農(nóng)田水利工程灌溉用水利用系數(shù)測(cè)算

李旭東

(巴州天寶水利工程設(shè)計(jì)有限公司，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

1 概 述

伴隨我國(guó)水資源緊缺現(xiàn)狀越發(fā)嚴(yán)重，水資源合理規(guī)劃和高效利用十分重要[1]。按照現(xiàn)有的水資源使用配比情況，農(nóng)田水利工程灌溉用水比例高達(dá)75%，且具備水資源利用效率低特點(diǎn)，造成的水資源浪費(fèi)情況較為嚴(yán)重。為此，農(nóng)田水利工程用水的合理開發(fā)與高效利用對(duì)節(jié)省水資源尤為重要[2-4]。灌溉用水利用系數(shù)可用于表征灌溉用水效率，體現(xiàn)灌溉工程狀況、灌溉技術(shù)水平以及用水管理水平等，是作為農(nóng)田水利工程灌溉用水利用程度和灌溉節(jié)水潛力的正確評(píng)價(jià)指標(biāo)，在區(qū)域農(nóng)業(yè)水資源管理和節(jié)水灌溉發(fā)展效果評(píng)價(jià)中發(fā)揮重要作用[5-6]。

為貫徹我國(guó)水資源管理制度，充分挖掘農(nóng)田水利工程的節(jié)水潛力，科學(xué)有效指導(dǎo)灌溉用水節(jié)水改造，提出農(nóng)田水利工程灌溉用水利用系數(shù)測(cè)算方法，通過(guò)選取灌溉區(qū)樣點(diǎn)和樣點(diǎn)典型田塊，觀測(cè)樣區(qū)灌溉水量，采用首尾測(cè)算法獲取農(nóng)田水利工程灌溉用水利用系數(shù)，全面掌控農(nóng)田水利工程用水情況，為農(nóng)田水利工程優(yōu)化提供可靠依據(jù)[7]。

2 灌溉用水利用系數(shù)測(cè)算方法

2.1 灌溉區(qū)樣點(diǎn)選擇

根據(jù)農(nóng)田水利工程灌溉面積分布和灌溉區(qū)節(jié)水改造情況，遵循代表性和可行性的原則，選取灌溉區(qū)樣點(diǎn)[8]，選取原則為：

1)灌溉區(qū)代表性。依據(jù)農(nóng)田水利工程所在水系流域特點(diǎn)，結(jié)合水利普查統(tǒng)計(jì)結(jié)果，選擇降雨量、土壤類型、農(nóng)作物種植比例等因素均具備顯著代表性的區(qū)域?yàn)楣喔葏^(qū)樣點(diǎn)[9]。

2)灌溉面積和作物代表性。根據(jù)農(nóng)田水利工程用水性質(zhì)，將灌溉區(qū)域劃分為水旱輪作、菜田等類型，依照不同作物的面積分布情況，選擇各類型的灌溉區(qū)樣點(diǎn)。

3)灌溉區(qū)軟件硬件水平代表性。軟件水平包括由管理人員配置、規(guī)章制度等構(gòu)成的組織管理機(jī)構(gòu)，由節(jié)水灌溉模式、節(jié)水模式面積和比例等構(gòu)成的節(jié)水灌溉技術(shù)，以及依照等級(jí)測(cè)試評(píng)估管理水平；硬件水平有渠道襯砌率、相關(guān)建設(shè)配套率，以及工程的節(jié)水灌溉工程面積等。

在有效保障灌溉區(qū)樣點(diǎn)選擇的代表性基礎(chǔ)上，以具備一定技術(shù)力量和量測(cè)條件的灌溉區(qū)測(cè)試可行性為原則，進(jìn)行灌溉區(qū)樣點(diǎn)選擇[10-11]。

2.2 灌溉區(qū)樣點(diǎn)灌溉水量觀測(cè)

1)毛灌溉用水量觀測(cè)。采用電量估算法和手持式聲學(xué)多普勒流量計(jì)等測(cè)定方法，通過(guò)多次測(cè)量構(gòu)建水位-流量關(guān)系曲線，并實(shí)施定期率定[12]。

2)凈灌溉用水量觀測(cè)。采用水位變化法和水量平衡法計(jì)算凈灌溉用水量。

水位變化法：水位變化法測(cè)算公式為：

li=le-ls

(1)

其中：li、le、ls分別為所灌溉水的深度、灌溉結(jié)束和灌溉開始時(shí)的田面水深，mm。

水量平衡法：作物的凈灌溉用水量由泡田水量、蒸發(fā)量和滲透水量組成，作物全生命周期內(nèi)的凈灌溉定額Y的計(jì)算公式為:

Y=ETc+Fd+Yo-Pe-Ge

(2)

其中：ETc、Yo分別為作物蒸發(fā)量、作物的泡田定額；Fd、Pe、Ge分別為作物全生命周期內(nèi)的滲透水量、有效降水量、地下水利用量，mm。

2.3 樣點(diǎn)典型田塊選擇

灌溉區(qū)樣點(diǎn)典型田塊選擇依據(jù)樣點(diǎn)的地輪廓、面積、作物種類、灌溉方式的代表性以及進(jìn)出口有量水設(shè)施情況，以獲取田塊在單位面積下的平均凈灌溉用水量為目的，其獲取方式包括直接測(cè)量法和觀測(cè)分析法兩種[13]。

1)直接測(cè)量法。在獲取田塊每次灌水前后的土壤含水率基礎(chǔ)上，采用式(3)計(jì)算獲取田塊在單位面積下的平均凈灌溉用水量：

(3)

式中：βg1、βg2分別為田塊灌前、灌后的土壤含水率；ζ為土壤容重，g/cm3。

2)觀測(cè)分析法。在獲取田塊面積和田塊進(jìn)、排水量基礎(chǔ)上，采用式(4)計(jì)算田塊在單位面積下的平均凈灌溉用水量：

(4)

式中：Q進(jìn)、Q出分別為田塊進(jìn)、排水量，m3/hm2；B田為田塊面積，hm2。

直接測(cè)量法適用于大中型灌溉區(qū)樣點(diǎn)，觀測(cè)分析法可有效針對(duì)設(shè)備不足等情況的小型灌溉區(qū)樣點(diǎn)，采用水量平衡方程確定凈灌溉定額[14]。

2.4 農(nóng)田水利工程灌溉用水利用系數(shù)測(cè)算

利用灌溉區(qū)樣點(diǎn)典型田塊為代表，采用雙作物系數(shù)法劃分作物蒸發(fā)量為作物蒸騰和土壤蒸發(fā)，利用水量平衡方程計(jì)算作物凈灌溉定額[15]。每種作物單位面積田塊的平均凈灌溉定額Qi計(jì)算公式如下：

(5)

式中：Q田凈,i、B田i為田塊i在單位面積下的年平均凈灌溉用水量(m3/hm2)及田塊i的面積大小(hm2)。

同一灌溉區(qū)樣點(diǎn)區(qū)域內(nèi)作物的凈灌溉定額Q樣凈計(jì)算公式為：

(6)

其中：m、Bi分別為灌溉區(qū)樣點(diǎn)田塊數(shù)量、樣點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的作物面積，hm2。

利用灌溉樣區(qū)j內(nèi)作物的凈灌溉定額Q樣凈,j，采用首尾測(cè)定法測(cè)算灌溉區(qū)樣點(diǎn)的灌溉用水利用系數(shù)ηj，公式如下：

(7)

其中：Qa,j為灌溉區(qū)樣點(diǎn)j的渠首引入水量。

在有效獲取樣點(diǎn)j灌溉用水利用系數(shù)ηj基礎(chǔ)上，根據(jù)灌溉區(qū)樣點(diǎn)的灌溉面積的加權(quán)平均獲取農(nóng)田水利工程的灌溉用水利用系數(shù)η，公式如下：

(8)

式中：Ba、N為農(nóng)田水利工程的總灌溉面積、總樣點(diǎn)數(shù)量。

3 實(shí)例分析

3.1 測(cè)算結(jié)果分析

以江蘇省某農(nóng)田水利工程為例，驗(yàn)證本文方法的有效性。該地區(qū)的年降水量均值為1 358.5 mm，10年內(nèi)的最大、最小年降水量分別為1 749.5和680.2 mm。降水量主要集中在5-9月份。年平均蒸發(fā)水量為850.5 mm。該地區(qū)的農(nóng)田水利工程體系較為成熟，主要以防洪排澇為主的引水排水實(shí)現(xiàn)農(nóng)田水利工程的抗旱灌溉。該地區(qū)的灌溉區(qū)樣點(diǎn)選擇具有代表性，且滿足水利部門發(fā)布的《全國(guó)灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算分析技術(shù)指導(dǎo)細(xì)則》標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)2018年灌溉區(qū)樣點(diǎn)的數(shù)量和面積占比情況見表1。

表1 灌溉區(qū)樣點(diǎn)的數(shù)量和面積所占比例

充分考慮灌溉區(qū)樣點(diǎn)的代表性，在研究區(qū)農(nóng)田水利工程中選取3個(gè)大型灌溉區(qū)，分別命名為A1-A3；8個(gè)中型灌溉區(qū)，分別命名為B1-B8；4個(gè)小型灌溉區(qū)，分別命名為C1-C4；5個(gè)純井灌溉區(qū)，分別命名為D1-D5。采用本文方法測(cè)算獲取的2018年各灌溉區(qū)的灌溉用水利用系數(shù),結(jié)果見表2。

分析表2所示的研究區(qū)2018年各灌溉區(qū)的灌溉用水利用系數(shù)結(jié)果可知，本文方法可有效測(cè)算農(nóng)田水利灌溉用水利用系數(shù)。其中大型、中型、小型、純井灌溉區(qū)的灌溉用水利用系數(shù)分別為0.567 8、0.570 3、0.600 1和0.814 6，由于渠道干支渠部分損失導(dǎo)致大型灌溉區(qū)和中型灌溉區(qū)的灌溉用水利用系數(shù)偏??；而小型灌溉區(qū)和純井灌溉區(qū)的在輸水過(guò)程中的損失水量較小，計(jì)算得到的灌溉用水利用系數(shù)偏大。利用灌溉區(qū)樣點(diǎn)灌溉面積加權(quán)法計(jì)算出江蘇省2018年的農(nóng)田灌溉用水利用系數(shù)均值為0.637 2，相比該地2017年農(nóng)田灌溉用水利用系數(shù)均值0.615 8和2016年農(nóng)田灌溉用水利用系數(shù)均值0.602 2均有所上升。表明江蘇省對(duì)農(nóng)田水利工程的改造顯著提升了渠系防滲效果，有效提升了水資源的利用率。

表2 各灌溉區(qū)的灌溉用水利用系數(shù)測(cè)算結(jié)果

3.2 不同因素對(duì)灌溉用水利用系數(shù)的影響分析

3.2.1 不同水源類型對(duì)灌溉用水利用系數(shù)的影響

以江蘇省的大型、中型、小型灌溉區(qū)為研究區(qū)域，研究不同水源類型對(duì)灌溉用水利用系數(shù)的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 水源類型對(duì)灌溉用水利用系數(shù)的影響結(jié)果

從圖1可以看出，同一規(guī)模灌溉區(qū)內(nèi)，不同水源類型對(duì)農(nóng)田灌溉用水利用系數(shù)的影響有所差異。其中大型灌溉區(qū)中，提水灌溉區(qū)比自留引水灌溉區(qū)的農(nóng)田灌溉用水利用系數(shù)高0.003 3；中型灌溉區(qū)中，提水灌溉區(qū)比自留引水灌溉區(qū)的農(nóng)田灌溉用水利用系數(shù)高0.002 7；小型灌溉區(qū)中，提水灌溉區(qū)比自留引水灌溉區(qū)的農(nóng)田灌溉用水利用系數(shù)高0.002 1。通過(guò)上述數(shù)據(jù)可以看出，提水灌溉區(qū)相比自留引水灌溉區(qū)的農(nóng)田灌溉用水利用系數(shù)高，原因在于相對(duì)于自留引水灌溉區(qū)，提水灌溉區(qū)的運(yùn)行費(fèi)用較高，其較高的提水成本會(huì)讓農(nóng)民對(duì)用水管理更加重視；相反，自留引水灌溉區(qū)運(yùn)行成本低、水資源取用方便管理相對(duì)較為寬松，造成農(nóng)民的水資源浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重，因此自留引水灌溉區(qū)的農(nóng)田灌溉用水利用系數(shù)相對(duì)較低。

3.2.2 不同土壤類型對(duì)灌溉用水利用系數(shù)的影響

為避免灌溉渠規(guī)模影響，以江蘇省的中型灌溉區(qū)中8個(gè)灌溉區(qū)樣點(diǎn)中6個(gè)氣候因素相近的灌溉區(qū)樣點(diǎn)為研究對(duì)象，研究不同土壤類型對(duì)灌溉用水利用系數(shù)的影響，結(jié)果見表3。

表3 不同土壤類型對(duì)灌溉用水利用系數(shù)的影響

從表3中可以看出，灌溉區(qū)樣點(diǎn)B2的土壤滲透強(qiáng)度比B3小0.125 mm·d-1，其農(nóng)田灌溉用水利用系數(shù)比B3高0.044 0；灌溉區(qū)樣點(diǎn)B4的土壤滲透強(qiáng)度比B6小0.317 mm·d-1，其農(nóng)田灌溉用水利用系數(shù)比B6高0.022 5；灌溉區(qū)樣點(diǎn)B7的土壤滲透強(qiáng)度比B8大0.085 mm·d-1，其農(nóng)田灌溉用水利用系數(shù)比B6低0.039 0。綜上可知，土壤滲透強(qiáng)度越大，其農(nóng)田灌溉用水利用系數(shù)越小，二者呈顯著負(fù)相關(guān)。原因在于，水資源輸送過(guò)程中，土壤滲透強(qiáng)度越大，水資源的滲漏現(xiàn)象越嚴(yán)重，農(nóng)田作物吸收到的水資源越少，因此導(dǎo)致農(nóng)田灌溉用水利用系數(shù)減小。

4 結(jié) 論

隨著水資源的日漸緊缺，水資源利用效率成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)注重點(diǎn)，科學(xué)的灌溉用水利用系數(shù)計(jì)算，可通過(guò)合理的水資源配置，顯著提升水資源利用率。以江蘇省某農(nóng)田水利工程為例，驗(yàn)證本文方法有效性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

1)本文方法可有效測(cè)算農(nóng)田水利灌溉用水利用系數(shù)。其中大型、中型、小型和純井灌溉區(qū)的灌溉用水利用系數(shù)分別為0.567 8、0.570 3、0.600 1和0.814 6。江蘇省2018年的農(nóng)田灌溉用水利用系數(shù)均值為0.637 2，相比2017和2016年分別提升0.021 4和0.035 0。

2)不同水源類型對(duì)灌溉用水利用系數(shù)的影響為：提水灌溉區(qū)的農(nóng)田灌溉用水利用系數(shù)高于自留引水灌溉區(qū)；不同土壤類型對(duì)灌溉用水利用系數(shù)的影響為：土壤滲透強(qiáng)度越大，農(nóng)田灌溉用水利用系數(shù)越小。