新疆東部中型灌區(qū)田間水利用系數(shù)的測(cè)算

侯裕生，王振華，李文昊，蔣宇新

(1.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，新疆 石河子 832000；2.現(xiàn)代節(jié)水灌溉兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832000)

淡水資源短缺是我國(guó)的一大基本國(guó)情，節(jié)水已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)重要的戰(zhàn)略措施[1]。新疆東部地處亞歐大陸腹地極端干旱區(qū)，屬典型大陸性氣候，為典型純綠洲灌溉型墾區(qū)[2]。在墾區(qū)水資源利用結(jié)構(gòu)中，農(nóng)業(yè)用水所占比重達(dá)91.8%，而農(nóng)田灌溉占農(nóng)業(yè)用水的90%以上。因此實(shí)施節(jié)水措施是實(shí)現(xiàn)該地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)重要舉措。

田間水利用系數(shù)作為灌溉水利用系數(shù)的一個(gè)主要參數(shù)，是指實(shí)際灌入田間的有效水量(對(duì)旱作物農(nóng)田，是指貯存在計(jì)劃濕潤(rùn)層中的灌溉用水量)和灌入田間水量的比值[1]，不僅會(huì)反映田間水的有效利用程度，而且還會(huì)反映灌溉技術(shù)水平的高低[3]。灌區(qū)田間水利用系數(shù)的高低，直接關(guān)系到灌區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)用水量的大小以及水資源的配置，對(duì)灌區(qū)內(nèi)水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)及水資源配置具有重要的實(shí)際意義。

近年來(lái)，部分學(xué)者對(duì)田間水利用系數(shù)做了相關(guān)研究，楊玫[4]等研究表明灌水定額過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致田間水利用系數(shù)減小，趙運(yùn)革[1]認(rèn)為田間水利用系數(shù)隨計(jì)劃濕潤(rùn)層深度變化而變化并存在一定規(guī)律且呈正相關(guān)。但以上學(xué)者關(guān)于田間水利用系數(shù)的研究涉及時(shí)間比較宏觀，只是對(duì)作物全生育期田間水利用系數(shù)的大小及影響因素做了相關(guān)分析，并未對(duì)作物生育期內(nèi)每次灌水測(cè)得的田間水利用系數(shù)大小及其隨時(shí)間的變化做相關(guān)研究。本文對(duì)田間水利用系數(shù)進(jìn)行測(cè)算分析，并在此基礎(chǔ)上計(jì)算出新疆東部中型灌區(qū)田間水利用系數(shù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

新疆東部中型灌區(qū)田間水利用系數(shù)測(cè)算分析工作于2017年4月中旬至9月在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第十三師進(jìn)行。根據(jù)“全國(guó)灌溉用水有效利用系數(shù)測(cè)算分析技術(shù)指南”和具體測(cè)算分析要求，測(cè)算工作選擇在天山以南哈密盆地的石城子灌區(qū)、五道溝灌區(qū)以及天山以北巴里坤高山盆地的紅山口溝灌區(qū)進(jìn)行。天山以南哈密盆地和巴里坤高山盆地地處新疆極端干旱區(qū)，其中天山以南哈密盆地屬典型大陸性氣候，年平均氣溫9.8 ℃，多年年均降水量為38 mm，而多年平均蒸發(fā)量高達(dá)3 092 mm，為降水量的81.4倍；巴里坤高山盆地屬大陸性冷涼干旱氣候區(qū)，年平均氣溫1 ℃，多年年均降水量210 mm，多年平均蒸發(fā)量為1 622 mm，為降水量的8倍。各樣點(diǎn)灌區(qū)所在地區(qū)具體降雨、蒸散量情況見圖1。

圖1 2017年樣點(diǎn)灌區(qū)降雨及蒸散量Fig.1 Rainfall and evapotranspiration in the sample irrigation district in 2017

1.2 測(cè)算工作設(shè)計(jì)

樣點(diǎn)灌區(qū)確定以后，在滿足土壤、水源、交通等基礎(chǔ)條件較好，面積適中，日常管理較為規(guī)范，便于開展測(cè)算分析工作等要求的基礎(chǔ)上，在石城子灌區(qū)、五道溝灌區(qū)選擇3種主要作物(棉花、葡萄、大棗)，每種作物選擇一塊典型田塊作為測(cè)算點(diǎn)，由于石城子灌區(qū)屬于中Ⅲ型灌區(qū)，面積較大，并且在灌區(qū)上下游存在土壤物理性質(zhì)以及灌溉方式方面的差異，因此在石城子灌區(qū)上下游3種主要作物皆選取典型田塊，并且在下游葡萄種植區(qū)選擇一塊漫灌田塊，石城子灌區(qū)和五道溝灌區(qū)共選擇10個(gè)典型田塊；在紅山口溝灌區(qū)由于作物種植類型單一，主要作物為小麥，因此在紅山口溝灌區(qū)選取兩塊典型田塊。

典型田塊確定以后，為確保本次測(cè)算工作中的準(zhǔn)確性，在選擇滴灌的典型田塊中選擇一條支管并安裝ND90水表1塊，在漫灌典型田塊渠道進(jìn)口安裝水尺和量水堰設(shè)施，以此確保田間灌溉用水量的精確性；在所選典型田塊選擇3個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，按照對(duì)角線布點(diǎn)法安裝中子管采集數(shù)據(jù)，以此確保所采集數(shù)據(jù)的穩(wěn)定連續(xù)性。

為了準(zhǔn)確反映該地區(qū)實(shí)際灌溉情況，本測(cè)算工作隨當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的實(shí)際生產(chǎn)中的灌溉過(guò)程進(jìn)行，因此有必要了解樣點(diǎn)灌區(qū)內(nèi)灌溉系統(tǒng)的基本情況。從表1可以看出滴灌條件下樣點(diǎn)灌區(qū)內(nèi)不同作物滴灌系統(tǒng)的設(shè)置情況。對(duì)于石城子灌區(qū)下游漫灌田塊，使用量水堰所測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得出漫灌田塊入畦單寬流量約為4 L/(s·m)。

表1 樣點(diǎn)灌區(qū)不同作物滴灌系統(tǒng)設(shè)置Tab.1 Drip irrigation system of different cropsin sample irrigation district

1.3 數(shù)據(jù)采集及方法

1.3.1 土壤基本物理性質(zhì)分析取樣

測(cè)算工作開始前，對(duì)土壤基本理化性質(zhì)進(jìn)行取樣，在所選樣點(diǎn)灌區(qū)每種作物種植區(qū)域內(nèi)選擇3個(gè)取樣點(diǎn)，其中一個(gè)取樣點(diǎn)在典型田塊中，另兩個(gè)取樣點(diǎn)隨機(jī)選擇，在取樣點(diǎn)用容積為100 cm3(直徑50.46 mm×高50 mm)的環(huán)刀取出原狀土，取樣深度為70 cm，每10 cm取一個(gè)樣。帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行土壤基本物理性質(zhì)的分析，具體理化性質(zhì)見表2。

表2 樣點(diǎn)灌區(qū)不同作物種植區(qū)測(cè)算點(diǎn)土壤基本物理性質(zhì)Tab.2 The soil basic physical properties of differentmeasurement points in the sample irrigation district

1.3.2 土壤水分測(cè)定

在所選典型田塊作物每次灌溉前一天、灌溉后一天前往采集土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)。土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)采集采用美國(guó)產(chǎn)503DR型中子土壤水分測(cè)試儀(以下簡(jiǎn)稱中子儀)。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)灌區(qū)內(nèi)土壤80 cm以下出現(xiàn)砂卵石層或黏土層，因此中子管打入土壤深度為80 cm，每10 cm讀取一個(gè)水分?jǐn)?shù)據(jù)，測(cè)的數(shù)據(jù)為中子數(shù)，根據(jù)中子儀標(biāo)定的數(shù)學(xué)方程轉(zhuǎn)化為土壤體積含水率。土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)采集前選取兩個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)中子儀進(jìn)行標(biāo)定，選取ExpDecl模型進(jìn)行擬合，標(biāo)定方程為：

(1)

式中：y為體積含水率，%；A1、t1、y0為參數(shù)；x為中子數(shù)。

根據(jù)圖2的擬合結(jié)果，在所給參數(shù)區(qū)間內(nèi)選取A1、t1、y0

圖2 中子土壤水分測(cè)試儀標(biāo)定曲線Fig.2 Calibration curve of neutron moisture tester

參數(shù)值分別為0.001、-1 110、25.33，滿足兩個(gè)測(cè)點(diǎn)擬合要求，則中子儀標(biāo)定方程為：

(2)

1.3.3 典型田塊灌水定額測(cè)定

對(duì)于滴灌典型田塊田間灌水定額的測(cè)定，在每次灌水前后讀取ND90水表讀數(shù)，灌水前后讀數(shù)差值即為當(dāng)次對(duì)應(yīng)田塊田間灌水定額，累計(jì)測(cè)量對(duì)應(yīng)作物生育期內(nèi)每次田間灌水定額即為全生育期田間灌溉定額；對(duì)于漫灌典型田塊田間灌水定額的測(cè)定，在每次灌水時(shí)對(duì)量水堰過(guò)流量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，計(jì)算出單次田間灌水定額，累計(jì)對(duì)應(yīng)作物生育期內(nèi)每次田間灌水定額即為全生育期田間灌溉定額。

1.3.4 作物計(jì)劃濕潤(rùn)層的確定

計(jì)劃濕潤(rùn)層是指灌溉使灌溉水主要濕潤(rùn)的土壤深度，是隨作物根系活動(dòng)深度、土壤性質(zhì)、地下水埋深等而變化的。本文所涉及的小麥、棉花兩種作物計(jì)劃濕潤(rùn)層深度按照《灌溉試驗(yàn)規(guī)范》[5]確定；由于葡萄、大棗兩種作物樹齡均在10～15 a，樹齡較長(zhǎng)，根系延伸緩慢甚至停止延伸，本文在確定葡萄、大棗計(jì)劃濕潤(rùn)層深度時(shí)主要是按照其根系分布確定，根據(jù)其他學(xué)者對(duì)本地區(qū)葡萄、大棗相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，葡萄、大棗根系在0～60 cm深度內(nèi)分布最多[6,7]，因此確定葡萄、大棗全生育期內(nèi)計(jì)劃濕潤(rùn)層深度為60 cm，見表3。

表3 作物不同生育期內(nèi)計(jì)劃濕潤(rùn)層深度 cm

1.3.5 典型田塊年單位面積平均有效灌溉量計(jì)算

根據(jù)所選典型田塊灌溉前后計(jì)劃濕潤(rùn)層土壤含水率的變化確定某次單位面積平均有效灌溉量，將每次單位面積平均有效灌溉量累加即可得到典型田塊年單位面積平均有效灌溉量w田有，計(jì)算公式如下所示：

(3)

式中：w田有為典型田塊年有效灌溉量，m3/hm2；w田有i為典型田塊某次單位面積平均有效灌溉量，m3/hm2；H為灌水期內(nèi)典型田塊土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層深度，mm；N為生育期內(nèi)灌水次數(shù)，次；θv1為某次灌水前典型田塊H土層內(nèi)土壤體積含水率，%；θv2為某次灌水后典型田塊H土層內(nèi)土壤體積含水率，%。

1.3.6 中型灌區(qū)田間水利用系數(shù)計(jì)算原理

(1)樣點(diǎn)灌區(qū)年有效灌溉量確定。確定了典型田塊年單位面積平均有效灌溉量w田有后，根據(jù)樣點(diǎn)灌區(qū)內(nèi)不同作物種類灌溉面積，計(jì)算出樣點(diǎn)灌區(qū)年有效灌溉量w樣有,計(jì)算方法如下：

(4)

式中：w樣有為樣點(diǎn)灌區(qū)年有效灌溉量，m3；wi為樣點(diǎn)灌區(qū)第i種作物單位面積平均有效灌溉量，m3/hm2；Ai為樣點(diǎn)灌區(qū)第i種作物灌溉面積，hm2；M為樣點(diǎn)灌區(qū)作物種類，種。

(2)樣點(diǎn)灌區(qū)年灌溉用水量確定。根據(jù)測(cè)得典型田塊灌水定額的結(jié)果和樣點(diǎn)灌區(qū)內(nèi)不同作物種類灌溉面積，計(jì)算出樣點(diǎn)灌區(qū)田間年灌溉用水量 ，計(jì)算方法如下：

(5)

式中：w樣田為樣點(diǎn)灌區(qū)田間年灌溉用水量，m3;Qi為樣點(diǎn)灌區(qū)第i種作物年單位面積平均灌溉定額，m3/hm2；Ai為樣點(diǎn)灌區(qū)第i種作物灌溉面積，hm2；M為樣點(diǎn)灌區(qū)作物種類，種。

(3)樣點(diǎn)灌區(qū)田間水利用系數(shù)確定。樣點(diǎn)灌區(qū)田間水利用系數(shù)計(jì)算公式如下：

(6)

式中：η樣為樣點(diǎn)灌區(qū)田間水利用系數(shù)；w樣有為樣點(diǎn)灌區(qū)年有效灌溉量，m3；w樣田為樣點(diǎn)灌區(qū)田間年灌溉用水量，m3。

(4)中型灌區(qū)田間水利用系數(shù)確定。根據(jù)上述公式計(jì)算出中Ⅰ、中Ⅱ、中Ⅲ型灌區(qū)的田間水利用系數(shù)及中Ⅰ、中Ⅱ、中Ⅲ型灌區(qū)的年灌溉用水量加權(quán)平均得出中型灌區(qū)田間水利用系數(shù)。計(jì)算公式如下：

(7)

式中：η中為中型灌區(qū)田間水利用系數(shù)；η中Ⅰ、η中Ⅱ、η中Ⅲ分別為中Ⅰ、中Ⅱ、中Ⅲ不同規(guī)模樣點(diǎn)灌區(qū)田間水利用系數(shù)；w樣田中Ⅰ、w樣田中Ⅱ、w樣田中Ⅲ分別為中Ⅰ、中Ⅱ、中Ⅲ不同規(guī)模樣點(diǎn)灌區(qū)田間年灌溉用水量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)均使用Microsoft Excel 2016進(jìn)行處理，Origin2017完成繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 樣點(diǎn)灌區(qū)不同作物田間水利用系數(shù)及灌水定額隨時(shí)間變化

為了直觀形象地看出樣點(diǎn)灌區(qū)不同作物田間水利用系數(shù)及灌水定額隨時(shí)間的變化，將樣點(diǎn)灌區(qū)不同作物全生育期內(nèi)田間水利用系數(shù)及灌水定額繪于圖3。可以看出，各樣點(diǎn)灌區(qū)不同作物全生育期內(nèi)田間水利用系數(shù)都呈現(xiàn)出“反S”型趨勢(shì)，即作物生長(zhǎng)前期田間水利用系數(shù)略有上升趨勢(shì)，但不顯著，直至7月上旬，田間水利用系數(shù)開始下降且相較于前期上升趨勢(shì)幅度很大，7月下旬田間水利用系數(shù)開始逐步回升至下降前水平。主要原因：對(duì)研究區(qū)實(shí)際生產(chǎn)中的灌溉過(guò)程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)發(fā)現(xiàn)，7月上旬至7月下旬期間，由于此時(shí)間段灌水定額較其他時(shí)間段相對(duì)較高，導(dǎo)致此時(shí)間段田間水利用系數(shù)下降(圖3)；由于小麥、棉花生長(zhǎng)后期計(jì)劃濕潤(rùn)層深度增加以及小麥、棉花、葡萄、大棗生長(zhǎng)后期灌水定額的減小，導(dǎo)致田間水利用系數(shù)的升高。

2.2 灌溉方式對(duì)田間水利用系數(shù)的影響

灌溉定額是影響田間水利利用系數(shù)的一個(gè)主要因素，當(dāng)灌水定額較小，土壤中的水分除去蒸發(fā)損失以外，基本都可以以有效水的形式保存在計(jì)劃濕潤(rùn)層內(nèi)，隨著灌水定額的增大，土壤的含水率逐漸增大，當(dāng)土壤毛細(xì)管孔隙全部被水充滿時(shí)，土壤的有效水達(dá)到上限，此時(shí)如果繼續(xù)灌溉，土壤中的水分會(huì)以重力水的形式下滲而造成深層滲漏[4]。以石城子灌區(qū)下游為例[圖3(b)]，滴灌條件下3種作物(棉花、葡萄、大棗)較漫灌葡萄田間水利用系數(shù)高約11.3%、9.4%、8.9%。由此說(shuō)明，漫灌較滴灌容易造成深層滲漏而使田間水利用系數(shù)減小。

2.3 滴灌條件下不同土壤質(zhì)地對(duì)田間水利用系數(shù)的影響

為了直觀形象地看出滴灌條件下不同土壤質(zhì)地對(duì)田間水利用系數(shù)的影響，將不同土壤質(zhì)地種植作物的田間水利用系數(shù)繪于圖4?？梢钥闯?，種植棉花典型田塊有兩種不同質(zhì)地的土壤，其中黏土所對(duì)應(yīng)的田間水利用系數(shù)較壤土高約0.6%；種植葡萄典型田塊有兩種不同質(zhì)地的土壤，其中砂壤土所對(duì)應(yīng)的田間水利用系數(shù)較砂土高約0.8%；種植大棗典型田塊有兩種不同質(zhì)地的土壤，其中砂壤土對(duì)應(yīng)的田間水利用系數(shù)較砂土高約0.9%。由此說(shuō)明，同種作物相同灌溉條件下，土壤質(zhì)地對(duì)田間水利用系數(shù)存在一定影響。

圖3 樣點(diǎn)灌區(qū)不同作物田間水利用系數(shù)及灌水定額隨時(shí)間的變化Fig.3 Variation of water use coefficient and irrigation quantity of different crop in the sample irrigation district with time

圖4 滴灌條件下不同土壤質(zhì)地對(duì)應(yīng)田間水利用系數(shù)Fig.4 The different soil texture corresponding to field water utilization coefficient in drip irrigation

2.4 中型灌區(qū)田間水利用系數(shù)測(cè)算

各樣點(diǎn)灌區(qū)年均有效灌溉量如表4所示，根據(jù)表4數(shù)據(jù)結(jié)合公式(4)可以計(jì)算出各樣點(diǎn)灌區(qū)年有效灌溉量。其中，石城子灌區(qū)年有效灌溉量為0.734 億m3，五道溝灌區(qū)年有效灌溉量為0.365 億m3，紅山口溝灌區(qū)年有效灌溉量為0.291 億m3。

各樣點(diǎn)灌區(qū)田間年均灌溉用水量如表5所示，根據(jù)表5數(shù)據(jù)結(jié)合公式(5)可以計(jì)算出各樣點(diǎn)灌區(qū)田間年灌溉用水量。其中，石城子灌區(qū)田間年灌溉用水量為0.866 億m3，五道溝灌區(qū)田間年灌溉用水量為0.428 億m3，紅山口溝灌區(qū)田間年灌溉用水量為0.337 億m3。

根據(jù)各樣點(diǎn)灌區(qū)田間年灌溉用水量和年凈灌溉用水量結(jié)合公式(6)可以計(jì)算出各樣點(diǎn)灌區(qū)田間水利用系數(shù)。其中石城子灌區(qū)田間水利用系數(shù)為0.847，五道溝灌區(qū)田間水利用系數(shù)為0.853，紅山口溝灌區(qū)田間水利用系數(shù)為0.862。

表4 樣點(diǎn)灌區(qū)年均凈灌溉用水量計(jì)算表Tab.4 Calculation table of the average annual net irrigation water consumption of sample irrigation district

表5 樣點(diǎn)灌區(qū)田間年均灌溉用水量計(jì)算表Tab.5 Calculation table of annual average irrigation water consumption of sample irrigation district

根據(jù)各樣點(diǎn)灌區(qū)田間水利用系數(shù)和田間年灌溉用水量結(jié)合公式(7)加權(quán)平均得出中型灌區(qū)田間水利用系數(shù)為0.852。

3 討 論

田間水利用系數(shù)的高低不僅反映田間水的有效利用程度，而且還在一定程度上反映灌溉技術(shù)水平的高低。作為灌溉水利用系數(shù)的一個(gè)主要參數(shù)，開展對(duì)田間水利用系數(shù)的測(cè)算分析還是很有必要的。有學(xué)者指出，影響田間水利用系數(shù)的主要因素為土壤質(zhì)地、計(jì)劃濕潤(rùn)層深度及灌水定額等[8]。

楊玫[4]等對(duì)灌水定額對(duì)田間水利用系數(shù)的影響做了相關(guān)研究，結(jié)果表明：灌水定額過(guò)大，造成深層滲漏損失加大，土體中的水分增加量相對(duì)于田間灌水定額，增幅變小，從而導(dǎo)致田間水利用系數(shù)減小。趙運(yùn)革[1]認(rèn)為田間水利用系數(shù)隨計(jì)劃濕潤(rùn)層深度變化而變化并存在一定規(guī)律且呈正相關(guān)。本文通過(guò)測(cè)算分析表明，不同作物生育期內(nèi)田間水利用系數(shù)隨時(shí)間均呈“反S型”，其中7月中旬至7月下旬由于灌水定額較大而導(dǎo)致田間水利用系數(shù)降低的分析結(jié)果與楊玫等研究結(jié)果有相似之處，小麥、棉花生長(zhǎng)后期由于計(jì)劃濕潤(rùn)層深度的增加和灌水定額的減小使田間水利用系數(shù)有所提升的分析結(jié)果與趙云革研究結(jié)果也有相似之處；作物全生育期田間水利用在一定程度上會(huì)受到土壤質(zhì)地和灌溉方式的影響。其中灌溉方式對(duì)田間水利用系數(shù)的影響與楊玫等研究結(jié)果一致。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)不同作物全生育期內(nèi)田間水利用系數(shù)變化均呈現(xiàn) “反S型”，7月上旬至7月下旬田間水利用系數(shù)較其他時(shí)間段小。

(2)灌溉方式的不同造成田間水利用系數(shù)的差異，具體表現(xiàn)滴灌>漫灌。

(3)土壤質(zhì)地影響同種作物對(duì)應(yīng)的田間水利用系數(shù)的大?。吼ね?壤土(棉花)；砂壤土>砂土(葡萄、大棗)。

(4)通過(guò)對(duì)中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型灌區(qū)田間水利用系數(shù)的測(cè)算，初步得出新疆東部中型灌區(qū)田間水利用系數(shù)為0.852。

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