灌溉水利用系數(shù)的相關(guān)研究和展望

何 凡

一、引言

灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)是衡量灌區(qū)從水源引水到田間形成為作物吸收利用的土壤水的過程中，灌溉水利用程度的一個關(guān)鍵指標(biāo)，也是集中反映灌區(qū)管理水平、灌溉技術(shù)以及灌溉工程質(zhì)量的一項綜合指標(biāo)。根據(jù)灌溉水利用系數(shù)的內(nèi)涵，可用下式表示：

式中：ηg為灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)；wi為田間農(nóng)作物消耗水量；wq為渠首引入水量。

我國地域遼闊，有大型灌區(qū)402處、中型灌區(qū)5200 多處、小型灌區(qū)1000 多萬處，灌區(qū)大小不一、分布廣泛，而不同水平年、不同氣候條件下的用水效率會有很大的差異，從而計算出的灌溉水利用系數(shù)精度也會受到影響。因此，提出灌溉水利用系數(shù)的影響因素和提高灌溉水利用系數(shù)的措施，并提供不同水平年、不同氣候條件下的灌溉水利用系數(shù)計算方法對灌區(qū)的發(fā)展具有較高的參考價值。

二、國內(nèi)灌溉水利用系數(shù)的相關(guān)研究進(jìn)展

張濤等對灌溉水利用系數(shù)的傳統(tǒng)測定方法進(jìn)行了闡述，并分析了該方法在測定中存在的主要問題及其影響因素。張榮彪根據(jù)區(qū)域水量平衡原理，在分析灌溉水損失途徑的基礎(chǔ)上，提出了提高灌溉水利用率的工程措施、管理措施和技術(shù)措施。張德全通過對各級渠道的水利用系數(shù)防滲前和防滲后的數(shù)據(jù)比較，得出了提高灌溉水利用系數(shù)最直接有效的途徑是對各級渠道進(jìn)行有效的防滲。許建中等提出了測定灌溉水利用系數(shù)的綜合測定計算方法，并以漳河灌區(qū)為例進(jìn)行了應(yīng)用分析。李英能通過分析傳統(tǒng)方法確定灌溉水利用系數(shù)存在的問題和難點，提出了用作物凈灌水定額、年度凈灌水總量以及灌區(qū)作物產(chǎn)量來推求灌溉水利用系數(shù)的簡易方法。沈逸軒等建議用年灌溉水利用系數(shù)取代規(guī)范中沒有確定時段觀念的其他灌溉水利用系數(shù)，并給出了年灌溉水利用系數(shù)的計算公式。彭世彰等系統(tǒng)地探討了目前我國灌溉水利用系數(shù)狀況以及提高灌溉水利用系數(shù)的工程技術(shù)與高效用水調(diào)控技術(shù)等主要措施，分析了當(dāng)前提高灌溉水利用系數(shù)存在的問題。

三、國內(nèi)灌溉水利用系數(shù)的測定方法及問題

1.傳統(tǒng)法測定灌溉水利用系數(shù)

傳統(tǒng)方法中灌溉水利用系數(shù)的確定是通過渠系水利用系數(shù)和田間水利用系數(shù)相乘得到的。

式中：ηg為灌溉水利用系數(shù)，ηc為渠系水利用系數(shù)，ηt為田間水利用系數(shù)。

此方法過程比較復(fù)雜，工作量大，準(zhǔn)確性難以得到保證。但更容易掌握和分析整個灌區(qū)的灌水過程，便于分析測算結(jié)果的合理性。

2.首尾法測定灌溉水利用系數(shù)

首尾測算法中灌溉水利用系數(shù)是灌溉工程范圍內(nèi)農(nóng)作物消耗的灌溉水量與從渠首引入水量的比值。

對于渠灌區(qū)：

其中：wi為田間農(nóng)作物消耗水量，wq為渠首引入水量。

對于井灌區(qū)：

式中：ηz為井灌水利用系數(shù)；ηq為灌區(qū)的灌溉水利用系數(shù)；wz為利用地下水灌溉引入的水量。

首尾法可繞開測定渠系水和田間水利用系數(shù)這兩個難點，直接用渠首引進(jìn)的水量和最終被作物消耗的水量來確定，但是由于對輸配水過程的忽略，導(dǎo)致無法驗證最終計算結(jié)果的合理性。

3.年灌溉水利用系數(shù)的研究

用年灌溉水利用系數(shù)取代規(guī)范中沒有確定時段觀念的其他灌溉水利用系數(shù)，提出了年灌溉系數(shù)的定義和計算公式。

式中：ΣW耗是指在輸水過程中被作物消耗的水分，不包括回歸到地表或地下的回歸水；ΣW供是渠首供水總量；A實為灌區(qū)實際灌溉的面積；mp凈均為灌區(qū)當(dāng)年實測凈灌溉定額的平均值（或者是相當(dāng)于本年干旱程度、灌溉保證率是P 時灌區(qū)的設(shè)計凈灌溉定額的均值）；m毛為毛灌溉定額。

此方法首先出發(fā)點是年均值，其次無需研究復(fù)雜的水運動全過程，不需要考慮回歸水利用等問題，所以此方法計算出的年灌溉系數(shù)可靠高，簡便易操作。但是，它的缺點是無法得知整個輸配水過程的具體信息，并且這種方法對水資源年報統(tǒng)計的要求十分高。

4.修正的連乘計算方法

在綜合考慮灌區(qū)的越級現(xiàn)象、回歸水利用、管理水平等三方面因素，提出了改進(jìn)傳統(tǒng)的連乘計算公式的計算方法。

式中：ηgL為修正后的灌溉水利用系數(shù)；K1、K2、K3分別為越級現(xiàn)象修正系數(shù)、回歸水利用修正系數(shù)、管理水平修正系數(shù)。

其中：

式中：i 為被越級渠道數(shù)目；Ai為第i 個被越級渠道所灌溉的面積；η越為被越級渠道水利用系數(shù)。由公式可以看出越級修正系數(shù)是一個與越級灌溉面積及其被越級渠道水利用系數(shù)有關(guān)的修正系數(shù)，K1≥1。

式中：A 為灌溉面積；C 是一個和渠道水利用系數(shù)及各渠道水灌溉面積有關(guān)的一個參數(shù)。

總體上，若降雨豐于平水年，則回歸水利用率較低，反之，其回歸水利用率則較高。從各級渠道來說，級別越高的渠道所產(chǎn)生的損失水量其回歸水利用率較低，反之，其回歸水利用率則較高。

K3為管理水平修正系數(shù)，具體數(shù)值按規(guī)范確定，若管理水平達(dá)部頒標(biāo)準(zhǔn)，取0.97，管理水平達(dá)省頒標(biāo)準(zhǔn)取0.93，其他情況取K3≤0.85。

四、灌溉水利用系數(shù)的影響因素

1.不同渠道防滲措施的影響

渠道輸水是目前我國農(nóng)田灌溉的主要方式。不同地區(qū)對渠道不同的防滲標(biāo)準(zhǔn)直接影響著渠系水利用系數(shù)，從而影響到灌溉水利用系數(shù)。此外，不同的防滲措施也會對渠道水利用系數(shù)產(chǎn)生較為顯著的影響。

2.灌溉技術(shù)的影響

噴灌可使得水的利用率達(dá)到80%，微噴通過微噴頭噴灑進(jìn)行局部灌溉，比一般的噴灌更省水，滴灌可使水的利用率高達(dá)90%以上。不同的灌溉方式及技術(shù)直接影響著田間水利用系數(shù)，從而影響了灌溉水利用系數(shù)。

3.灌區(qū)規(guī)模的影響

渠系水利用系數(shù)不僅取決于各級渠道的水文地質(zhì)、渠道建筑工程狀況、管理水平、作物種植結(jié)構(gòu)等因素，還與灌區(qū)規(guī)模有關(guān)，隨著灌區(qū)規(guī)模的減小，輸水距離縮短，灌溉水利用系數(shù)隨之提高。反之，渠系水利用系數(shù)降低，灌溉水利用系數(shù)也就隨之降低。

4.渠道流量大小的影響

對同一渠道來說，渠道水利用系數(shù)隨著渠道流量的增大而提高，即渠道流量越大，利用系數(shù)越高。據(jù)實測資料，交口灌區(qū)北干渠引用流量6.377m3/s 時，渠道水利用系數(shù)較高，為0.97～0.98；引用流量為3.47m3/s 時，渠道水利用系數(shù)相對降低，為0.92～0.94。

5.管理水平的影響

提升灌區(qū)的管理水平將間接地提高灌區(qū)的灌溉水利用系數(shù)。比如在渠道行水時，渠道水利用系數(shù)隨著一次行水持續(xù)時間的增長而提高，到一定時間趨于穩(wěn)定；渠道滲漏使渠道水利用系數(shù)降低；配水時集中用水與分散用水關(guān)系到下一級相應(yīng)用水渠道引用流量的大小及水流工作，因而也直接影響渠道水利用系數(shù)的高低。

五、提高灌溉水利用系數(shù)的措施

1.減少渠系輸水損失，提高渠系水利用系數(shù)

進(jìn)行以渠道防滲和低壓管道輸水為中心的灌區(qū)工程改造和實施科學(xué)合理的輸配水、減少漏水、泄水和棄水等水量損失，以提高渠系水利用系數(shù)。采用渠道防滲可減少滲漏量50%以上，從而提高灌溉水利用系數(shù)。加強渠系輸配水管理也可提高渠系水利用系數(shù)。

2.減少田間無效耗水，提高田間水利用系數(shù)

推廣先進(jìn)的灌水方式、灌水技術(shù)以及農(nóng)藝措施可以減少田間無效耗水，提高田間水利用系數(shù)。如采用激光控制平地技術(shù)可使農(nóng)田灌溉水利用率提高20%～30%；噴灌可使灌溉水利用系數(shù)達(dá)到0.8 以上；通過在灌區(qū)開展作物調(diào)虧灌溉、控制性分根交替灌溉、水稻控制灌溉和精準(zhǔn)灌溉等高效用水調(diào)控技術(shù)，可減少田間無效水的消耗。

3.加強回歸水的重復(fù)利用，減少渠首灌溉引水量

灌溉水利用系數(shù)存在一定的尺度效應(yīng)，回歸水及其重復(fù)利用是導(dǎo)致灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)產(chǎn)生尺度效應(yīng)的主要原因。在北方灌區(qū)，可以通過井渠結(jié)合的方式，聯(lián)合調(diào)配地表水與地下水，重復(fù)利用渠系和田間的滲漏水；在南方丘陵地區(qū)，可以采用如長藤結(jié)瓜式灌溉系統(tǒng)，利用灌區(qū)內(nèi)的塘堰及中小型水庫攔截部分灌溉水徑流損失的水量。

六、結(jié)論與展望

1.結(jié)論

本文對國內(nèi)外有關(guān)灌溉水利用系數(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)，并提出了當(dāng)前國內(nèi)灌溉水利用系數(shù)的常用計算方法有傳統(tǒng)法、首尾測定法、年灌溉水利用的計算方法、修正后的連乘計算方法以及綜合測定法等，闡明了不同方法的適用性，提出了灌溉水利用系數(shù)主要由渠道防滲、灌溉技術(shù)、灌區(qū)規(guī)模、不同年份、渠道流量以及管理水平等因素所決定，指出了提高灌溉水利用系數(shù)的措施主要從提高渠系水利用系數(shù)、提高田間水利用系數(shù)和減少渠首引入水量等方面入手。

2.展望

綜上所述，今后的研究內(nèi)容可以從以下幾方面開展：

（1）監(jiān)測灌溉水利用系數(shù)的動態(tài)變化。

（2）確定灌區(qū)適宜的渠道襯砌率和灌溉水利用系數(shù)的閾值。

（3）制定多水源聯(lián)動調(diào)配與優(yōu)化調(diào)度方案■