基于水量平衡的長(zhǎng)序列農(nóng)田灌溉定額測(cè)算方法

詹同濤 洪成 孟偉 趙凱 李瑞杰

摘要：長(zhǎng)序列農(nóng)田灌溉定額在水資源規(guī)劃、水資源論證報(bào)告書(shū)編制、江河流域水量分配方案編制等水資源專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域工作中有著廣泛的應(yīng)用?；谒科胶庠硖岢鲩L(zhǎng)序列農(nóng)田灌溉定額測(cè)算方法;結(jié)合工作實(shí)踐，詳細(xì)闡述長(zhǎng)序列農(nóng)田灌溉定額測(cè)算所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、基本參數(shù)和公式，討論基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集的關(guān)健點(diǎn)和長(zhǎng)序列灌溉定額計(jì)算的復(fù)雜性，提出農(nóng)田灌溉定額測(cè)算程序編制的思路，并以計(jì)算分區(qū)B為例，利用降水、蒸發(fā)等數(shù)據(jù)和灌溉試驗(yàn)確定的基本參數(shù)，在各計(jì)算分區(qū)內(nèi)應(yīng)用灌溉定額測(cè)算程序，計(jì)算旱作物和水稻不同生長(zhǎng)期的灌溉期需水量。結(jié)果顯示：計(jì)算分區(qū)B多年平均綜合灌溉定額（毛）為4545m³/hm²。

關(guān)鍵詞：水量平衡;灌溉定額;長(zhǎng)序列;測(cè)算

中圖分類(lèi)號(hào)：TV213 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 引言

實(shí)施最嚴(yán)格水資源管理制度是國(guó)家層面的一項(xiàng)戰(zhàn)略部署，圍繞最嚴(yán)格水資源管理制度的貫徹落實(shí)，用水總量控制指標(biāo)的進(jìn)一步細(xì)化分解工作正在穩(wěn)步、有序推進(jìn)，用水總量控制指標(biāo)制定與分解的基礎(chǔ)是確定長(zhǎng)序列農(nóng)田灌溉定額。目前正在開(kāi)展全國(guó)水資源承載能力評(píng)價(jià)，對(duì)于評(píng)價(jià)區(qū)域當(dāng)年降雨處于較枯或較豐水年份的，需對(duì)當(dāng)年的農(nóng)業(yè)用水進(jìn)行技術(shù)評(píng)價(jià)，將實(shí)際年的農(nóng)業(yè)用水量核算至多年平均口徑。采用長(zhǎng)序列農(nóng)田灌溉定額，經(jīng)技術(shù)分析，可將評(píng)價(jià)年農(nóng)業(yè)實(shí)際用水量核算至多年平均口徑，最終實(shí)現(xiàn)與經(jīng)核定的用水總量控制指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，評(píng)價(jià)區(qū)域水資源承載狀況。長(zhǎng)序列農(nóng)田灌溉定額也是開(kāi)展水資源規(guī)劃、水資源開(kāi)發(fā)利用工程規(guī)模論證、水資源論證報(bào)告書(shū)編制、江河流域水量分配方案編制等工作的重要基礎(chǔ)。

典型年灌溉用水定額及各地方行業(yè)（標(biāo)準(zhǔn)）用水定額[1]中的農(nóng)田灌溉定額均為某一特定年份或具有年內(nèi)過(guò)程的用水定額，關(guān)于年定額測(cè)算方法的研究較多，技術(shù)上也日趨完善。長(zhǎng)序列農(nóng)田灌溉定額與典型年灌溉用水定額及各地方行業(yè)（標(biāo)準(zhǔn)）用水定額中的農(nóng)田灌溉定額相比，更具復(fù)雜性，獲取的技術(shù)難度更大，同時(shí)其應(yīng)用也更加廣泛。目前長(zhǎng)序列農(nóng)田灌溉定額測(cè)算方面的研究較少，關(guān)于其測(cè)算方法的系統(tǒng)論述鮮見(jiàn)?；谒科胶庠恚Y(jié)合筆者多年工作實(shí)踐，從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及采集、基本公式、測(cè)算程序編制、定額測(cè)算及注意事項(xiàng)等方面總結(jié)提出長(zhǎng)序列農(nóng)田灌溉定額的測(cè)算方法，并進(jìn)行了實(shí)例應(yīng)用。

2 水量平衡原理與農(nóng)田灌溉定額

2.1 水量平衡原理

水量平衡原理是水文學(xué)基本原理之一，是物質(zhì)不滅定律在水文學(xué)上的具體應(yīng)用。根據(jù)物質(zhì)不滅定律，在水循環(huán)過(guò)程中，對(duì)于任一地區(qū)（或任一水體），在給定的時(shí)段內(nèi)，輸入的水量與輸出的水量之差額必等于蓄水量的變化量，叫水量平衡。水量平衡是研究水文現(xiàn)象的基本方法，應(yīng)用它可對(duì)水循環(huán)建立定量概念，從而了解各循環(huán)要素之間的定量關(guān)系[2]。

水量平衡的基本方程為

I-O=W₂-W₁=△W（1）式中：1為給定時(shí)段內(nèi)輸入?yún)^(qū)域（或水體）的水量;0為給定時(shí)段內(nèi)輸出區(qū)域（或水體）的水量;W₁、W₂分別為給定時(shí)段始、末區(qū)域（或水體）的蓄水量;△W為時(shí)段內(nèi)蓄水量的變化量，△W>0表示區(qū)域蓄水量增加，△W<0則蓄水量減少。

2.2 農(nóng)田灌溉定額

2.2.1 農(nóng)田灌溉定額的基本定義

按照《中國(guó)資源科學(xué)百科全書(shū)》，農(nóng)業(yè)灌溉用水定額即農(nóng)田灌溉定額指某一種作物在單位面積上各次灌水定額的總和，即在播種前以及全生育期內(nèi)單位面積的總灌水量，通常以m³/hm²來(lái)表示。灌水時(shí)間和灌水次數(shù)根據(jù)作物需水要求和土壤水分狀況來(lái)確定，以達(dá)到適時(shí)適量灌溉。農(nóng)田灌溉定額是指導(dǎo)農(nóng)田灌水工作的重要依據(jù)，也是編制灌區(qū)水利規(guī)劃、設(shè)計(jì)灌溉工程、制訂制灌區(qū)用水計(jì)劃的基礎(chǔ)資料[3]。

2.2.2 長(zhǎng)序列農(nóng)田灌溉定額

分析既往關(guān)于農(nóng)田灌溉定額方面的研究成果可知，一般以論述典型年不同作物的農(nóng)田灌溉定額測(cè)算為主，長(zhǎng)序列（30a以上）農(nóng)田灌溉定額的測(cè)算鮮見(jiàn)論述。在具體工作實(shí)踐的基礎(chǔ)上，結(jié)合水資源調(diào)查評(píng)價(jià)、水資源綜合規(guī)劃等有關(guān)成果，筆者提出了長(zhǎng)序列農(nóng)田灌溉定額的測(cè)算方法。

計(jì)算分區(qū)B（水資源三級(jí)區(qū)套地級(jí)市）位于淮河以北，總面積超過(guò)3000km²。該分區(qū)內(nèi)有建站時(shí)間較長(zhǎng)的水文站及農(nóng)田灌溉試驗(yàn)站，水文及灌溉制度等資料較為齊備。區(qū)域內(nèi)以旱作物種植為主，部分地區(qū)存在水稻種植情況，就測(cè)算農(nóng)田灌溉定額而言，其具有很好的代表性。限于篇幅，本文以計(jì)算分區(qū)B為例，闡述長(zhǎng)序列農(nóng)田灌溉定額測(cè)算方法的應(yīng)用。

3 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及其采集

3.1 降水量、蒸發(fā)量

降水量、蒸發(fā)量是測(cè)算農(nóng)田灌溉定額的最基本數(shù)據(jù)，其來(lái)源于各氣象站的實(shí)測(cè)資料，一般應(yīng)選用建站時(shí)間較長(zhǎng)、實(shí)測(cè)資料較為完整的氣象站;對(duì)于建站時(shí)間較短、資料不完整的氣象站，應(yīng)根據(jù)周邊氣象站實(shí)測(cè)資料對(duì)已有數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)延長(zhǎng)。對(duì)于面積較小的區(qū)域，若有兩個(gè)以上氣象站，應(yīng)采用泰森多邊形法測(cè)算面均值;對(duì)于面積較大的區(qū)域，應(yīng)選擇足夠多的氣象站，確保每個(gè)基本計(jì)算分區(qū)內(nèi)至少有一個(gè)代表氣象站。

對(duì)計(jì)算分區(qū)B內(nèi)各氣象站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，得出其面均降水量及蒸發(fā)量序列值，考慮到數(shù)據(jù)量較多，統(tǒng)計(jì)到年值。計(jì)算分區(qū)B序列年降水量及水面蒸發(fā)量統(tǒng)計(jì)值見(jiàn)表1和表2。

3.2 通過(guò)灌溉試驗(yàn)確定的基本參數(shù)

旱作物灌溉定額測(cè)算基本參數(shù)主要包括土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層深度Q_t、作物需水量ET[4]、土壤適宜含水量上限H_m及下限H_n、不同生育階段需水模系數(shù)A等（見(jiàn)表3）。

水稻灌溉定額測(cè)算基本參數(shù)主要包括蒸發(fā)系數(shù)a、最小水深h_n、最大水深h_m、適宜水深h_s、日滲漏量s等[5]（見(jiàn)表4）。

這些數(shù)據(jù)一般通過(guò)多年灌溉試驗(yàn)獲取。筆者在實(shí)際工作中，通過(guò)各地水行政主管部門(mén)獲取這些數(shù)據(jù)，并用于農(nóng)田灌溉定額的測(cè)算。

3.3 灌溉制度及復(fù)種指數(shù)

3.3.1 灌溉制度

灌溉制度一般通過(guò)3種方式確定：總結(jié)群眾豐產(chǎn)灌水經(jīng)驗(yàn);根據(jù)灌溉試驗(yàn)資料制定灌溉制度;按水量平衡原理分析制定作物灌溉制度[6]。

筆者通過(guò)水行政主管部門(mén)獲取了根據(jù)灌溉試驗(yàn)資料制定的灌溉制度，考慮到灌溉試驗(yàn)站設(shè)立的位置因素，又通過(guò)實(shí)地調(diào)研的方式獲取了群眾在生產(chǎn)過(guò)程中總結(jié)的灌水經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)二者的結(jié)合，最終確定用于測(cè)算農(nóng)田灌溉定額的灌溉制度。以冬小麥、夏玉米、春棉花、大豆和水稻為代表作物，調(diào)查統(tǒng)計(jì)了計(jì)算分區(qū)B內(nèi)各作物的灌溉制度，各代表作物灌溉制度詳見(jiàn)表5-表9[7]。

3.3.2 復(fù)種指數(shù)

復(fù)種指數(shù)是指一定時(shí)期內(nèi)（一般為1a）在同一地塊耕地面積上種植農(nóng)作物的平均次數(shù)，即年內(nèi)農(nóng)作物總播種面積與耕地面積之比。

復(fù)種指數(shù)主要用于測(cè)算農(nóng)田綜合灌溉定額，即在各單項(xiàng)作物灌溉定額測(cè)算的基礎(chǔ)上，根據(jù)各單項(xiàng)作物的種植面積比計(jì)算區(qū)域綜合灌溉定額[8]。規(guī)劃水平年復(fù)種指數(shù)一般在現(xiàn)狀農(nóng)作物種植情況調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合區(qū)域水資源條件、農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃、水資源綜合規(guī)劃等綜合分析確定。

4 長(zhǎng)序列農(nóng)田灌溉定額測(cè)算方法

4.1 基本公式

4.1.1 旱作物

播前期：式中W_t+1為t+1日土壤含水量;W_t為t日土壤含水量;p為日有效降雨量;e_t為播種前土壤日消耗水量;e為日蒸發(fā)量;W_max為土壤最大含水量，即土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層深度×田間持水率（體積比）。

正常生育期：

H=H₁+p-e₀（4）

e₀=ET·A/D（5）式中：H為灌溉、排水判別值;H₁為日初土壤含水量;e₀為作物日需水量;A為不同生育階段需水模系數(shù);D為作物生育階段天數(shù)。

4.1.2 水稻

泡田期：

H_p=a₁+S₁+E₁-P₁（6）式中：凡為泡田定額;。，為插秧時(shí)田面所需的水層深度;S₁為泡田期間的總滲漏量，等于逐日滲漏量之和;E₁為泡田期間的總蒸發(fā)量，可以用水面蒸發(fā)量代替;P₁為泡田期間的總降水量。

正常生育期：

h=h₁+p-E₀（7）

E₀=s+ae（8）式中：h為灌溉、排水判別值（當(dāng)h>h，時(shí)，排水至h_m，h₂=h_m;當(dāng)hn時(shí)，灌水至h_s，h₂=h_s;當(dāng)h_nm時(shí)，不排不灌，h₂=h;h₁、h₂分別為日初、末田間水層深度）;E₀為日需水量，包括田間騰發(fā)量和滲漏水量;：為日滲漏量;a為某標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)蒸發(fā)皿蒸發(fā)系數(shù)。

4.1.3 綜合灌溉定額

綜合灌溉定額D_z為式中：d_i（i=1，2，…，n）為某單項(xiàng)作物灌溉定額淚;為某單項(xiàng)作物種植比例，以某單項(xiàng)作物計(jì)劃種植面積占計(jì)算分區(qū)有效灌溉面積的比例計(jì)算;γ為計(jì)算分區(qū)復(fù)種指數(shù)，等于各單項(xiàng)作物種植比例之和。

4.2 建立基本參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)

長(zhǎng)序列農(nóng)田灌溉定額測(cè)算所需數(shù)據(jù)量較大，特別是對(duì)于大尺度、多計(jì)算分區(qū)的區(qū)域，測(cè)算所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)更龐大，因此需要建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)所有基礎(chǔ)參數(shù)，供定額測(cè)算時(shí)調(diào)用?；谛枰鎯?chǔ)的數(shù)據(jù)量，建議采用Access作為存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量更大的，建議采用SQL Server作為存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)。存儲(chǔ)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)應(yīng)涵蓋計(jì)算公式中所含的所有參數(shù)。

4.3 編制測(cè)算程序

農(nóng)田灌溉定額測(cè)算的基本思路并不復(fù)雜，建議采用Visual Basic計(jì)算機(jī)語(yǔ)言編程。

筆者在實(shí)際工作中分別編制相應(yīng)的子程序測(cè)算旱作物和水稻灌溉定額。旱作物定額測(cè)算涉及的子程序包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)錄入、旱作物降水頻率錄入、播前期需水定額計(jì)算、旱作物需水量錄入、旱作物日需水量計(jì)算、逐日灌溉量及排水量計(jì)算、逐月和逐年灌溉水量累計(jì)計(jì)算等模塊。水稻定額測(cè)算涉及的子程序包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)錄入、水稻曬田期適宜含水量下限折算、日需水量及泡田定額測(cè)算、逐日灌排水量計(jì)算、日定額計(jì)算、逐月和逐年灌溉水量累計(jì)計(jì)算等模塊。

4.4 農(nóng)田灌溉定額測(cè)算

在基本參數(shù)收集、基本參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)和灌溉定額測(cè)算程序編制等準(zhǔn)備工作完畢的情況下，即可開(kāi)展長(zhǎng)序列農(nóng)田灌溉定額的測(cè)算，其基本步驟如下。

（1）逐日蒸發(fā)量、降水量、土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層深度等基礎(chǔ)參數(shù)錄入數(shù)據(jù)庫(kù)。

（2）分別計(jì)算旱作物和水稻灌溉定額。

（3）計(jì)算旱作物播前期需水量，逐日調(diào)算旱作物生育期需水量，按旬或月統(tǒng)計(jì)旱作物灌溉凈定額。

（4）計(jì)算水稻泡田期需水量，逐日調(diào)算水稻正常生育期需水量，按旬或月統(tǒng)計(jì)水稻灌溉凈定額。

（5）在單作物灌溉定額測(cè)算的基礎(chǔ)上，按照設(shè)計(jì)的復(fù)種指數(shù)，進(jìn)一步計(jì)算長(zhǎng)序列綜合灌溉凈定額。

（6）按照各地區(qū)灌溉水利用系數(shù)，計(jì)算各計(jì)算分區(qū)的長(zhǎng)序列農(nóng)田灌溉毛定額。

經(jīng)測(cè)算，計(jì)算分區(qū)B多年平均綜合灌溉定額（毛）為4545m³/hm²，該分區(qū)長(zhǎng)序列綜合灌溉定額測(cè)算結(jié)果見(jiàn)表10。

4.5 有關(guān)注意事項(xiàng)

總結(jié)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，筆者認(rèn)為長(zhǎng)序列農(nóng)田灌溉定額測(cè)算工作中應(yīng)注意以下事項(xiàng)。

（1）盡可能多選氣象站點(diǎn)，使面均降水量更具代表性。

（2）對(duì)于需要插補(bǔ)延長(zhǎng)的站點(diǎn)數(shù)據(jù)，應(yīng)分析插補(bǔ)延長(zhǎng)后數(shù)據(jù)的一致性與可靠性。

（3）考慮到各地農(nóng)田灌溉試驗(yàn)站的分布情況，對(duì)來(lái)源于灌溉試驗(yàn)站的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，應(yīng)注意結(jié)合現(xiàn)狀調(diào)查，對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的修訂。

（4）計(jì)算播前期需水量時(shí)，要注意土壤初始含水量的設(shè)定。

（5）對(duì)于大尺度、多計(jì)算單元的區(qū)域，應(yīng)逐一進(jìn)行測(cè)算。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集是長(zhǎng)序列農(nóng)田灌溉定額測(cè)算的難點(diǎn)，也是重點(diǎn)，其獲取過(guò)程一般較為復(fù)雜，往往是制約長(zhǎng)序列農(nóng)田灌溉定額測(cè)算的關(guān)鍵因素。獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后，應(yīng)進(jìn)行必要的分析、整理和加工，確保基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可靠。

（2）長(zhǎng)序列農(nóng)田灌溉定額測(cè)算涉及的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)量較大，測(cè)算過(guò)程較為復(fù)雜，建議采用Access或SQLServer等專(zhuān)用數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。對(duì)于灌溉定額的測(cè)算，建議采用Visual Basic等計(jì)算機(jī)語(yǔ)言按照相關(guān)計(jì)算公式編制相應(yīng)的程序進(jìn)行計(jì)算，提高定額測(cè)算的速度與準(zhǔn)確度。

（3）按照本文提出的長(zhǎng)序列農(nóng)田灌溉定額測(cè)算方法，以計(jì)算分區(qū)B為例，分析整理了長(zhǎng)序列農(nóng)田灌溉定額測(cè)算所需的降水量、蒸發(fā)量、土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層深度等參數(shù)，以及不同作物的灌溉制度，經(jīng)測(cè)算，該計(jì)算分區(qū)的多年平均綜合毛灌溉定額為4545m³/hm²，計(jì)算結(jié)果合理，表明提出的灌溉定額測(cè)算方法可行。

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