云南高原山區(qū)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測算分析

曹 言，李尤亮，王樹鵬,2，張 雷，周筱妍，王 杰，韓 玲

(1.云南省水利水電科學(xué)研究院，云南 昆明 650228；2.永善縣專家基層科研工作站，云南 昭通 657300；3.永善縣水務(wù)局，云南 昭通 657300)

農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)是指每次灌水灌入田間可被作物利用的水量與渠首總引用水量的比值[1]，其作為最嚴(yán)格水資源管理制度“三條紅線，四項指標(biāo)”的重要內(nèi)容，是衡量灌區(qū)灌溉工程現(xiàn)狀、灌溉用水管理水平和灌溉技術(shù)水平的綜合指標(biāo)之一，是合理評估灌區(qū)灌溉水利用效率和農(nóng)田灌溉節(jié)水潛力的基礎(chǔ)[2-4]。農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測算主要采用首尾測算分析法[4-7]，如倪深海等[4]開展了平原水網(wǎng)地區(qū)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測算方法的研究；蔡曉東等[5]采用首尾測算分析法計算分析了咸陽市不同類型灌區(qū)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)，表明咸陽市農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)有很大的提升潛力；張玉順等[6]選取河南省112個樣點(diǎn)灌區(qū)，采用收尾測算分析法計算了河南省不同規(guī)模與類型灌區(qū)的灌溉水有效利用系數(shù)；馬文博等[7]采用首尾測算分析法開展了邯鄲東部平原灌溉水有效利用系數(shù)測算，提出了灌溉水有效利用系數(shù)的影響因素。首尾測算分析法中凈灌溉用水量的計算最為重要，主要采用水量平衡方程[4,8]、直接測量法[3,9]、調(diào)查分析法[6]和參考標(biāo)準(zhǔn)灌溉定額[10]計算確定。而以上研究主要存在以下問題：①研究區(qū)大部分集中在北方地區(qū)，針對南方地區(qū)多水源、復(fù)雜地形條件下的研究還相對較少，尤其是針對高原山區(qū)的研究；②目前針對灌區(qū)凈灌水定額的計算以調(diào)查分析法為主，直接測量法相對偏少，導(dǎo)致凈灌溉水定額的計算存在一定的誤差。與平原地區(qū)比較，云南省地貌復(fù)雜，山高谷深，河流縱橫。灌區(qū)地形多位于高原山區(qū)，水源條件復(fù)雜多樣，都對農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測算提出了更高的要求。

在此背景下，選取云南高原山區(qū)的永善縣為研究區(qū)，選取2個樣點(diǎn)灌區(qū)，15個典型田塊，采用實(shí)測法與調(diào)查分析法計算凈灌水定額，通過首尾測算分析法計算了樣點(diǎn)灌區(qū)的灌溉水有效利用系數(shù)，進(jìn)而推算出2018—2020年永善縣農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)，從而為提高灌溉水利用效率、指導(dǎo)科學(xué)灌溉、灌區(qū)節(jié)水工程效益評價等提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

永善縣地處云南省東北部，地理位置為103°10′～104°01′E，27°30′～28°31′N，屬于金沙江流域。境內(nèi)山脈屬橫斷山脈涼山陜西五蓮峰分支，山高谷深，平均海拔為1 400 m，地形屬高原山區(qū)[11]。氣候?qū)儆诟咴撅L(fēng)立體氣候，多年平均降雨為861.0 mm，蒸發(fā)量為1 430.6 mm，平均氣溫為16.6℃，海拔1 000 m以下多為干熱河谷區(qū)。2020年永善縣全縣不同規(guī)模與水源類型灌區(qū)數(shù)量共有164個，且多分布在金沙江沿岸(圖1)，設(shè)計灌溉面積為1.90×104hm2，有效灌溉面積為1.19×104hm2，農(nóng)作物播種面積為1.86×104hm2，農(nóng)業(yè)灌溉用水量為0.365 6億m3，畝均綜合灌溉用水量為3 062.55 m3/hm2。全縣5萬～15萬畝(1萬畝約等于666.67 hm2，下同)中型灌區(qū)共有2個，灌溉方式為自流+提水方式；1萬～5萬畝中型灌區(qū)有1個，為自流灌區(qū)。0.01萬～1.00萬畝小型灌區(qū)共有161個，均為自流灌區(qū)，其中0.5萬～1.0萬畝小型灌區(qū)有4個；0.1萬～0.5萬畝小型灌區(qū)為36個；小于0.1萬畝小型灌區(qū)共121個。

圖1 永善縣灌區(qū)示意

1.2 樣點(diǎn)灌區(qū)和典型田塊選取

結(jié)合《全國農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測算分析指導(dǎo)細(xì)則》[12](以下簡稱《細(xì)則》)中樣點(diǎn)灌區(qū)和典型田塊的選取要求，根據(jù)灌區(qū)作物種類、灌溉方式、土壤類型等因素選取蒿枝壩水庫灌區(qū)(中型灌區(qū))和蓮峰水庫灌區(qū)(小型灌區(qū))作為樣點(diǎn)灌區(qū)。2020年蒿枝壩水庫灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)主要以花椒、柑橘、馬鈴薯、玉米和砂仁為主，其中花椒種植面積最大，為1.57萬畝，占比為37%；柑橘和馬鈴薯種植面積分別為0.87萬、0.84萬畝，占比均為20%。蓮峰水庫灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)主要為花椒、玉米、馬鈴薯和烤煙，其中花椒種植面積最大，達(dá)到0.35萬畝，占比為31%。根據(jù)樣點(diǎn)灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)和水源條件，選擇6種作物、15塊典型田塊作為觀測對象，采用實(shí)測法和調(diào)查分析法開展樣點(diǎn)灌區(qū)典型田塊凈灌水量的監(jiān)測，具體見表1。

表1 樣點(diǎn)灌區(qū)和典型田塊的選取情況

1.3 數(shù)據(jù)來源

2018—2020年永善縣灌區(qū)基本情況數(shù)據(jù)來源于永善縣水務(wù)局，主要包括樣點(diǎn)灌區(qū)毛灌溉水量、樣點(diǎn)灌區(qū)作物種植結(jié)構(gòu)和種植面積、灌區(qū)工程投入情況等數(shù)據(jù)；樣點(diǎn)灌區(qū)安裝云智能氣象觀測站1套，主要觀測項目為降水量、風(fēng)速(2 m)、風(fēng)向、氣溫、相對濕度、氣壓、太陽輻射等。典型田塊毛灌溉水量通過水費(fèi)折算獲得；典型田塊灌溉前后計劃濕潤層土壤含水率根據(jù)智墑-云智能土壤水分監(jiān)測儀實(shí)時監(jiān)測獲得。

1.4 研究方法

1.4.1土壤含水量監(jiān)測

實(shí)測法采用智墑-云智能土壤水分監(jiān)測儀監(jiān)測土壤含水量，觀測記錄步長為1次/h，設(shè)備以GPRS方式能夠?qū)崿F(xiàn)觀測數(shù)據(jù)實(shí)時上傳至云服務(wù)器，用戶可通過互聯(lián)網(wǎng)和微信同步查看10、20、30、40、50、60 cm處土壤體積含水量和土壤溫度數(shù)據(jù)。

1.4.2凈灌溉水量計算

實(shí)測法根據(jù)典型田塊灌溉前后計劃濕潤層土壤含水率的變化確定某次凈灌溉用水量，計算見式(1)：

W=0.667×15×H(θv2-θv1)

(1)

式中W——典型田塊某次灌溉的凈灌溉水量，m3/hm2；θv1——某次灌水前典型田塊H土層內(nèi)土壤體積含水率，%；θv2——某次灌水后典型田塊H土層內(nèi)土壤體積含水率，%；H——典型田塊作物的計劃濕潤層深度。

調(diào)查分析法根據(jù)典型田塊毛灌溉水量，參考實(shí)測法計算出的田間水利用系數(shù)(即實(shí)測法計算出來的凈灌溉水量與田間毛灌溉水量的比值)計算而得。

樣點(diǎn)灌區(qū)某作物凈灌水量以典型田塊灌溉面積為權(quán)重計算而得，見式(2)：

(2)

式中Wi——樣點(diǎn)灌區(qū)同片區(qū)第i種作物的凈灌溉用水量，m3/hm2；Wi,j——同片區(qū)第i種作物第j個典型田塊凈灌溉用水量，m3/hm2；Aj——同片區(qū)第i種作物第j個典型田塊灌溉面積，hm2；N——同片區(qū)第i種作物典型田塊數(shù)量，個。

1.4.3首尾測算法

首尾測算分析法[12]即凈灌溉用水量與毛灌溉用水量的比值來計算灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)，見式(3)：

η=W′/Wm

(3)

式中η——灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)；W′——灌區(qū)凈灌溉用水總量，由典型田塊作物生育期內(nèi)Wi累加而得，m3；Wm——灌區(qū)毛灌溉用水總量，m3。

1.4.4全縣灌溉水有效利用系數(shù)

全縣灌溉水有效利用系數(shù)根據(jù)各樣點(diǎn)灌區(qū)毛灌溉水用水總量加權(quán)得到，見式(4)：

(4)

式中Wa,d、Wa,z、Wa,x——全縣大、中、小型灌區(qū)年毛灌溉用水量，萬m3；ηw,d、ηw,z、ηw,x——大、中、小型灌區(qū)的灌溉用水有效利用系數(shù)。

永善縣無大型灌區(qū)和純井灌區(qū)，因此只涉及到中、小型灌區(qū)。

2 結(jié)果與分析

2.1 實(shí)測法計算的凈灌溉水量

智墑能夠追蹤不同土層土壤含水量逐天逐時的變化情況，識別降雨和灌水次數(shù)，也可以反映出降雨和灌水前后不同深度土壤含水量的變化情況[13]。首先根據(jù)不同作物土壤水分的動態(tài)變化情況，結(jié)合逐天降雨數(shù)據(jù)，識別灌水次數(shù)；其次根據(jù)灌水前后土壤含水量，采用式(1)計算逐次凈灌溉水量，最后累加作物全生育期凈灌溉水量。由典型田塊逐次凈灌溉水量可知(表2)，2018—2020年砂仁灌水次數(shù)分別為5、5、9次，全年凈灌溉水量分別為3 071.13、3 080.85、2 587.65 m3/hm2；2018—2020年花椒灌水次數(shù)分別為6、7、6次，全年凈灌溉水量分別為3 780.90、3 711.59、2 617.95 m3/hm2；2018—2020年柑橘灌水次數(shù)在10～12次，全年平均凈灌溉水量分別為1 684.65、2 428.89、1 844.33 m3/hm2。

表2 實(shí)測法典型田塊凈灌溉水量

2.2 調(diào)查分析法計算的凈灌溉水量

調(diào)查分析法首先調(diào)查典型田塊年內(nèi)繳納的水費(fèi)，換算毛灌溉水量；其次調(diào)查典型田塊灌水次數(shù)；最后結(jié)合實(shí)測法獲得的不同作物不同生育期田間水利用系數(shù)，計算出典型田塊的凈灌溉水量。由典型田塊凈灌溉水量(表3)可知，2018—2020年蒿枝壩水庫灌區(qū)砂仁灌水次數(shù)在4～8次，逐年平均凈灌溉水量分別為3 015.98、3 069.00、2 497.50 m3/hm2；花椒灌水次數(shù)在5～7次，逐年平均凈灌溉水量分別為3 662.03、3 696.53、2 668.13 m3/hm2；柑橘灌水次數(shù)在12～14次，逐年平均凈灌溉水量分別為1 838.78、2 215.80、1 844.40 m3/hm2；馬鈴薯整個生育期均未灌水。2018—2020年蓮峰水庫灌區(qū)花椒灌水次數(shù)在4～6次，逐年平均凈灌溉水量分別為3 176.93、3 189.00、1 703.03 m3/hm2；烤煙灌水次數(shù)均為2次，逐年平均凈灌溉水量分別為480.00、480.00、270.00 m3/hm2。

表3 調(diào)查分析法典型田塊凈灌溉水量

2.3 樣點(diǎn)灌區(qū)的凈灌溉水量

以典型田塊灌溉面積為權(quán)重，根據(jù)式(2)計算不同作物綜合凈灌溉水量。由表4可知，2018—2020年蒿枝壩水庫灌區(qū)花椒綜合凈灌溉水量分別為3 690.45、3 745.80、2 693.25 m3/hm2；砂仁綜合凈灌溉水量分別為3 041.10、3 080.85、2 513.85 m3/hm2；柑橘綜合凈灌溉水量分別為1 758.90、2 339.27、1 844.40 m3/hm2；馬鈴薯綜合凈灌溉水量均為0；從同類型典型田塊實(shí)際灌溉面積看，2018—2020年蒿枝壩水庫灌區(qū)花椒、砂仁灌溉面積呈減小趨勢，分別減小了286.17、26.67 hm2；柑橘和馬鈴薯灌溉面積呈增加趨勢，分別增加了206.67、405.33 hm2；受種植面積調(diào)整影響，2018—2020年花椒和砂仁凈灌溉用水總量整體呈減小趨勢，柑橘凈灌溉用水總量則增加趨勢，增幅達(dá)到62.91%。2018—2020年蓮峰水庫灌區(qū)花椒凈灌溉水量分別為3 150.75、3 180.00、1 703.10 m3/hm2；烤煙綜合凈灌溉水量分別為480.00、480.00、270.00 m3/hm2；2018—2020年蓮峰水庫灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，花椒實(shí)際灌溉面積基本未變，烤煙種植面積減小了13.33 hm2；花椒和烤煙凈灌溉用水總量整體呈減小趨勢，減幅分別為45.95%、53.13%。

表4 2018—2020年樣點(diǎn)灌區(qū)典型田塊凈灌溉水量

2.4 灌溉水有效利用系數(shù)

由式(3)計算樣點(diǎn)灌區(qū)的灌溉水有效利用系數(shù)，以樣點(diǎn)灌區(qū)毛灌水量為權(quán)重，由式(4)計算永善縣灌溉水有效利用系數(shù)。表5可知，2018—2020年樣點(diǎn)灌區(qū)和永善縣灌溉水有效利用系數(shù)呈逐年上升趨勢，其中蒿枝壩水庫灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)分別為0.491 3、0.504 0、0.510 5；蓮峰水庫灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)分別為0.472 3、0.485 0、0.495 8；永善縣灌溉水有效利用系數(shù)分別為0.489 2、0.502 0、0.508 5。

表5 2018—2020年永善縣灌溉水有效利用系數(shù)

3 討論

3.1 灌溉水有效利用系數(shù)合理性

由圖2a可知，2018—2020年永善縣、昆明市和云南省灌溉水有效利用系數(shù)均呈逐年上升趨勢，永善縣灌溉水有效利用系數(shù)低于昆明市，高于云南省平均水平；一方面昆明市由于土地大量流轉(zhuǎn)，大棚種植面積呈現(xiàn)快速增長趨勢，灌溉方式大多以微噴和滴灌等節(jié)水措施為主；另一方面由于云南省地形97%以山地為主，灌溉水平和條件差異較大，整體灌溉水平相對較低。選取昆明市晉城灌區(qū)(設(shè)計灌溉面積0.38 hm2)和新橋水庫灌區(qū)(設(shè)計灌溉面積0.03 hm2)分別作為蒿枝壩水庫灌區(qū)和蓮峰水庫灌區(qū)的參照對象[14]，由圖2b可知，由不同灌區(qū)類型來看，灌溉水有效利用系數(shù)整體上呈現(xiàn)出中型灌區(qū)大于小型灌區(qū)，提水灌區(qū)大于自流灌區(qū)，也與相關(guān)研究成果一致[15]，其一方面由于中型灌區(qū)節(jié)水灌溉面積相對較大，灌溉方式多為滴灌、噴灌，另一方面中型灌區(qū)輸送渠道相對較好，節(jié)水意識較好。由同類型灌區(qū)來看，昆明市中型和小型灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)均大于永善縣，也符合實(shí)際情況。

由圖2a可知，2018—2020年永善縣灌溉水有效利用系數(shù)呈逐年增加的趨勢，全縣各灌區(qū)節(jié)水工程投資整體呈增加趨勢，2020年節(jié)水工程投資達(dá)到1.18億元，較2018年增加了4.8倍，主要用于渠系維修養(yǎng)護(hù)和高效節(jié)水灌溉項目實(shí)施。在樣點(diǎn)灌區(qū)節(jié)水工程投資方面，蒿枝壩水庫灌區(qū)節(jié)水工程投資逐年增加，2020年節(jié)水工程投資金額達(dá)到0.25×108元，較2018年增加了5.7倍，而灌區(qū)節(jié)水改造工程投資與灌溉水有效利用系數(shù)呈正相關(guān)[2,9]，因此2018—2020年永善縣灌溉水有效利用系數(shù)的變化趨勢也較為合理。

a)灌溉水有效利用系數(shù)變化

3.2 樣點(diǎn)灌區(qū)凈灌溉水量的合理性

由樣點(diǎn)灌區(qū)不同作物凈灌溉水量變化趨勢(圖3)，花椒凈灌溉水量介于2 198.18～3 462.90 m3/hm2；砂仁凈灌溉水量介于2 513.85～3 080.85 m3/hm2；柑橘凈灌溉水量介于1 758.90～2 339.27 m3/hm2；烤煙凈灌溉水量介于270.00～480.00 m3/hm2。與DB 53T 168—2019《云南省用水定額》比較，由于2019、2020年永善縣降雨量較多年平均偏少，用水保證率參考90%，柑橘用水定額為1 875～2 325 m3/hm2，烤煙用水定額在600～750 m3/hm2，發(fā)現(xiàn)柑橘和烤煙的凈灌溉用水量基本上小于灌溉用水定額；根據(jù)相關(guān)研究[16]，貴州峽谷區(qū)花椒凈灌溉用水量為3 548.69 m3/hm2，其值大于永善縣花椒凈灌溉水量；通過水量平衡方程計算得到2018—2020年砂仁凈灌溉水量小于等于3 260.03 m3/hm2。此外，2020年不同作物凈灌溉水量明顯降低，較2018年降雨量減少了174.4 mm，降雨量與綜合灌溉水量呈負(fù)相關(guān)，即干旱使得灌區(qū)加強(qiáng)水資源調(diào)度，嚴(yán)格按照作物蓄水規(guī)律供水，水分利用效率提高[17-18]。綜上所述，樣點(diǎn)灌區(qū)不同作物凈灌溉水量是合理的。

圖3 不同作物平均凈灌溉水量變化趨勢

4 結(jié)論

a)2018—2020年永善縣樣點(diǎn)灌區(qū)花椒、砂仁、柑橘和烤煙每公頃凈灌溉水量分別為2 198.18～3 462.90、2 513.85～3 080.85、1 758.90～2 339.27、270.00～480.00 m3，馬鈴薯凈灌溉水量均為0。

b)2018—2020年永善縣樣點(diǎn)灌區(qū)凈灌溉用水總量分別為728.35萬、754.30萬、501.47萬m3，花椒、砂仁、柑橘、烤煙、馬鈴薯的凈灌溉水量呈現(xiàn)出依次減少的趨勢，其中花椒凈灌溉水量占凈灌溉用水總量比重最高，其占比分別為77.65%、75.39%、64.14%；樣點(diǎn)灌區(qū)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)呈現(xiàn)出中型灌區(qū)大于小型灌區(qū)的趨勢。

c)2018—2020年永善縣農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)呈逐年增加趨勢，分別為0.489 2、0.502 0、0.508 6，研究成果合理、可靠，能夠較為真實(shí)地反映灌區(qū)的實(shí)際情況。