淠史杭灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)實(shí)測(cè)與估算法比較

翟 厚 松

(安徽省淠史杭灌區(qū)管理總局，安徽 六安 237005)

0 引 言

我國(guó)水資源短缺問(wèn)題日顯突出，農(nóng)業(yè)用水占全國(guó)總用水量的64%以上[1]，且灌溉方式粗放，灌溉水有效利用率較低。灌溉水有效利用系數(shù)是評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)灌溉用水效率的重要參考指標(biāo)[2]，也是直接反映工程配套和管理水平的綜合性指標(biāo)[3]。灌溉水有效利用系數(shù)的測(cè)算和分析，可為判斷農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力提供依據(jù)，并使各地節(jié)水農(nóng)業(yè)的主攻方向得到進(jìn)一步的明確。

根據(jù)測(cè)算，2017年全國(guó)灌溉水有效利用系數(shù)平均約為0.55左右[4]，這意味著從水源處引用1 m3的灌溉水，最后僅有0.55 m3能被農(nóng)作物吸收利用，這與發(fā)達(dá)國(guó)家0.7至0.8[5]的利用系數(shù)差距很大，因此提高灌溉水的利用效率成為了節(jié)水的第一要?jiǎng)?wù)。目前灌溉水有效利用系數(shù)的測(cè)算，普遍采用水利部《全國(guó)現(xiàn)狀灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算技術(shù)方案》及《全國(guó)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算分析技術(shù)指導(dǎo)細(xì)則》中推薦的首尾法[6-8]，該方法具有簡(jiǎn)單準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，但利用這種方法測(cè)定樣點(diǎn)田塊的凈灌水量時(shí)，仍需要較多的人力物力支出[9-12]，對(duì)于大型灌區(qū)及管理人員較少的中小型灌區(qū)來(lái)講，具體實(shí)施仍有非常大的難度[9,11]。因此，如何快速準(zhǔn)確的測(cè)算灌區(qū)內(nèi)的凈灌水總量，仍是當(dāng)前測(cè)算灌溉水有效利用系數(shù)的難點(diǎn)，尋找相應(yīng)的簡(jiǎn)易替代方法也成為許多業(yè)內(nèi)人士重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題[9]。

本文以淠史杭灌區(qū)淠河總干渠灌溉片為實(shí)例，利用水量平衡原理來(lái)估算區(qū)域凈灌水量，并以此為基礎(chǔ)對(duì)2019年度的灌溉水有效利用系數(shù)進(jìn)行估算，最后與實(shí)測(cè)法測(cè)定的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比、分析，從而分析確定估算法替代實(shí)測(cè)法的可行性和精度，期望能為灌溉水有效利用系數(shù)的測(cè)算工作提供有益的探索與嘗試。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 灌區(qū)的基本情況

淠史杭灌區(qū)始建于1958年，由毗鄰的淠河、史河、杭埠河3個(gè)子灌區(qū)組成，控制面積1.313 萬(wàn)km2，設(shè)計(jì)灌溉面積73.3 萬(wàn)hm2，是我國(guó)三座特大型灌區(qū)之一。灌區(qū)具有防洪、灌溉、城鎮(zhèn)供水、生態(tài)供水、發(fā)電、航運(yùn)、旅游等綜合功能。

作為實(shí)例的淠河灌區(qū)，設(shè)計(jì)灌溉面積44 萬(wàn)hm2，近期實(shí)際灌溉面積41 萬(wàn)hm2，其中自流灌溉28.73 萬(wàn)hm2，提水灌溉15.27 萬(wàn)hm2，在灌溉面積上已超過(guò)一般大型灌區(qū)。

1.2 樣點(diǎn)田塊

2019年灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算時(shí)，在淠河總干渠灌溉片的上、中、下游選擇了三處典型田塊，分別為淠河灌區(qū)戚橋分局張拐山段、三十鋪分局馬集段、高劉分局新民壩段三處樣點(diǎn)田塊。三處典型田塊又分別選取2個(gè)、3個(gè)、2個(gè)重復(fù)典型田塊，共7個(gè)典型田塊進(jìn)行淠河灌區(qū)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)的測(cè)定。

表1 樣點(diǎn)田塊面積及位置基本信息表Tab.1 Basic information on the area and location of the sample plots

1.3 田塊凈灌溉用水的實(shí)際測(cè)定

1.3.1 首尾法確定灌溉水有效利用系數(shù)的基本方法

根據(jù)《全國(guó)現(xiàn)狀灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算技術(shù)方案》及《全國(guó)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算分析技術(shù)指導(dǎo)細(xì)則》的有關(guān)規(guī)定，首尾法測(cè)定的灌溉水有效利用系數(shù)用下式計(jì)算：

(1)

式中：η為灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)；W凈為灌區(qū)凈灌溉用水總量，m3；W毛灌區(qū)毛灌溉用水總量，m3。

1.3.2 毛灌溉用水總量的確定

樣點(diǎn)灌區(qū)的毛灌溉用水總量由下式計(jì)算：

(2)

式中：W樣毛為樣點(diǎn)灌區(qū)年毛灌溉用水總量，m3；W樣毛i為樣點(diǎn)灌區(qū)第i個(gè)水源取水量，m3；n為樣點(diǎn)灌區(qū)水源數(shù)量，個(gè)。

1.3.3 凈灌溉用水總量的確定

樣點(diǎn)灌區(qū)的凈灌溉用水總量由下式計(jì)算：

(3)

式中：W樣凈為樣點(diǎn)灌區(qū)年凈灌溉用水總量，m3；Wij為樣點(diǎn)灌區(qū)j個(gè)片區(qū)內(nèi)第i種作物單位面積均凈灌溉用水量，m3/hm2；主要為水稻，而其他旱作物雨養(yǎng)即可滿足；Aij為樣點(diǎn)灌區(qū)j個(gè)片區(qū)內(nèi)第i種作物灌溉面積，hm2；淠河灌區(qū)的總灌溉面積為36.27萬(wàn) hm2，水稻面積32.80萬(wàn) hm2，而其他旱作物3.47萬(wàn) hm2；m為樣點(diǎn)灌區(qū)j個(gè)片區(qū)內(nèi)的作物種類；n為樣點(diǎn)灌區(qū)片區(qū)數(shù)量，n=3。

1.3.4 田塊凈灌溉用水量

在每次灌水前后按《灌溉試驗(yàn)規(guī)范SL13-2015》[13]有關(guān)規(guī)定，觀測(cè)典型田塊內(nèi)不同作物年內(nèi)相應(yīng)生育期內(nèi)計(jì)劃濕潤(rùn)層的土壤質(zhì)量含水率或體積含水率(或田間水層變化)，計(jì)算該次單位面積凈灌溉用水量，得出該典型田塊不同作物種類年單位面積凈灌溉用水量。在各次單位面積凈灌溉用水量的基礎(chǔ)上，推算該作物年單位面積凈灌溉用水量 ，即：

(4)

式中：W田凈為某典型田塊某作物年單位面積凈灌溉用水量，m3/hm2；W田i為典型田塊第i次灌溉的凈灌溉用水量，m3/hm2；n為典型田塊年內(nèi)總灌水次數(shù)，次。

1.4 田塊凈灌溉用水的估算

利用水量平衡方程[14]估算田塊凈灌溉用水量，即：

W田凈=ETc+Wd+Wp-Pe-G

(5)

式中：ETc為作物需水量，mm，用下式估算：

ETc=KcET0

(6)

式中：Kc為作物系數(shù)，根據(jù)安徽省淠史杭灌區(qū)灌溉試驗(yàn)總站的測(cè)算結(jié)果如表2；ET0為參考作物蒸騰蒸發(fā)量，mm；根據(jù)《灌溉試驗(yàn)規(guī)范(SL13-2015)》的要求，利用彭曼-蒙蒂斯(Penman-Monteith)公式計(jì)算，結(jié)果如表2。

表2 淠河灌區(qū)水稻參考作物蒸發(fā)騰發(fā)量(ET0)與作物系數(shù)(Kc)Tab.2 Rice reference crop evapotranspiration (ET0) and crop coefficient (Kc) in Pihe Irrigation District

Wd為滲漏量，mm；根據(jù)安徽省淠史杭灌區(qū)灌溉試驗(yàn)站灌溉試驗(yàn)成果，淠史杭灌區(qū)稻田滲漏量1.2 mm/d。

Wp為泡田育秧用水量，mm；根據(jù)安徽省淠史杭灌區(qū)灌溉試驗(yàn)站灌溉試驗(yàn)成果，水稻泡田育苗定額定為100 mm。

Pe為有效雨量，mm。

Pe=σP

(7)

式中：P為實(shí)際雨量，mm，各樣點(diǎn)田塊的實(shí)際雨量見(jiàn)表3；σ為降雨有效利用系數(shù)，根據(jù)2019年安徽省淠史杭灌區(qū)灌溉試驗(yàn)總站的測(cè)算結(jié)果σ= 0.94。

G為地下水利用量，mm，淠史杭灌區(qū)的地下水位低，利用量為0。

表3 樣點(diǎn)田塊水稻降雨量Tab.3 Rainfall of rice in the sample plots

2 結(jié)果與分析

2.1 實(shí)測(cè)法確定的田塊凈灌溉用水量

基于實(shí)測(cè)法確定的田塊凈灌溉用水量值匯于表4中，其中戚家橋兩塊田(1號(hào)、2號(hào))的凈灌溉用水分別為359.1、331.8 mm,馬集兩塊田(3號(hào)、4號(hào)、5號(hào))的凈灌溉用水分別為424.2、404.3、503.6 mm,高劉6號(hào)、7號(hào)田的凈灌溉用水分別為493.4 mm、485.3 mm。

表4 直接觀測(cè)法樣點(diǎn)灌區(qū)凈用水量Tab.4 Net water consumption in sample irrigation area of measurement method

2.2 估算法確定的田塊凈灌溉用水量

根據(jù)式(5)所示的水量平衡方程估算分析各樣點(diǎn)田塊的凈灌溉用水量，結(jié)果如表5所示。與表2中的相關(guān)數(shù)據(jù)比較可以看到，直接觀測(cè)法與估算法所確定的各樣點(diǎn)田塊的凈灌溉用水量沒(méi)有明顯的差異。

2.3 灌溉水有效利用系數(shù)

表6中列出的是兩種方法測(cè)算的淠河灌區(qū)幾個(gè)支渠系2019年灌溉水有效利用系數(shù)，可以看出，兩種方法確定的凈灌水量和灌溉水有效利用系數(shù)差別很小。2019年淠河灌區(qū)從渠首引水總量為19.1 億m3，結(jié)合2019年淠河灌區(qū)的降雨分析，塘壩水庫(kù)用水量約為6.4 億m3；凈灌溉用水為13.4 億m3，灌溉水有效利用系數(shù)為0.52。其中，張壽支渠的灌溉水有效利用系數(shù)為0.60，望天溝分渠為0.67，吳大崗斗渠為0.66，徐圩農(nóng)渠為0.69。

2.4 估算法與實(shí)測(cè)法結(jié)果的對(duì)比分析

估算法和實(shí)測(cè)法測(cè)定結(jié)果的相關(guān)關(guān)系繪制于圖1，圖中數(shù)據(jù)顯示，不同監(jiān)測(cè)樣段上，兩種方法確定的凈灌溉用水總量之間的相關(guān)系數(shù)的平方值(R2)為0.936 4，均方根誤差(RMSE)為17.982 5，標(biāo)準(zhǔn)化均方根誤差(MRE)為3.60%；而兩種方法確定的灌溉水有效利用系數(shù)之間的R2=0.954 6，RMSE=0.014 1，MRE=1.39 %，表明估算方法確定的灌溉水利用系數(shù)具有較高的一致性和穩(wěn)定性。

表5 樣點(diǎn)田塊的凈灌溉用水量 mm

表6 樣點(diǎn)灌區(qū)凈灌溉水有效利用系數(shù)Tab.6 Effective utilization coefficient of net irrigation water in the sample irrigation area

3 討論與結(jié)論

本項(xiàng)研究結(jié)果表明，2019年淠河灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)為0.53，較2018年的0.50有所增加，這一方面是近年來(lái)灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造使灌區(qū)水利工程日趨完善的原因[9,15]，另一方面可能是因?yàn)?019年降雨較少、干旱使得灌區(qū)加強(qiáng)了對(duì)水資源調(diào)度的嚴(yán)格管理[16]，嚴(yán)格按照作物需水規(guī)律供水，杜絕跑水、漏水所致[17]。此外，本研究的結(jié)果表明，在2019年的作物生長(zhǎng)和灌溉管理?xiàng)l件下，對(duì)淠河灌區(qū)而言，利用估算法確定的凈灌水總量和灌溉水有效利用系數(shù)，與首尾法實(shí)際測(cè)算的結(jié)果無(wú)顯著差異，說(shuō)明在適當(dāng)?shù)臈l件下，估算法可以作為一種有效的測(cè)算灌溉水有效利用系數(shù)的方法使用，從而大大減少確定田間實(shí)際凈灌溉用水量所需的人力和物力，提高灌溉水利用系數(shù)的測(cè)算效率。由于本項(xiàng)研究只是利用一年的數(shù)據(jù)，以及針對(duì)一個(gè)灌區(qū)進(jìn)行的研究，結(jié)果是否具有廣泛的適用性，還需要在多個(gè)不同類型的灌區(qū)，以及不同的水文年型下進(jìn)行更加深入、系統(tǒng)的對(duì)比分析才能確定。

圖1 兩種方法確定結(jié)果的比較Fig.1 Comparison of the determination results of the two methods