行農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整和合理利用區(qū)域水資源的重要支撐[8]。為了合理利用現(xiàn)有水資源、提高農(nóng)業(yè)灌溉用水效率和灌溉質(zhì)量,2003年水利部在全國(guó)范圍內(nèi)首次以省為單位,采用灌溉試驗(yàn)法和現(xiàn)場(chǎng)抽樣調(diào)查法,編制了各省(市)灌溉用水定額[9,10]。
灌溉用水定額的編制對(duì)河北省農(nóng)業(yè)灌溉科學(xué)用水、優(yōu)化配置水資源和改善灌溉質(zhì)量至關(guān)重要[11,12]。河北省應(yīng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求而超量開采地下水,現(xiàn)地下水漏斗區(qū)已多達(dá)50多處,最深達(dá)70 m,地下水的透支產(chǎn)生了一系列的地質(zhì)災(zāi)害,地下水量使用控制加劇了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)用水的供需矛盾[13]。河北省平原區(qū)長(zhǎng)期處于地下水超采狀態(tài),2013年農(nóng)業(yè)灌溉超采量為18.28 億m3[14]。黨的十八大和十八屆三中全會(huì)對(duì)生態(tài)文明建設(shè)提出了新的要求,自2014年起,河北省把開展地下水超采治理作為生態(tài)文明建設(shè)的一個(gè)重要工程。為確保河北省超采綜合治理取得實(shí)效,評(píng)估考核顯得尤為重要。將灌溉用水定額作為評(píng)價(jià)現(xiàn)狀農(nóng)業(yè)用水水平、分析節(jié)水潛力、判定用水合理性和確定節(jié)水水平的重要參考技術(shù)指標(biāo)[15],河北省地方標(biāo)準(zhǔn)《用水定額》(DB13/T 1161-2016)計(jì)算出的農(nóng)業(yè)灌溉用水定額由于地理區(qū)位和田間灌溉技術(shù)等的影響,往往與實(shí)際應(yīng)用存在一定的偏差[16,17]。為了提高河北省灌溉用水定額的科學(xué)性與合理性,以保障灌溉用水定額的得到切實(shí)應(yīng)用,在河北省衡水市、滄州市、邢臺(tái)市和邯鄲市4市48個(gè)縣選擇401典型地塊進(jìn)行了小麥灌溉用水量測(cè)定灌水試驗(yàn),并與該區(qū)灌溉用水定額指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析。
灌溉用水量是灌區(qū)從水源引入的用于農(nóng)田灌溉的水量[18],也是指為滿足作物全生育期用水要求,扣除大氣的有效降水補(bǔ)給之外,從農(nóng)田水利措施中補(bǔ)充給作物的水量。灌溉定額是農(nóng)作物全生育期單位面積上歷次灌水定額之和,可分為凈灌溉定額和毛灌溉定額。灌溉用水定額是核算單元內(nèi)單位面積某種作物全生育期灌溉用水量的限額,包含核算單元內(nèi)的渠系系統(tǒng)輸水損失和田間損失,井灌和地表水灌的核算單元分別為井口和斗口,是毛灌溉用水定額[19,20]。
灌溉用水量、灌溉定額與灌溉用水定額三者同中有異。灌溉用水量是農(nóng)業(yè)灌溉用水的一個(gè)基本表征,而灌溉用水定額和灌溉定額是特定條件下的灌溉用水量,在農(nóng)業(yè)用水規(guī)劃和管理中灌溉定額和灌溉用水定額是兩個(gè)核心的技術(shù)指標(biāo)[21]。灌溉定額分為凈灌溉定額和毛灌溉定額。其中,凈灌溉定額是為了滿足作物自身需水要求的灌溉需水量,其無(wú)法直接進(jìn)行測(cè)定,可依據(jù)農(nóng)作物需水量、有效降雨量、地下水利用量確定;毛灌溉定額則主要是為渠首、泵站等水利設(shè)施設(shè)計(jì)提供依據(jù),是以凈灌溉定額為基礎(chǔ),扣除通過(guò)渠系系統(tǒng)輸送到田間的過(guò)程中由于滲漏、蒸發(fā)以及管理方面等產(chǎn)生的輸水損失和田間灌水損失,折算至渠首的單位面積灌溉需水量,無(wú)法在具體灌溉單元用水管理中運(yùn)用。因此灌溉定額反映作物本身的生物學(xué)特性、產(chǎn)量水平、土壤水肥以及管理水平等對(duì)作物需水量的影響,僅是為有關(guān)科研和規(guī)劃設(shè)計(jì)提供支撐,主要體現(xiàn)的是灌溉這項(xiàng)活動(dòng)自身的科學(xué)性、客觀規(guī)律性,并不注重灌溉技術(shù)的先進(jìn)性、合理性、客觀性、可操作性和可比性,且相對(duì)比較穩(wěn)定[22-24]。
灌溉用水定額是繼工業(yè)和生活用水實(shí)施定額管理之后,在農(nóng)業(yè)用水管理中提出的一個(gè)新概念。用水定額一般均體現(xiàn)用水的科學(xué)性、先進(jìn)性、法規(guī)性和經(jīng)濟(jì)合理性。因此,灌溉用水定額可作為衡量灌溉用水科學(xué)性、合理性、先進(jìn)性且具有可比性的一項(xiàng)基本準(zhǔn)則。灌溉用水的科學(xué)性強(qiáng)調(diào)灌溉用水符合客觀規(guī)律,水量在進(jìn)行輸送和分配時(shí)符合水利設(shè)施的設(shè)計(jì)特征,補(bǔ)送至農(nóng)田的水量符合作物需水要求;合理性強(qiáng)調(diào)灌溉用水符合現(xiàn)狀灌溉技術(shù)水平、水利設(shè)施建設(shè)水平和經(jīng)濟(jì)條件;先進(jìn)性強(qiáng)調(diào)灌溉用水的高效利用,體現(xiàn)在用水管理、規(guī)劃和技術(shù)的前瞻性;可比性強(qiáng)調(diào)灌溉用水定額具有普遍適用性。灌溉用水定額依據(jù)灌溉工程現(xiàn)狀、用水水平結(jié)合水文氣象年份等,圍繞灌溉定額上下浮動(dòng),是農(nóng)業(yè)用水管理的微觀指標(biāo)和考核標(biāo)準(zhǔn)[11]。
為了將河北省南部冬小麥的實(shí)際灌溉用水量和用河北省《用水定額》推算的灌溉用水量進(jìn)行對(duì)比分析,從而對(duì)河北省南部冬小麥實(shí)際灌溉用水量進(jìn)行測(cè)定,選擇邯鄲市、邢臺(tái)市、衡水市、滄州市4市48個(gè)縣401個(gè)典型地塊進(jìn)行灌水試驗(yàn),其主要涉及太行山山前平原區(qū)和黑龍港低平原區(qū)。試驗(yàn)典型地塊見(jiàn)圖1。為了保證觀測(cè)地點(diǎn)具有代表性,本次灌溉試驗(yàn)點(diǎn)的選取應(yīng)滿足以下幾點(diǎn):①試驗(yàn)點(diǎn)所處的井灌區(qū)應(yīng)是建立時(shí)間較長(zhǎng),具備灌區(qū)管理實(shí)體機(jī)構(gòu),運(yùn)行情況和數(shù)據(jù)資料累計(jì)情況較好的灌區(qū);②所選試驗(yàn)點(diǎn)應(yīng)具有代表性,包括其土質(zhì)類型、灌溉習(xí)慣、用水方式、地下水埋深狀況等。③近5年以來(lái)其上種植作物類型(冬小麥)必須單一固定。④選取農(nóng)戶即將灌溉的田間地塊作為典型地塊,不自行選擇地塊組織灌溉。
(1)試驗(yàn)灌溉用水量測(cè)算。本次試驗(yàn)選擇在河北省大面積種植的具有代表性的農(nóng)作物-冬小麥,在冬小麥起身和拔節(jié)生育階段均進(jìn)行了小麥灌水試驗(yàn),灌溉系統(tǒng)選擇地面灌系統(tǒng)(低壓管灌),地面灌溉系統(tǒng)是通過(guò)渠系系統(tǒng)或管道將灌溉水輸送到田間,再通過(guò)畦、溝、格田(少部分大水漫灌)等分配到整個(gè)田間地塊[25]。灌溉試驗(yàn)完全按照當(dāng)?shù)孛癖娏?xí)慣,由用戶自行控制[26]。在試驗(yàn)過(guò)程中準(zhǔn)確記錄灌溉方式、作物種類、畦長(zhǎng)及平整度、灌溉面積、抽水流量、灌溉時(shí)間、用電量、機(jī)井類型等數(shù)據(jù)。
灌溉抽水流量用超聲波流量計(jì)和體積法進(jìn)行測(cè)算并互相印證。使用超聲波流量計(jì)觀測(cè)機(jī)井出水量,即在小白龍出水口接PVC管,將儀器安裝到PVC管上,待水量穩(wěn)定時(shí),讀取讀數(shù)。使用體積法測(cè)算出水量,即通過(guò)抽井水進(jìn)行灌溉,從出水口接“小白龍”管灌,用“體積法”進(jìn)行測(cè)算機(jī)井出水量,容器的體積為172 L,桶的深度為0.55 m。分別記錄水深和歷時(shí)。為了保證數(shù)據(jù)相對(duì)準(zhǔn)確性進(jìn)行3次試驗(yàn),并取其平均值作為最終數(shù)據(jù)。
圖1 試驗(yàn)地點(diǎn)范圍Fig.1 Test site range
在48個(gè)典型縣的小麥灌水試驗(yàn)中共得到401個(gè)數(shù)據(jù),每個(gè)典型縣5~18組灌水?dāng)?shù)據(jù)。典型區(qū)試驗(yàn)灌溉用水量測(cè)算,以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的單井單度電出水量為主要依據(jù),結(jié)合從供電部門獲得的灌溉用電量資料,求得典型區(qū)小麥的生長(zhǎng)期總用水量,然后除以該典型區(qū)內(nèi)小麥的種植面積,得到典型區(qū)冬小麥的試驗(yàn)灌溉用水量;在灌水試驗(yàn)時(shí)全程觀測(cè)灌溉過(guò)程,以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的抽水流量、灌溉時(shí)間、試驗(yàn)地塊面積為基礎(chǔ)計(jì)算次試驗(yàn)灌溉用水量,結(jié)合實(shí)際走訪調(diào)查所得試驗(yàn)地塊小麥全生育期灌水次數(shù),計(jì)算典型區(qū)冬小麥試驗(yàn)灌溉用水量。
(2)理論推算灌溉用水量。在《用水定額編制技術(shù)導(dǎo)則里》里引入了基本用水定額,其是指某種作物在參照灌溉條件下的單位面積灌溉用水量。河北省參照灌溉條件規(guī)定為:工程類型為“土渠輸水地面灌溉”、水源類型為“地下水”、工程規(guī)模為“小型”、“無(wú)附加用水”,該條件下某作物的灌溉用水定額作為該作物的基本用水定額。一般比灌溉用水定額偏大。
不同作物的灌溉用水定額,由相應(yīng)的基本用水定額與灌溉規(guī)模、水源、灌溉形式的調(diào)節(jié)系數(shù)綜合求得,某種作物灌溉用水定額mijk[21]可表示為:
mijk=m0K1iK2jK3kK4
(1)
式中:m0為某種作物的基本用水定額;K1i為灌區(qū)規(guī)模調(diào)節(jié)系數(shù),i為1、2、3,分別為大型、中型、小型3種不同的灌區(qū)規(guī)模;K2j為水源類型調(diào)節(jié)系數(shù),j為1、2、3,分別為地下水灌區(qū)、地表水灌區(qū)、井渠結(jié)合3種不同的水源類型;K3k為灌溉工程類型調(diào)節(jié)系數(shù),k為1、2、3、4、5,分別為土渠輸水地面灌、渠道防滲、管道輸水、噴灌、微灌5種不同的工程類型;K4為附加用水調(diào)節(jié)系數(shù)。
本文涉及的試驗(yàn)典型區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉用水調(diào)節(jié)系數(shù)見(jiàn)表1。河北省《用水定額》推算的灌溉用水量以下稱為理論推算灌溉用水定額。
表1 河北省南部平原區(qū)灌溉用水調(diào)節(jié)系數(shù)Tab.1 Adjustment coefficient of irrigation water in southern plain area of Hebei Province
為了分析試驗(yàn)灌溉用水量與理論推算灌溉用水量符合程度,本文選擇了納什系數(shù)NSE、擬合優(yōu)度判定系數(shù)R2和均方根誤差RMSE來(lái)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,其中,納什系數(shù)NSE取值范圍為負(fù)無(wú)窮至1,NSE越接近1,表示符合程度越好;擬合優(yōu)度判定系數(shù)R2取值范圍為0至1,R2越接近1,表示符合程度越好,方根誤差RMSE值越小符合程度越好。其公式如下:
(4)
這里列出了兩個(gè)灌溉分區(qū)各典型縣冬小麥灌水試驗(yàn)匯總的試驗(yàn)灌溉用水量和理論推算灌溉用水量,見(jiàn)表2,相應(yīng)的折線圖見(jiàn)圖2。
表2 各縣冬小麥試驗(yàn)灌溉用水量與理論推算灌溉用水量對(duì)比表 m3/hm2
續(xù)表2 各縣冬小麥試驗(yàn)灌溉用水量與理論推算灌溉用水量對(duì)比表 m3/hm2
通過(guò)對(duì)河北省南部平原區(qū)試驗(yàn)灌溉用水量和理論推算的灌溉用水量進(jìn)行對(duì)比分析可知,灌溉典型區(qū)試驗(yàn)灌溉用水量總體比理論推算灌溉用水量高4.9%,其中試驗(yàn)灌溉用水量比理論推算灌溉用水量高的典型縣占58.3%,低的占41.7%。主要原因是由于大部分典型地塊的管灌方式為:從地頭出水口接“小白龍”通過(guò)畦或溝分配至整個(gè)地塊。在灌溉過(guò)程中典型地塊的畦長(zhǎng)畦寬、田面坡降、平整程度以及農(nóng)民的操作方式(部分自流即大水漫灌,農(nóng)戶不進(jìn)行監(jiān)管)對(duì)灌水量的影響很大,故灌溉用水量有一定的時(shí)空分布差異。
按灌溉分區(qū)分析,太行山山前平原區(qū)各典型縣試驗(yàn)灌溉用水量總體比理論推算灌溉用水量低26.3%;黑龍港低平原區(qū)各典型縣試驗(yàn)灌溉用水量總體比理論推算灌溉用水量高0.7%,兩者基本一致。太行山山前平原區(qū)相對(duì)于黑龍港低平原區(qū)理論推算出的灌溉用水量總體偏低15.63%,這是由于在小麥全生育期兩個(gè)灌溉分區(qū)的降水量有一定的差異,太行山山前平原區(qū)降水量高于黑龍港低平原區(qū)降水量[27],但太行山山前平原區(qū)相對(duì)于黑龍港低平原區(qū)的實(shí)際灌溉用水量總體偏高7.12%,這是由于太行山山前平原區(qū)水利條件較好,農(nóng)民灌溉用水較為粗放,節(jié)水意識(shí)較差。
按行政分區(qū)分析,河北省南部試驗(yàn)灌溉用水量從南向北總體呈遞減趨勢(shì),與理論推算用水量趨勢(shì)正好相反。邢臺(tái)市和邯鄲市的試驗(yàn)灌溉用水量比理論推算灌溉用水量分別高21.6%、11.7%。在灌水試驗(yàn)中,邯鄲市和邢臺(tái)市田間地塊畦長(zhǎng)畦寬相對(duì)來(lái)說(shuō)比較大,畦長(zhǎng)范圍大概為20~300 m,畦寬范圍大概為2~4 m,單畦面積平均為0.02 hm2,邢臺(tái)個(gè)別田間地塊單畦面積達(dá)到0.1 hm2。農(nóng)戶進(jìn)行灌溉時(shí),灌溉習(xí)慣大多為,用“小白龍”將水分引至畦頭,水流從畦頭一直自流推進(jìn)至畦尾停水,畦尾閉合,然后換畦灌溉直至整個(gè)地塊灌水完成。畦長(zhǎng)過(guò)大,灌水時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),灌水過(guò)程中容易產(chǎn)生深層滲漏,造成水資源的浪費(fèi),且大量水分聚集在畦尾,導(dǎo)致灌水均勻度不高[28]。這是導(dǎo)致邯鄲和邢臺(tái)地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水量相對(duì)較高的一個(gè)重要原因。兩市農(nóng)田灌溉主要采用小畦灌溉,畦長(zhǎng)范圍大概為2~10 m,畦寬范圍大概為1.5~3 m,單畦面積平均為0.001 3 hm2。灌水時(shí)間較短,灌水過(guò)程中深層滲漏量較少,灌溉損失量較少,灌溉用水量較低,這是滄州市和衡水市農(nóng)業(yè)試驗(yàn)灌溉用水量相對(duì)較低的一個(gè)重要原因。
圖2 各縣冬小麥試驗(yàn)灌溉用水量與理論推算灌溉用水量對(duì)比折線圖Fig. 2 Comparison of test irrigation water consumption and theoretical calculation of irrigation water for winter wheat in Counties
通過(guò)對(duì)試驗(yàn)灌溉用水量與理論推算灌溉用水量統(tǒng)計(jì)分析可知,納什系數(shù)E、擬合優(yōu)度判定系數(shù)R2和均方根誤差Re計(jì)算結(jié)果分別為-4.9、0.02和27.2。3個(gè)系數(shù)均說(shuō)明試驗(yàn)灌溉用水量與理論推算灌溉用水量有較大差異。
通過(guò)河北省南部平原區(qū)冬小麥灌溉試驗(yàn),冬小麥灌溉用水量多少與區(qū)域水利條件優(yōu)劣呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,按灌溉分區(qū)來(lái)說(shuō),水利條件較好的太行山山前平原區(qū)比水利條件較差的黑龍港低平原區(qū)實(shí)際灌溉用水量大;按行政分區(qū)來(lái)說(shuō),水利條件較好的邯鄲市和邢臺(tái)市比水利條件較差的衡水市和滄州市實(shí)際灌溉用水量大。主要原因水利條件較好的地方灌溉用水管理及利用方式反而較粗放,用水效率不高,灌溉用水量偏大。由試驗(yàn)灌溉用水量與理論推算灌溉用水量對(duì)比分析,衡水市和滄州市試驗(yàn)灌溉用水量總體低于理論推算灌溉用水量,邯鄲市和邢臺(tái)市灌溉用水量總體高于理論推算灌溉用水量。灌溉用水量偏大地區(qū),應(yīng)改進(jìn)田間地塊的畦寬、畦長(zhǎng)、地面平整程度,避免灌水不均勻形成部分深層滲漏和灌水時(shí)間較長(zhǎng)引起的無(wú)效蒸發(fā),從而提高灌溉用水效率,改善灌溉質(zhì)量。
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