天津市純井灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)測算分析技術(shù)研究

張艷芬 王劍波 陳 韜

(天津市水利科學(xué)研究院，天津 300061)

灌溉水有效利用系數(shù)(以下簡稱系數(shù))是指灌溉面積上作物實(shí)際有效利用水量與渠首進(jìn)水總水量的比值[1]，是表征灌溉用水效率、灌溉效益的重要指標(biāo)[2]。研究純井灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)可直接揭示該地區(qū)地下水灌溉工程技術(shù)水平、管理水平和地下水用水效率[3]，對該地區(qū)的國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展用水效率至關(guān)重要[4]。

近年來，天津市地下水資源嚴(yán)重短缺，2021年天津市純井灌區(qū)有效灌溉面積77.7萬畝，占全市有效灌溉面積的17.32%，純井灌區(qū)實(shí)際灌溉面積占全市實(shí)際灌溉面積的21.12%，純井灌區(qū)毛灌溉用水量為19132.86萬m3，占全市毛灌溉用水量的22.85%，純井灌區(qū)毛灌溉用水量為246.24m3/畝，相對于其他類型灌區(qū)，純井灌區(qū)灌溉面積占比較小，但純井灌區(qū)畝均毛灌溉用水量大于中型、小型灌區(qū)，表明純井灌區(qū)耗水量仍然較高。因此，天津市開展純井灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)測算的分析研究非常重要，可為節(jié)約地下水資源、加強(qiáng)純井灌區(qū)嚴(yán)格管理、制定節(jié)水宏觀政策提供技術(shù)支撐[5]，特別是對“十四五”期間天津市實(shí)現(xiàn)整體系數(shù)水平提高、制定可靠節(jié)水舉措提供科學(xué)依據(jù)[6]。

1 基本概況

天津市位于華北平原東北部，海河流域的下游，北依燕山，東臨渤海，南北長186.0km，東西寬101.3km，海岸線長155.0km。全市總面積11916.86km2，其中平原占93.9%，山區(qū)和丘陵占6.1%。天津市多年平均年降水量574.9mm，降水量由北向南遞減，多年平均蒸發(fā)量約900～1200mm，由北向南遞增，干旱指數(shù)為2.20～2.08。2021年年降水量達(dá)984.1mm，比多年平均年降水量增加71.2%，為特豐水年。2021年全市有農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)井22544眼，其中：淺層地下水機(jī)電井21656眼，深層承壓水機(jī)電井888眼。全市農(nóng)作物播種面積628.80萬畝，其中：糧食面積525.30萬畝，棉花面積11.70萬畝，油料面積1.20萬畝，蔬菜面積79.35萬畝，其他農(nóng)作物面積11.25萬畝。

2021年天津市共有灌區(qū)9136處(涉及天津市10個涉農(nóng)區(qū))，全部為提水灌溉。灌區(qū)有效灌溉面積448.68萬畝，實(shí)際灌溉面積367.84萬畝，農(nóng)業(yè)毛灌溉用水量83718.24萬m3，節(jié)水工程面積395.12萬畝。其中：純井灌區(qū)8071處，有效灌溉面積77.7萬畝，實(shí)灌面積為77.7萬畝，毛灌溉用水量19132.86萬m3，純井灌區(qū)毛灌溉用水量占全市用水量的22.85%；節(jié)水面積69.66萬畝(包括渠道防滲面積12.53萬畝，低壓管灌面積52.23萬畝，噴灌面積3.21萬畝，微灌面積1.69萬畝)，節(jié)水面積占全市節(jié)水面積的17.63%；純井灌區(qū)低壓管道灌溉占純井灌區(qū)節(jié)水面積的74.97%，純井灌區(qū)以低壓管道節(jié)水形式為主。

2 測算方法

2.1 純井樣點(diǎn)灌區(qū)選擇

按照《全國農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測算分析技術(shù)指導(dǎo)細(xì)則》要求[7]，純井灌區(qū)以單井控制灌溉面積作為一個樣點(diǎn)灌區(qū)，按照土質(zhì)渠道地面灌、防滲渠道地面灌、管道輸水地面灌、噴灌、微灌5種灌溉類型分別選擇代表性樣點(diǎn)灌區(qū)，具體要求是：在上述5種灌溉類型中，同種主要土壤類型、同種主要作物至少選擇2個樣點(diǎn)灌區(qū)，且要在省級區(qū)域范圍內(nèi)分布均勻，作物種類應(yīng)選擇當(dāng)?shù)卦摴喔刃问较碌闹饕愋?。對于純井灌區(qū)某種類型灌區(qū)有效灌溉面積占該省級區(qū)域純井灌區(qū)有效灌溉面積30%及其以上時，該類型灌區(qū)樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)量須按上述選取數(shù)量要求的2倍選取。

根據(jù)天津市純井灌區(qū)的實(shí)際情況，2021年純井灌區(qū)選擇14個，綜合考慮地形地貌、灌區(qū)分布、工程設(shè)施、種植作物、水源條件、面積數(shù)量比例、管理水平等各種因素，選擇14個純井灌區(qū)作為2021年的樣點(diǎn)灌區(qū)，樣點(diǎn)灌區(qū)位于天津市南部、西部和北部，分布在天津市除寧河區(qū)、濱海新區(qū)壓采區(qū)外的4個農(nóng)業(yè)大區(qū)，覆蓋范圍廣。所選樣點(diǎn)灌區(qū)種植作物種類多樣，包括小麥、玉米、棉花、蔬菜、草皮。所選樣點(diǎn)灌區(qū)首部均配備量水設(shè)施，具備一定代表性、可行性和穩(wěn)定性。

2.2 典型田塊選取

典型田塊選取要求為：?典型田塊要邊界清楚、形狀規(guī)則、面積適中；?綜合考慮作物種類、灌溉方式、畦田規(guī)格、地形、土地平整程度、土壤類型、灌溉制度與方法、地下水埋深等方面的代表性；?有固定的進(jìn)水口和排水口；?配備量水設(shè)施。對于播種面積超過灌區(qū)總播種面積10%以上的作物種類，須分別選擇典型田塊。

純井樣點(diǎn)灌區(qū)按照土質(zhì)渠道地面灌、防滲渠道地面灌、管道輸水地面灌、噴灌、微灌5種類型進(jìn)行選取，在同種灌溉類型下每種需觀測的作物至少選擇2個典型田塊。因此，14個純井灌區(qū)共選擇56個典型田塊，選擇結(jié)果見表1。

表1 2021年純井灌區(qū)典型田塊選擇情況

2.3 純井灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)測算方法

2.3.1 純井樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)測算

a.典型田塊作物年畝均凈灌溉用水量測定。在典型田塊灌溉前后，計劃濕潤層取40cm或80cm內(nèi)土壤，采用Trime-TDR土壤剖面水分測量儀，分別在20cm、40cm、60cm、80cm土壤深度，直接測定某次典型田塊作物計劃濕潤層內(nèi)土壤體積含水率，按照《灌溉試驗規(guī)范》(SL 13—2015)中公式計算得出典型田塊作物某次畝均凈灌溉用水量，進(jìn)而累加各次用水量得出該典型田塊不同作物年畝均凈灌溉用水量。不同作物測定深度不同，小麥、玉米、棉花、豆類等作物測定深度為0～80cm，蔬菜測定深度為0～40cm[8]。

b.凈、毛灌溉用水量測算。根據(jù)以上計算得出的某種作物典型田塊的年畝均凈灌溉用水量，根據(jù)灌區(qū)內(nèi)不同作物種類實(shí)際灌溉面積，計算得出純井樣點(diǎn)灌區(qū)年凈灌溉用水總量。

純井樣點(diǎn)灌區(qū)毛灌溉用水總量是指灌區(qū)全年從機(jī)井首部取用的灌溉總水量，主要通過直接量測法確定。

c.灌溉水有效利用系數(shù)測算。樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)即直接用灌入田間可被作物吸收利用的水量(凈灌溉用水量)與灌區(qū)從水源取用的灌溉總水量(毛灌溉用水量)的比值來計算[9]。

采用日歷年(2021年1—12月)對天津市純井樣點(diǎn)灌區(qū)進(jìn)行測算分析。

2.3.2 純井灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)測算

以測算14個純井樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)為基礎(chǔ)，采用算術(shù)平均法分別計算土質(zhì)渠道地面灌、防滲渠道地面灌、管道輸水地面灌、噴灌、微灌5種類型樣點(diǎn)灌區(qū)的灌溉水有效利用系數(shù)；然后，按不同類型灌區(qū)年毛灌溉用水量加權(quán)平均，計算得出天津市純井灌區(qū)的灌溉水有效利用系數(shù)，計算公式為

(1)

式中：η土、η防、η管、η噴、η微分別為土質(zhì)渠道地面灌、防滲渠道地面灌、管道輸水地面灌、噴灌、微灌5種類型樣點(diǎn)灌區(qū)的灌溉水有效利用系數(shù)；W省土、W省防、W省管、W省噴、W省微分別為省級區(qū)域土質(zhì)渠道地面灌、防滲渠道地面灌、管道輸水地面灌、噴灌、微灌5種類型純井灌區(qū)的年毛灌溉用水量，萬m3。

3 結(jié)果與分析

3.1 14個純井樣點(diǎn)灌區(qū)

3.1.1 系數(shù)成果

依據(jù)純井樣點(diǎn)灌區(qū)凈灌溉用水量、純井樣點(diǎn)灌區(qū)毛灌溉水量，通過以上測算方法計算得出14個純井樣點(diǎn)灌區(qū)系數(shù)成果。再以14個純井樣點(diǎn)灌區(qū)系數(shù)為基礎(chǔ)，采用算術(shù)平均法分別計算得出土渠、渠道防滲、低壓管道、噴灌、微灌5種類型樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)。經(jīng)計算：土渠、渠道防滲、低壓管道、噴灌、微灌5種類型純井樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)分別為0.8301、0.8107、0.8572、0.8808、0.9217。見表2～表6。

表2 天津市純井灌區(qū)土渠樣點(diǎn)灌區(qū)凈灌溉用水量與灌溉水有效利用系數(shù)計算

表3 天津市純井灌區(qū)防滲渠道樣點(diǎn)灌區(qū)凈灌溉用水量與灌溉水有效利用系數(shù)計算

表4 天津市純井灌區(qū)低壓管道樣點(diǎn)灌區(qū)凈灌溉用水量與灌溉水有效利用系數(shù)計算

表5 天津市純井灌區(qū)噴灌樣點(diǎn)灌區(qū)凈灌溉用水量與灌溉水有效利用系數(shù)計算

表6 天津市純井灌區(qū)微灌樣點(diǎn)灌區(qū)凈灌溉用水量與灌溉水有效利用系數(shù)計算

經(jīng)調(diào)研，天津市純井灌區(qū)現(xiàn)狀土渠灌溉中，原有開挖農(nóng)田土渠仍保留，由于純井灌區(qū)地下水資源短缺而寶貴，隨著塑料小白龍軟管的普遍使用，農(nóng)民灌溉時，習(xí)慣在機(jī)井首部出水管處直接安裝臨時小白龍軟管，延伸到田間地頭進(jìn)行灌溉，采用從地尾到地頭后退時分段進(jìn)行灌溉，小白龍軟管價格合理，可連續(xù)多年多次使用，因此純井灌區(qū)土渠灌溉方式實(shí)際上為移動式軟管灌溉，可大大節(jié)約地下水資源，經(jīng)測算得出純井土渠灌溉水利用系數(shù)為0.8301，其大于以往土渠灌溉系數(shù)的經(jīng)驗值是合理的。由于2021年水利統(tǒng)計年鑒中此灌溉方式仍按土渠統(tǒng)計，故統(tǒng)計口徑仍然為純井灌區(qū)土渠灌區(qū)，這是目前天津市純井灌區(qū)土渠形式的普遍情況。

3.1.2 14個純井樣點(diǎn)灌區(qū)成果年際縱向?qū)Ρ确治?/p>

2021年14個純井樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)為0.8087～0.9331，與2020年比較，變化范圍在-0.0100～0.0463之間，變幅較大的有：薊州區(qū)下倉鎮(zhèn)何各莊村土渠樣點(diǎn)灌區(qū)增加0.0463，薊州區(qū)別山鎮(zhèn)崗上村防滲渠道樣點(diǎn)灌區(qū)增加0.0108，薊州區(qū)許家臺鎮(zhèn)大石峪村噴灌樣點(diǎn)灌區(qū)增加0.0206，薊州區(qū)東施古鎮(zhèn)東安村微灌樣點(diǎn)灌區(qū)減少0.0175，武清區(qū)大王古鎮(zhèn)水活鋪村低壓管道樣點(diǎn)灌區(qū)減少0.0126，武清區(qū)下伍旗鎮(zhèn)齊莊村低壓管道樣點(diǎn)灌區(qū)減少0.0100，其余樣點(diǎn)灌區(qū)灌區(qū)變幅很小或基本不變。

經(jīng)調(diào)研分析原因如下：

a.薊州區(qū)下倉鎮(zhèn)何各莊村、別山鎮(zhèn)崗上村主要為平原淺層地下水區(qū)域，2021年降水量充沛，為特豐水年，該區(qū)域淺層地下水充沛。受天津市農(nóng)業(yè)綜合水價改革以及最嚴(yán)格水資源制度實(shí)施等管理措施影響，3個系數(shù)增加樣點(diǎn)灌區(qū)非常重視節(jié)水管理工作，機(jī)井首部均配套了計量設(shè)施，加強(qiáng)用水管理，對農(nóng)戶加強(qiáng)灌水方式的管控，農(nóng)民節(jié)水意識增強(qiáng)。

b.下倉土渠灌區(qū)采用小白龍軟管輸水至畦田的最遠(yuǎn)端，再由人工拉著軟管由遠(yuǎn)及近倒退式灌溉的模式，這種精細(xì)化的管理極大地提高了灌溉水利用系數(shù)。

c.許家臺鎮(zhèn)大石峪村噴灌灌區(qū)主要種植小麥，采用噴灌灌水方式，灌水技術(shù)員較好地執(zhí)行了定額灌溉，凈灌溉定額較小，一定程度上提高了灌溉水有效利用系數(shù)。

d.3個系數(shù)增加樣點(diǎn)灌區(qū)內(nèi)基本都是實(shí)施農(nóng)機(jī)深松整地作業(yè)，農(nóng)作物全部進(jìn)行秸稈粉碎還田、離田等農(nóng)藝措施，農(nóng)民的土地平整、農(nóng)作物水源涵養(yǎng)意識大幅提升，一定程度上促進(jìn)了系數(shù)提高。

e.薊州區(qū)東施古鎮(zhèn)東安村微灌減少0.0175，其原因是灌區(qū)提高了復(fù)種指數(shù)，擴(kuò)大了葉菜種植面積，苗期采用地面畦田灌溉次數(shù)多，影響了灌溉水有效利用系數(shù)。

f.武清區(qū)大王古鎮(zhèn)水活鋪村管灌減少0.0126，武清區(qū)下伍旗鎮(zhèn)齊莊村管灌減少0.0100，兩灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)不變，2021年灌區(qū)的作物灌水定額較2020年偏大，無效水量增加，影響了灌溉水有效利用系數(shù)。

可見，節(jié)水管理制度嚴(yán)格把控、灌溉模式精細(xì)化管理、按照定額嚴(yán)格灌溉、種植作物類型等因素對樣點(diǎn)灌區(qū)的灌溉水有效利用系數(shù)均有影響。

3.1.3 14個純井樣點(diǎn)灌區(qū)成果橫向?qū)Ρ确治?/p>

14個純井樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)在0.8087～0.9331之間，從不同類型灌溉方式分析，微灌為0.9217、噴灌為0.8808、低壓管道為0.8572、土渠(實(shí)際為小白龍軟灌溉)為0.8301、防滲渠道為0.8107，系數(shù)值依次降低，是符合灌溉水有效利用系數(shù)科學(xué)規(guī)律的。2021年14個純井灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)見圖1。

圖1 2021年14個純井樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)柱狀圖

具體分析如下：

a.土渠灌區(qū)：均種植冬小麥和夏玉米，薊州區(qū)下倉鎮(zhèn)何各莊村系數(shù)為0.8481，田間采用小白龍送水到4m寬畦田的遠(yuǎn)端，由遠(yuǎn)及近倒灌的灌溉模式，凈灌水量較少；而寶坻區(qū)方家莊鎮(zhèn)馬營系數(shù)為0.8120，田間采用小白龍從畦田中間開始分別向兩邊灌溉，凈灌水量較大。

b.防滲渠道灌區(qū)：薊州區(qū)別山鎮(zhèn)崗上村、前樓村灌區(qū)系數(shù)分別為0.8087、0.8127，種植冬小麥和夏玉米，系數(shù)差別不大。

c.低壓管道灌區(qū)：6個低壓管道灌溉的純井灌區(qū)系數(shù)為0.8252～0.8764，其中薊州區(qū)別山鎮(zhèn)秀金屯村最高，灌區(qū)機(jī)井首部用IC卡計量，實(shí)施定額配水節(jié)水獎勵政策，該灌區(qū)管道完好，管道出水口接小白龍輸水到畦田最遠(yuǎn)處，小白龍由遠(yuǎn)及近倒灌，相當(dāng)于田間小畦灌溉。武清區(qū)高村鎮(zhèn)北國之春最低，田間采用從畦田首部漫灌，從出水口處灌溉至最遠(yuǎn)端，水的利用率偏低。

d.噴灌、微灌同類型灌區(qū)系數(shù)差別不大。經(jīng)分析可知，在相同灌溉方式下，田間灌溉時，采用劃分畦田灌溉，實(shí)施精細(xì)化管理灌溉可有效提高用水效率。

3.2 純井灌區(qū)

3.2.1 純井灌區(qū)系數(shù)成果

按照式(1)，在5種類型純井灌區(qū)毛灌溉用水量基礎(chǔ)上，經(jīng)加權(quán)平均計算得出2021年純井灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)為0.8428，與2020年純井灌區(qū)系數(shù)0.8439比較降低了0.0011，可見純井灌區(qū)系數(shù)年際間變化很小。2006—2021年天津市純井灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)為0.7313～0.8440，系數(shù)走向呈現(xiàn)提升后趨于穩(wěn)定的趨勢。2006—2021年天津市純井灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)散點(diǎn)圖見圖2。

圖2 2006—2021年天津市純井灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)散點(diǎn)圖

3.2.2 純井灌區(qū)成果對比分析

2021年純井灌區(qū)系數(shù)變化規(guī)律和節(jié)水工程與投資、管理水平等方面有關(guān)，具體分析如下：

a.節(jié)水工程與投資。近年來，由于天津市純井灌區(qū)節(jié)水工程占有率達(dá)到了89.66%，土渠僅占10.34%，經(jīng)調(diào)研核實(shí)純井灌區(qū)均實(shí)現(xiàn)計量收費(fèi)，農(nóng)民深知地下水源珍貴，節(jié)水意識較強(qiáng)，純井土渠灌溉時基本采用了小白龍軟管進(jìn)行灌溉，相當(dāng)于移動的低壓管道，故純井灌區(qū)節(jié)水占有率實(shí)際達(dá)到了90.00%以上，年際間幾乎沒有節(jié)水潛力。同時2021年天津市在純井灌區(qū)沒有新增節(jié)水工程，沒有工程投資。從節(jié)水工程和投資角度講，沒有提高純井灌區(qū)系數(shù)。

b.管理水平。純井灌區(qū)以1眼機(jī)井為灌溉單元，由于管理單元小，每眼井均能實(shí)現(xiàn)個人負(fù)責(zé)制，田間灌溉管理水平相對較高，而且大部分機(jī)井首部安裝了IC智能控制柜，同時近年來政府主管部門對地下水資源開采管理較嚴(yán)格，地下水節(jié)水宣傳力度較大。與2020年相比，2021年管理水平變化不大，故從管理水平角度講，管理水平年際間變化不大，基本保持穩(wěn)定，沒有提高純井灌區(qū)系數(shù)。

c.降水量突增以及時空分配不均。2021年為特豐水年，降水時空分配極其不均，春季干旱少雨，3—6月比2020年同期降水量減少60.00%，由于3—6月正值作物生長灌溉季節(jié)，蔬菜、冬小麥灌溉水量較大，導(dǎo)致3—6月農(nóng)民搶水灌溉現(xiàn)象較多。然而降水主要集中在7—9月，又正值蔬菜夏季休種期，因此，并不能緩解全年蔬菜、小麥用水缺乏現(xiàn)象。經(jīng)統(tǒng)計2021年純井灌區(qū)單位面積灌溉用水量增加，且單位面積毛灌溉用水量增加幅度大于單位面積凈灌溉用水量，可見降水量時空分布不均等氣候條件造成了農(nóng)民用水恐慌，搶水灌溉，地頭間浪費(fèi)水嚴(yán)重現(xiàn)象，農(nóng)民灌水方式在一定程度上造成了單位面積灌水量增加，純井灌區(qū)的灌溉水有效利用系數(shù)降低。

d.單位面積灌溉用水量增加。2021年純井灌區(qū)實(shí)灌面積77.70萬畝，畝均毛灌溉用水量246.24m3，畝均凈灌溉用水量207.53m3；2020年純井灌區(qū)實(shí)灌面積77.52萬畝，畝均毛灌溉用水量226.47m3，畝均凈灌溉用水量191.13m3；和2020年比較，2021年純井灌區(qū)畝均毛灌溉用水量增加了8.73%，畝均凈灌溉用水量增加了8.58%。

綜上，純井灌區(qū)灌溉水系數(shù)變化與2021年春季干旱少雨、降水量時空分配不均、農(nóng)民搶水灌溉、單位面積灌溉用水量增加等各種因素有關(guān)。

4 結(jié) 語

本文選擇14個純井樣點(diǎn)、56個典型地塊，對2021年天津市純井灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)進(jìn)行了測算與分析，發(fā)現(xiàn)2021年天津市純井灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)測算值為0.8428，高于2021年天津市灌溉水利用系數(shù)值0.7210，和其他大、中、小類型灌區(qū)相比，純井灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)最高，表明純井灌區(qū)節(jié)水效率相對較高，對天津市灌溉水利用系數(shù)值的提升起到了促進(jìn)作用。目前，純井灌區(qū)管理水平較高，節(jié)水面積已達(dá)到純井灌區(qū)有效灌溉面積的89.66%，今后純井灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)提升空間有限。“十四五”期間要想實(shí)現(xiàn)天津市灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)值的穩(wěn)定或提升，建議純井灌區(qū)系數(shù)值保持穩(wěn)定，即對純井灌區(qū)保持現(xiàn)有節(jié)水管理水平，并持續(xù)加強(qiáng)小型、中型灌區(qū)的節(jié)水工程建設(shè)、田間節(jié)水管理工作。