祁縣高效節(jié)水灌溉工程中灌溉水利用系數(shù)的測算

趙曉棟

（山西萬水水利勘測設(shè)計咨詢有限公司，山西 太原 030024）

0 引言

灌溉水利用系數(shù)取值大小往往與灌區(qū)自然地理條件、用水管理制度、灌溉技術(shù)水平等有關(guān)，也是評價灌區(qū)灌溉水利用程度和效率的基本指標(biāo)。通過科學(xué)測算和分析灌溉水利用系數(shù)，有助于合理評價灌區(qū)灌溉水利用程度及節(jié)水潛力，為灌區(qū)灌溉水資源節(jié)約使用及灌區(qū)可持續(xù)發(fā)展提供借鑒指導(dǎo)。

1 工程概況

祁縣地處山西省太原盆地中部以東的汾河?xùn)|側(cè)，祁縣高效節(jié)水灌溉示范區(qū)主要包括城趙鎮(zhèn)灌區(qū)和東觀鎮(zhèn)灌區(qū)，其中城趙鎮(zhèn)高效節(jié)水灌溉項目區(qū)位于汾河及昌源河以南，京昆高速路以東，其南北長約5.45 km，東西寬約2.32 km，屬河谷盆地，灌區(qū)內(nèi)地形整體平坦，并主要呈現(xiàn)出北高南低，東高西低的漸變趨勢。區(qū)內(nèi)海拔753～763 m，地面坡度基本在0.13%～0.40%。目前項目區(qū)內(nèi)水利設(shè)施大多存在標(biāo)準(zhǔn)低，老化失修，輸水能力低等問題，并且灌溉基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)年代久遠(yuǎn)、與現(xiàn)狀供水需求極不匹配，灌溉技術(shù)落后，缺乏科學(xué)有效的管理，導(dǎo)致灌區(qū)水資源在灌溉過程中漏損、浪費(fèi)較為嚴(yán)重，既嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量，更嚴(yán)重阻礙了灌區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)調(diào)整及可持續(xù)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

祁縣城趙鎮(zhèn)豐固村、苗家堡村、修善村、原東村、城趙村、城趙莊6村及東觀鎮(zhèn)白圭村通過采用高效節(jié)水灌溉技術(shù)改善灌溉面積867.13 hm2。工程設(shè)計水平年確定為2020年。通過高效節(jié)水灌溉技術(shù)的應(yīng)用，并嚴(yán)格遵守《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)技術(shù)要求，設(shè)計灌溉保證率按照低壓管灌75%，小管出流灌、滴灌、微噴灌85%進(jìn)行控制。

2.2 研究方法

主要采用首尾測算法進(jìn)行城趙鎮(zhèn)高效節(jié)水灌溉項目區(qū)灌溉水利用系數(shù)測算，該方法僅進(jìn)行最終灌溉至作物計劃潤濕層水量和渠首總引水量測算，無需測算輸配水及灌溉過程中灌溉水量損失，從而計算灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)。應(yīng)用該方法能避開渠系水有效利用系數(shù)測算這一難題，大大減少測算工作量。結(jié)合灌區(qū)特殊的自然條件和作物種類，選擇典型區(qū)域直接進(jìn)行渠首引入或取用的毛灌溉水量、實際田間灌溉用水量等的測量，并通過下式進(jìn)行灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)計算：

式中：ηw—城趙鎮(zhèn)高效節(jié)水灌溉項目區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)；Wj—城趙鎮(zhèn)高效節(jié)水灌溉項目區(qū)凈灌溉用水總量（m3）；Wa—項目區(qū)毛灌溉用水總量（m3）。

3 過程與結(jié)果

灌區(qū)規(guī)模、地理位置、管理水平、工程現(xiàn)狀、實際可供水量等因素均對灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)有不同程度的影響，為準(zhǔn)確確定灌區(qū)灌溉用水實際利用程度，在進(jìn)行其灌溉水利用系數(shù)測算的過程中必須確定典型樣點(diǎn)灌區(qū)，通過首尾測算法測算出典型樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)，再通過加權(quán)平均進(jìn)行全部灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)的測算。

城趙鎮(zhèn)高效節(jié)水灌溉項目區(qū)地處暖溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，項目區(qū)內(nèi)灌溉水資源主要為地下水資源，基本無地表水資源可利用。全區(qū)農(nóng)業(yè)用水主要是梨樹田用水，所以，此次灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)測算以梨樹田灌溉用水為主要對象，測定時間為4-11月，即梨樹的一個全生育周期。

結(jié)合灌區(qū)灌溉設(shè)施現(xiàn)狀、水源條件、種植結(jié)構(gòu)、作物種類、管理水平及灌區(qū)分布情況，將典型樣點(diǎn)灌區(qū)選擇在修繕村北和苗家堡村東的梨樹集中種植區(qū)，修繕村北種植區(qū)地塊南北寬200 m，東西長420 m，面積8 hm2；苗家堡村東地塊南北寬176 m，東西長470 m，面積8.9 hm2。工程所在區(qū)域土質(zhì)主要為中壤土，根據(jù)地質(zhì)勘查資料，土壤實際容重1.40 g/cm3，田間土壤持水量取值在24%～26%之間，凍土層深度均值為0.80 m。兩個地塊主要種植梨樹，部分地塊夾雜大田作物，梨樹種植方向為南北向，行距3.50 m，株距2.50 m；根據(jù)調(diào)查，梨樹耗水高峰期在每年的7月份，且每年7月梨樹日耗水量均值在4～5 mm/d范圍。項目區(qū)西南向現(xiàn)有蓄水池可提供水源。

3.1 毛灌溉用水總量

灌區(qū)在一個灌溉年度內(nèi)從水源地取用于農(nóng)業(yè)灌溉的總水量即為毛灌溉用水總量，其值為水源地總?cè)∷恐袦p除因防洪搶險、工程保護(hù)等原因而發(fā)生的渠道棄水量、灌區(qū)退水量等的余額。在進(jìn)行城趙鎮(zhèn)高效節(jié)水灌溉項目區(qū)典型樣點(diǎn)灌區(qū)毛灌溉用水量測算時，必須借助渠首流量實測值進(jìn)行渠首水量估算，對于通過節(jié)制閘控制自流引水的情況下，必須進(jìn)行開關(guān)閘時間及對應(yīng)水位記錄，基于此進(jìn)行不同水位差所對應(yīng)過閘流量率定以及毛灌溉水量推算。

3.2 凈灌溉用水總量

典型樣點(diǎn)灌區(qū)梨樹灌水方式均為田間水層淹灌，故其凈灌溉需水量由坐果需水量、泡田需水量、全生育周期蒸發(fā)水量、滲漏量等構(gòu)成。以梨樹需水量標(biāo)準(zhǔn)灌溉用水定額與實測灌溉用水定額兩者測定值的定額評比結(jié)果為典型灌區(qū)凈灌溉用水總量。

3.2.1 標(biāo)準(zhǔn)灌溉用水定額

通過田測和坑測相結(jié)合的方法測試?yán)鏄錁?biāo)準(zhǔn)灌溉定額，并主要采用灌區(qū)常用且高產(chǎn)的淺濕調(diào)控灌溉技術(shù)。灌區(qū)梨樹不同生長期內(nèi)土壤水分及水層控制指標(biāo)詳見表1。

表1 灌區(qū)梨樹土壤水分及水層控制指標(biāo)表

灌區(qū)梨樹全生育周期內(nèi)凈灌溉定額按照下式確定：

式中：M—梨樹全生育周期內(nèi)凈灌溉定額（mm）；ETc—梨樹蒸騰需水量（mm）；Fd—梨樹全生育周期內(nèi)滲漏量（mm）；M0—泡田水量（mm）；Pe—梨樹全生育周期內(nèi)有效雨量（mm）；Ge—梨樹全生育周期內(nèi)地下水利用量（mm）。

以上各參數(shù)中，①泡田水量定額通常應(yīng)用設(shè)置于泡田試驗田塊進(jìn)水口處的三角量水堰，進(jìn)行泡田用水全過程測定后的數(shù)據(jù)進(jìn)行測算。②田間設(shè)置水層的情況下，梨樹蒸騰量以灌區(qū)附近蒸發(fā)站所在日蒸發(fā)量數(shù)據(jù)為準(zhǔn)；田間未設(shè)置水層情況下，每日進(jìn)行灌區(qū)周圍地下水位井觀測，間隔5 d進(jìn)行1次土壤含水率觀測，如遇降雨、灌水及生育階段轉(zhuǎn)換期，必須加測。通過取土鉆按照20 cm厚度分層取土，直至地下水埋深，并通過烘干法進(jìn)行土壤水分消耗量計算，據(jù)此推算典型樣點(diǎn)灌區(qū)梨樹實際蒸騰量，公式如下：

式中：ET1-2—典型樣點(diǎn)灌區(qū)梨樹實際蒸騰量（mm）；Ri—第i層土層所對應(yīng)的土壤干容重（g/cm3）；Hi—第i層土層土壤的實際層厚（cm）；Wi-1—第i層土層在檢測初的實際含水率（%）；Wi-2—第i層土層在檢測完畢的實際含水率（%）；M—時段內(nèi)灌水量定額（mm）；P—時段內(nèi)降水量（mm）；K—時段內(nèi)地下水補(bǔ)給量（mm）；C—時段內(nèi)排水量（mm）。

③觀測時段內(nèi)有效雨量按照農(nóng)田灌溉水量平衡原理及下式確定：

式中：P0—研究時段內(nèi)有效雨量（mm）；ET—研究時段內(nèi)蒸騰量（mm）；F—灌區(qū)灌溉水量滲漏量（mm）；h1—研究時段開始時水層深度（mm）；h2—研究時段結(jié)束時水層深度（mm）。

3.2.2 實測灌溉用水定額

通過水位變化法進(jìn)行典型樣點(diǎn)灌區(qū)實測灌溉用水定額測算，公式如下：

式中：h1—灌區(qū)灌水深度（mm）；he—灌溉結(jié)束后田間水深（mm）；hs—灌溉開始時田間水深（mm）。

該灌區(qū)典型區(qū)域灌溉前必須將木樁打入各田塊中適當(dāng)位置，并使木樁上端頭與起始水位齊平，待灌溉完畢1/2 h后進(jìn)行木樁上端頭與實際水面線之間距離H1的測定，結(jié)果就是灌溉水深度。灌溉開始前在各田塊另外確定測點(diǎn)，并將無底圓柱形鐵筒埋在地面以下20 cm處，使鐵筒側(cè)壁與土壤密切貼合。灌溉開始前在鐵筒內(nèi)打入木樁，并使木樁上端頭與鐵筒上端齊平，超出地面的高度就是灌區(qū)灌水深度設(shè)計值H。在測量出H實際值后應(yīng)迅速加水直至水面線與木樁頂端齊平后結(jié)束灌水，并在灌水結(jié)束1/2 h后測定木樁上端頭到鐵筒內(nèi)實際水面線距離，該距離就是土層滲水量H2。根據(jù)以上測量結(jié)果，該灌區(qū)特定土壤條件下灌溉水實際深度H為H1和H2之和。

3.2.3 凈灌溉用水量

通過標(biāo)準(zhǔn)灌溉定額評價法進(jìn)行典型灌區(qū)灌溉用水量計算，具體而言，就是比較灌區(qū)內(nèi)測點(diǎn)灌溉定額實際值和標(biāo)準(zhǔn)值，如果實際值低，則應(yīng)采用灌溉定額實際值，相反，則采用灌溉定額標(biāo)準(zhǔn)值。根據(jù)所確定出的灌溉應(yīng)用水定額，通過下式進(jìn)行典型灌區(qū)凈灌溉用水總量計算：

式中：W—典型灌區(qū)第i種作物單位面積凈灌溉用水量（m3/hm2）；Mi—典型灌區(qū)第i種作物灌水量定額（mm）；Ai—典型灌區(qū)第i種作物實際灌溉面積（hm2）。

根據(jù)以上方法可以進(jìn)行2021年城趙鎮(zhèn)高效節(jié)水灌溉項目區(qū)各典型灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)值，結(jié)果詳見表2。

表2 典型樣點(diǎn)灌區(qū)2021年灌溉水利用系數(shù)表

3.3 全灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)

根據(jù)前述首尾測算法基本原理，城趙鎮(zhèn)高效節(jié)水灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)應(yīng)當(dāng)為全項目區(qū)凈灌溉用水量和毛灌溉水量之比，公式表示如下：

式中：ηW′—城趙鎮(zhèn)高效節(jié)水項目區(qū)灌溉水利用系數(shù)；W′j—項目區(qū)凈灌溉用水量（萬m3）；W′a—項目區(qū)毛灌溉用水量（萬m3）。

應(yīng)用以上方法所得到的城趙鎮(zhèn)高效節(jié)水灌區(qū)2021年灌溉水利用系數(shù)為0.58，該結(jié)果表明灌區(qū)灌溉水利用水平提升空間較大，必須通過完善管理制度、優(yōu)化灌溉措施等提升灌區(qū)灌溉水利用程度。

4 結(jié)論

綜上所述，采用首尾測算法測算具體灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)的過程中僅需要已知灌區(qū)渠首引進(jìn)水量、典型作物最終消耗水量，從而使測算過程大大簡化，測算結(jié)果可信度可基本保證。為保證測算過程的嚴(yán)謹(jǐn)性，必須結(jié)合灌區(qū)實際情況合理選擇典型樣點(diǎn)灌區(qū)，保證其具有代表性，并通過單個權(quán)重體現(xiàn)其代表性的變動程度；凈灌溉定額的確定必須準(zhǔn)確，以確保在此基礎(chǔ)上所測算出的灌溉水利用系數(shù)的準(zhǔn)確性。