基于直接量測法對農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)的測算分析——以鹽都區(qū)小型灌區(qū)為例

韋愛群，王天華，劉倩文，楊鵬程

（1.江蘇省水文水資源勘測局鹽城分局，江蘇 鹽城，224051；2.江蘇省水文水資源勘測局無錫分局，江蘇 無錫，214000）

灌溉水利用率系數(shù)的測定是一項系統(tǒng)工程，它涉及氣象、水文、作物品種、地下水位埋深等多個因素，并且與水利工程設(shè)施情況、管理水平、當(dāng)?shù)氐墓喔戎贫鹊让芮邢嚓P(guān)。

灌溉水利用率用于反映灌區(qū)渠系輸水和田間灌溉用水情況，衡量灌區(qū)從水源引水到田間作物用水過程中水利用效率的一個指標(biāo)，在區(qū)域農(nóng)業(yè)水資源利用和節(jié)水灌溉評價中發(fā)揮著重要的作用。

為貫徹落實我國水資源制度，充分發(fā)揮農(nóng)業(yè)用水效率，科學(xué)有效指導(dǎo)農(nóng)業(yè)灌溉，我們提出對農(nóng)田灌溉用水系數(shù)進(jìn)行測算，通過合理選取樣點灌區(qū)，觀測灌區(qū)用水量，采用直接測算法計算農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)，全面了解農(nóng)田用水狀況，為農(nóng)田灌溉用水均衡提供科學(xué)依據(jù)[1]。

1 全區(qū)農(nóng)田概況及用水情況

鹽都區(qū)地處江蘇省中部里下河地區(qū)，位于北緯33°07′～33°26′，東經(jīng) 119°41′～120°13′之間。東、北部與亭湖區(qū)、建湖縣相鄰，南部與大豐市、興化市相望，西部與寶應(yīng)縣接壤。全區(qū)總面積1 046.0km2。土地總面積151.7萬畝，其中：耕地面積84.7萬畝；園地4.28萬畝；林地21.75萬畝；水域及水利設(shè)施用地21.45萬畝；城鄉(xiāng)建設(shè)、工礦、基礎(chǔ)設(shè)施等其他用地19.52萬畝。

境內(nèi)地勢平坦低洼，河網(wǎng)密布，湖蕩成片，圩子成群，全區(qū)共有大小溝河3 500多條，其中圩外河道30多條。全區(qū)范圍內(nèi)的灌區(qū)規(guī)模主要是以連片種植面積在1萬畝以下的小型灌區(qū)（圩區(qū)）為主，水資源分區(qū)屬里下河腹部區(qū)，該區(qū)域土壤為黏質(zhì)土，保水能力強(qiáng)。

全區(qū)現(xiàn)有小型灌區(qū)228處，總面積937.3km2。試驗期間，根據(jù)所選擇的3處小型樣點灌區(qū)測算所得的毛灌溉定額與凈灌溉定額，采取算術(shù)平均后分別作為全區(qū)小型灌區(qū)的毛灌溉定額和凈灌溉定額，結(jié)合全區(qū)小型灌區(qū)60.4萬畝的水稻播種面積，分別計算出鹽都區(qū)2020年小型灌區(qū)的毛灌溉用水總量與凈灌溉用水總量。

2 樣點灌區(qū)的基本情況和代表性分析

2.1 樣點灌區(qū)的選擇

鹽都區(qū)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)的影響因素主要從灌溉水量損失方面考慮，包括防滲措施、土壤質(zhì)地及地下水埋深、渠道級別及灌溉技術(shù)等。鹽都區(qū)地處里下河腹部區(qū)，境內(nèi)土壤分為水稻土、沼澤土兩大類，其中水稻土分布面積最廣，占耕地面積90%以上。由于長期開發(fā)，土壤得到改造，有利于種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展。地下水埋深淺，滲漏損失小。采用節(jié)水灌溉技術(shù)，如渠道灌溉與管道灌溉、大水漫灌與節(jié)水控灌溉等之間均存在差異。此外，灌區(qū)用水管理水平的高低也是影響農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)的因素。作物種類的不同，如水旱作物間不同的灌水補給方式，對農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)的影響也不可小覷[2，3]。

鹽都區(qū)均為小型灌區(qū)，單個灌區(qū)面積多集中在1000畝以下，且小型灌區(qū)之間存在一定差異，灌溉管理水平也參差不齊，導(dǎo)致部分小型灌區(qū)間的灌溉水有效利用系數(shù)差異較大。在實際測算時，盡量選擇具有代表性的小型灌區(qū)作測算樣點。

本次試驗中，所選樣點灌區(qū)在全區(qū)的分布較為分散，分別位于全區(qū)東南部的大岡、中南部的尚莊和位于西南部的樓王鎮(zhèn)，基本涵蓋了全區(qū)的土壤類型。

在選擇小型灌區(qū)時，考慮到農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整，大岡佳富灌區(qū)選擇在土地流轉(zhuǎn)的農(nóng)業(yè)示范園內(nèi)，灌區(qū)實行統(tǒng)一管理，主要代表著鹽都區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的種植模式，整體管理水平較高；樓王花季園灌區(qū)屬于傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)種植方式，當(dāng)?shù)氐姆N植水稻歷史悠久，主要代表著精耕細(xì)作的傳統(tǒng)種植方式，整體管理水平較高；而尚莊瑞北灌區(qū)，其管理方式相對粗放，管理水平在三個灌區(qū)中最低。從灌溉管理水平分析，既有管理水平較高的小型樣點灌區(qū)，也有管理水平一般的小型樣點灌區(qū)，其測算成果能夠較好地代表全區(qū)的整體水平。鹽城市鹽都區(qū)2020年度農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)樣點灌區(qū)名單，具體見表1。

表1 鹽都區(qū)2020年度樣點灌區(qū)基本信息匯總表

2020年度鹽都區(qū)的樣點灌區(qū)共3處，典型田塊6個。土壤類型為黏質(zhì)土，觀測作物主要為水稻，樣點灌區(qū)采用水稻、小麥輪作的種植方式，水稻與小麥的種植比例約為1：1.1，全區(qū)復(fù)種指數(shù)為182.6%。結(jié)合鹽都區(qū)實際，對于小型灌區(qū)本次參與測算的作物僅考慮水稻這一單一作物。測算時種植的水稻品種以全縣普遍栽植的淮稻5號及兩優(yōu)688制種稻為主，基本能代表全區(qū)的水稻種植品種。鹽都區(qū)地處里下河腹部區(qū)，河網(wǎng)密布、交通發(fā)達(dá)，水面積及交通用地占比較大，有效灌溉面積年際變化較小，與設(shè)計灌溉面積相差較大。

2.2 樣點灌區(qū)代表性分析

保證所選擇的樣本具有代表性是開展灌溉水有效利用系數(shù)測算的前提條件，必須加以保證。因此，對于樣點灌區(qū)的選擇，主要考慮以下因素：

（1）灌區(qū)所在區(qū)域的代表性。區(qū)域代表性主要是影響灌區(qū)的降水量、土壤類型等自然因素，進(jìn)而影響作物的種植比例、灌水習(xí)慣。

（2）灌區(qū)面積的代表性。灌溉水有效利用系數(shù)具有明顯的尺度效應(yīng)，灌區(qū)面積影響分析尺度，而且從實際管理來看，灌區(qū)面積影響到灌區(qū)管理組織的完善程度，在一定程度上反映了管理水平的高低。鹽都區(qū)小型灌區(qū)數(shù)量眾多，且連片面積多集中于面積在1000畝以下的規(guī)模，本次選擇的小型灌區(qū)設(shè)計灌溉面積基本控制在320～450畝之間，基本能代表全區(qū)整體灌區(qū)規(guī)模。

（3）灌區(qū)管理水平的代表性。在評價灌區(qū)管理水平時，本次研究主要考慮了以下因素：硬件的建設(shè)水平，包括渠道襯砌率、渠系建筑物配套率、節(jié)水灌溉工程覆蓋面積率；組織管理機(jī)構(gòu)，包括灌區(qū)管理人員的配備、技術(shù)人員數(shù)量、規(guī)章制度、基層用水協(xié)會組織數(shù)量等；節(jié)水灌溉技術(shù)推廣狀況，水稻為主的灌區(qū)，主要是水稻節(jié)水灌溉模式、節(jié)水模式推廣面積及其比例；管理水平，按照優(yōu)、良、一般進(jìn)行評估，每個檔次均抽取一定數(shù)量的灌區(qū)進(jìn)行測試，保障樣本的均勻分布。將小型灌區(qū)細(xì)分為管理較好的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范園集中管理模式、傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)精耕細(xì)作模式、傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)粗放管理模式三種管理水平，均作一定數(shù)量的選取，不同的管理水平，均取一定數(shù)量的灌區(qū)作為樣本。

根據(jù)鹽都區(qū)1956～2020年面降水資料統(tǒng)計，鹽都區(qū)多年平均降水量1 023.4mm；2020年當(dāng)年降水量1 182.3mm，降水經(jīng)驗頻率23.1%，屬于豐水年型。

3 樣點灌區(qū)系數(shù)測算分析成果檢驗

3.1 典型田塊的選擇

2020年度鹽都區(qū)的3個樣點灌區(qū)各有2個田塊，即共有典型田塊6個。田塊的位置居于灌區(qū)中部，以避免邊際效應(yīng)對典型田塊的測算值產(chǎn)生影響；同時作物的種植品種應(yīng)與整個灌區(qū)保持一致，田塊的管理水平，施肥狀況，田塊的整體平整度、灌溉渠道的類型及長度，要求基本能代表整個樣點灌區(qū)平均水平[4～6]。

3.2 典型田塊凈灌溉水量的測量[7]

開展測量前，為提升田間水層深度的測量精度，利用稻田滲漏量測量裝置對稻田的滲漏量進(jìn)行對比觀測，該測量裝置包括一個桶形的滲桶，在桶壁上開有進(jìn)水口，桶壁內(nèi)安裝有測量尺。測量時，在田間開挖大于滲桶截面的坑，將滲桶埋置在坑內(nèi)，使水口與地面平齊，將土回填，使?jié)B桶內(nèi)的土與田間的表土在同一水平高度，進(jìn)行種植。稻田放水時將滲桶上的進(jìn)水口打開，放完水后利用橡膠塞將進(jìn)水口堵住，即可通過桶壁內(nèi)安裝的測量尺進(jìn)行稻田土壤水滲漏量的測定。測驗地塊地處平原、地勢平坦，地面坡度小，對灌水均勻度的影響可以忽略不計。灌區(qū)的測量采用直接量測法。具體步驟如下：在每個典型田塊的適當(dāng)位置打入木樁，作為測量基準(zhǔn)點。

3.2.1 水稻田在田面有水層時的測定方法

相較無水層田塊，有水層田塊田間土壤達(dá)到飽和含水量，因逐年開展典型田塊灌溉水利用系數(shù)研究，研究田塊具有地下水埋深淺，土壤保水性強(qiáng)，滲漏損失小的特點。因試驗田塊間相對獨立封閉，田間有水層時灌溉產(chǎn)生的串水、滲水可以忽略不計。且小型灌區(qū)有灌溉面積小，泵站實測流量大的優(yōu)勢，一次灌水時間約為12h，植株蒸騰時間短，田面蒸發(fā)小，對水位計量影響微小。記錄每次加水前水位和加水后水位，因田間損失較小，兩者之差可記為加水量。

3.2.2 水稻田灌水前無水層田塊的測定方法

在每個田塊的適當(dāng)位置，灌水前打入木樁，其上端與地面相平。灌水結(jié)束20min后，以此木樁上端作為起點，測定水深，該水深即為不考慮入滲損失的灌水深度H1。無水層田塊加水后有部分水將滲入土壤中，因而在灌水前另外固定某點，采用直徑25cm的圓鐵皮筒（上下直徑相同）插入土中20cm以上，以防止側(cè)滲（筒壁與土壤緊密結(jié)合）。灌水前桶內(nèi)預(yù)鋪設(shè)塑料布等起到防沖作用，灌水前在桶內(nèi)預(yù)先打入木樁，其上端水平，高出地面H（H一般可取大田設(shè)計灌水深度）。迅速加水與木樁頂端齊平，灌水結(jié)束20min后，以此木樁上端作為標(biāo)準(zhǔn)，測定筒內(nèi)水位，此水位與木樁頂端的差值即為灌水過程中的入滲水量H2。此次灌溉的實際灌水深度為：H=H1+H2。對于旱作物，采用計劃濕潤層法。灌水前后分別測定計劃濕潤層土壤含水率，計算凈灌水量。利用上述裝置及水稻全生育期的累計耗水量深度，直接測試出水稻的實際灌水深度，計算出典型田塊的凈灌溉用水定額；結(jié)合樣點灌區(qū)的播種面積，計算出樣點灌區(qū)的凈灌溉用水量。

3.3 樣點灌區(qū)凈灌溉水量的測量

將樣點灌區(qū)中若干塊典型田塊的凈灌溉定額進(jìn)行算術(shù)平均，作為該樣點灌區(qū)的凈灌溉定額；將凈灌溉定額與播種面積相乘，作為樣點灌區(qū)的凈灌溉用水總量。將樣點灌區(qū)凈灌溉水用水總量分析匯總，見表2。

表2 鹽都區(qū)樣點灌區(qū)凈灌溉水量計算表

3.4 樣點灌區(qū)毛灌溉水量的測量

小型灌區(qū)的測算相對簡單，部分小型灌區(qū)在水利配套工程建設(shè)時，在渠首引水頭部安裝了水量計量裝置，試驗中可以借助于該設(shè)備進(jìn)行灌區(qū)毛水量的推算；2020年的測算對于尚未安裝水量計量裝置的灌區(qū)，借助于便攜式流速儀（StalkerⅡSVR型）實測推算，也可以利用輸水渠道中現(xiàn)有的分水閘、量水堰進(jìn)行測量推算。其中佳富灌區(qū)、瑞北灌區(qū)、花季園灌區(qū)的泵站設(shè)計流量分別為 0.15m3/s、0.15m3/s、0.2m3/s，渠首引水量分別為 7.18（萬 m3/年）、4.78（萬 m3/年）、2.60（萬 m3/年），小型灌區(qū)灌溉面積較小，泵站流量較大，有助于減小改水成數(shù)進(jìn)而提升灌水質(zhì)量。

3.5 計算灌溉水有效利用系數(shù)

典型田塊凈灌溉定額試驗結(jié)束后，將參與測算的典型田塊田間凈灌溉情況進(jìn)行整理，得表3。

表3 鹽都區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)計算表

將田間凈灌溉水層深度H（mm）換算為凈灌溉定額（m3/畝）需乘以換算系數(shù)0.667，即：

毛灌溉用水量Wt，采用下式計算：

式中，Q為泵站實測流量，m3/s；T為提水總時長，s。

由此可計算出灌溉水有效利用系數(shù)：

式中，ηw為灌溉水有效利用系數(shù)；mj為凈灌溉定額，m3/畝；Aj為末級固定渠道控制的實灌面積，畝；Wt為毛灌溉用水總量，m3。

典型田塊凈灌溉定額試驗結(jié)束后，將參與測算的典型田塊田間凈灌溉情況進(jìn)行整理，得出鹽都區(qū)2020年農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)為0.670。計算結(jié)果見表4。

表4 鹽都區(qū)小型樣點灌區(qū)計算成果匯總表

鹽城市鹽都區(qū)2020年與2019年的灌區(qū)選擇一致，種植模式相同，所以其結(jié)果具有可比性?，F(xiàn)將2020年農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)與2019年的數(shù)據(jù)相對比，結(jié)論見表5。

表5 鹽都區(qū)2019～2020年灌溉水有效利用系數(shù)匯總表

4 結(jié)論

隨著水資源問題日益突出，水資源利用率在農(nóng)業(yè)灌溉方面日益受到重視，科學(xué)的計算農(nóng)業(yè)灌溉水利用率，可通過合理配置水資源，顯著提升水資源利用率。以鹽城市鹽都區(qū)農(nóng)田灌溉水為例，計算出2020年的農(nóng)業(yè)灌溉水利用率，得到如下結(jié)論：

（1）2020年鹽都區(qū)農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)為0.670，該結(jié)果與鹽都區(qū)現(xiàn)有的農(nóng)田灌溉水平基本相符，與2019年的測算結(jié)果相持平，能較好地反映鹽都區(qū)現(xiàn)有農(nóng)田灌溉水平，本次測算成果基本合理、可靠。

（2）在進(jìn)行樣點灌區(qū)測算時，重點加強(qiáng)了渠首引水量與田間水層深度測量方面的測定，極大地減少因測量誤差對計算結(jié)果造成的影響。

（3）通過試驗實測，鹽都區(qū)2020年農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)為0.670，參考《鹽城市2020年灌溉水有效利用系數(shù)測算成果報告》，鹽都區(qū)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測定結(jié)果在鹽城市所屬各縣（市、區(qū)）中處于領(lǐng)先水平，可為縣域農(nóng)田灌溉用水發(fā)展提供一定參考。