肇源縣中心灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算分析

張恩江，李芳花，孫雪梅，于艷梅

(1.湯原縣湯旺河灌區(qū)灌溉試驗(yàn)站，黑龍江 湯原 150010；2.黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

灌溉水有效利用系數(shù)作為表征農(nóng)業(yè)灌溉取用水效率的重要指標(biāo)，是國(guó)家“十三五”規(guī)劃綱要目標(biāo)之一，是最嚴(yán)格水資源管理制度“三條紅線”的考核指標(biāo)之一。灌溉水有效利用系數(shù)[1]的定義是指灌入田間可被作物利用的水量與渠首引進(jìn)的總水量的比值。該系數(shù)不僅可以集中反映灌區(qū)的工程質(zhì)量，衡量農(nóng)業(yè)用水水平；也能反映灌溉技術(shù)如節(jié)水灌溉技術(shù)程度等技術(shù)層面；還能反映用水管理等非工程情況[2-3]。灌溉水有效利用系數(shù)與灌區(qū)的自然條件、工程狀況、用水管理水平和灌水技術(shù)等因素有關(guān)，是各級(jí)水行政主管部門制定計(jì)劃、加強(qiáng)管理的重要依據(jù)，也是政府主管部門編制規(guī)劃、調(diào)整政策措施的重要依據(jù)。

灌區(qū)用水水平研究工作是一項(xiàng)長(zhǎng)期而緊迫的任務(wù)，跟蹤分析農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)變化規(guī)律，合理評(píng)價(jià)國(guó)家投入、節(jié)水潛力和節(jié)水灌溉技術(shù)發(fā)展成效，對(duì)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與人口、資源和環(huán)境相協(xié)調(diào)具有深遠(yuǎn)意義[4]。黑龍江省作為農(nóng)業(yè)大省，近幾年，隨著糧食產(chǎn)量的不斷提高，農(nóng)田灌溉用水量已占全省行業(yè)用水總量的74.8%[5]，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)用水管理、提高農(nóng)業(yè)用水效率是黑龍江省水資源管理的重中之重。為了實(shí)施最嚴(yán)格的水資源管理制度，掌握和了解灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水水平，按照黑龍江省水利廳的統(tǒng)一部署，以大慶市肇源縣中心灌區(qū)作為典型灌區(qū)，開展灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)研究工作，對(duì)加快建設(shè)資源節(jié)約、環(huán)境友好型灌區(qū)建設(shè)，促進(jìn)先進(jìn)節(jié)水灌溉技術(shù)應(yīng)用與健康發(fā)展具有重要的指導(dǎo)作用。

1 典型試驗(yàn)區(qū)概況

1.1 基本情況

肇源縣中心灌區(qū)管理站位于肇源縣肇源鎮(zhèn)，地理坐標(biāo)為125°07′E，45°32′N，高程為137.62 m。該管理站地處松花江肇源段上游左岸，始建于1958年，1960年投入運(yùn)行，受益鄉(xiāng)鎮(zhèn)有肇源縣二站鎮(zhèn)、和平鄉(xiāng)和古恰鄉(xiāng)三個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。灌區(qū)內(nèi)土地面積2.57萬hm2，耕地面積1.52萬hm2，水田0.65萬hm2，區(qū)內(nèi)總?cè)丝?4.40萬人，其中農(nóng)業(yè)人口9.02萬人，年均生產(chǎn)水稻1億斤，水稻年產(chǎn)值1.5億元。灌區(qū)取水水源為松花江水，取水方式為泵站提水，多年引水量在0.7～1.2億m3之間，設(shè)計(jì)流量22.0 m3/s，設(shè)計(jì)灌溉水田面積1.29萬hm2，實(shí)際灌溉水田面積0.65萬hm2，屬于中型灌區(qū)。灌區(qū)渠系發(fā)達(dá)，分干、支、斗三級(jí)，其中總干1條、分干4條，長(zhǎng)47.37 km；支渠40條長(zhǎng)78.25 km；斗渠345條長(zhǎng)191 km。渠道建設(shè)尚不完善，襯砌率不高，排水主要通過強(qiáng)排站將降雨和剩余水量排入松花江。中心灌區(qū)現(xiàn)有工程建筑物總數(shù)191座，其中節(jié)制閘7座，進(jìn)水閘35座，泄水閘2座，橋涵139座，渡槽8座。

1.2 典型測(cè)試區(qū)選定

依據(jù)黑水1文發(fā)〔2013〕7號(hào)文件《2013年典型灌區(qū)取用水研究任務(wù)書》的要求，以及2013年3月測(cè)試項(xiàng)目組在肇源縣中心灌區(qū)調(diào)查、勘察、調(diào)研工作結(jié)果，根據(jù)肇源縣中心灌區(qū)的地質(zhì)土壤、工程狀況、灌排設(shè)施和地理位置等條件綜合分析，選定肇源縣中心灌區(qū)四方山村作為本次測(cè)試工作的典型測(cè)試區(qū)，以四方山村測(cè)試區(qū)為基地，同時(shí)在全灌區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行各項(xiàng)任務(wù)的測(cè)試研究工作。

1.3 典型渠道及田塊的選擇

肇源縣中心灌區(qū)一般5月份春灌時(shí)期水稻耗水量最大，8月中旬水稻生育期轉(zhuǎn)變，是生理用水需水量較大的時(shí)期，因此選擇在5月份和8月份進(jìn)行渠系水有效利用系數(shù)測(cè)定。渠系水有效利用系數(shù)的測(cè)定嚴(yán)格按照《灌溉渠道系統(tǒng)量水規(guī)范》(GB/T 21303—2007)[6]要求進(jìn)行設(shè)置，根據(jù)實(shí)地勘測(cè)調(diào)查情況，在中心灌區(qū)內(nèi)選定了渠道流態(tài)、流量穩(wěn)定的干、支、斗渠共12個(gè)渠段，設(shè)置24個(gè)測(cè)流斷面進(jìn)行流量測(cè)驗(yàn)，在進(jìn)行渠段流量測(cè)驗(yàn)前后，認(rèn)真勘察測(cè)試渠道受工程構(gòu)造物影響的渠段，避開渠道水流出或外水流入的渠段。

典型田塊按照《全國(guó)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算分析技術(shù)指導(dǎo)細(xì)則》(辦農(nóng)水﹝2013﹞248號(hào)，以下簡(jiǎn)稱《細(xì)則》)[7]的要求選擇，在所選測(cè)試區(qū)內(nèi)選擇可代表灌區(qū)總體用水水平的典型田塊3塊。

2 測(cè)定方法與結(jié)果分析

2.1 基本方法與步驟

肇源縣中心灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算與基礎(chǔ)資料收集整理同步進(jìn)行，采用傳統(tǒng)測(cè)定法與首尾測(cè)定法測(cè)定灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)。

(1)傳統(tǒng)測(cè)定法是通過實(shí)測(cè)獲得灌區(qū)干、支、斗、農(nóng)不同級(jí)別典型渠道的渠道水利用系數(shù)，與田間水利用系數(shù)連乘得出該灌區(qū)綜合灌溉水有效利用系數(shù)，其測(cè)量步驟如下：

①在選擇的典型渠道上、下游，布設(shè)測(cè)流斷面，采用多線多點(diǎn)精測(cè)法施測(cè)。

②通過實(shí)測(cè)渠段首、尾兩端的流量，計(jì)算各級(jí)渠道渠系水有效利用系數(shù)。

③在所選定的典型田塊上，通過測(cè)量典型田塊灌水前后田面水層深度或土壤含水量的變化計(jì)算得到典型田塊凈灌溉用水量，通過水表計(jì)量灌入典型田塊的毛灌溉用水量，通過典型田塊毛灌溉用水量與凈灌溉用水量計(jì)算田間水利用系數(shù)。

④根據(jù)渠系水有效利用系數(shù)與田間水有效利用系數(shù)，計(jì)算得出灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)。

(2)首尾測(cè)定法即直接用灌入田間可被作物吸收利用的水量(凈灌溉用水量)與灌區(qū)從水源取用的灌溉總水量(毛灌溉用水量)的比值來計(jì)算灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)，其測(cè)量步驟如下：

①監(jiān)測(cè)灌區(qū)整個(gè)灌溉期渠首的引水量，即毛灌溉用水量。

②利用直接量測(cè)法測(cè)定作物生育期凈灌溉用水量，即測(cè)定每次灌水前后田間水層的變化或土壤含水量的變化得到每次凈灌溉用水量，生育期所有灌次凈灌溉用水量之和，即為作物凈灌溉用水量。

2.2 灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)定

2.2.1 傳統(tǒng)測(cè)定法

(1)渠系水有效利用系數(shù)測(cè)定。肇源縣中心灌區(qū)本次渠系測(cè)流作業(yè)分別在2013年5月17日—27日和8月13日—15日，干、支、斗渠共有12個(gè)選定測(cè)驗(yàn)渠段，其中干渠3條、支渠3條、斗渠6條，布設(shè)了24個(gè)流量測(cè)驗(yàn)斷面。測(cè)速垂線按精測(cè)法布設(shè)，當(dāng)水深≥1.00 m采用五點(diǎn)法，0.60 m≤水深<1.00 m采用三點(diǎn)法，0.40 m≤水深<0.60 m采用二點(diǎn)法，0.16≤水深<0.40 m時(shí)采用一點(diǎn)法，水深<0.16 m時(shí)采用淺水流速儀施測(cè)。

渠道水利用系數(shù)計(jì)算公式如下：

η=1-(Q1-Q2)/Q1

(1)

式中：η為某級(jí)渠道水利用系數(shù)；Q1為渠段上游斷面流量，m3/s；Q2為渠段下游斷面流量，m3/s。

中心灌區(qū)采用流速儀法進(jìn)行干、支、斗渠流量測(cè)定，渠道水有效利用系數(shù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況見表1～表3。

渠系水有效利用系數(shù)計(jì)算公式如下：

η渠系=η干渠×η支渠×η斗渠

(2)

式中：η渠系、η干渠、η支渠、η斗渠分別為渠系、干渠、支渠、斗渠的灌溉水利用系數(shù)。

通過資料整理、統(tǒng)計(jì)并進(jìn)行數(shù)理分析，計(jì)算得出干渠水利用系數(shù)為0.9071，支渠水利用系數(shù)為0.7535，斗渠水利用系數(shù)為0.8331。將干渠、支渠和斗渠水利用系數(shù)代入公式(2)計(jì)算，得出中心灌區(qū)渠系水有效利用系數(shù)為0.5694。

表1 肇源縣中心灌區(qū)干渠渠道水利用系數(shù)統(tǒng)計(jì)表

表2 肇源縣中心灌區(qū)支渠渠道水利用系數(shù)統(tǒng)計(jì)表

表3 肇源縣中心灌區(qū)斗渠渠道水利用系數(shù)統(tǒng)計(jì)表

(2)田間水有效利用系數(shù)測(cè)定。肇源縣中心灌區(qū)種植作物為水稻，采用淺曬深淺方式灌溉。所選定的典型田塊面積分別為0.213 hm2、0.300 hm2和0.200 hm2，通過實(shí)地實(shí)測(cè)灌水前后田間水層的變化得到典型田塊凈灌溉用水量；利用水表記錄灌入典型田塊的毛灌溉用水量。

田間水有效利用系數(shù)計(jì)算公式如下：

η田間=10(h2-h1)A/W

(3)

式中：h1、h2分別為灌水前后田間水層，mm；A為實(shí)灌面積，hm2；W為實(shí)灌水量，m3。

在選定的典型田塊進(jìn)行測(cè)量，田面水位變化用鋼尺測(cè)量，精確到mm，每個(gè)田塊取三次測(cè)量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表4。

表4 田間水利用系數(shù)計(jì)算表

根據(jù)田間水有效利用系數(shù)計(jì)算公式，計(jì)算出典型田塊田間水有效利用系數(shù)的平均值為A區(qū)0.7489，B區(qū)0.7419，C區(qū)0.7253，A、B、C三個(gè)區(qū)平均值為0.7387。

(3)灌溉水有效利用系數(shù)推求。傳統(tǒng)測(cè)定法灌溉水有效利用系數(shù)計(jì)算公式如下：

η灌溉水=η渠系×η田間

(4)

根據(jù)計(jì)算，利用傳統(tǒng)法測(cè)定的中心灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)為0.4206。

2.2.2 首尾測(cè)定法

首尾測(cè)定法使用中心灌區(qū)渠首引水總量和凈灌溉用水量計(jì)算灌溉用水有效利用系數(shù)，無需測(cè)定灌溉輸水及配水、灌水過程中的損失。計(jì)算公式如下：

η灌溉水=W凈/W毛

(5)

式中：η灌溉水為灌溉用水有效利用系數(shù)；W凈為田間凈灌灌溉用水量，m3；W毛為灌區(qū)渠首總引水量，m3。

灌區(qū)渠首引水總量利用流速儀法測(cè)定，2013年中心灌區(qū)渠首引水量為11 385萬m3。灌區(qū)凈灌溉用水量通過測(cè)定典型田塊作物生育期灌水前后田面水層的變化確定，具體方法如下[7]：

根據(jù)典型田塊灌溉前后田面水深的變化來確定某次凈灌溉用水量，計(jì)算公式如下：

w田凈i=10(h2-h1)

(6)

式中:w田凈i為典型田塊某次凈灌溉用水量，m3/hm2；其他符號(hào)意義同前。

在各次凈灌溉用水量w田凈i的基礎(chǔ)上，推算該作物年凈灌溉用水量w田凈，即：

(7)

式中:w田凈為某典型田塊某作物年凈灌溉用水量，m3/hm2；n為典型田塊年內(nèi)灌水次數(shù)，次。

根據(jù)式(7)中得出的典型田塊的年凈灌溉用水量w田凈，將三個(gè)典型田塊的年凈灌溉用水量取平均后與灌區(qū)實(shí)灌面積相乘得到灌區(qū)年凈灌溉用水量，結(jié)果見表5。按首尾測(cè)定法計(jì)算灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)為0.4208。

2.3 結(jié)果分析

(1)利用傳統(tǒng)測(cè)定法得出中心灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)為0.4206，其中：渠系水有效利用系數(shù)為0.5694，田間水有效利用系數(shù)為0.7387。中心灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)為0.4206，體現(xiàn)出水資源浪費(fèi)量大于有效利用水量，反映了中心灌區(qū)渠道輸水損失情況的總體水平，具體表現(xiàn)在投入少、改造少，工程老化，年久失修，主體工程和田間工程不配套，串灌、串排、大水漫灌等方式普遍存在，灌溉模式為粗放式，灌區(qū)的運(yùn)行機(jī)制與管理模式落后，農(nóng)業(yè)水費(fèi)低于成本收取，灌區(qū)缺乏足夠的資金用于工程大修和日常維修養(yǎng)護(hù)，使既有工程惡性循環(huán)，從而造成水資源嚴(yán)重浪費(fèi)。

表5 肇源縣中心灌區(qū)凈灌溉用水量計(jì)算表

(2)采用首尾測(cè)定法得出灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)為0.4208，與傳統(tǒng)測(cè)定法相比，誤差在0.05%，充分說明本次測(cè)算結(jié)果科學(xué)準(zhǔn)確，真實(shí)合理。該結(jié)論反映出中心灌區(qū)灌溉水有效利用水平較低，是受所處地域的地理地質(zhì)構(gòu)造、建筑物工程老化與渠系防滲率低滲漏量大、管理水平和灌溉技術(shù)水平低等客觀實(shí)際情況影響造成的。

3 結(jié)論與建議

(1)中心灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算結(jié)果表明，通過傳統(tǒng)測(cè)定法與首尾測(cè)定法推算得出灌溉用水有效利用系數(shù)相比符合性高，誤差僅為0.05%。

(2)利用傳統(tǒng)測(cè)定法測(cè)得肇源縣中心灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)為0.4206，其中渠系水有效利用系數(shù)為0.5694，田間水有效利用系數(shù)為0.7387。灌溉用水有效利用水平較低，主要受所處地域的土壤、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、建筑物工程老化與渠系防滲率低滲漏量大、管理水平和灌溉技術(shù)水平低等客觀影響，表明水資源浪費(fèi)量大于有效利用水量，反映了中心灌區(qū)渠道輸水損失情況的總體水平。

(3)灌區(qū)具有很大的節(jié)水空間和節(jié)水潛力。建議今后加強(qiáng)灌區(qū)工程建設(shè)與改造，需要通過資金多方投入，大幅度的縮減農(nóng)業(yè)取用水量，實(shí)現(xiàn)節(jié)水工程改造后的灌區(qū)節(jié)水目標(biāo)。

[1] 王小軍，張強(qiáng)，易小兵，等．不同措施對(duì)灌溉水有效利用系數(shù)的驅(qū)動(dòng)力貢獻(xiàn)分析[J]．中國(guó)農(nóng)村水利水電，2014(6)：33-38．

[2] 楊芳，鄭江麗，李興拼．省級(jí)灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算工作評(píng)估方法探討[J]．節(jié)水灌溉，2016(9)：129-132．

[3] 馮保清．我國(guó)不同分區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)變化特征及其影響因素分析[J]．節(jié)水灌溉，2013(6)：29-32．

[4] 孟玉清，李世月，豐莎，等．三義寨灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)首尾法測(cè)算研究[J]．人民黃河，2017，39(6)：29-32．

[5] 黑龍江省水利廳.2014年黑龍江省水資源公報(bào)．哈爾濱：黑龍江省水利廳，2015．

[6] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).灌溉渠道系統(tǒng)量水規(guī)范：GB/T 21303—2007[S]．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007．

[7] 全國(guó)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算分析專題組.全國(guó)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算分析技術(shù)指導(dǎo)細(xì)則[Z].哈爾濱：黑龍江省水利廳，2016．