寶雞市農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)測算分析

王一騰，蔡煥杰，陳新明

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，陜西 楊凌 712100)

0 引 言

我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，面臨人多地少、水資源時(shí)空分布不均、水資源與生產(chǎn)力布局不相匹配等諸多問題，這些既是現(xiàn)階段突出的水情，也是今后長期面臨的基本國情。自然地理?xiàng)l件復(fù)雜、水土資源不相匹配的現(xiàn)狀，決定了農(nóng)業(yè)灌溉是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展不可替代的基礎(chǔ)條件，是保障國家糧食安全的重要支撐[1]。我國水資源利用方式比較粗放，利用效率低下，尤其是農(nóng)田灌溉，全國灌溉用水量約占總用水量的60%以上，是主要的用水大戶，但是灌區(qū)多修于20世紀(jì)五六十年代，存在著老化失修、配套不全等諸多問題，田間灌溉方式相對粗放，全國灌溉水利用效率僅為0.5左右，與世界先進(jìn)水平0.7～0.8有較大差距[1]。目前我國已實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度，農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)成為國家實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理“三條紅線”考核指標(biāo)之一[2]。農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)是指某一時(shí)期灌入田間可被作物利用的水量與水源灌溉取水總量的比值，能綜合反映灌區(qū)灌溉工程狀況、用水管理水平和灌溉技術(shù)水平[3-5]，提高灌溉水有效利用系數(shù)，是解決農(nóng)業(yè)用水短板、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)水資源可持續(xù)利用等亟須解決的問題[6]。傳統(tǒng)計(jì)算方法通常是先測算出渠系水利用系數(shù)和田間水利用系數(shù)[7]，然后兩者相乘得出灌溉水利用系數(shù)，但是工作量大，需要大量人力、物力才能完成。近年來，許建中，崔遠(yuǎn)來，高峰等[8-10]提出：首尾測算法與典型渠道測量法相結(jié)合可以克服傳統(tǒng)方法工作量大，需要大量人力、物力才能完成的缺點(diǎn)；周和平[11]等采用傳統(tǒng)渠道斷面測驗(yàn)法、典型灌區(qū)田間水利用系數(shù)測驗(yàn)和 “灌區(qū)首尾”等方法，綜合研究新疆干旱灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)。沈逸軒等[12]采用灌區(qū)年報(bào)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析年灌溉水利用率，結(jié)果表明灌區(qū)數(shù)據(jù)分析具有統(tǒng)計(jì)一致、數(shù)據(jù)易達(dá)、利于對比利用的特性，因而“首尾測算分析法”法具有較好的實(shí)用價(jià)值。

伴隨著陜西經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的增長，水的需求量不斷增加，供水矛盾日益加劇，農(nóng)業(yè)用水面臨著越來越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[13]。筆者綜合考慮寶雞市土壤類型、地形地貌、水源類型、灌區(qū)規(guī)模及作物種植結(jié)構(gòu)等因素，從全市選取32處樣點(diǎn)灌區(qū)，采用“首尾測算分析方法”，在樣點(diǎn)灌區(qū)農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)測算分析成果的基礎(chǔ)上，計(jì)算并分析2017年寶雞市不同規(guī)模及類型灌區(qū)農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)，為有關(guān)部門進(jìn)行水資源管理及研究相關(guān)政策提供了參考依據(jù)。

1 區(qū)域概況

寶雞市位于陜西關(guān)中平原西部，東鄰楊凌國家農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū)，南臨秦嶺，北依黃土塬，下轄3區(qū)9縣。地處中緯度地帶，屬典型的溫帶大陸性氣候類型。全市多年平均降雨量692 mm。2017年耕地總面積32.476 萬hm2，有效灌溉面積15.261 萬hm2，其中大型灌區(qū)3處，有效灌溉面積10.203 萬hm2；中型灌區(qū)19處，有效灌溉面積1.830 萬hm2；小型灌區(qū)約173處，有效灌溉面積1.808 萬hm2；純井灌區(qū)有效灌溉面積1.420 萬hm2。2017年全市農(nóng)田實(shí)際灌溉面積7.393 萬hm2，灌溉用水總量4.108 7 億m3。

2 測算方法

2.1 技術(shù)路線

寶雞市灌溉水有效利用系數(shù)測算分析采用點(diǎn)與面相結(jié)合、實(shí)地觀測與調(diào)查研究分析相結(jié)合、微觀研究與宏觀分析評價(jià)相結(jié)合、分區(qū)測算與獨(dú)立測算相結(jié)合的方法進(jìn)行。在對灌區(qū)綜合調(diào)研的基礎(chǔ)上，分類匯總分析灌區(qū)的灌溉面積、工程設(shè)施與用水狀況等，選擇代表不同規(guī)模與類型、不同工程狀況、不同水源條件與管理水平的樣點(diǎn)灌區(qū)，構(gòu)建相對穩(wěn)定的灌溉水有效利用系數(shù)測算分析網(wǎng)絡(luò)；收集整理樣點(diǎn)灌區(qū)有關(guān)資料，選擇樣點(diǎn)灌區(qū)典型田塊或典型斗渠，測算樣點(diǎn)灌區(qū)典型田塊年每公頃平均凈灌溉用水量，統(tǒng)計(jì)典型斗渠田間用水資料，在分析計(jì)算樣點(diǎn)灌區(qū)或典型斗渠控制范圍內(nèi)凈灌溉用水量的基礎(chǔ)上，采用首尾測算法，分析計(jì)算樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)；以樣點(diǎn)灌區(qū)測算結(jié)果為基礎(chǔ)，計(jì)算并分析寶雞市不同規(guī)模、不同類型灌區(qū)以及不同區(qū)域的灌溉水有效利用系數(shù)。

2.2 樣點(diǎn)灌區(qū)和典型田塊的選取

2.2.1 樣點(diǎn)灌區(qū)的選取

根據(jù)《全國農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測算分析技術(shù)指導(dǎo)細(xì)則》，考慮寶雞市地形地貌、灌區(qū)管理水平、土壤類型、水源類型、作物種植結(jié)構(gòu)及具體情況等因素，共選取寶雞市32處樣點(diǎn)灌區(qū)，其中大型灌區(qū)3處，中型灌區(qū)7處，小型灌區(qū)5處，純井灌區(qū)17處，見表1。其中所選大型樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)量占全市大型灌區(qū)的100%，中型樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)量占全市中型灌區(qū)的36.84%，小型樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)量占全市小型灌區(qū)的2.89%，純井灌區(qū)各種作物至少選了2個(gè)樣點(diǎn)，均符合水利部《全國農(nóng)田農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測算分析技術(shù)指導(dǎo)細(xì)則》的要求。綜上，樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)量選擇合理，基本反映了寶雞市灌區(qū)的實(shí)際情況。

表1 2017年寶雞市樣點(diǎn)灌區(qū)統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Sampling irrigation districts statistics of Baoji City in 2017

2.2.2 典型田塊的選取

樣點(diǎn)灌區(qū)典型田塊是用來監(jiān)測田間凈灌溉用水量的。選擇具有代表性的典型田塊和典型田塊凈灌溉用水量的準(zhǔn)確計(jì)算將對灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)的計(jì)算產(chǎn)生很大影響。典型田塊的選取[9]不僅要選取形狀規(guī)則、邊界清楚、面積適中的田塊，而且還要考慮選取的田塊在作物種類、畦田規(guī)格、灌溉方式等方面的代表性。這些將直接影響田間凈灌溉用水量的計(jì)算，進(jìn)而影響農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)的計(jì)算。根據(jù)《全國農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測算分析技術(shù)指導(dǎo)細(xì)則》和寶雞市樣點(diǎn)灌區(qū)實(shí)際情況對典型田塊進(jìn)行選取，2017年寶雞市共選取典型田塊132個(gè)，典型田塊最大面積1.2 hm2，最小面積0.029 hm2。

2.3 凈灌溉用水量的計(jì)算

2.3.1 直接量測法

直接量測法首先觀測典型田塊內(nèi)作物不同生育期內(nèi)計(jì)劃濕潤層的土壤含水率，再根據(jù)公式計(jì)算不同作物年公頃凈灌溉用水量。計(jì)算公式為：

(1)

式中：γ為典型田塊土層內(nèi)土壤干密度，g/cm3;θg1、θg2為灌前、灌后土壤質(zhì)量含水率，%。

2.3.2 觀測分析法

灌溉水有效利用系數(shù)測算過程中，判斷作物充分灌溉還是非充分灌溉是準(zhǔn)確計(jì)算典型田塊凈灌溉用水量的前提。首先，測算實(shí)際流入典型田塊的年公頃均灌溉用水量w田，依據(jù)氣象資料、作物種類等情況，根據(jù)水量平衡原理計(jì)算計(jì)算凈灌溉定額M。對二者進(jìn)行比較，當(dāng)kw田≥M時(shí)，為充分灌溉，w田凈=M；當(dāng)kw田

典型田塊凈灌溉用水量的測算優(yōu)先選擇直接量測法，其次選擇觀測分析法進(jìn)行測算分析。根據(jù)樣點(diǎn)灌區(qū)現(xiàn)有資料和儀器設(shè)備等實(shí)際情況，本研究大中型灌區(qū)及小型灌區(qū)采用直接量測法，純井灌區(qū)采用觀測分析法計(jì)算典型田塊凈灌溉用水量。

2.4 不同規(guī)模與類型灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)平均值測算

2.4.1 樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)的計(jì)算

樣點(diǎn)灌區(qū)凈灌溉用水量和毛灌溉用水量的比值為樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)。計(jì)算公式為：

(2)

2.4.2 大型灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)的計(jì)算

大型灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)平均值ηw大型計(jì)算公式為：

(3)

式中：η大i、W樣大i分別為第i個(gè)大型灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)和年毛灌溉用水量，億m3;N為大型灌區(qū)個(gè)數(shù)。

2.4.3 中型灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)平均值計(jì)算

首先，以樣點(diǎn)灌區(qū)測算值為基礎(chǔ)，按算術(shù)平均法計(jì)算0.067～0.333、0.333～1、1～2 萬hm2各規(guī)模灌區(qū)的農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)平均值；其次，按統(tǒng)計(jì)的0.067～0.333、0.333～1、1～2 萬hm2灌區(qū)年毛灌溉用水量加權(quán)平均得到全市中型灌區(qū)的灌溉水利用系數(shù)平均值。計(jì)算公式如下：

(4)

式中：ηw中型為行政區(qū)域中型灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)；η0.067～0.333、η0.333～1、η1～2分別為0.067～0.333、0.333～1、1～2 萬hm2不同規(guī)模樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)；W0.067～0.333、W0.333～1、W1～2分別為行政區(qū)域內(nèi)0.067～0.333、0.333～1、1～2 萬hm2不同規(guī)模灌區(qū)年毛灌溉用水量，萬m3。

2.4.4 區(qū)域小型灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)平均值計(jì)算

以測算分析得出的各個(gè)小型灌區(qū)樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)為基礎(chǔ)，采用算術(shù)平均法計(jì)算行政區(qū)域小型灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)。計(jì)算公式如下：

(5)

式中：ηw小型為行政區(qū)域小型灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)；η小i為行政區(qū)域第i個(gè)小型樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)；n為行政區(qū)域小型樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)量。

2.4.5 區(qū)域純井灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)平均值計(jì)算

以測算分析得出的各類型純井灌區(qū)樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)為基礎(chǔ)，采用算術(shù)平均法分別計(jì)算土質(zhì)渠道地面灌、防滲渠道地面灌、管道輸水地面灌、噴灌、微灌等5種類型灌區(qū)樣點(diǎn)灌區(qū)的灌溉水有效利用系數(shù)；然后，按不同類型灌區(qū)年毛灌溉用水量加權(quán)平均，計(jì)算得出行政區(qū)域純井灌區(qū)的灌溉水利用系數(shù)。計(jì)算公式如下：

(6)

式中：η土、η防、η管、η噴和η微分別為土質(zhì)渠道地面灌、防滲渠道地面灌、管道輸水地面灌、噴灌、微灌等5種類型樣點(diǎn)灌區(qū)的灌溉水利用系數(shù)；W土、W防、W管、W噴、W微分別為行政區(qū)域土質(zhì)渠道地面灌、防滲渠道地面灌、管道輸水地面灌、噴灌、微灌等5種類型純井灌區(qū)的年毛灌溉用水量，萬m3。

2.4.6 全市灌溉水利用系數(shù)的計(jì)算

根據(jù)不同類型灌區(qū)的年毛灌溉用水量和灌溉水有效利用系數(shù)，按不同類型的灌區(qū)年毛灌溉用水量加權(quán)平均計(jì)算全市灌溉水利用系數(shù)。計(jì)算公式如下：

(7)

式中：W大、W中、W小和W井分別為寶雞市大、中、小型灌區(qū)和純井灌區(qū)的年毛灌溉用水量，萬m3；ηw大型、ηw中型、ηw小型和ηw井分別為寶雞市大、中、小型灌區(qū)和純井灌區(qū)的灌溉水利用系數(shù)。

3 測算成果及合理性分析

3.1 不同規(guī)模灌區(qū)及測算成果分析

根據(jù)式(3)～式(6)，計(jì)算得到寶雞市不同規(guī)模與類型灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)平均值，其中大型灌區(qū)為0.525 7、中型灌區(qū)為0.535 9、小型灌區(qū)為0.563 0和純井灌區(qū)為0.763 0。根據(jù)式(7)可以推算出2017年寶雞市農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)為0.578 0。測算成果見圖1和表2。

由圖1可以看出，對于寶雞市2017年不同規(guī)模灌區(qū)的灌溉水利用系數(shù)，純井灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)最大，其次分別為小型灌區(qū)、中型灌區(qū)和大型灌區(qū)，結(jié)果符合實(shí)際。王景山[14]等對2012年寧夏現(xiàn)狀灌溉水利用系數(shù)研究表明農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)大小排序?yàn)榧兙鄥^(qū)>小型灌區(qū)>中型灌區(qū) >大型灌區(qū)；司振江[15]等利用首尾測算法來對黑龍江省農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)進(jìn)行了測算分析 不同規(guī)模灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)由純井灌區(qū)、小型灌區(qū)、 中型灌區(qū)到大型灌區(qū)依次減小的規(guī)律。

根據(jù)表2，0.067～0.333、0.333～1 萬hm2的中型灌區(qū)的灌溉水利用系數(shù)分別為0.522 4和0.576 2，純井灌區(qū)的防滲渠道地面灌、管道輸水地面灌和微灌的灌溉水利用系數(shù)分別為0.753 4、0.810 1和0.895 3。農(nóng)田灌溉水的水量損失分為渠系輸水損失和田間灌水損失[16,17]，灌區(qū)規(guī)模越大，渠系越多，分布越復(fù)雜，灌區(qū)調(diào)配水越難以管理，調(diào)度過程中，調(diào)度人員根據(jù)渠道水位和流量現(xiàn)狀，憑借經(jīng)驗(yàn)決定渠道中的流量、水量分配，各分水閘門啟閉及開啟多依據(jù)上下游水位模糊判斷，渠系水流變化及過渡過程難以把握，配水準(zhǔn)確性及可靠性比較低，渠系輸水過程中水分損失相對較大，使得大、中型灌區(qū)農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)相對低于小型和純井灌區(qū)。

圖1 2017年寶雞市不同規(guī)模灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)Fig.1 Irrigation water use efficiency of different scale of Baoji City in 2017

表2 2017年寶雞市農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測算成果Tab.2 Calculation results of irrigation water use efficiency of Baoji City in 2017

3.2 不同水源類型灌區(qū)測算成果分析

2017年寶雞市不同水源類型灌區(qū)農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)測算結(jié)果如圖2所示，從圖2中可以看出提水灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)大于自流灌區(qū)。提水灌區(qū)基本使用電力抽水灌溉，成本相對較高，灌區(qū)對其管理措施相對完善，管理水平相對高于自流引水灌區(qū)，農(nóng)民灌水時(shí)過度用水情況較少。針對純井灌區(qū)，灌溉水利用系數(shù)高于大型灌區(qū)、小型灌區(qū)和純井灌區(qū)。此結(jié)果符合灌區(qū)的一般規(guī)律。從不同的節(jié)水灌溉類型分析，防滲渠道地面灌、管道輸水地面灌、微灌的灌溉水利用系數(shù)依次增大，這與周和平等對新疆地區(qū)灌溉水利用系數(shù)的研究結(jié)果規(guī)律一致[11]。此結(jié)果進(jìn)一步表明，在灌區(qū)今后的節(jié)水改造過程中，應(yīng)大力開發(fā)并且推廣節(jié)水灌溉技術(shù)，尤其是微灌技術(shù)；對于地面灌溉，可以采用管道輸水和防滲渠道方式，減少輸水過程中的水分蒸發(fā)和滲漏，進(jìn)而不同程度地提高灌溉水有效利用系數(shù)。此外，自流灌區(qū)的農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)相對提水灌區(qū)較低，因此，灌溉水利用效率提高的對策應(yīng)向自流灌區(qū)有所側(cè)重，加強(qiáng)自流灌區(qū)的灌溉管理水平。

圖2 2017年寶雞市不同類型灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)Fig.2 Irrigation water use efficiency of different type of Baoji City in 2017

4 結(jié) 語

2017年通過選取寶雞市32個(gè)樣點(diǎn)灌區(qū)，采取首尾測算分析法，計(jì)算得出大型灌區(qū)、中型灌區(qū)、小型灌區(qū)及純井灌區(qū)的農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)分別為0.525 7、0.535 9、0.563 2和0.763 0；由不同規(guī)模灌區(qū)與年毛灌溉用水量加權(quán)平均，計(jì)算得出2017年寶雞市農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)為0.578 0，相比2016年全市灌溉水利用系數(shù)0.574 0，提高了0.7%。分析其原因，主要是2017年全市節(jié)水灌溉工程面積增加了4.033 萬hm2，工程投資增加了6 090萬元，渠道襯砌改造加大了力度，改善了灌區(qū)渠系工程狀況，通過渠道襯砌改造，不僅大幅減少了渠系滲漏損失，而且有效減少了渠道泥沙淤積，使灌溉水流順暢，便于渠系調(diào)配水及田間用水管理，為灌溉水利用系數(shù)的提高奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

灌溉水利用系數(shù)的影響因素較多，要從渠道工程、灌區(qū)管理、田間灌溉技術(shù)等多方面進(jìn)行改善以提高灌溉水利用系數(shù)。具體可實(shí)施的措施有：大力開展渠道襯砌改造工程，改善灌區(qū)的渠系工程狀況，降低渠系水損失；提高灌區(qū)灌溉管理水平，使農(nóng)田灌溉水得到科學(xué)合理的調(diào)度；加快推廣先進(jìn)節(jié)水灌溉技術(shù)的應(yīng)用，傳統(tǒng)的灌溉模式已不適應(yīng)現(xiàn)代高效農(nóng)業(yè)的發(fā)展需要，應(yīng)大力發(fā)展噴灌、滴灌等現(xiàn)代節(jié)水灌溉技術(shù)。從不同方面使用不同方法使農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)得到提高。

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