農(nóng)田灌溉用水效率系數(shù)法與首尾測算法對比研究

劉立云

（遼寧省朝陽市朝陽縣水務(wù)局，遼寧 朝陽 122000）

0 引言

灌溉用水是農(nóng)田水利工程消耗水資源量最大的項目，一般利用人工提供充足的水量維持林草、農(nóng)作物的生長需求。為充分利用有效的水資源，在保證農(nóng)作物用水需求的情況下必須切實提升灌溉用水效率，即被作物吸收利用的田間灌入水量與渠首取用的總水量之比，直接反映了農(nóng)田灌水技術(shù)水平和渠系工程的運行情況，對于實現(xiàn)水資源的高效利用和高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)具有重要意義[1]。

目前，水利部門推薦的首尾測算分析法仍然是灌溉用水效率測算的主要方法，雖然該方法能夠解決傳統(tǒng)的物力、人力消耗問題，由于難以保證測試條件、測算工作量大等因素使得測算結(jié)果誤差較大[2-4]。因此，本文針對首尾測算法存在的問題，提出灌溉用水效率系數(shù)法及其計算要點，可為提升灌溉用水效率和設(shè)計農(nóng)田水利工程方案提供數(shù)據(jù)參考。

1 首尾測算方法

1.1 樣本灌區(qū)的選擇

綜合考慮灌溉渠系防滲條件、灌區(qū)類型與面積、水利工程狀況和灌區(qū)自然環(huán)境等因素，合理選擇能夠反映區(qū)域整體特征的樣本灌區(qū)。對于不同規(guī)模的灌區(qū)，可依據(jù)表1 選擇合適的樣本。

表1 灌區(qū)樣本的選擇

根據(jù)表1 中的數(shù)量要求和灌區(qū)選擇的約束條件，采用隨機抽樣的方式確定樣點灌區(qū)，并詳細(xì)掌握樣本區(qū)域內(nèi)的地形地貌、農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)以及水源類型等條件。

1.2 田塊樣點布置

在選擇的灌區(qū)內(nèi)設(shè)置田塊樣點并測定其平均凈灌溉用水量，田塊樣點要形狀規(guī)則、邊界清晰、面積使用，為便于觀測用水?dāng)?shù)據(jù)按照圖1 的方式布置田塊測點[5]。

圖1 田塊測點布置

按照圖1 的布置方式，一般在地下低壓管灌單井控制區(qū)的一角設(shè)置安裝地下水井，采用1 條輸水干管將從井室連接到田間?？紤]控制區(qū)范圍，也可利用多條支管作為干水管向田間輸水，為確保完成灌溉任務(wù)將幾條滴灌帶安裝于每個支管上。對試驗田塊以支管控制域進行各部階段取水，并把2 個土壤水分觀測點設(shè)置在試驗場地的上下部位。低壓管灌的關(guān)鍵就是科學(xué)布置試驗點，對固定試壓塊實施灌水前必須測定土壤含水率，以達到90%的田間土壤持水率為目標(biāo)計算每次灌水所需水量，在此基礎(chǔ)上計算出單位水井出水量。因此，對生育期灌水量已知的作物即可確定每次灌水時間。

1.3 土壤物理參數(shù)測定

灌區(qū)田塊樣點面積利用全站儀測量，將全站儀安裝在田塊樣點位置測量其面積。首先，把帶有棱鏡的對中桿豎立在樣片邊緣的起點上，棱鏡對準(zhǔn)全站儀測定該點坐標(biāo)；然后，將測量設(shè)備按一定的方向移動到田塊邊緣，并測定相應(yīng)的坐標(biāo)；最后，利用全站儀測量第1 個點的最后1 個角的坐標(biāo)，點擊功能鍵結(jié)束測量，田塊面積測量結(jié)果以可視化的方式顯現(xiàn)。

土壤水分含水量是農(nóng)田土壤的主要物理參數(shù)，每次灌水前1 天和灌水后分別采取土樣，每個土樣共4 層，每層厚15cm，每層取兩點利用烘干法平行測定土壤含水量。具體而言，先對土樣稱重并記錄初始質(zhì)量為Mfront，然后將土樣置于180℃的烘箱內(nèi)烘干3min，烘干后再次稱重并記錄處理后的質(zhì)量Mafter，計算Mfront與Mafter的差值，并將差值與Mfront的比值作為土壤含水率。同理，依次計算各土層深度的土壤含水率，最終測定結(jié)果取所有土層含水率平均值。

1.4 量水設(shè)備選型

試驗選用的水資源計量設(shè)施或設(shè)備要符合渠道流量條件要求，在測算分析灌溉用水效率系數(shù)時應(yīng)遵循以下原則選擇量水設(shè)施或設(shè)備[6]：①量水設(shè)備應(yīng)與渠道的水流流態(tài)、過流能力及適當(dāng)范圍內(nèi)水流變化相適應(yīng)；②量水設(shè)備所引起的水頭損失要盡量小，力求下游不發(fā)生沖刷且上游不產(chǎn)生明顯淤積；③為了滿足渠道流量變化要求能夠測量的流量范圍應(yīng)盡可能大，并具有足夠的靈敏度可以及時、準(zhǔn)確地反映水量的變化情況。根據(jù)以上原則和要求，最終選用HD6685 型量水器。該設(shè)備可以精準(zhǔn)地測定流動條件下的灌溉用水，但利用該量水器無法直接計量出土壤以及農(nóng)作物吸收的水。

1.5 田間水觀測參數(shù)

為更加直觀地揭示田間土壤水分的變化特征，建立地下水補給量、降水量等要素在任意時段內(nèi)的轉(zhuǎn)化關(guān)系[7]，采用水平衡方程反映灌區(qū)土壤水量狀況如圖2 所示，即：

圖2 灌區(qū)土壤水量平衡圖

式中：λrain、λNet為有效降水量和灌溉總用水量；λleakage、λETc為田間滲透量和農(nóng)作物蒸發(fā)量；Δλground、Δλdrainage、Δλlayer為地下水補給量、地表排水量和土層滲水量。

在農(nóng)田灌溉充分的情況下，灌溉用水效率主要受作物蒸發(fā)和區(qū)域降水的影響，灌溉充分時的有效降雨均為稻格田蓄納的降雨[8,9]。作物蒸發(fā)量和有效降水量是計算田間水的主要參數(shù)，其中農(nóng)作物的枝條、葉片等在生長過程中呼吸散發(fā)的水分就是作物蒸發(fā)量，作物生育期水深、雨前水深以及降水量等因素與農(nóng)作物有效降水量有關(guān)，采用下式計算不同測點位置上的田間水觀測參數(shù)：

式中：λrain-0為一次降水量；hmax、hi為灌區(qū)最大水深控制標(biāo)準(zhǔn)和降水前水深為灌區(qū)作物參考日蒸發(fā)量和生長期間的作物系數(shù)。

1.6 灌溉用水量觀測

針對不同灌溉方式，從凈灌溉和毛灌溉的角度計算用水量。其中，毛灌溉一般適用于井灌區(qū)，將水量觀測點設(shè)立在每個井出口處，井出水口流量和一次灌溉總水量利用超聲波檢測確定，對樣點灌溉用水量利用直接觀測法和測量法確定。根據(jù)作物生長狀況和灌區(qū)土壤特點，分水稻生育期和泡田期分別計算凈灌溉用水量，可利用下式計算水稻生育期灌水量λGrowth和泡田期灌水量λBubble[10]：

式中：χi、ΔV為灌區(qū)有水層和無水層時的用水量；L'、L0為灌溉前和灌溉后的水位置；φ0、φ2為作物生長和干燥階段的土壤含水率；H、H0為作物底層深度及其種植期間所需水層深度；μ0、μ1為土壤初始含水率和測算期平均含水率；β為指定位置的土壤容重。最后，將水稻生育期灌水量λGrowth和泡田期灌水量λBubble求和得到灌溉用水總量測算結(jié)果。

1.7 用水損失量計算

由于農(nóng)作物要保持一定的水深使得水分經(jīng)常以滲透的方式流失，并且作物間接耗水量以田間滲漏為主，故排水和滲漏是引起灌溉用水損失的主要途徑。大田適度滲水有利于排除積累的還原性物質(zhì)，加快土壤氧化速度，但滲水過多因造成土壤養(yǎng)分和作物水分的流失。實際測量時可以利用田塊樣點中安設(shè)的蓄水設(shè)備，結(jié)合蓄水設(shè)備在灌溉前、后計量的水位差統(tǒng)計確定滲漏量。一般利用量水設(shè)備直接測算排水量，通過讀取設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)確定。因此，最終的用水損失量計算結(jié)果就是滲漏量與排水量兩者之和。

1.8 灌溉用水效率系數(shù)測算

考慮用水效率系數(shù)的具體內(nèi)涵，可以將作物吸收利用的田間灌入水量與水源引出水量的比值看作是灌溉用水效率系數(shù)δ計算結(jié)果，其計算公式如下：

式中：λGross為毛灌溉數(shù)據(jù)。

2 實例應(yīng)用

2.1 項目區(qū)概況

以朝陽縣農(nóng)田水利高效節(jié)水灌溉項目為例，工程設(shè)計灌溉方式為管灌、提灌、自流引灌、微灌和噴灌，種植作物為玉米及果樹，建設(shè)面積30000畝。新建水源井115 眼，維修水源井61 眼，新建井房共計137 座，維修井房39 座；新增各型水泵176 臺套，新增變壓器74 臺套，鋪設(shè)低壓線路共計35.2km，高壓線路8.8km，鋪設(shè)主管路5.14 萬m，支管路20.57 萬m，PE 軟帶3 萬m，滴管帶225 萬m。

2.2 樣點數(shù)量與分布

根據(jù)田塊樣點的選擇原則，在項目區(qū)內(nèi)隨機選擇8 個樣點進行測量，樣點參數(shù)如表2 所示?？紤]樣點灌區(qū)布設(shè)情況劃分多個組別，通過測算分析檢驗了用水效率系數(shù)測算法的可信度與可行性。

表2 樣點布設(shè)情況

2.3 用水?dāng)?shù)據(jù)樣本

收集整理測算期間的水蒸發(fā)量、降水量和農(nóng)田的實際灌溉用水量，直接利用硬件設(shè)備可以測量出水蒸發(fā)量和降水量，考慮到選取的各個樣點屬于統(tǒng)一項目，故所有蒸發(fā)量和降水量數(shù)據(jù)相同，統(tǒng)計數(shù)據(jù)如圖4 所示。各測點區(qū)域內(nèi)的毛灌溉和凈灌溉用水量可利用人為添加的方式確定，通過公式(5)和已獲取的樣點數(shù)據(jù)可以確定用水效率系數(shù)真實值，并以此為基準(zhǔn)驗證測算精度。

圖4 樣點降水量和蒸發(fā)量統(tǒng)計數(shù)據(jù)

2.4 設(shè)施效果測試參數(shù)

針對試驗?zāi)繕?biāo)合理確定量化測試指標(biāo)為用水效率系數(shù)測算誤差值其中δcal、δact為用水效率系數(shù)測算值和實際值，經(jīng)計算誤差值ε越小則用水效率系數(shù)測算法的性能越好。

2.5 結(jié)果與分析

在對比測算方法和設(shè)計系數(shù)測算方法中分別代入農(nóng)田水利工程樣本數(shù)據(jù)，經(jīng)一系列計算確定灌溉用水效率系數(shù)及其平均測算誤差，如表3 所示。結(jié)果顯示，首尾測算法和用水效率系數(shù)測算法的平均測算誤差分別為0.0019、0.0004，用水效率系數(shù)測算法可以明顯提高測算精度。

表3 灌溉用水效率系數(shù)測算結(jié)果

3 結(jié)論

農(nóng)田灌溉是“用水大戶”，在滿足作物用水需求的情況下，各級政府和管理部門要最大程度地減少和控制灌溉用水量。灌溉用水效率測算是評價農(nóng)田水利工程的有效途徑，測算成果的準(zhǔn)確性和測算方法的簡便性在很大程度上決定了農(nóng)田水利工程的后評價結(jié)果。研究表明，用水效率系數(shù)測算法可以大幅度提高農(nóng)田水利工程灌溉用水測算精度，有效保證測算結(jié)果精準(zhǔn)度，具有一定的推廣和應(yīng)用價值。