農(nóng)業(yè)灌溉試驗(yàn)的灌溉水量調(diào)節(jié)技術(shù)研究

王建軍

（甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心，甘肅 景泰 730400）

0 引言

水是農(nóng)業(yè)發(fā)展必不可少的自然資源，水資源灌溉效果直接影響農(nóng)業(yè)產(chǎn)值。目前我國的人均水資源嚴(yán)重不足，由水資源不足造成的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境建設(shè)問題也越來越多，因此，需要從農(nóng)業(yè)灌溉著手，調(diào)節(jié)灌溉水量，降低灌溉耗水總量。截至2021年9月，我國農(nóng)田有效灌溉面積達(dá)到0.69億hm，但應(yīng)用節(jié)水灌溉調(diào)節(jié)工程的僅占總灌溉面積的1/2，其中滿足節(jié)水灌溉高效性要求的更是少之又少。這也證明現(xiàn)有的灌溉水量調(diào)節(jié)技術(shù)的調(diào)節(jié)效果有限，無法滿足目前的灌溉需求。

我國將現(xiàn)有的灌溉區(qū)域劃分大型灌溉區(qū)、中型灌溉區(qū)、小型灌溉區(qū)3種，其中大型灌溉區(qū)有400多處，中型灌溉區(qū)有5 000多處，小型灌溉區(qū)有1 000多萬處。不同類型灌溉區(qū)的灌溉面積不同，使用的灌溉水量調(diào)節(jié)技術(shù)自然存在一定的差異。為了滿足農(nóng)業(yè)灌溉的可持續(xù)發(fā)展需求，降低農(nóng)業(yè)灌溉總耗水量，需要根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀設(shè)計(jì)一種新的灌溉水量調(diào)節(jié)技術(shù)，保證高效灌溉調(diào)節(jié)，為后續(xù)的農(nóng)業(yè)灌溉發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1 農(nóng)業(yè)灌溉水量調(diào)節(jié)技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 多目標(biāo)優(yōu)化配置灌溉水資源

不同作物在不同生長階段所需的灌溉水資源總量存在一定的差異。為了提高農(nóng)業(yè)灌溉水量的調(diào)節(jié)效果，筆者使用多目標(biāo)優(yōu)化配置原則進(jìn)行灌溉水資源配置。首先，需要尋找一個(gè)初始灌溉水量調(diào)節(jié)向量，組成一個(gè)初始向量函數(shù)。該函數(shù)必須滿足目前的灌溉水資源配置調(diào)節(jié)。此時(shí)設(shè)計(jì)的水資源多目標(biāo)配置框架如圖1所示。

圖1 水資源多目標(biāo)配置框架

由圖1可知，可以將該水資源多目標(biāo)配置框架看成一個(gè)目標(biāo)方程，存在一個(gè)初始決策變量和若干個(gè)約束條件，此時(shí)存在的目標(biāo)函數(shù)()、決策變量、約束條件g()如下所示：

公式（1）～（3）中：(),(),…,f()代表目標(biāo)函數(shù)項(xiàng)，,…,x代表目標(biāo)函數(shù)向量，代表決策變量。結(jié)合上述計(jì)算式可以對灌溉水資源進(jìn)行定量分析。

經(jīng)過進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行灌溉水量調(diào)節(jié)求解較困難，無法進(jìn)行有效的多目標(biāo)規(guī)劃，因此，筆者使用帕累托最優(yōu)概念進(jìn)行理想化資源分配。假設(shè)存在一個(gè)基礎(chǔ)的水資源調(diào)節(jié)灌溉群體，且可分配的資源始終呈動態(tài)變化狀態(tài)，此時(shí)可以結(jié)合Pareto解集完成灌溉水資源多目標(biāo)優(yōu)化。

Pareto解集是一種最優(yōu)解支配解集，能快速進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化分配，得到2個(gè)不同的可行解，此時(shí)該解集內(nèi)部的數(shù)據(jù)存在相互支配關(guān)系。因此，各個(gè)求解目標(biāo)都是等價(jià)的，無法進(jìn)行統(tǒng)一比較。該解集的描述式如式（4）所示：

公式（4）中：λ代表解集目標(biāo)，代表最優(yōu)解矢量，X代表交叉解。該解集可以有效地在目標(biāo)空間中映射，形成一個(gè)Pareto前沿面，在該前沿面進(jìn)行決策可以成功得出一個(gè)有效、滿意的灌溉水資源配置解，完成灌溉水資源的多目標(biāo)優(yōu)化配置。

1.2 計(jì)算農(nóng)業(yè)灌溉總需水量

各個(gè)農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)種植的作物不同，其需水規(guī)律也存在一定的差異。為了提高灌溉水量調(diào)節(jié)的有效性，需要統(tǒng)一計(jì)算農(nóng)業(yè)灌溉所需的總水量。研究表明，各個(gè)灌溉區(qū)灌溉需水量存在較多的影響因素?；诖耍P者繪制了灌溉總需水量影響示意圖，如圖2所示。

圖2 灌溉需水量影響示意圖

由圖2可知，作物的種植起始時(shí)間及各個(gè)種植區(qū)域的適宜水層上限、土壤含水量下限、最大蓄水深度、計(jì)劃濕潤層深均對作物總需水量有較大的影響。因此，筆者使用均值求解法進(jìn)行灌溉需水量求解。首先，結(jié)合水面蒸發(fā)總量與作物吸水系數(shù)，計(jì)算需水量，如公式（5）所示：

公式（5）中：代表作物吸水系數(shù)，代表相同時(shí)間段水面的蒸發(fā)總量，單位為mm。在自然條件不同的情況下，作物的需水量存在一定的差異。因此，在進(jìn)行灌溉水量調(diào)節(jié)時(shí)需要計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)的灌溉定額M，單位為mm，如公式（6）所示：

公式（6）中：代表某時(shí)間段的滲漏量，單位為mm；代表某時(shí)間段的灌溉水量，單位為mm。在實(shí)際灌溉過程中，該灌溉定額應(yīng)該始終處于最大值，且應(yīng)該滿足農(nóng)業(yè)灌溉水量調(diào)節(jié)的平衡方程（），如公式（7）所示：

公式（7）中：H代表灌溉區(qū)水層深度，單位為mm；代表有效降雨量，單位為mm；代表深層滲透量，單位為mm；W代表排水總量，單位為m/s。結(jié)合上述計(jì)算式可以構(gòu)建灌溉需水量調(diào)節(jié)模型，如公式（8）所示：

使用該調(diào)節(jié)模型可以成功計(jì)算灌溉區(qū)域的需水總量，進(jìn)行高效的灌溉水量調(diào)節(jié)，降低灌溉水量調(diào)節(jié)難度。

1.3 設(shè)計(jì)灌溉水量調(diào)節(jié)優(yōu)化方案

根據(jù)農(nóng)業(yè)灌溉總需水量的計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)灌溉水量調(diào)節(jié)優(yōu)化方案。在設(shè)計(jì)灌溉水量調(diào)節(jié)優(yōu)化方案前，需要判斷灌溉區(qū)域的實(shí)時(shí)水面蒸發(fā)情況，確定初始水層深度，再結(jié)合不同工作環(huán)境制訂恒定非均勻灌溉水量調(diào)節(jié)框架，如圖3所示。

圖3 灌溉水量調(diào)節(jié)優(yōu)化方案框架

由圖3可知，在進(jìn)行灌溉調(diào)節(jié)初期，可以根據(jù)灌水定額及灌溉調(diào)節(jié)單元數(shù)量進(jìn)行灌溉水量調(diào)節(jié)模擬，再根據(jù)區(qū)域供水計(jì)劃和灌溉水流量構(gòu)建相關(guān)的調(diào)節(jié)模擬模型，最后結(jié)合灌溉面積和閘下水位完成灌溉水量調(diào)節(jié)優(yōu)化。在上述方案應(yīng)用過程中，需要考慮灌溉水量調(diào)節(jié)區(qū)域的實(shí)際情況，可以將每個(gè)調(diào)節(jié)區(qū)域看作一個(gè)調(diào)節(jié)單元進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后還需要進(jìn)行調(diào)節(jié)驗(yàn)證，即每個(gè)調(diào)節(jié)單元的調(diào)節(jié)參數(shù)均需要大于標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)參數(shù)。這樣才能最大限度地降低灌溉水量調(diào)節(jié)的難度，提高灌溉水量調(diào)節(jié)的有效性，降低灌溉耗水總量。

2 實(shí)例分析

2.1 概況及準(zhǔn)備

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)灌溉水量調(diào)節(jié)技術(shù)的調(diào)節(jié)效果，選取景泰川提灌工程進(jìn)行實(shí)例分析，劃分了10個(gè)不同大小的灌溉區(qū)域，測試不同區(qū)域的灌溉總耗水量。

景泰川提灌工程屬于Ⅱ型提灌工程，位于甘肅省，整體揚(yáng)程、流量均較大，運(yùn)行梯級也較高。該工程的建設(shè)使用使整個(gè)灌溉區(qū)域改變了原有的沙丘荒蕪灌溉環(huán)境，給灌溉區(qū)的人們帶來了一定的生活保障。景電二期工程平田整地、渠系配套、植樹造林等10多項(xiàng)田間工程獲得了聯(lián)合國世界糧食計(jì)劃署援助，工程建設(shè)質(zhì)量和效益得到了世界糧食計(jì)劃署和國家多部委的充分肯定。除此之外，景電工程相關(guān)人員在建管過程中總結(jié)形成了一整套高揚(yáng)程電力提灌工程運(yùn)行管理制度，工程效益明顯提升，水資源利用率排在全國前列；制造并使用直徑達(dá)1.4 m的砼預(yù)應(yīng)力管，實(shí)現(xiàn)高揚(yáng)程電力提灌泵站遠(yuǎn)程開停機(jī)控制；成功在西北高寒地區(qū)運(yùn)用碎砂石換填施工技術(shù)增加凍深，解決渠道凍脹難題；使用了北方多泥沙明渠一體化遠(yuǎn)程智能閘門測控量水設(shè)備，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)水資源高效管理和節(jié)水灌溉，優(yōu)化水資源配置。

為提高景泰川提灌工程的灌溉性能，相關(guān)部門近幾年進(jìn)行了小規(guī)模的支渠、干渠改造，加大了灌溉水量調(diào)節(jié)力度。景泰川提灌工程分不同的工期，二期工程于1994年竣工，平均提水高度約460 m，灌溉總面積也達(dá)到了34 700 hm。二期工程始于左岸二泵站，跨越大沙河，途徑六泵站、七泵站，進(jìn)入灌區(qū)。該灌區(qū)共涵蓋若干條渠道，修建了若干個(gè)泵站。景泰川提灌工程渠道的主要參數(shù)如表1所示。

表1 景泰川提灌工程渠道參數(shù)

由表1可知，該提灌工程共含5個(gè)干渠，存在不同規(guī)格的石渠斷面。為了提高灌溉有效性，規(guī)劃了4種不同類型的過水?dāng)嗝?，如圖4所示。

圖4 過水?dāng)嗝骖愋?/p>

由圖4可知，不同石渠的斷面面積不同。由于景泰川提灌工程處于黃土高原向沙漠高原的過渡地帶，氣溫干旱，日照時(shí)間較長，因而，其溫差也較大，平均降雨量小，凍土深度較深。為了提高灌溉水量調(diào)節(jié)試驗(yàn)的有效性，試驗(yàn)進(jìn)行了特征斷面選取，在78個(gè)基礎(chǔ)特征斷面中提取與灌溉調(diào)節(jié)試驗(yàn)最擬合的灌溉斷面，并將該斷面劃分成不同的灌溉區(qū)域進(jìn)行灌溉編號。選取的灌溉水量調(diào)節(jié)區(qū)域及其面積如表2所示。

表2 灌溉面積

由表2可知，劃分的灌溉面積存在一定的差異，符合試驗(yàn)的需求，可以作為后續(xù)應(yīng)用效果評估的基礎(chǔ)。

2.2 應(yīng)用效果與討論

結(jié)合景泰川提灌工程的灌溉概況，在劃分的10個(gè)不同的灌溉區(qū)域分別使用設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)灌溉水量調(diào)節(jié)技術(shù)和常規(guī)的農(nóng)業(yè)灌溉水量調(diào)節(jié)技術(shù)進(jìn)行灌溉水量調(diào)節(jié)，記錄兩種方法在不同灌溉區(qū)域的灌溉耗水總量，結(jié)果如表3所示。

表3 兩種農(nóng)業(yè)灌溉水量調(diào)節(jié)技術(shù)灌溉耗水總量

由表3可知，筆者設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)灌溉水量調(diào)節(jié)技術(shù)在不同灌溉區(qū)域的灌溉耗水總量較低，而常規(guī)的農(nóng)業(yè)灌溉水量調(diào)節(jié)技術(shù)灌溉耗水總量則較高，證明設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)灌溉水量調(diào)節(jié)技術(shù)的灌溉效果好，符合綠色可持續(xù)發(fā)展要求，有一定的應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)語

農(nóng)業(yè)是我國的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，農(nóng)業(yè)灌溉效果直接影響糧食總產(chǎn)值，對我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展也有重要意義。隨著我國人均水資源占有量的降低，常規(guī)的農(nóng)業(yè)灌溉水量調(diào)節(jié)技術(shù)已經(jīng)逐漸無法滿足可持續(xù)發(fā)展需要，灌溉耗水總量較高。因此，筆者結(jié)合農(nóng)業(yè)灌溉現(xiàn)狀設(shè)計(jì)了一種新的農(nóng)業(yè)灌溉水量調(diào)節(jié)技術(shù)，并進(jìn)行實(shí)證分析。結(jié)果表明，采用筆者設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)灌溉水量調(diào)節(jié)技術(shù)，不同區(qū)域調(diào)節(jié)后的灌溉總耗水量均較低，證明其調(diào)節(jié)效果較好，有一定的應(yīng)用價(jià)值，可滿足農(nóng)業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展要求。