河套灌區(qū)畦灌灌水質(zhì)量評(píng)價(jià)與優(yōu)化

范雷雷 史海濱 李瑞平 苗慶豐 孫 娜 王艷明

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院， 呼和浩特 010018； 2.烏蘭布和灌域管理局， 巴彥淖爾 015200)

0 引言

畦灌作為當(dāng)前河套灌區(qū)最主要的灌水方式之一，其灌水質(zhì)量的評(píng)價(jià)始終是農(nóng)田灌溉領(lǐng)域研究和關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)畦灌灌水質(zhì)量的諸多影響因素進(jìn)行了大量研究，并從多個(gè)角度解釋和分析了各因素對(duì)灌水質(zhì)量的影響[1-6]。影響灌水質(zhì)量的因素有很多，包括自然性能因素(土壤質(zhì)地、入滲性能、糙率、作物種類以及種植方法等)和灌水技術(shù)要素(畦田長(zhǎng)度、畦田寬度、灌水流量、微地形以及關(guān)口時(shí)間等)，自然性能因素不易改變，因此大多數(shù)研究主要集中在灌水技術(shù)要素上，以往研究大多基于畦田長(zhǎng)度、田面坡度、單寬流量等，存在一定局限性[7-9]。河套灌區(qū)作為我國(guó)最大的引黃灌區(qū)之一，近年來(lái)隨著大型灌區(qū)續(xù)建配套、節(jié)水改造、水權(quán)轉(zhuǎn)換等項(xiàng)目的實(shí)施[10-12]，灌區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件發(fā)生了較大變化，灌區(qū)農(nóng)田渠溝灌溉排水系統(tǒng)布置已經(jīng)完善，農(nóng)田長(zhǎng)度已基本固定。因此，對(duì)灌區(qū)灌水質(zhì)量的研究開始集中在畦田寬度上，畦田寬度、單寬流量以及關(guān)口時(shí)間之間的關(guān)系密不可分，確定最優(yōu)畦田寬度成為灌區(qū)急需解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題之一。

本文在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，于2017—2018年間開展不同畦田寬度處理下的田間灌水試驗(yàn)，分析其水流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及灌水質(zhì)量變化情況，采用SIRMOD模型模擬[13-14]、均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)和多元回歸分析相結(jié)合的方法[15-17]，構(gòu)建包含灌水效率、灌水均勻度以及儲(chǔ)水效率在內(nèi)的單目標(biāo)優(yōu)化模型，以單寬流量和灌水時(shí)間為變量，采用Java語(yǔ)言中冒泡排序法對(duì)其模型進(jìn)行求解，尋求試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)最優(yōu)畦灌灌水技術(shù)要素組合，進(jìn)而確定灌區(qū)最優(yōu)畦田寬度，為河套灌區(qū)農(nóng)業(yè)水資源的合理利用與農(nóng)業(yè)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在河套灌區(qū)巴彥淖爾市臨河區(qū)雙河鎮(zhèn)進(jìn)步村農(nóng)業(yè)綜合節(jié)水示范區(qū)進(jìn)行，屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，晝夜溫差大，熱量豐富，光照充足，無(wú)霜期短，四季分明。該地區(qū)年平均降水量188 mm，與降水量相比，年平均蒸發(fā)量卻高達(dá)2 032～3 179 mm，普遍為降水量的10～30倍，圖1為示范區(qū)部分氣象資料。

圖1 玉米生育期內(nèi)降雨量及溫度變化Fig.1 Changes of precipitation and temperature in growth period of maize

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)示范區(qū)灌溉渠系布置現(xiàn)狀，毛渠間距大多在90～100 m，雙向灌水，因此畦田長(zhǎng)度為45～50 m[18]。采用田間對(duì)比試驗(yàn)方法，結(jié)合渠系布置現(xiàn)狀將畦田長(zhǎng)度與畦田寬度按照2∶1、2.5∶1、3∶1、4.5∶1、9∶1分為5種處理，具體布置畦田長(zhǎng)度均為45 m，畦田寬度分別為23、18、15、10、5 m。根據(jù)白美健等[9]研究成果可知，前3個(gè)處理為寬畦，后2個(gè)為條畦，為忽略由于畦田寬度增加導(dǎo)致的入畦水流擴(kuò)散狀況，提高入畦水流狀態(tài)，使其水流分布相對(duì)均勻，本研究在寬畦處理灌水時(shí)采用條形入流灌溉的方法，即沿畦田寬度均布2～3個(gè)入水口，滿足灌溉水在田塊內(nèi)的均勻分布。項(xiàng)目區(qū)種植作物為玉米，品種為鈞凱918號(hào)，全生育期140 d左右，種植密度為6.75株/m2，出苗率均達(dá)到90%以上。播種時(shí)施足底肥，其中磷酸二銨和鉀肥按照4∶1混合施入，化肥施用量750 kg/hm2，并且在第一次灌水時(shí)追加磷酸二銨375 kg/hm2。播種前對(duì)試驗(yàn)田進(jìn)行了激光平地，平整度由平地前的4.13 cm提高到了1.50 cm，平地效果顯著。其他田間管理水平與當(dāng)?shù)厮较嗤?/p>

按照網(wǎng)格試驗(yàn)設(shè)計(jì)，沿畦田長(zhǎng)度方向(畦首、畦中、畦尾)設(shè)置5個(gè)取樣點(diǎn)，每隔10 d采用干燥法測(cè)定土壤含水率，灌水以及降雨前后加測(cè)，玉米全生育期共灌水3次。結(jié)合鄭和祥等[5]試驗(yàn)設(shè)計(jì)，沿畦田長(zhǎng)度方向每隔5.0 m設(shè)置1個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，沿畦田寬度方向在每1/3處設(shè)一列觀測(cè)點(diǎn)，以各觀測(cè)點(diǎn)為中心記錄測(cè)點(diǎn)水流推進(jìn)與消退過(guò)程，其周圍90%范圍內(nèi)的水流推進(jìn)與消退完成，則認(rèn)為該測(cè)點(diǎn)的水流推進(jìn)與消退完成，觀測(cè)水流推進(jìn)與消退時(shí)間，結(jié)果取各個(gè)測(cè)點(diǎn)所測(cè)時(shí)間平均值；入畦水量通過(guò)梯形量水堰監(jiān)測(cè)，畦首處水深通過(guò)水尺測(cè)定，灌水時(shí)間用秒表確定。研究區(qū)土壤物理性質(zhì)和畦田灌水基本參數(shù)如表1、2所示。

表1 試驗(yàn)田各土層土壤容重、飽和含水率以及田間持水率Tab.1 Soil bulk density, saturated moisture content and field water capacity in each soil layer of experimental plots

表2 畦灌基本參數(shù)Tab.2 Parameters of border irrigation

2.2 研究方法

2.2.1灌水質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文采用灌水效率Ea、灌水均勻度Du和儲(chǔ)水效率Es評(píng)價(jià)灌水質(zhì)量[19]，計(jì)算式為

(1)

(2)

(3)

式中Zn——作物根系貯水層內(nèi)平均增加水深，mm

Za——試驗(yàn)田平均灌水水深，mm

Zi——灌溉水入滲量最小的1/4田塊內(nèi)的平均入滲水深，mm

Zu——平均入滲水深，mm

Zreg——計(jì)劃需水水深，mm

2.2.2土壤入滲參數(shù)估算

土壤入滲參數(shù)的準(zhǔn)確確定是進(jìn)行地面灌溉灌水質(zhì)量評(píng)價(jià)和灌溉制度優(yōu)化的重要前提，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土壤入滲參數(shù)進(jìn)行了大量的探討和研究并提出了很多計(jì)算方法，但大多存在工作量大，所需試驗(yàn)數(shù)據(jù)過(guò)多等缺點(diǎn)。鑒于此現(xiàn)狀，本研究采用SIRMOD模擬模型，在田間實(shí)測(cè)水流推進(jìn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用水量平衡方程，實(shí)現(xiàn)對(duì)Kostiakov-Lewis公式中土壤入滲參數(shù)的逆向計(jì)算，進(jìn)而求得土壤入滲系數(shù)k和入滲指數(shù)α，結(jié)果如表3所示。

入滲參數(shù)的估算采用Kostiakov-Lewis方程進(jìn)行描述

I=ktα+f0t

(4)

式中I——累計(jì)入滲量，cm

表3 畦田入滲參數(shù)Tab.3 Field infiltration parameters

t——入滲時(shí)間，min

f0——穩(wěn)定入滲率，cm/min，為延續(xù)之前鄭和祥等[5]所做的相關(guān)河套灌區(qū)入滲參數(shù)的研究成果，本次試驗(yàn)f0取0

2.2.3單目標(biāo)優(yōu)化模型

單寬流量以及灌水時(shí)間對(duì)灌水質(zhì)量影響明顯，已有研究大多是在其他條件不變的情況下進(jìn)行的，未考慮各要素間的交互影響，局限性很大。結(jié)合河套灌區(qū)的實(shí)際情況，畦田長(zhǎng)度、田面坡度等田面參數(shù)通常已由農(nóng)田實(shí)際情況確定，渠道水量由配水部門協(xié)調(diào)分配，并且灌區(qū)毛渠大多仍為土渠，渠道持水能力一般，近2年監(jiān)測(cè)入田流量約為30～40 L/s，因此，僅能對(duì)單寬流量q和灌水時(shí)間t進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而提高灌水質(zhì)量。故本文以單寬流量q和灌水時(shí)間t作為決策變量，采用SIRMOD 模型模擬與多元回歸分析相結(jié)合的方法，構(gòu)建包含灌水效率Ea、灌水均勻度Du以及儲(chǔ)水效率Es之間的單目標(biāo)優(yōu)化模型，采用Java語(yǔ)言中的冒泡排序法對(duì)模型進(jìn)行求解。

單目標(biāo)優(yōu)化模型為

maxY(q,t)=aEa(q,t)+bDu(q,t)+cEs(q,t)

(5)

其中

a+b+c=1

式中Y(q，t)——目標(biāo)函數(shù)，其值在0～100%之間

a、b、c——權(quán)重系數(shù)，取a=b=c=1/3

待求灌水技術(shù)要素約束條件為

(6)

式中qmin——最小單寬流量，L/(m·s)

qmax——最大單寬流量，L/(m·s)

tmin——最小灌水時(shí)間，min

tmax——最大灌水時(shí)間，min

考慮研究區(qū)畦灌的實(shí)際情況，對(duì)單寬流量q和灌水時(shí)間t取值范圍為

(7)

3 結(jié)果與分析

3.1 水流推進(jìn)與消退

圖2和圖3分別為2017、2018年不同處理的水流推進(jìn)和水流消退曲線。從圖中可以看出，各處理近2年灌溉情況基本相同且變化規(guī)律一致，從水流推進(jìn)來(lái)看，從畦首到畦尾不同畦田寬度處理水流推進(jìn)時(shí)間為25～70 min，水流消退時(shí)間變化范圍在150～550 min之間，并且當(dāng)畦田寬度越小時(shí)，水流推進(jìn)越快，反之水流推進(jìn)越慢；對(duì)于水流消退曲線，各處理之間變化幅度較大，當(dāng)畦田寬度在18～23 m時(shí)，畦首和畦尾消退時(shí)間差異不大，畦首位置消退時(shí)間較畦尾略長(zhǎng)；當(dāng)畦田寬度在5～15 m時(shí)，畦首消退時(shí)間較短而畦尾消退時(shí)間較長(zhǎng)，這主要是由于當(dāng)畦田寬度較大時(shí)，灌水時(shí)間延長(zhǎng)，畦首始終聚集大量灌溉水，導(dǎo)致消退減慢，而當(dāng)畦田寬度越小時(shí)灌溉水快速推進(jìn)至畦尾并且大量聚集，導(dǎo)致畦尾入滲時(shí)間增加，而此時(shí)畦首水量不足，入滲時(shí)間縮短，灌水不均勻。

圖2 2017年不同處理水流推進(jìn)和水流消退曲線Fig.2 Water advance and recession curves in 2017

圖3 2018年不同處理水流推進(jìn)和水流消退曲線Fig.3 Water advance and recession curves in 2018

3.2 灌水質(zhì)量評(píng)價(jià)

圖4 灌水質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)變化Fig.4 Irrigation quality evaluation indexes

圖4為不同畦田寬度處理下2017、2018年兩年灌溉質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)變化情況。從圖中可以得出，2017年各處理(畦田寬度分別為23、18、15、10、5 m)的灌水效率Ea在62.70%～87.00%之間，灌水均勻度Du在76.50%～90.50%之間，儲(chǔ)水效率Es在87.80%～100%之間；2018年各處理的灌水效率Ea在59.78%～79.90%之間，灌水均勻度Du在82.70%～90.80%之間，儲(chǔ)水效率Es在83.40%～100%之間。分析兩年數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)畦田寬度為18～23 m時(shí)，灌水效率Ea僅有59.78%～77.40%，灌水均勻度Du在84.61%～87.02%之間，盡管此時(shí)儲(chǔ)水效率Es為100%，但其灌水效果仍然較差，原因是畦田寬度較大，導(dǎo)致相對(duì)入畦單寬流量減小，水流推進(jìn)減慢，推進(jìn)過(guò)程中深層滲漏增加，灌水效率降低。隨著畦田寬度的縮小，灌水效果越來(lái)越好，當(dāng)畦田寬度縮小到10～15 m時(shí)，此時(shí)灌水效率和灌水均勻度分別為70.20%～87.00%、86.77%～90.80%，灌水效果最好；而當(dāng)畦田寬度繼續(xù)縮小到5 m時(shí)，此時(shí)灌水效率、灌水均勻度以及儲(chǔ)水效率均會(huì)有一定程度降低，原因是隨著畦田寬度的縮小，相對(duì)入畦單寬流量增加，水流快速推進(jìn)至畦尾，且大量灌溉水聚集在畦尾，造成畦尾入滲水深增加，深層滲漏嚴(yán)重，而此時(shí)畦首由于灌水量不足，入滲水深減少，故灌水效率、灌水均勻度、儲(chǔ)水效率均有一定程度降低。

3.3 灌水質(zhì)量模擬與回歸分析

采用SIRMOD模型對(duì)各灌水技術(shù)要素進(jìn)行模擬，模型中所需參數(shù)采用示范區(qū)實(shí)際參數(shù)(畦田長(zhǎng)度45 m，坡度0.111 6%，計(jì)劃灌水深度80 mm)，入滲參數(shù)取示范區(qū)均值，其中k=0.645 28 cm/minα，α=0.434 9，結(jié)合河套灌區(qū)實(shí)際情況以及已有研究成果，單寬流量q取值范圍在1～4 L/(m·s)之間，灌水時(shí)間t變化范圍在10～60 min之間，將上述兩因素均分設(shè)計(jì)，如表4所示。

表4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與灌水質(zhì)量模擬結(jié)果Tab.4 Test design and irrigation quality simulation results

為了分析單寬流量q與灌水時(shí)間t對(duì)灌水質(zhì)量的影響，本研究通過(guò)SAS分析軟件對(duì)表4中的灌水效率Ea、灌水均勻度Du以及儲(chǔ)水效率Es進(jìn)行多元回歸分析，以單寬流量q和灌水時(shí)間t作為自變量建立多元回歸模型，回歸結(jié)果為

(8)

采用式(8)計(jì)算得到的灌水效率Ea、灌水均勻度Du以及儲(chǔ)水效率Es與SIRMOD模型模擬值具有較高的一致性(圖5)，決定系數(shù)R2分別為0.922 7、0.946 8、0.905 5，說(shuō)明模型可靠。

理想灌水質(zhì)量應(yīng)該是灌水效率、灌水均勻度以及儲(chǔ)水效率都達(dá)到最大值，將式(8)代入式(5)，建立單目標(biāo)優(yōu)化模型

(9)

圖5 灌水質(zhì)量擬合值與模擬值關(guān)系Fig.5 Relationship diagram of irrigation quality fitting value and analog value

為確定獲得最大灌水質(zhì)量時(shí)的單寬流量以及灌水時(shí)間，采用Java語(yǔ)言中的冒泡排序法對(duì)方程組進(jìn)行求解，得到最優(yōu)的灌水技術(shù)要素組合為q=2.81 L/(m·s)、t=21.21 min。

將所求參數(shù)代入式(8)、(9)中，可得Ea=95.00%，Du=81.02%，Es=94.96%，Y(q，t)=90.32%；同時(shí)將所求參數(shù)代入SIRMOD模型軟件中求得Ea=92.4%，Du=81.3%，Es=97.4%。

由上文可知，示范區(qū)入田流量為30～40 L/s，已知最優(yōu)單寬流量q=2.81 L/(m·s)，故初步確定此時(shí)最優(yōu)畦田寬度為10.7～14.2 m，與實(shí)測(cè)分析結(jié)果近乎一致。同理，對(duì)于河套灌區(qū)更具廣泛意義的典型灌水技術(shù)參數(shù)優(yōu)化組合同樣可以采用相同的方法確定，結(jié)果見表5。

表5 河套灌區(qū)典型灌水技術(shù)參數(shù)優(yōu)化組合Tab.5 Optimized combination of typical irrigation technical parameters in Hetao Irrigation District

注：*為河套灌區(qū)典型田面參數(shù)，選用MIAO等[20-21]研究成果確定。

4 討論

采用SIRMOD模型模擬、均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)以及多元回歸分析相結(jié)合的方法，將單寬流量q以及灌水時(shí)間t作為決策變量，構(gòu)建了包含灌水效率Ea、灌水均勻度Du以及儲(chǔ)水效率Es在內(nèi)的單目標(biāo)優(yōu)化模型，通過(guò)Java語(yǔ)言中的冒泡排序法求解示范區(qū)內(nèi)最優(yōu)灌水技術(shù)要素組合，參考MIAO等[20-21]關(guān)于河套灌區(qū)典型田面參數(shù)，本研究進(jìn)一步確定了高、中、低3種滲透土壤下單寬流量q與灌水時(shí)間t的最優(yōu)組合，但由于灌區(qū)渠灌系統(tǒng)復(fù)雜，入田流量各不相同，故不同土壤入滲速率下適宜畦田寬度需根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際流量確定。此外在確定適宜灌溉技術(shù)要素時(shí)并未考慮農(nóng)業(yè)機(jī)械、勞動(dòng)成本等因素影響，結(jié)果仍需進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)開展田間試驗(yàn)了解了不同畦田寬度處理下的水流運(yùn)動(dòng)情況，分析了不同畦田寬度對(duì)灌水質(zhì)量的影響。結(jié)果表明，畦田寬度較大時(shí)灌水質(zhì)量整體不佳；適當(dāng)縮小畦田寬度到10～15 m時(shí)，能明顯提高灌水質(zhì)量；當(dāng)繼續(xù)縮小畦田寬度時(shí)，灌水質(zhì)量反而會(huì)有所降低。

(2)結(jié)合田間實(shí)測(cè)資料，采用SIRMOD模型模擬、均勻試驗(yàn)設(shè)計(jì)以及多元回歸分析相結(jié)合的方法，構(gòu)建了包含灌水效率Ea、灌水均勻度Du以及儲(chǔ)水效率Es在內(nèi)的單目標(biāo)優(yōu)化模型，將單寬流量q以及灌水時(shí)間t作為決策變量，采用Java語(yǔ)言中冒泡排序法對(duì)模型進(jìn)行求解，得到畦灌灌水技術(shù)要素的優(yōu)化組合q=2.81 L/(m·s)、t=21.21 min，結(jié)合示范區(qū)實(shí)際入田流量，初步確定最優(yōu)畦田寬度為10.7～14.2 m。