樊峻江，周 綱，王 潔

(江蘇省農(nóng)村水利科技發(fā)展中心，江蘇南京 210029)

灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)測試方法的改進

樊峻江，周 綱，王 潔

(江蘇省農(nóng)村水利科技發(fā)展中心，江蘇南京 210029)

灌區(qū)取水量和田間灌水量是首尾測算分析法測定提水灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)的基本參數(shù)，針對水稻灌水頻繁，逐次測定泵站提水量成本較高，且缺少土壤非飽和狀態(tài)下準確測定田間灌水定額的有效方法的實際問題，提出了水泵凈揚程修正法，對目前依據(jù)電量法估算提水量的技術(shù)進行了改進;提出了稻田非飽和土壤入滲水量的測試方法，并據(jù)此修正田間灌水量。田間測試結(jié)果表明:修正后的測試方法可使灌水量測量誤差降低52% ～86%;方法簡單實用，易于操作，且設(shè)備要求低，適用于水稻節(jié)水灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)的測試。

灌溉水利用系數(shù);泵站凈揚程;入滲水深;測試方法

灌溉水利用系數(shù)(irrigation water utilization efficiency，IWUE)是評價灌區(qū)管理水平和節(jié)水潛力的重要指標，也是灌排工程設(shè)計、水資源調(diào)配以及水費管理的重要依據(jù)［1］。傳統(tǒng)的IWUE測試采用渠系逐級測算的方法，不僅工作量大，且由于測試方法和測試條件的限制，累計誤差較大。近年來提出的首尾測算分析法，僅需測定灌區(qū)取水量與灌入農(nóng)田的凈灌溉用水量，大大簡化了測量工作。但首尾測算分析法需要測定作物全生育期的取水量和灌溉定額［2］，對于江蘇、上海等地而言，由于提水灌區(qū)數(shù)量多(如江蘇省2007年測定的小型提水灌區(qū)數(shù)量達到77個)，若對每次灌溉的提水量進行測試，工作量大，成本高，實際很難實現(xiàn)［3］。因此，需研究用簡單易得的參數(shù)估算提水量的方法。另外，對于使用控制灌溉技術(shù)、蓄水控灌技術(shù)等節(jié)水灌溉的稻作區(qū)，灌水時土壤處于非飽和狀態(tài)，灌水期間入滲較多，用傳統(tǒng)的水位差法測定灌水量精度不高，而采用旱作物測試所用的含水率變化法，不僅工作量大，且計劃濕潤層深度不易確定，測試誤差較大，因此需對現(xiàn)有水稻灌水量測試方法進行改進。本文對上述問題進行分析，提出泵站提水量估算的凈揚程修正法和水田灌溉定額的入滲修正法，可為水稻提水灌區(qū)，尤其是采用節(jié)水灌溉模式灌區(qū)的IWUE測定提供參考。

1 IWUE測試存在的問題

1.1 泵站提水量測試

蘇南與上海等地小型、微型提水灌區(qū)數(shù)量眾多，且多為水稻灌區(qū)。由于大部分泵站從河道提水，揚程較低，水泵進出水管道順直段長度較小，難以滿足超聲波流量計、電磁流量計等管道測流設(shè)備的測試條件。盡管采用量水堰可以獲得較高的測試精度，但由于造價高，且水頭損失較大，實際較少采用。江蘇、上海大部分灌區(qū)渠首渠道為混凝土襯砌渠道，斷面比較規(guī)則，目前主要采用流速儀測定流速，然后根據(jù)過水斷面計算流量。

灌區(qū)IWUE測試需測定作物全生育期內(nèi)各次灌水的取水量之和與灌溉定額［1］，因此需獲取每次灌水的提水量。若按相關(guān)測流方法進行提水量測定，需要消耗大量人力和物力，可操作性不強。

由于用電量可通過電表直接讀取，數(shù)據(jù)采集方便且成本不高，目前江蘇、上海等地多利用提水耗電量估算提水量，根據(jù)幾次測流結(jié)果，計算單位電量的平均提水量;通過記錄每次灌水的耗電量，推算全生育期的提水量作為灌區(qū)取水量。即

式中:Vg為灌區(qū)取水量，m3;U為泵站單位電量的提水量，m3/(kW·h)，根據(jù)實測結(jié)果確定;Ei為灌區(qū)泵站第i次灌水的耗電量，kW·h;N為生育期內(nèi)的灌水次數(shù)。

若水泵揚程不變，作物整個生育期內(nèi)水泵效率可視為常數(shù)，利用公式(1)估算灌區(qū)取水量是可行的。但蘇南、上海大部分小灌區(qū)的泵站多使用軸流泵或者混流泵，揚程較低(多在5～7 m之間)，較小的河道水位變幅可能導致水泵揚程變幅較大;而泵站多以河流為水源，水位受降雨、排水等因素影響較大，會引起U值的較大變化，導致IWUE測試失真，故有必要對上述方法進行改進。

1.2 水稻灌水定額測試

江蘇、上海等地水稻面積大，灌水頻繁，單季灌水在10次左右甚至更多［4-7］，灌溉定額亦遠高于其他旱作物，因此水田是IWUE測試的重點。對于淹灌而言，由于灌水前存在水層，灌水定額可用灌水前后的水位差確定。只要在固定位置做好記號，利用測針即可精確測定，測量成本較低。盡管灌水期間存在滲漏，但稻田滲漏強度一般在3～5 mm/d，很少超過10 mm/d，而單塊格田灌水持續(xù)時間一般不超過2 h，且灌水定額多在30～60 mm，灌水期間滲漏量(0.2～0.8 mm)對IWUE測試精度影響不大。

在節(jié)水灌溉模式下，水稻灌水下限一般為土壤飽和含水率的70% ～85%甚至更低［6-7］。由于表層土壤水勢較低，灌水初期入滲速率偏高。若不考慮灌水期間的入滲水量，可能產(chǎn)生較大誤差。

筆者在表層20 cm土壤含水率為飽和含水率的74%和90%時進行了水稻灌水試驗，發(fā)現(xiàn)在土壤非飽和狀態(tài)下，若不考慮灌水期間的入滲水量，則IWUE較實際值可降低6.3% ～23.7%(相對值)，且隨著控制下限的降低而增加，對測試精度影響很大。從國內(nèi)外已取得成果資料來看，目前尚未見到簡單有效的田間灌水量測試方法。

2 IWUE測試方法的改進

2.1 泵站提水量的凈揚程修正法

在采用用電量估算提水量的基礎(chǔ)上，可采用凈揚程修正法對水泵單位電量的提水量U進行修正。其基本假設(shè)是，在設(shè)計揚程一定變幅內(nèi)，U與凈揚程H呈線性關(guān)系，即

式中:Ui為灌區(qū)泵站第i次灌水時，單位電量的提水量，m3/(kW·h);Hi為第i次灌水時水泵的凈揚程，m;a、b為試驗常數(shù)，可根據(jù)實測資料確定。

為提高修正精度，至少在水泵凈揚程最(較)小和最(較)大時各測流1次，以保證測試期間水泵實際凈揚程位于上述變幅內(nèi)。假設(shè)2次測試中，凈揚程和單位電量的提水量分別為H1、U1和H2、U2，則有

U1和U2可用流速儀等方法測定，此處不贅述。

泵站的凈揚程可由進、出水池設(shè)置的固定標志獲得，具體步驟如下:

a.在進水池、出水池穩(wěn)固位置(一般是池頂部邊緣)，利用鮮艷的防水記號筆或者水泥釘做標識，分別為A點和B點。位置選擇以便于測定該點到進、出水池的水位為宜。

b.測量A、B兩點的高差，記為HAB。該數(shù)值為常數(shù)。

c.每次水泵開機，待水位穩(wěn)定后，分別測定進、出水池水位到A、B點的距離，記為HA和HB。

d.計算本次灌水時水泵的凈揚程:Hi=HAB+HB－HA。

每次灌水時，泵站管理員只需利用卷尺測定水面到固定點的距離即可得到凈揚程，技術(shù)要求低，獲取成本不高。

利用每次灌水時測得的凈揚程，根據(jù)式(2)和式(3)計算相應(yīng)的Ui值，全生育期內(nèi)的提水量可按式(4)計算:

當水位變幅較大時，可多次測定不同凈揚程下單位電量的提水量，繪制成曲線以備查算，或者擬合成適宜的回歸方程U=U(H)，計算原理同前。

表1 不同灌水下限對灌水定額測試精度的影響

一般而言，水泵效率與總揚程之間有較好的函數(shù)關(guān)系(即揚程-效率曲線)，但由于泵站沿程和局部損失測試復(fù)雜，總揚程難以準確測定，而凈揚程的測定方法簡單，成本低廉;且泵站設(shè)計時，水泵選型一般在其高效區(qū)內(nèi)，當凈揚程變化不大時，假設(shè)U值在實際最大揚程和最小凈揚程之間線性變化具有一定合理性。當凈揚程變幅較大時，可增加不同凈揚程下的測試次數(shù)，制成曲線查算(一般可用拋物線方程)，可獲得更高精度?？紤]到設(shè)備老化因素，建議每年進行1次曲線率定。

2.2 節(jié)水灌溉模式下水稻灌溉定額的入滲修正法

在無水層條件下，灌入格田的水量I分為2個部分，分別為儲存于田面的水量I1和灌水期間入滲到土壤的水量I2，即

a.I1的測定。采用水位變化法測定，即在每個田塊適當?shù)臏y量位置，灌水前打入木樁(或者磚塊，主要起固定作用)，其上端與田面齊平;灌水結(jié)束20～30 min后(為了保證田內(nèi)水面線水平)，以此木樁上端作為起點，測定水深，即為I1。該水量即為不考慮入滲損失的灌水量。

b.I2的測定。選擇適宜的田間測試點，預(yù)埋無底鐵筒(上下直徑必須相同)，筒下緣埋入地面以下20 cm以上，使筒壁與土壤緊密結(jié)合，防止側(cè)滲。為便于觀測和操作，減少筒內(nèi)微地形起伏對測試精度的影響，筒直徑一般不小于30cm。筒內(nèi)圓心位置預(yù)先打入木樁，其上端水平，并高出地面h(h為注水結(jié)束時測筒內(nèi)水深，可取大田設(shè)計灌水深度的2/3左右，保持入滲水頭與大田基本一致)。筒內(nèi)土面保持平整。為防止沖刷，灌水前需在筒內(nèi)鋪設(shè)塑料布或土工布。根據(jù)h和測筒內(nèi)徑D(直徑)，計算需注入的水量，并增加20%左右(用于補償注水期間的入滲水量)，置于容器內(nèi)，其體積記為V1;將容器內(nèi)的水迅速注入測筒使其水位與木樁頂端齊平;量取容器內(nèi)剩余水量V2。則實際注入測筒的平均水深h'和注水期間的入滲水量Δh1分別為灌水結(jié)束20 min后，測定筒內(nèi)水位與木樁頂端的差值Δh2，則灌水過程中的入滲水量為

為評價上述方法的測試效果，2010年在南京河海大學節(jié)水園區(qū)對不同土壤含水率的稻田灌水量進行了實測，見表1?？梢钥闯?，在田面有水層的情況下，直接采用水位差法測算可獲得較高精度;而當?shù)咎锿寥捞幱诜秋柡蜖顟B(tài)時，若不考慮入滲水量，由于低含水率時土壤初期入滲速率較高，灌水定額測定誤差可達6.3% ～23.7%，且隨著控制下限含水率的降低而升高。通過對測量灌水期間的入滲水量進行修正，可使灌水量的測量誤差降低52% ～86%，IWUE誤差最終控制在5%以內(nèi)，大幅度提高了IWUE測試精度。

當土壤含水率較低時，灌水后土壤初期入滲速率很高。但當土壤含水率較高時，加水期間的入滲量可以忽略，直接加水至筒內(nèi)木樁頂端即可，可減少測試工作量。

3 結(jié)語

由于水稻灌水頻繁，而泵站用電量和泵站凈揚程易于獲得，在經(jīng)費有限的情況下，利用用電量估算提水量較為簡便;尤其是上海和蘇南一些地區(qū)，泵站設(shè)計多采用了某幾類定型設(shè)計，且水泵型號種類不多，為采用本方法提供了良好條件。通過測定灌水期間入滲水量的方法對灌水定額進行修正，方法簡單，測試成本低廉，對于實施節(jié)水灌溉的灌區(qū)，具有較高的使用價值。

［1］孫梅英，馬素英，顧寶群，等.農(nóng)業(yè)灌溉水費“暗補”改為“明補”的必要性與可行性［J］.水利經(jīng)濟，2012，40(5):35-38.(SUN Meiying，MA Shuying，GU Baoqun，et al.Necessity and feasibility of agricultural irrigation water fee from“invisible subsidy”to“visible subsidy”［J］.Journal of Economics of Water Resources，2012，40(5):35-38.(in Chinese))

［2］高峰，趙競成，許建中，等.灌溉水利用系數(shù)測定方法研究［J］.灌溉排水學報，2004，23(1):14-20.(GAO Feng，ZHAO Jingcheng，XU Jianzhong，et al.Study on measuring method of utilization coefficient of irrigation water［J］.Journal of Irrigation and Drainage，2004，23(1):14-20.(in Chinese))

［3］彭世彰，艾麗坤.提高灌溉水利用系數(shù)，保障國家糧食安全與水安全［J］.水資源保護，2012，28(3):79-82.(PENG Shizhang，AI Likun.Improving irrigation water use coefficient and ensuring national food and water safety［J］.Water Resources Protection，2012，28(3):79-82.(in Chinese))

［4］陳朱葉，郭相平，姚俊琪.水稻蓄水控灌的節(jié)水效應(yīng)［J］.河海大學學報:自然科學版，2011，39(4):426-429.(CHEN Zhuye，GUO Xiangping，YAO Junqi.Water-saving effect of water-catching and controllable irrigation technology of rice［J］.Journal of Hohai University:Natural Sciences，2011，39(4):426-429.(in Chinese))

［5］黃俊友.水稻節(jié)水灌溉與雨水利用［J］.中國農(nóng)村水利水電，2005(7):11-12.(HUANG Junyou.Utilization of rainfall and rice water-saving irrigation［J］.China Rural Water and Hydropower，2005(7):11-12.(in Chinese))

［6］徐俊增，彭世彰，丁加麗，等.控制灌溉的水稻氣孔限制值變化規(guī)律實驗研究［J］.水利學報，2006，37(4):486-491.(XU Junzeng，PENG Shizhang，DING Jiali，et al.Stomata limitation of rice under control irrigation［J］.Journal of Hydraulic Engineering，2006，37(4):486-491.(in Chinese))

［7］郭相平，袁靜，郭楓，等.水稻蓄水-控灌技術(shù)初探［J］.農(nóng)業(yè)工程學報，2009，25(4):70-73.(GUO Xiangping，Yuan Jing，Guo Feng，et al.Preliminary study on water-catching and controlled irrigation technology of rice［J］.Transactions ofthe Chinese Society of Agricultural Engineering，2009，25(4):70-73.(in Chinese))

Improvement on measuring methods for irrigation water utilization efficiency in irrigation areas

FAN Junjiang，ZHOU Gang，WANG Jie(Development Center for Science and Technology of Rural Water Resources of Jiangsu Province，Nanjing 210029，China)

The intake water quantity and the irrigation water quantity are the basic parameters to estimate the irrigation water utilization efficiency(IWUE)in lifting water irrigation districts by using the head-tail method.Due to the highfrequency irrigation of rice fields，high cost of successively water quantity measurement at pumping stations，and ineffective methods for measuring the amount of the irrigation water under the unsaturated soil conditions，this paper proposed a corrected method to improve the performance of the current electricity method in estimating the lifting water quantity.A method for measuring the amount of infiltrating water in unsaturated rice fields was also proposed to correct the amount of irrigation water in fields.Field measurements show that the measuring errors can be reduced by 52% －86%with utilizing the corrected method.The method is simple，practical and easy to operate.The method has low request for equipments and is suitable for measuring the IWUE of water-saving irrigation for rice fields.

irrigation water utilization efficiency;net head of pumping station;infiltration depth;measuring method

S274.4

A

1006-7647(2013)06-0044-04

10.3880/j.issn.1006-7647.2013.06.009

樊峻江(1974—)，男，江蘇新沂人，高級工程師，碩士，主要從事農(nóng)村水利科技管理工作。E-mail:fanjj@sohu.com.cn

2012-11-26 編輯:熊水斌)