水利灌溉關(guān)鍵因素及影響分析

宋小榮

（安慶市長(zhǎng)江河道管理處三分處，安徽安慶 246000）

眾所周知，農(nóng)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱，是人民生活富足、社會(huì)發(fā)展穩(wěn)定的重要基礎(chǔ)。只有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)，糧食產(chǎn)量穩(wěn)定，社會(huì)才能長(zhǎng)治久安，國(guó)民經(jīng)濟(jì)才能可持續(xù)的發(fā)展[1]。對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)而言，水利灌溉是非常重要的外部條件，并且可以通過人力加以控制和調(diào)整。因此，合理有效的水利灌溉，可以將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)掌控在可控范圍內(nèi)，大大減少減產(chǎn)、絕產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)[2]。我國(guó)農(nóng)田面積總量位居世界前列，但因?yàn)槿丝谪?fù)荷大，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)一直面臨較大的壓力。尤其是部分區(qū)域農(nóng)田耕種長(zhǎng)時(shí)間受到缺水的影響，必須通過有效的水利灌溉才能彌補(bǔ)自然條件不足的缺陷。可見，農(nóng)田耕種要可持續(xù)進(jìn)行，就必須充分掌握區(qū)域內(nèi)的氣候條件尤其是降水情況，再根據(jù)農(nóng)田需水總量統(tǒng)籌合理的灌溉量[3]。因此，對(duì)水利灌溉的影響因素進(jìn)行分析，進(jìn)而用數(shù)學(xué)模型加以定量化地計(jì)算，對(duì)于農(nóng)田灌溉的有效保證具有十分重要的意義。

1 影響水利灌溉的關(guān)鍵指標(biāo)

農(nóng)田要耕種并且保持穩(wěn)定的產(chǎn)出，就必須做好水利灌溉工作。根據(jù)長(zhǎng)期以來的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)可知，影響水利灌溉的關(guān)鍵指標(biāo)很多，具體如圖1 所示。

圖1 影響水利灌溉的關(guān)鍵指標(biāo)

圖1 中，給出了影響水利灌溉的關(guān)鍵指標(biāo)。第一類關(guān)鍵指標(biāo)，引水總量指標(biāo)；第二類關(guān)鍵指標(biāo)，田畝參數(shù)指標(biāo)；第三類關(guān)鍵指標(biāo)，氣象條件指標(biāo)；第四類關(guān)鍵指標(biāo)，灌溉方式指標(biāo)；第五類關(guān)鍵指標(biāo)，引渠結(jié)構(gòu)指標(biāo)；第六類關(guān)鍵指標(biāo)，土壤條件指標(biāo)；第七類關(guān)鍵指標(biāo)，作物種類指標(biāo)。

引水總量指標(biāo)實(shí)際上就是灌溉總水量，這需要通過人工的方式對(duì)水資源加以引導(dǎo)，從而對(duì)農(nóng)田進(jìn)行灌溉。從實(shí)際操作的角度看，利用農(nóng)田周圍的江河湖泊進(jìn)行引導(dǎo)灌溉，是一種最便利的方式。如果不具備這樣的條件，就要考慮農(nóng)田周圍是否有人工興建的水庫(kù)，或者進(jìn)行地下水灌溉。

田畝參數(shù)指標(biāo)就是農(nóng)田的各種物理參數(shù)。對(duì)灌溉影響最直接的就是農(nóng)田的總面積，一般用畝數(shù)表示。農(nóng)田畝數(shù)的多少直接決定了灌溉總水量的多少，并且和灌溉總水量的變化方向趨同。當(dāng)然，農(nóng)田所在的海拔高度、坡度等參數(shù)，對(duì)于灌溉水量的留存、流向也有很重要的影響，這都?xì)w屬于田畝參數(shù)的范疇。

氣象條件指標(biāo)就是農(nóng)田所在地區(qū)的氣候情況，這是自然條件對(duì)農(nóng)田水利灌溉最直接的影響。氣象條件涵蓋的方面是非常復(fù)雜的，這里主要就是考慮氣溫和降水。其中，氣溫的高低決定了農(nóng)田水分的揮發(fā)情況，會(huì)對(duì)灌溉總水量產(chǎn)生間接影響。而降水則直接影響灌溉水量的多少，降水總量和灌溉水量呈現(xiàn)反向變化。降水總量越多，灌溉所需水量就越少；反之，灌溉所需水量就越多。

灌溉方式指標(biāo)是影響水利灌溉的技術(shù)層面的指標(biāo)。合理的灌溉方式選擇，有助于節(jié)約用水，否則會(huì)造成灌溉水量的浪費(fèi)。傳統(tǒng)的灌溉方式一般采用臨近溝渠引流灌溉，這會(huì)導(dǎo)致農(nóng)田不同區(qū)域濕度不均勻，影響灌溉效果。而采用噴頭的噴淋灌溉，作業(yè)效率高、覆蓋面積大，并且可以保證灌溉效果均勻。

引渠結(jié)構(gòu)指標(biāo)也是影響水利灌溉的技術(shù)層面的指標(biāo)。這里所說的結(jié)構(gòu)，主要是指溝渠的形狀，常見的如直線型、網(wǎng)型、自然型等。不同結(jié)構(gòu)的溝渠會(huì)導(dǎo)致水流路徑的長(zhǎng)度不同，長(zhǎng)度較大會(huì)增加水分揮發(fā)量，但長(zhǎng)度較短又可能會(huì)導(dǎo)致灌溉微觀作業(yè)時(shí)的技術(shù)難度和實(shí)施效率，這就需要兼顧二者來加以考慮。

土壤條件指標(biāo)是重要的農(nóng)田自然條件指標(biāo)，對(duì)水利灌溉也會(huì)產(chǎn)生直接的影響。如果土壤構(gòu)成顆粒較大，就會(huì)導(dǎo)致土壤縫隙大，水流速度快，從而導(dǎo)致灌溉水量增加。如果土壤構(gòu)成顆粒小，土壤結(jié)構(gòu)密實(shí)度高，水滲漏速度減緩，就會(huì)節(jié)約灌溉水量。

作物種類指標(biāo)反應(yīng)了不同作物吸水量的差異，吸水量高的作物種植，就需要更多的灌溉水量。相反地，吸水量低的作物種植，灌溉水量的需求就會(huì)減少。

2 水利灌溉用量的數(shù)學(xué)模型和計(jì)算

在前面的工作中，對(duì)水利灌溉的7 類關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行了理論分析。其中，大部分指標(biāo)隨著農(nóng)田區(qū)域劃定、作物種植確定而固定下來，很難通過后續(xù)的技術(shù)手段加以調(diào)整和改變。因此，決定農(nóng)田灌溉總量的指標(biāo)，就形成了和農(nóng)田需水量、降水量2 個(gè)指標(biāo)直接相關(guān)的形式。在這3 個(gè)指標(biāo)中，如果能已知其中的任何2 個(gè)，即可以計(jì)算出第3 個(gè)指標(biāo)。

首先，來看農(nóng)田需水量計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，如公式（1）所示

式中：ET0表示所計(jì)算農(nóng)田內(nèi)全部農(nóng)作物的水分蒸發(fā)量，Δ 表示農(nóng)田所在區(qū)域的氣壓-溫度關(guān)系曲線的斜率，R表示農(nóng)田內(nèi)全部農(nóng)作物的日光照度吸收量，G表示農(nóng)田土壤結(jié)構(gòu)所體現(xiàn)出的熱通率，T表示農(nóng)田所在區(qū)域的平均溫度，u表示農(nóng)田所在區(qū)域的平均風(fēng)速，s表示農(nóng)田所在區(qū)域的濕度上限，a表示農(nóng)田所在區(qū)域的濕度下限，γ 表示農(nóng)田所在區(qū)域環(huán)境濕度。

公式（1）的計(jì)算比較復(fù)雜，可以采用一種相對(duì)近似的計(jì)算方法，如公式（2）所示

式中：ET表示農(nóng)田實(shí)際的需水量，k表示近似計(jì)算因子，ET0表示所計(jì)算農(nóng)田內(nèi)全部農(nóng)作物的水分蒸發(fā)量。

農(nóng)田實(shí)際需水量的一大部分來自自然降水，其計(jì)算如公式（3）所示

式中：Pθ表示農(nóng)田所在區(qū)域接收到的有效降水量，P表示農(nóng)田所在區(qū)域接收到的實(shí)際降水量，α 表示農(nóng)作物有效的吸收率。

根據(jù)公式（2）和公式（3），可以得出農(nóng)田所需的水利灌溉總量，如公式（4）所示

式中：Q表示農(nóng)田所需的水利灌溉總量，ET表示農(nóng)田實(shí)際的需水量，Pθ表示農(nóng)田所在區(qū)域接收到的有效降水量。

3 水利灌溉總量實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

如前所述，對(duì)影響水利灌溉的關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行了歸類和理論分析，并給出了水利灌溉總量計(jì)算的數(shù)學(xué)方法和模型。上述理論分析和模型構(gòu)建的有效性，將通過這一部分的實(shí)驗(yàn)工作加以檢驗(yàn)。

為了完成這一部分的驗(yàn)證工作，選定了9 組不同的農(nóng)田進(jìn)行以年度為單位的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，首先來觀察9 組農(nóng)田的需水量的對(duì)比，時(shí)間跨度上則包含了2020、2021、2022 3 個(gè)年度，如圖2 所示。

圖2 不同組別的農(nóng)田需水量對(duì)比

圖2 中，橫坐標(biāo)代表了實(shí)驗(yàn)地區(qū)不同組別的農(nóng)田組號(hào)，分別是農(nóng)田1 組、農(nóng)田2 組、農(nóng)田3 組、農(nóng)田4 組、農(nóng)田5 組、農(nóng)田6 組、農(nóng)田7 組、農(nóng)田8 組、農(nóng)田9 組；縱坐標(biāo)代表了不同組別農(nóng)田的需水量，單位是萬m3；黑色矩形代表了不同農(nóng)田組別2020 年度的需水量，灰色矩形代表了不同農(nóng)田組別2021 年度的需水量，白色矩形代表了不同農(nóng)田組別2022 年度的需水量。

這9 組不同的農(nóng)田，大多數(shù)環(huán)境參數(shù)和田畝參數(shù)都是一致或接近的，但田畝面積上存在差異。其中，面積最大的農(nóng)田達(dá)到了15 000 畝（1 畝約等于667 m2，下同），面積最小的農(nóng)田不足2 000 畝。在這樣的先天差異情況下，不同組別的農(nóng)田需水量也存在很大差異。從圖2 中可以看出，第5 組別農(nóng)田、第8 組別農(nóng)田、第9 組別農(nóng)田因?yàn)楫€數(shù)較多、面積較大，其需水量自然也更多。需水量與田畝自身?xiàng)l件有關(guān)，因此各年度差別不大。

進(jìn)一步對(duì)比9 個(gè)組別農(nóng)田區(qū)域的降水量情況，如圖3 所示。

圖3 不同組別的自然降水量對(duì)比

圖3 中，橫坐標(biāo)代表了實(shí)驗(yàn)地區(qū)不同組別的農(nóng)田組號(hào)，分別是農(nóng)田1 組、農(nóng)田2 組、農(nóng)田3 組、農(nóng)田4組、農(nóng)田5 組、農(nóng)田6 組、農(nóng)田7 組、農(nóng)田8 組、農(nóng)田9組；縱坐標(biāo)代表了不同組別自然降水量，單位是萬m3；黑色矩形代表了不同農(nóng)田組別2020 年度的自然降水量，灰色矩形代表了不同農(nóng)田組別2021 年度的自然降水量，白色矩形代表了不同農(nóng)田組別2022 年度的自然降水量。

從圖3 中可以看出，第5 組別農(nóng)田、第8 組別農(nóng)田、第9 組別農(nóng)田因?yàn)楫€數(shù)較多，其承接的有效降水量明顯多于其他組別的農(nóng)田。從年度跨度來看，2021 年度明顯降水量更少，這是自然氣候條件所致。

至此，可以根據(jù)9 個(gè)組別農(nóng)田3 個(gè)年度的降水量和需水量，計(jì)算出水利灌溉總量，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同組別的水利灌溉量對(duì)比

圖4 中，橫坐標(biāo)代表了實(shí)驗(yàn)地區(qū)不同組別的農(nóng)田組號(hào)，分別是農(nóng)田1 組、農(nóng)田2 組、農(nóng)田3 組、農(nóng)田4組、農(nóng)田5 組、農(nóng)田6 組、農(nóng)田7 組、農(nóng)田8 組、農(nóng)田9組；縱坐標(biāo)代表了不同組別水利灌溉量，單位是萬m3；黑色矩形代表了不同農(nóng)田組別2020 年度的水利灌溉量，灰色矩形代表了不同農(nóng)田組別2021 年度的水利灌溉量，白色矩形代表了不同農(nóng)田組別2022 年度的水利灌溉量。從年度跨度來看，因2021 年度降水量明顯少于其他年度，各組別農(nóng)田在這一年度所需的灌溉量也多于其他年度。

4 結(jié)論

本文中，對(duì)農(nóng)田灌溉所需的各種關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行分析，得出了7 類最重要的指標(biāo)，并從各指標(biāo)的對(duì)比分析中得出了灌溉總水量最重要的結(jié)論。在此基礎(chǔ)上，給出了灌溉總水量及相關(guān)參數(shù)的數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法。依托理論分析和數(shù)學(xué)模型，展開實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)過程中，降水量被協(xié)同考慮，通過多組農(nóng)田的灌溉總水量計(jì)算及分析結(jié)果中可以看出：水利灌溉在滿足農(nóng)田總需水量的前提下，受到降水量的重要影響。如果一個(gè)年份的降水量充沛，灌溉總水量就會(huì)相對(duì)減少；相反，灌溉總水量就會(huì)相對(duì)增加。