石榴在高效節(jié)水灌溉中的需水量計(jì)算分析

李明杰

(瑪納斯縣水利局，新疆 瑪納斯 832200)

1 引言

本工程屬于中低產(chǎn)田地改造農(nóng)業(yè)高效節(jié)水灌溉項(xiàng)目，計(jì)劃實(shí)施600 畝的石榴種植基地。該地降雨少、蒸發(fā)量大，干旱缺水，現(xiàn)狀農(nóng)業(yè)灌溉仍然采用深灌、串灌等大水漫灌形式，造成水資源不必要的浪費(fèi)。近年來(lái)，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，灌溉用水量增加，供需水矛盾日益尖銳，形勢(shì)迫使農(nóng)業(yè)必須走高效節(jié)水的道路。項(xiàng)目區(qū)石榴需要水分最多的時(shí)期是花芽分化期、開花坐果期、果核硬化后的果實(shí)膨大和油脂形成期，占總需水量的70%左右。石榴與其他落葉果樹不同，一旦缺水，并不及時(shí)從樹葉或果實(shí)的形態(tài)上顯露出開始缺水的確切癥狀。可是當(dāng)出現(xiàn)樹葉萎靡或果皮皺縮等缺水癥狀時(shí)，果樹的生長(zhǎng)和果實(shí)發(fā)育已受到嚴(yán)重?fù)p害，即使有條件及時(shí)灌水，也不能恢復(fù)其正常的生長(zhǎng)發(fā)育，不僅當(dāng)年產(chǎn)量欠收，也影響到下一年產(chǎn)量。因此，正確的灌水時(shí)期和灌水量，主要根據(jù)石榴的需水規(guī)律、年降水量和土壤水分狀況等綜合而定[1]。

2 灌溉設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)石榴作物生長(zhǎng)情況，制定設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

土壤容重1.40 g/cm3，田間持水率30%，適宜土壤含水率上限θmax取田間持水量的90%，下限θmin取田間持水量的70%，灌溉水利用系數(shù)η 取值0.9。

2.2 作物需水量

依據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]及《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)（第2版）》（第9 卷灌排、供水），作物需水量受氣候條件、土壤含水量與農(nóng)業(yè)措施等因素的影響，各地相差懸殊，應(yīng)直接采用當(dāng)?shù)鼗蜃匀粭l件類似的鄰近地區(qū)的灌溉試驗(yàn)資料確定。在缺乏實(shí)測(cè)資料的地區(qū)，可利用當(dāng)?shù)貧庀筚Y料采用下式計(jì)算[3]：

式中：ETc為階段日平均作物需水量，mm/d；Kw為土壤水分修正系數(shù)；Kc為作物系數(shù)；ET0為階段日平均參照作物需水量，mm/d。

參照作物需水量ET0按修正的彭曼公式計(jì)算：

式中：P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，P0=1013.25 hPa；P 為計(jì)算地點(diǎn)平均氣壓，hPa；Δ 為平均氣溫時(shí)飽和水汽壓隨溫度的變率；γ 為溫度計(jì)常數(shù)，0.66 hPa/℃；Rn為太陽(yáng)凈輻射，以所能蒸發(fā)的水層深度計(jì)，mm/d；Ea為干燥力，mm/d。

根據(jù)所在縣城氣象資料，代入修正的彭曼公式計(jì)算出每月ET0，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 1 月～12 月ET0 計(jì)算值

2.3 作物耗水強(qiáng)度

2.3.1 設(shè)計(jì)耗水強(qiáng)度

依據(jù)《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)(第2 版)》(第9 卷灌排、供水)，作物耗水強(qiáng)度為：

式中：Ea為作物耗水強(qiáng)度，mm/d；ETc為作物需水量，mm/d；Kr為作物遮陰率對(duì)耗水量的修正系數(shù)，若計(jì)算出Kr大于1 時(shí)，取Kr=1；Gc為作物遮陰率，又稱作作物覆蓋率。

2.3.2 灌溉補(bǔ)充強(qiáng)度

當(dāng)有其他來(lái)源補(bǔ)充作物耗水強(qiáng)度時(shí)，滴灌只是補(bǔ)充作物耗水不足部分，即：

式中：Ia為灌溉補(bǔ)充強(qiáng)度，mm/d；Ea為設(shè)計(jì)耗水強(qiáng)度，mm/d；P0為有效降雨量，mm/d；S 為根層土壤或地下水補(bǔ)給的水量，對(duì)干旱地區(qū)S=0。

《微灌工程技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50485-2009)規(guī)定[4]，設(shè)計(jì)耗水強(qiáng)度應(yīng)取典型年灌溉季節(jié)月平均作物耗水強(qiáng)度的峰值作為設(shè)計(jì)耗水強(qiáng)度。經(jīng)計(jì)算，石榴種植最大補(bǔ)充灌溉強(qiáng)度見(jiàn)表2。

表2 石榴灌溉最大補(bǔ)充強(qiáng)度計(jì)算表

2.4 灌水定額

2.4.1 土壤濕潤(rùn)比

影響土壤濕潤(rùn)比的因素很多，如毛管的布置方式、灌水器的類型和布置形式、土壤種類和結(jié)構(gòu)等。毛管和灌水器的布置方式為單行直線毛管布置，土壤濕潤(rùn)比采用下式計(jì)算：

式中：p 為土壤濕潤(rùn)比，%；Dw為土壤水分水平擴(kuò)散直徑或濕潤(rùn)帶寬度，m；Sc為灌水器或出水點(diǎn)間距，m；Sl為毛管有效間距，m。

2.4.2 最大灌水定額

式中：mmax為最大灌水定額，mm；γ 為土壤容重，1.4g/cm3；z 為計(jì)劃土壤濕潤(rùn)層深度，m，大田作物為0.4 m～0.6 m，果樹為1.0 m～1.5 m；p 為計(jì)劃土壤濕潤(rùn)比，經(jīng)濟(jì)林果100%；θmax、θmin分別為土壤適宜含水率的上下限(占干土重量的百分比)，一般為田間持水率W 的85%、60%(田間最大持水率25%)。石榴種植最大灌水定額計(jì)算見(jiàn)表3。

表3 石榴種植最大灌水定額計(jì)算表

2.4.3 設(shè)計(jì)灌水周期

式中：mmax為最大灌水定額，mm；Tmax為最大灌水周期，d，取整數(shù)；Ia為作物耗水強(qiáng)度，mm/d。項(xiàng)目區(qū)各種作物灌水周期計(jì)算及取值見(jiàn)表4。

2.4.4 設(shè)計(jì)凈灌水定額

式中：m 為設(shè)計(jì)凈灌水定額，mm；T 為取整后灌水周期，d；石榴種植設(shè)計(jì)灌水定額計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 石榴種植灌水周期及設(shè)計(jì)凈灌水定額計(jì)算表

2.5 灌溉制度成果

2.5.1 一次灌水延續(xù)時(shí)間一次灌水延續(xù)時(shí)間采用下式計(jì)算：

式中：t 為一次灌水延續(xù)時(shí)間，h；m 為設(shè)計(jì)凈灌水定額，mm；Sc為灌水器間距，m；Sl為毛管間距，m；η 為灌溉水利用系數(shù)，η=0.9；q 為灌水器流量，L/h。

一次灌水延續(xù)時(shí)間取整數(shù)。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 一次灌水延續(xù)時(shí)間計(jì)算取值表

2.5.2 灌溉制度

通過(guò)計(jì)算的耗水強(qiáng)度Ia、灌溉周期T 及灌水定額m，確定每種作物月灌水次數(shù)及作物一年的凈灌溉定額。灌溉定額為作物全生育周期或一年內(nèi)各次灌水量的總和。計(jì)算公式如下：

式中：M 為作物全生育期或一年的灌溉定額，m3/畝。

在確定作物年灌水總和時(shí)，應(yīng)充分考慮該地區(qū)降雨對(duì)作物的水量補(bǔ)充，根據(jù)《微灌工程技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50485—2009），高效節(jié)水項(xiàng)目區(qū)設(shè)計(jì)保證率為90%，故需對(duì)所在縣降雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行排頻，選取P=90%的代表年份進(jìn)行降雨量分析。根據(jù)所在縣氣象站資料，選取1975 年、1984 年、2009 年、2012 年四個(gè)典型年的降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算該縣P=90%時(shí)的平均降雨量。所在地區(qū)P=90%平均降雨量見(jiàn)圖1。

圖1 所在縣P=90%年平均降雨量

根據(jù)各個(gè)時(shí)段的降雨量，求得該時(shí)段內(nèi)的有效降雨，有效降雨其值與一次降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨延續(xù)時(shí)間、土壤性質(zhì)、地面覆蓋及地形因素等有關(guān)。在無(wú)實(shí)測(cè)資料地區(qū)，有效降雨可以根據(jù)《水工設(shè)計(jì)手冊(cè)》(第二版第9 卷灌排、供水)中的推薦參數(shù)取值[5]。當(dāng)降雨量小于5 mm 時(shí)，有效降雨量為0 mm；當(dāng)降雨量在5 mm～50 mm 時(shí)，降雨入滲系數(shù)按0.8 考慮；當(dāng)降雨量在50 mm～100 mm 時(shí)，降雨入滲系數(shù)按0.75 考慮。通過(guò)分析，該地區(qū)P=90%有效降雨見(jiàn)圖2。

圖2 該地區(qū)P=90%有效降雨量

根據(jù)有效降雨量，分析作物各個(gè)時(shí)段的灌溉需水量，不同種作物的灌水次數(shù)及作物一年的灌溉定額見(jiàn)表6。

表6 石榴灌溉制度表

2.5.3 萬(wàn)畝綜合用水定額

灌溉用水量是灌溉面積上需要水源供給的灌溉水量[6]，與灌溉面積、作物組成，各種作物的灌溉制度、水利用系數(shù)等因素有關(guān)。灌區(qū)內(nèi)作物種植種類僅為石榴，作物種類單一。根據(jù)公式計(jì)算的石榴種植基地萬(wàn)畝綜合用水凈定額為135.0 m3/畝。

3 灌溉供需水量分析

3.1 灌溉需水量分析

石榴種植基地高效節(jié)水灌區(qū)種植面積為600 畝，萬(wàn)畝綜合用水凈定額為135.0 m3/畝，灌溉水利用系數(shù)為0.90，可計(jì)算出石榴P=90%的毛灌溉需水量為7.29 萬(wàn)m3，需水量過(guò)程值見(jiàn)表7。

表7 石榴P=90%的灌溉需水量過(guò)程值 單位：m3/畝

3.2 灌溉供水水源

現(xiàn)狀2019 年，項(xiàng)目區(qū)主要供水水源為上干壩乍水庫(kù)。水庫(kù)位于上干壩乍村小組上游2.0 km 處，水庫(kù)所在流域?qū)俳鹕辰凋唑群又Я骼満?，徑流面積3.59 km2。水庫(kù)總庫(kù)容為19.2 萬(wàn)m3，興利庫(kù)容18.0 萬(wàn)m3，調(diào)洪庫(kù)容1.2 萬(wàn)m3。水庫(kù)目前實(shí)際灌溉面積250 畝，為常規(guī)作物灌溉。常規(guī)作物凈定額參照石榴種植基地高效節(jié)水灌溉項(xiàng)目中的成果，為135 m3/畝，灌溉水利用系數(shù)為0.6，P=75%時(shí)可供灌溉供水量14.4 萬(wàn)m3，P=90%時(shí)可供灌溉供水量17.28 萬(wàn)m3。

實(shí)施高效節(jié)水后，灌區(qū)內(nèi)常規(guī)作物改種高效節(jié)水作物石榴，種植面積600 畝，P=90%的毛灌溉需水量為7.29 萬(wàn)m3?，F(xiàn)狀供水水源的供水能力有保障。

4 結(jié)論及建議

現(xiàn)狀作物灌水形式粗狂，對(duì)水資源浪費(fèi)嚴(yán)重，灌溉水利用率較低，為了節(jié)約水資源，是經(jīng)濟(jì)作物石榴得到更好的生長(zhǎng)，保持農(nóng)業(yè)與經(jīng)濟(jì)作物的可持續(xù)發(fā)展，推廣高效節(jié)水灌溉是十分必要的，本文結(jié)合600 畝石榴作物，進(jìn)行微灌灌溉設(shè)計(jì)，求得了石榴全生長(zhǎng)期的灌溉水水量，從而進(jìn)行供需水量分析，旨在為更好的推進(jìn)該地區(qū)高效節(jié)水項(xiàng)目建設(shè)提供理論支持，也促使了該地區(qū)經(jīng)濟(jì)繁榮發(fā)展。