大中型灌區(qū)設(shè)計灌水率影響因素研究

羅 翔，黃韜幸，林昱锜

(中國電建集團(tuán) 華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

1 研究背景

灌水率是作物需水與灌區(qū)工程規(guī)模尺寸的紐帶和橋梁[1]。綜合灌區(qū)各種作物每次灌溉用水量，即可得到全灌區(qū)的灌溉用水流量變化過程[2-3]。依據(jù)流量的變化過程即可確定一個適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)流量，并用它來進(jìn)行渠道的設(shè)計與渠系建筑物的設(shè)計，確定各級工程的規(guī)模和尺寸，滿足高效穩(wěn)定的灌溉需求[4-5]。因此，在灌區(qū)規(guī)劃設(shè)計中，灌水率備受關(guān)注[6]。

我國大量灌區(qū)始建于20世紀(jì)50—70年代，調(diào)查顯示這些灌區(qū)逐漸暴露出一些問題[7-8]，主要表現(xiàn)為工程規(guī)模偏小，下游農(nóng)田灌水困難，上、下游搶水爭水現(xiàn)象嚴(yán)重等[9-10]。其根本原因在于初期設(shè)計時工程規(guī)模偏小[11]，而工程規(guī)模偏小的直接原因便是設(shè)計灌水率取值不當(dāng)[12]。引起灌水率取值不當(dāng)?shù)脑蛑饕欠N植比例不匹配、生育期劃分時間不對等。前者因為現(xiàn)狀種植作物較規(guī)劃時種植作物有了極大區(qū)別[13]，特別是水稻等高耗水作物種植比例大面積提高，使得作物實際需水量較工程規(guī)劃設(shè)計時設(shè)計需水量有大幅度提高[14-18]。后者隨著農(nóng)村人口向城鎮(zhèn)化大面積轉(zhuǎn)移，農(nóng)村勞動力只有在傳統(tǒng)農(nóng)耕高峰期，即夏收、秋收時搶收搶種，將原本12～15 d的灌水時間縮短至4～5 d完成，這也在客觀上導(dǎo)致用水集中，致使高峰期用水困難。

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中確定灌水率不能僅僅考慮作物的需耗水量，還應(yīng)考慮灌區(qū)建設(shè)管理水平和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等方面，合理的灌水率，對灌溉工程規(guī)模的確定也具有重大意義。本研究通過對我國36座大中型灌區(qū)進(jìn)行資料收集與統(tǒng)計，對比分析了灌區(qū)灌水率的影響因素，研究結(jié)果對合理確定灌區(qū)灌水率、老舊灌區(qū)配套改造、提高灌區(qū)運(yùn)行管理水平等都具有重要的意義。

2 材料與方法

2.1 灌區(qū)總體概況

本研究共收集國內(nèi)36座大中型灌區(qū)的相關(guān)資料，遍及我國東北、西北、華東和西南等地，其中，特大型灌區(qū)1座，大型灌區(qū)29座，中型灌區(qū)6座，主要分布見表1。

表1 灌區(qū)分布統(tǒng)計表

2.2 調(diào)查方式

通過實地調(diào)查、檢閱灌區(qū)相關(guān)資料以及向各地水利部門發(fā)函詢問相關(guān)參數(shù)的方式對全國大中型灌區(qū)進(jìn)行了資料收集與統(tǒng)計，并從遼寧、吉林、黑龍江、山西、內(nèi)蒙古、山東、江蘇、安徽、江西、四川、貴州和云南等各地水利局收集到相關(guān)灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造總體方案。

2.3 主要調(diào)查項目

從調(diào)查到的相關(guān)資料中分別收集了灌溉面積、灌區(qū)規(guī)模、灌水率、主要種植作物比例、灌水延續(xù)時間、灌溉水利用系數(shù)、渠系分級、降雨有效利用系數(shù)、灌溉保證率和滲漏強(qiáng)度等灌區(qū)變量，相關(guān)統(tǒng)計資料見表2。其中灌水率主要分布在5.25×10-4～22.35×10-4m3/(s·hm2)，有55.56%的灌區(qū)灌水率分布在6.75×10-4～9.00×10-4m3/(s·hm2)范圍內(nèi)。各灌區(qū)中，山東省的大王廟灌區(qū)和四川省的長葫灌區(qū)灌水率最低，分別為5.40×10-4，5.25×10-4m3/(s·hm2)；位于江蘇省的渠南灌區(qū)的灌水率最大，為22.35×10-4m3/(s·hm2)；其次是位于吉林省的白沙灘灌區(qū)、江蘇省的凌城灌區(qū)和位于江西省的鄱湖灌區(qū)，灌水率分別為14.10×10-4，10.50×10-4，1.34×10-4m3/(s·hm2)，相關(guān)統(tǒng)計特征見表3。

表2 灌區(qū)數(shù)據(jù)收集統(tǒng)計特征

表3 灌區(qū)灌水率分布特征

2.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

采用Excel 2016軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，并采用Origin2020和Excel 2016軟件進(jìn)行繪圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 作物的種植類型與比例

灌區(qū)主要種植作物類型，以水稻為主,稻麥輪作、水稻和油菜輪作及小麥種植。根據(jù)灌區(qū)主要種植作物的種類進(jìn)行研究(圖1)，以種植水稻為主的地區(qū)，其灌水率要高于種植小麥為主的灌區(qū)。一般情況下，水稻的灌水定額最大，小麥和蔬菜次之，玉米的灌水定額最小，故以種植水稻為主的地區(qū)灌水率較高。

圖1 作物種植類型與灌區(qū)灌水率關(guān)系圖

將水稻的種植比例與灌水定額的乘積分別按照0～1 500，1 500～3 000，3 000～4 500，4 500～6 750 m3/hm2分組進(jìn)行討論(圖2)，結(jié)果顯示：不同分組之間灌區(qū)灌水率差異較大，0～1 500 m3/hm2和1 500～3 000 m3/hm2分組下的平均灌水率分別為7.95×10-4m3/(s·hm2)和8.10×10-4m3/(s·hm2)；3 000～4 500 m3/hm2分組下的平均灌水率為10.8×10-4m3/(s·hm2)；4 500～6 750 m3/hm2分組下的平均灌水率為13.05×10-4m3/(s·hm2)，故當(dāng)某一灌區(qū)的水稻的種植比例越大和灌水定額越大，其灌水率就越大。

圖2 不同分組之間灌水率差異

對灌區(qū)內(nèi)其他主要作物種植比例與灌水定額的乘積與灌水率進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，當(dāng)灌區(qū)內(nèi)玉米種植比例大時，灌區(qū)的灌水率會隨之減小,這是因為玉米屬于旱作物，灌水定額較小。另外，小麥、蔬菜等作物對灌區(qū)灌水率幾乎沒有影響,因為設(shè)計灌水率一般選取灌水率圖中的最大或次大灌水率作為設(shè)計灌水率，而灌區(qū)的最大或次大灌水率一般出現(xiàn)在水稻的需水高峰期，有時需疊加其他作物的需水量，故小麥和蔬菜等中等需水量作物的作物對灌區(qū)灌水率的影響并不是特別明顯。

3.2 地域類型

通過對不同地區(qū)的灌區(qū)灌水率進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)(圖3)，西北及西南地區(qū)的灌水率相對較小，灌水率分別為7.80×10-4，7.50×10-4m3/(s·hm2)；東北和華北地區(qū)的灌水率相對較大，灌水率分別為11.55×10-4，13.05×10-4m3/(s·hm2)。通過對不同地區(qū)作物種植類型和比例均值進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)合地區(qū)之間灌水率的差異分析(表4)，可以看出造成該現(xiàn)象的原因主要是灌區(qū)所在位置影響著灌區(qū)種植作物的類型，從而通過作物的灌水定額影響灌區(qū)灌水率，比如西北地區(qū)內(nèi)蒙古河套灌區(qū)的主要作物為小麥和玉米等旱地作物，其灌水定額整體較小，所以灌水率也較小。東北地區(qū)和華東地區(qū)主要種植作物為水稻，且其種植比例一般在80%以上，故灌水概率較大。而西南地區(qū)如貴州、四川等地，主要種植作物為水稻和油菜，且水稻的平均種植比例為58%，故其灌水率大于種植旱田作物為主的西北地區(qū)，小于大面積種植水稻的東北和華北地區(qū)。

圖3 不同地域類型之間灌水率差異

綜上所述，地域類型對灌水率的影響主要是通過作物的蒸發(fā)蒸騰、滲漏、降雨補(bǔ)給等因素的取值從而進(jìn)一步影響作物的灌水定額，這些因素在不同地域之間差異較大且差異較為復(fù)雜，不同灌區(qū)不同作物灌水定額對灌區(qū)灌水率又有不同程度的影響，故直接從蒸發(fā)蒸騰、滲漏、降雨補(bǔ)給等因素分析對灌區(qū)灌水率的影響效果不理想。地域類型對灌水率的影響還是要通過不同地域類型對作物種植的影響來分析，西北地區(qū)種植作物以小麥為主，故其平均灌水率較??；西南地區(qū)主要種植水稻和油菜且水稻的平均種植比例為58%，故其灌水率相對較??；東北和華北地區(qū)主要種植水稻，且其種植比例一般為80%以上，故灌水概率較大。

表4 不同地區(qū)作物種植類型和比例均值

3.3 灌區(qū)規(guī)模

按照灌區(qū)規(guī)模對平均灌水率進(jìn)行比較見圖5。從圖5可以看出，特大型灌區(qū)灌水率最小，其平均值為7.80×10-4m3/(s·hm2)；中型灌區(qū)灌水率次之，其平均值為8.55×10-4m3/(s·hm2)；大型灌區(qū)灌水率最大，其平均值為9.75×10-4m3/(s·hm2)，其中，大(Ⅲ)型灌區(qū)平均灌水率為8.85×10-4m3/(s·hm2)，大(Ⅱ)型灌區(qū)平均灌水率為12.15×10-4m3/(s·hm2)。并且除特大型灌區(qū)之外，中型和大型灌區(qū)隨著灌溉面積增加，灌區(qū)灌水率隨之增加。通過對灌水延續(xù)時間、作物種植種類等因素分析發(fā)現(xiàn)，特大型灌區(qū)種植的主要作物為小麥，灌水定額較小，且考慮到渠道的設(shè)計流量和工程經(jīng)濟(jì)性，特大型灌區(qū)的灌水延續(xù)時間較長，故雖其灌溉面積最大，但灌水率卻較小。大中型灌區(qū)灌水率隨著灌區(qū)面積的增加而增加，其原因可能為大中型灌區(qū)隨著灌區(qū)面積的增加，作物種植面積和種植比例也有所增加，同一時期需要滿足的作物灌溉需水量也隨之增加，最終導(dǎo)致了灌區(qū)灌水率的增加。另外，大面積水稻灌區(qū)(1 000 hm2以上)的設(shè)計凈灌水率推薦值一般為6.75×10-4～9.00×10-4m3/(s·hm2)，中型灌區(qū)、大(Ⅲ)型灌區(qū)和特大型灌區(qū)的灌水率均在該推薦范圍內(nèi)，而大(Ⅱ)型灌區(qū)平均灌水率要高于推薦值。通過分析發(fā)現(xiàn)，該類型灌區(qū)灌水率較高的原因在于調(diào)查統(tǒng)計到的大(Ⅱ)型灌區(qū)主要種植作物為水稻，且種植比例高達(dá)80%～90%，導(dǎo)致灌區(qū)灌水率整體較大。

圖4 灌區(qū)規(guī)模與灌水率關(guān)系圖

3.4 灌區(qū)興建年代

將灌區(qū)按照其興建年代劃分為20世紀(jì)40—50年代、20世紀(jì)60—70年代、20世紀(jì)80—90年代和21世紀(jì)初，每個年代的平均灌水率值見圖6所示。從圖5可以看出：不同年代修建的灌區(qū)灌水率平均值分別為13.20×10-4，10.65×10-4，7.35×10-4，8.85×10-4m3/(s·hm2)。20世紀(jì)末和21世紀(jì)初修建的灌區(qū)灌水率較高，其原因可能在于，老灌區(qū)在修建之初為了滿足作物高峰需水要求，而盲目地將灌區(qū)設(shè)計灌水率取值增大，但是后期由于農(nóng)藝的進(jìn)步、灌溉技術(shù)的發(fā)展等，發(fā)現(xiàn)可以通過調(diào)整作物種植結(jié)構(gòu)或者根據(jù)作物需水特性在允許范圍內(nèi)前后合理移動灌水日期，從而降低灌區(qū)設(shè)計灌水率。并且，較低的灌水率無論從工程經(jīng)濟(jì)角度還是從灌區(qū)管理角度都比較經(jīng)濟(jì)，故后期新建灌區(qū)灌水率均可在允許范圍內(nèi)取得較低值，這與大面積水稻灌區(qū)(1 000 hm2以上)的設(shè)計凈灌水率推薦值相一致。

圖5 灌區(qū)修建年代與灌水率關(guān)系圖

3.5 灌水延續(xù)時間

通過對不同灌水延續(xù)時間的灌區(qū)灌水率進(jìn)行比較，其結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出：灌水延續(xù)時間小于1 d的灌區(qū)灌水率最小，為5.25×10-4m3/(s·hm2)，而灌水延續(xù)時間在3～6，6～10 d和大于10 d的灌區(qū)灌水率分別為9.45×10-4，9.15×10-4，10.05×10-4m3/(s·hm2)，大于灌水延續(xù)時間小于1 d的灌區(qū)灌水率。

通常情況下，對于同一灌區(qū)而言，由于其作物種類和比例基本確定，故灌水時間越長，灌水率就越小。而在不同灌區(qū)之間，選取設(shè)計灌水率時，需要調(diào)整各種作物的灌水率(主要是調(diào)整灌水延續(xù)時間)和在允許范圍內(nèi)前后移動灌水日期，由于灌區(qū)內(nèi)作物種植類型、種植比例等因素各不相同，灌水延續(xù)時間對灌水率的影響并不明顯。

圖6 灌水延續(xù)時間與灌區(qū)灌水率關(guān)系圖

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié) 論

灌區(qū)灌水率主要受作物種植結(jié)構(gòu)、地域類型、灌區(qū)規(guī)模、灌區(qū)興建年代等因素的影響，主要表現(xiàn)為：

(1) 水稻的灌水定額最大，小麥和蔬菜次之，玉米的灌水定額最小，故種植水稻為主的東北地區(qū)和華東地區(qū)灌水率較大，種植旱田作物為主的西北地區(qū)灌水率較?。?/p>

(2) 特大型灌區(qū)灌水率最小，中型灌區(qū)灌水率次之，大型灌區(qū)灌水率最大。大型灌區(qū)灌水率大的原因可能是大型灌區(qū)主要種植作物為水稻，且種植比例高達(dá)80%～90%，導(dǎo)致灌區(qū)灌水率整體較大。

(3) 老灌區(qū)在修建之初設(shè)計灌水率取值較大，后期新建灌區(qū)灌水率相對較低。

4.2 建 議

灌水率受不同因素影響在不同地域之間差異較大，因此，本文從作物種植結(jié)構(gòu)、地域類型、灌區(qū)規(guī)模、灌水延續(xù)時間等因素對我國大中型灌區(qū)灌水率影響進(jìn)行了研究，對灌區(qū)灌水率選擇及老舊灌區(qū)改造、提高灌區(qū)運(yùn)行管理效率等方面提出以下建議：

(1) 對于同一灌區(qū)而言，由于其作物類型和種植比例基本確定，故灌水時間越長，灌水率就越小，因此在選擇灌水率時，注意選取合適的灌水延續(xù)時間，使渠道輸水效率較高且保證作物需水要求。

(2) 灌區(qū)灌水率受灌區(qū)內(nèi)作物類型與種植比例的影響較大，西北地區(qū)種植作物以小麥為主，故其平均灌水率較小；西南地區(qū)主要種植水稻和油菜，且水稻的平均種植比例為58%，故其灌水率相對較小；東北和華北地區(qū)主要種植作物為水稻，且其種植比例一般為80%以上，故灌水率較大，因此對于不同區(qū)域合理布局農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)對灌區(qū)灌水率影響較大，且灌水率推薦值應(yīng)分區(qū)進(jìn)行討論。

(3) 大中型灌區(qū)的灌水率在今后一定時段內(nèi)其推薦值仍可為6.30×10-4～9.00×10-4m3/( s·hm2)，若灌區(qū)內(nèi)水稻種植面積高于80%～90%，可適當(dāng)提高其設(shè)計灌水率，若旱作物種植面積較大，其值也可適當(dāng)降低。

(4) 興建于20世紀(jì)40—70年代的灌區(qū)灌水率整體高于我國目前推薦的大面積水稻灌區(qū)(1 000 hm2以上)的設(shè)計凈灌水率，而20世紀(jì)80年代之后的灌區(qū)灌水率大多符合灌水率推薦區(qū)間，故對老灌區(qū)進(jìn)行節(jié)水改造，對提高灌區(qū)運(yùn)行管理的經(jīng)濟(jì)性和合理性具有重要的意義。