河北省南部平原區(qū)冬小麥灌溉用水量分析

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.陜西文強建工集團有限公司，西安 710075)

1 研究背景

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)濟的快速發(fā)展的現(xiàn)代社會，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)灌溉用水管理實施“總量控制，定額管理”、科學(xué)的進行農(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年水利部在全國范圍內(nèi)首次以省為單位，采用灌溉試驗法和現(xiàn)場抽樣調(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)國民經(jīng)濟發(fā)展需求而超量開采地下水，現(xiàn)地下水漏斗區(qū)已多達50多處，最深達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對生態(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)的一個重要工程。為確保河北省超采綜合治理取得實效，評估考核顯得尤為重要。將灌溉用水定額作為評價現(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應(yīng)用，在河北省衡水市、滄州市、邢臺市和邯鄲市4市48個縣選擇401典型地塊進行了小麥灌溉用水量測定灌水試驗，并與該區(qū)灌溉用水定額指標(biāo)進行對比分析。

2 灌溉用水量相關(guān)概念辨析

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給之外，從農(nóng)田水利措施中補充給作物的水量。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，其無法直接進行測定，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)計提供依據(jù)，是以凈灌溉定額為基礎(chǔ)，扣除通過渠系系統(tǒng)輸送到田間的過程中由于滲漏、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，無法在具體灌溉單元用水管理中運用。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作物需水量的影響，僅是為有關(guān)科研和規(guī)劃設(shè)計提供支撐，主要體現(xiàn)的是灌溉這項活動自身的科學(xué)性、客觀規(guī)律性，并不注重灌溉技術(shù)的先進性、合理性、客觀性、可操作性和可比性，且相對比較穩(wěn)定[22-24]。

灌溉用水定額是繼工業(yè)和生活用水實施定額管理之后，在農(nóng)業(yè)用水管理中提出的一個新概念。用水定額一般均體現(xiàn)用水的科學(xué)性、先進性、法規(guī)性和經(jīng)濟合理性。因此，灌溉用水定額可作為衡量灌溉用水科學(xué)性、合理性、先進性且具有可比性的一項基本準(zhǔn)則。灌溉用水的科學(xué)性強調(diào)灌溉用水符合客觀規(guī)律，水量在進行輸送和分配時符合水利設(shè)施的設(shè)計特征，補送至農(nóng)田的水量符合作物需水要求；合理性強調(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)濟條件；先進性強調(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，是農(nóng)業(yè)用水管理的微觀指標(biāo)和考核標(biāo)準(zhǔn)[11]。

3 灌溉試驗

3.1 試驗范圍

為了將河北省南部冬小麥的實際灌溉用水量和用河北省《用水定額》推算的灌溉用水量進行對比分析，從而對河北省南部冬小麥實際灌溉用水量進行測定，選擇邯鄲市、邢臺市、衡水市、滄州市4市48個縣401個典型地塊進行灌水試驗，其主要涉及太行山山前平原區(qū)和黑龍港低平原區(qū)。試驗典型地塊見圖1。為了保證觀測地點具有代表性，本次灌溉試驗點的選取應(yīng)滿足以下幾點：①試驗點所處的井灌區(qū)應(yīng)是建立時間較長，具備灌區(qū)管理實體機構(gòu)，運行情況和數(shù)據(jù)資料累計情況較好的灌區(qū)；②所選試驗點應(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。

3.2 試驗方法

(1)試驗灌溉用水量測算。本次試驗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)生育階段均進行了小麥灌水試驗，灌溉系統(tǒng)選擇地面灌系統(tǒng)(低壓管灌)，地面灌溉系統(tǒng)是通過渠系系統(tǒng)或管道將灌溉水輸送到田間，再通過畦、溝、格田(少部分大水漫灌)等分配到整個田間地塊[25]。灌溉試驗完全按照當(dāng)?shù)孛癖娏?xí)慣，由用戶自行控制[26]。在試驗過程中準(zhǔn)確記錄灌溉方式、作物種類、畦長及平整度、灌溉面積、抽水流量、灌溉時間、用電量、機井類型等數(shù)據(jù)。

灌溉抽水流量用超聲波流量計和體積法進行測算并互相印證。使用超聲波流量計觀測機井出水量，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，讀取讀數(shù)。使用體積法測算出水量，即通過抽井水進行灌溉，從出水口接“小白龍”管灌，用“體積法”進行測算機井出水量，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。為了保證數(shù)據(jù)相對準(zhǔn)確性進行3次試驗，并取其平均值作為最終數(shù)據(jù)。

圖1 試驗地點范圍Fig.1 Test site range

在48個典型縣的小麥灌水試驗中共得到401個數(shù)據(jù)，每個典型縣5～18組灌水?dāng)?shù)據(jù)。典型區(qū)試驗灌溉用水量測算，以現(xiàn)場實測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)冬小麥的試驗灌溉用水量；在灌水試驗時全程觀測灌溉過程，以現(xiàn)場實測的抽水流量、灌溉時間、試驗地塊面積為基礎(chǔ)計算次試驗灌溉用水量，結(jié)合實際走訪調(diào)查所得試驗地塊小麥全生育期灌水次數(shù)，計算典型區(qū)冬小麥試驗灌溉用水量。

(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)。

本文涉及的試驗典型區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉用水調(diào)節(jié)系數(shù)見表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

3.3 統(tǒng)計分析

為了分析試驗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來進行統(tǒng)計分析，其中，納什系數(shù)NSE取值范圍為負無窮至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)

4 結(jié)果與討論

這里列出了兩個灌溉分區(qū)各典型縣冬小麥灌水試驗匯總的試驗灌溉用水量和理論推算灌溉用水量，見表2，相應(yīng)的折線圖見圖2。

表2 各縣冬小麥試驗灌溉用水量與理論推算灌溉用水量對比表 m3/hm2

續(xù)表2 各縣冬小麥試驗灌溉用水量與理論推算灌溉用水量對比表 m3/hm2

通過對河北省南部平原區(qū)試驗灌溉用水量和理論推算的灌溉用水量進行對比分析可知，灌溉典型區(qū)試驗灌溉用水量總體比理論推算灌溉用水量高4.9%，其中試驗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”通過畦或溝分配至整個地塊。在灌溉過程中典型地塊的畦長畦寬、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)戶不進行監(jiān)管)對灌水量的影響很大，故灌溉用水量有一定的時空分布差異。

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)相對于黑龍港低平原區(qū)的實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)水意識較差。

按行政分區(qū)分析，河北省南部試驗灌溉用水量從南向北總體呈遞減趨勢，與理論推算用水量趨勢正好相反。邢臺市和邯鄲市的試驗灌溉用水量比理論推算灌溉用水量分別高21.6%、11.7%。在灌水試驗中，邯鄲市和邢臺市田間地塊畦長畦寬相對來說比較大，畦長范圍大概為20～300 m，畦寬范圍大概為2～4 m，單畦面積平均為0.02 hm2，邢臺個別田間地塊單畦面積達到0.1 hm2。農(nóng)戶進行灌溉時，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至畦尾停水，畦尾閉合，然后換畦灌溉直至整個地塊灌水完成。畦長過大，灌水時間相對較長，灌水過程中容易產(chǎn)生深層滲漏，造成水資源的浪費，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)致邯鄲和邢臺地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水量相對較高的一個重要原因。兩市農(nóng)田灌溉主要采用小畦灌溉，畦長范圍大概為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。灌水時間較短，灌水過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)試驗灌溉用水量相對較低的一個重要原因。

圖2 各縣冬小麥試驗灌溉用水量與理論推算灌溉用水量對比折線圖Fig. 2 Comparison of test irrigation water consumption and theoretical calculation of irrigation water for winter wheat in Counties

通過對試驗灌溉用水量與理論推算灌溉用水量統(tǒng)計分析可知，納什系數(shù)E、擬合優(yōu)度判定系數(shù)R2和均方根誤差Re計算結(jié)果分別為-4.9、0.02和27.2。3個系數(shù)均說明試驗灌溉用水量與理論推算灌溉用水量有較大差異。

5 結(jié) 語

通過河北省南部平原區(qū)冬小麥灌溉試驗，冬小麥灌溉用水量多少與區(qū)域水利條件優(yōu)劣呈負相關(guān)關(guān)系，按灌溉分區(qū)來說，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)實際灌溉用水量大；按行政分區(qū)來說，水利條件較好的邯鄲市和邢臺市比水利條件較差的衡水市和滄州市實際灌溉用水量大。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。由試驗灌溉用水量與理論推算灌溉用水量對比分析，衡水市和滄州市試驗灌溉用水量總體低于理論推算灌溉用水量，邯鄲市和邢臺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)改進田間地塊的畦寬、畦長、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間較長引起的無效蒸發(fā)，從而提高灌溉用水效率，改善灌溉質(zhì)量。

[1] Food and Agriculture Organisation. FAOSTAT database[DB/OL]. http:∥www.fao.org, 2014.

[2] Beltran J M. Irrigation with saline water: benefits and environmental impact[J]. Agricultural Water Management, 1999,40(2-3):183-194.

[3] Wang H X, Zhang L, Dawes W R, et al. Improving water use efficiency of irrigated crops in the North China Plain-measurements and modeling[J]. Agricultural Water Management, 2001,48(2):151-167.

[4] Rockstrom J, Lannerstad M, Falkenmark M. Increasing water productivity through deficit irrigation: evidence from the Indus plains of Pakistan[J]. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2007,104:6 253-6 260.

[5] Jury W A, Vaux H J. The role of science in solving the world's emerging water problems[J]. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2006,102:15 715-15 720.

[6] 中華人民共和國水利部.2015年中國水資源公報[Z].

[7] 劉 鈺,蔡甲冰.甘肅景泰提水灌區(qū)田間灌水技術(shù)評價與改進[J].中國農(nóng)村水利水電,2002,(7):9-13.

[8] 潘國強,楊寶中,朱光亞,等.灌溉用水定額及其調(diào)節(jié)系數(shù)計算和有關(guān)問題探討[J].灌溉排水學(xué)報，2004,23(3).52-53.

[9] 邱苑梅,段美英,付學(xué)芬.云南省灌溉用水定額編制中的幾個關(guān)鍵技術(shù)問題[J].節(jié)水灌溉,2004,(5):40-41.

[10] 杜秀文,郭慧濱.全國灌溉用水定額編制中的技術(shù)研究[J].農(nóng)村水利,2007,(9):48-50.

[11] 趙印英.山西省灌溉用水定額編制方法及其成果[J].水利水電科技進展，2005,25(4):42-44.

[12] 楊麗霞.山西省灌溉用水定額研究[J].人民黃河,2011,33(5):74-75,88.

[13] 仵 峰,陳玉民,宰松梅.石津灌區(qū)適宜田間灌水技術(shù)試驗研究[J].中國農(nóng)村水利水電,2003,(2):25-28.

[14] 溫榮平. 河北省地下水超采及造成的危害和治理[J].水利科技與經(jīng)濟,2015,(12):10-12.

[15] 鄭 紅.河北省用水定額應(yīng)用現(xiàn)狀、問題與對策[J].中國水利,2009,(15):39,43.

[16] 趙慶波.農(nóng)田灌溉用水定額的編制方法[J].黑龍江科技信息,2009,(21):18.

[17] 中國水利百科全書編委會.中國水利百科全書[M].北京:中國水利水電出版社,2006:437.

[18] 張玉順,潘國強,秦海霞.河南省主要農(nóng)作物灌溉用水定額分析[J].灌溉排水學(xué)報，2009,28(5):67-69.

[19] 李粉嬋,張喜錄,王仰仁. 灌溉用水定額編制成果的可靠性分析[J]. 人民黃河,2004,(8):18-19,45.

[20] 鹿 強,周和平. 干旱區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水定額研究[J]. 中國水利,2011,(21):45-46.

[21] 鄧兆安,葉德雙. 灌溉用水定額之淺見[J]. 科技資訊,2006,(9):119.

[22] 王 忠,周和平,張江輝.新疆農(nóng)業(yè)用水定額技術(shù)研究應(yīng)用[M].北京:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社,2012:93-95.

[23] 蔡甲冰,蔡林根,劉 枉,等.非標(biāo)準(zhǔn)狀況下作物系數(shù)的計算方法[J].中國農(nóng)村水利水電,2002,(2):32-37.

[24] 段愛旺.北方地區(qū)主要農(nóng)作物灌溉用水定額[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社,2004.

[25] 王 智,張愛明,廖德華.西營河灌區(qū)田間灌水技術(shù)試驗研究[J]. 水資源與水工程學(xué)報，1993,4(1):17-25.

[26] 龔 宇,花家嘉,高桂芹,等.河北平原冬小麥需水關(guān)鍵期降水變化特征[J].節(jié)水灌溉,2009,(11):8-11,14.

[27] 聶衛(wèi)波,費良軍,馬孝義.畦灌灌水技術(shù)要素組合優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2012,43(1):83-88,107.

[28] 洪 瑜,王 芳,劉汝亮,等.不同畦灌方式對冬小麥土壤水分和水分利用效率的影響[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2014,32(3):70-75.