陳皓銳，韓松俊，王少麗，焦平金，管孝艷(.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 國(guó)家節(jié)水灌溉北京工程技術(shù)研究中心，北京 00048；2.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072)

灌溉用水效率具有尺度依賴性已被廣泛接受[1-3]，回歸水重復(fù)利用和空間變異性被普遍認(rèn)為是導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因[4-6]， 由于回歸水重復(fù)利用方式和數(shù)量的差異以及空間變異性影響的不確定性，灌溉用水效率尺度效應(yīng)尚無(wú)統(tǒng)一結(jié)論，如Peter發(fā)現(xiàn)土耳其Gediz流域SRB灌區(qū)從田間到流域的灌溉水分生產(chǎn)率逐漸增大，原因是小尺度只計(jì)算了棉花的產(chǎn)量，而大尺度還包括了其他的作物[7]。Bastiaanssen等計(jì)算了渠灌水分生產(chǎn)率和騰發(fā)量水分生產(chǎn)率隨面積變化的規(guī)律，結(jié)果表明兩個(gè)指標(biāo)基本都是隨面積增大而逐漸減小，原因是上游土壤更肥沃引起的高產(chǎn)所導(dǎo)致[8]。崔遠(yuǎn)來(lái)、董斌等對(duì)湖北漳河灌區(qū)的不同灌溉用水效率指標(biāo)隨尺度變化的規(guī)律進(jìn)行了揭示，結(jié)果表明回歸水的重復(fù)利用使得大部分指標(biāo)總體上呈現(xiàn)隨尺度增大而變大的規(guī)律[9]。陳皓銳計(jì)算了河北石津灌區(qū)凈入流量水分生產(chǎn)率隨尺度變化規(guī)律，也發(fā)現(xiàn)了該指標(biāo)隨尺度增大而增大[10]?？梢?jiàn)，不同區(qū)域、不同水循環(huán)特征、不同內(nèi)涵用水效率指標(biāo)、不同回歸水重復(fù)利用方式都可能導(dǎo)致用水效率尺度效應(yīng)出現(xiàn)結(jié)論的差異。

本文以寧夏惠農(nóng)灌域某個(gè)300 hm2的典型灌排單元為例，利用修改后的干旱區(qū)綠洲散耗型水文模型進(jìn)行不同尺度水平衡要素模擬，并計(jì)算了騰發(fā)量占凈入流量比例和出流量占凈入流量比例隨尺度變化規(guī)律，模擬揭示了地表排水再利用和地下抽水兩種重復(fù)利用條件下的灌溉用水效率尺度效應(yīng)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況和試驗(yàn)布置

研究區(qū)位于寧夏平羅縣城以東8 km，屬惠農(nóng)渠灌域第6管理所范圍，多年平均降水量183.4 mm，蒸發(fā)量1 701.7 mm。區(qū)域總面積299.6 hm2，灌溉面積281.3 hm2，其中旱作物(小麥、玉米和蔬菜)面積占85.3%，水稻面積占14.7%。按照斗渠供水范圍不同劃分為4個(gè)地塊，水稻集中在地塊2和地塊3。區(qū)域主要由南北兩條支渠(新建渠和大張渠)及其所屬的四條斗渠供水灌溉，并通過(guò)區(qū)域中心的支溝進(jìn)行排水。灌溉時(shí)由昌潤(rùn)渠(干渠)分水至大張渠和新建渠，再分配給各條斗渠后進(jìn)入田間進(jìn)行灌溉，排水時(shí)首先匯入?yún)^(qū)域中心的支溝，再進(jìn)入第五排水溝流出研究區(qū)外。在地塊2末梢處設(shè)置的泵站利用支溝排水對(duì)地塊2進(jìn)行灌溉，在地塊3末梢和地塊4的東部設(shè)有兩個(gè)機(jī)井抽取上游匯聚的地下水對(duì)各自地塊進(jìn)行補(bǔ)充灌溉。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Sketch map of the study area

田間試驗(yàn)觀測(cè)和數(shù)據(jù)收集項(xiàng)目包括渠道灌溉水量、氣象數(shù)據(jù)、地下水位、機(jī)井抽水量、溝水回用量、土地利用和種植結(jié)構(gòu)以及典型溝渠斷面參數(shù)。觀測(cè)試驗(yàn)從2013年10月份冬灌開(kāi)始至2014年10月份冬灌前結(jié)束。

(1)灌溉水量：四條斗渠共10個(gè)進(jìn)水口，灌溉期間記錄每個(gè)進(jìn)水口的開(kāi)關(guān)閘時(shí)間，并利用流速儀測(cè)量灌溉流量，測(cè)量頻率為每天兩次。

(2)氣象數(shù)據(jù)：從距研究區(qū)7 km的平羅氣象站獲得，用于計(jì)算參考作物騰發(fā)量。

(3)地下水位：根據(jù)作物分布狀況共布置15眼地下水位觀測(cè)井，利用自動(dòng)水位計(jì)記錄地下水位變化。

(4)回歸水重復(fù)利用量：分別利用水表對(duì)溝水回用量和機(jī)井抽水量進(jìn)行計(jì)量，得到不同地塊回歸水重復(fù)利用量。

(5)土地利用和種植結(jié)構(gòu)：利用GPS對(duì)研究區(qū)土地利用和種植結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)查，得到不同地塊不同作物種植面積。

1.2 尺度界定和用水效率計(jì)算

本研究從上游往下游逐級(jí)嵌套累加劃分為A/B/C/D四個(gè)空間尺度?？臻g尺度劃分情況見(jiàn)表1和圖2。

表1 空間尺度的邊界說(shuō)明Tab.1 Spatial scales definition

圖2 空間尺度劃分示意圖Fig.2 Sketch map of different scales

本文選擇騰發(fā)量占凈入流量比例和出流量占凈入流量比例兩個(gè)灌溉用水效率指標(biāo)進(jìn)行不同尺度的評(píng)估及尺度效應(yīng)分析。各個(gè)指標(biāo)計(jì)算公式如下。

(2)

式中：FRi為騰發(fā)量占凈入流量比例；FRoi為出流量占凈入流量量比例；k為下標(biāo)，地塊編號(hào)，從上游往下游依次為1～4；t為下標(biāo)，地塊總數(shù)，4；m為下標(biāo)，作物種類(lèi)編號(hào)；n為下標(biāo)，作物種類(lèi)總數(shù)；ET為作物騰發(fā)量；P為降雨量；Ick為斗渠引水量；Igk為地下水抽水灌溉量；ΔS-土壤水庫(kù)蓄水增加量；ΔG為地下水庫(kù)蓄水增加量；R為地表排水量；Out為地下側(cè)向出流量；In為地下側(cè)向入流量；GR為地下排水量。

1.3 水循環(huán)模擬模型

本文利用干旱區(qū)綠洲散耗型水文模型(“四水轉(zhuǎn)化”模型)進(jìn)行研究區(qū)的水循環(huán)模擬，該模型基于水量平衡原理，對(duì)干旱區(qū)灌域的水資源引用、轉(zhuǎn)化、消耗和循環(huán)過(guò)程進(jìn)行分區(qū)模擬，已應(yīng)用于塔里木河流域多個(gè)綠洲灌區(qū)和內(nèi)蒙古河套灌區(qū)[11-13]。模型將各個(gè)分區(qū)分為灌溉地和非灌溉地，然后細(xì)分為農(nóng)地/非農(nóng)地、溝渠、水庫(kù)、泉、井等多種均衡單元分別進(jìn)行模擬，不同均衡單元和分區(qū)之間通過(guò)地下水側(cè)向流動(dòng)、渠道分配水、溝道排水匯流等過(guò)程建立水力聯(lián)系。灌溉地水分轉(zhuǎn)化關(guān)系復(fù)雜，在土壤垂直剖面上分為上部土壤層(非飽和帶)和下部地下水層(飽和帶)，考慮地表水、土壤水和地下水的轉(zhuǎn)化。非灌溉地土壤水變化不大，在土壤垂直剖面上不區(qū)分上部土壤層和下部地下水層，只考慮地表水和地下水的轉(zhuǎn)化。河段、泉、井、水庫(kù)、湖泊等水均衡單元、因各自的地表水、土壤水和地下水聯(lián)系緊密，在垂直方向不加區(qū)分，重點(diǎn)考慮地表水入流和出流及地表水和地下水的轉(zhuǎn)化。

根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況，對(duì)“四水轉(zhuǎn)化”模型進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化和修改，主要包括如下幾個(gè)方面：①灌溉水源增加地下抽水，并在地下水循環(huán)和地下水位計(jì)算時(shí)將抽水的影響納入考慮；②由于本研究主要關(guān)注灌溉地，因此不考慮不同類(lèi)型非灌溉地之間也可能發(fā)生的地下水的側(cè)向交換；③根據(jù)資料搜集狀況，將原模型模擬時(shí)長(zhǎng)由月尺度改為日尺度；④由于研究區(qū)土地利用相對(duì)簡(jiǎn)單，不考慮水庫(kù)、泉等單元的水循環(huán)過(guò)程。

2 結(jié)果分析

2.1 水循環(huán)模型率定和驗(yàn)證

采用2013年冬灌至2014年夏灌前實(shí)測(cè)地下水位對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行率定，采用2014年夏秋灌期間實(shí)測(cè)地下水位對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)。圖3為不同地塊實(shí)測(cè)和模擬的平均地下水埋深對(duì)比。從圖3上可以看出，模擬值與實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)具有較好的一致性，部分?jǐn)?shù)據(jù)之間存在偏差的可能原因如下：①每個(gè)分區(qū)內(nèi)的不同田塊并不是同時(shí)灌溉，不同田塊的灌水時(shí)間存在差異，而模擬時(shí)采用相同的灌溉量和灌溉時(shí)間與實(shí)際情況存在一定差異；②模擬的時(shí)間間隔為1d，與實(shí)際灌溉情況存在一定差異；③冬灌后由于土壤凍結(jié)，灌溉對(duì)地下水的補(bǔ)給小于模擬值，土壤化凍后，由冬灌蓄存在土壤的水分將對(duì)地下水形成補(bǔ)給，此時(shí)雖然沒(méi)有灌溉但地下水位在4月初會(huì)較快上升，模型對(duì)此僅根據(jù)地下水埋深概化對(duì)地下水的補(bǔ)給；④假定計(jì)算區(qū)域內(nèi)的土壤質(zhì)地是均一的，與實(shí)際情況可能存在一定差異。

圖3 不同地塊地下水埋深模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.3 Computed vs. observed groundwater depth in different fields

將不同地塊地下水埋深的模擬值與實(shí)測(cè)值繪制在同一張圖中，見(jiàn)圖4。

為進(jìn)一步說(shuō)明模型模擬效果，采用平均殘差比例、分散均方根比例、相對(duì)誤差和Nash-Sutcliffe效率系數(shù)4個(gè)統(tǒng)計(jì)參數(shù)對(duì)模擬效果進(jìn)行分析。各統(tǒng)計(jì)參數(shù)計(jì)算公式如下。

平均殘差比例：

(3)

分散均方根比例：

(4)

圖4 率定和驗(yàn)證期地下水埋深散點(diǎn)圖Fig.4 Scatter plots for groundwater depth in validation and calibration periods

相對(duì)誤差：

(5)

Nash-Sutcliffe效率系數(shù)

(6)

根據(jù)上述公式可以分別計(jì)算模型率定期和驗(yàn)證期各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)見(jiàn)表2。

對(duì)于一般模型，尤其是實(shí)測(cè)資料本身誤差很大的情況下，認(rèn)為RE小于15%，且Ens>0.5的時(shí)，模擬效果可以接受，參數(shù)較為可靠，可用于實(shí)際模擬應(yīng)用。從各個(gè)統(tǒng)計(jì)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果可以看出，平均殘差比例、分散均方根比例、相對(duì)誤差皆在15%以內(nèi)， Nash-Sutcliffe效率系數(shù)在率定和檢驗(yàn)期也都超過(guò)了0.5的臨界標(biāo)準(zhǔn)。總體上來(lái)說(shuō)，構(gòu)建的水均衡模型的概化方式、各種參數(shù)取值基本是合理的，沒(méi)有發(fā)生大的錯(cuò)誤，它模擬的水平衡要素基本是理想的。

表2 水均衡模型模擬效果評(píng)價(jià)Tab.2 Parameters for the accuracy assessment of the hydrological model

2.2 研究區(qū)水平衡分析

利用構(gòu)建的水平衡模型對(duì)作物生育期不同地塊水均衡進(jìn)行模擬，得到研究區(qū)水均衡圖，見(jiàn)圖5。

根據(jù)圖5可以得到不同尺度和不同地塊水均衡框架。見(jiàn)表3。

圖5 研究區(qū)水均衡圖(單位:mm)Fig.5 Schematic diagram of the water budget in study area

從整個(gè)研究區(qū)的角度可以更清楚的看到總體的水收支狀況，圖6給出了整個(gè)研究區(qū)土壤水和地下水的水分收支比例。從圖6可以看出，土壤水分收入方面，渠道引水灌溉是主要的供水來(lái)源，占總水分收入的73.35%，其次為降雨量和潛水蒸發(fā)量，分別占比14.42%和10.58%，由于地下水埋深較小，地下水通過(guò)毛管上升作用進(jìn)入土壤水庫(kù)被作物吸收利用量較大。在水分支出方面，作物騰發(fā)量和深層滲漏量大概是1∶1的比重，地表排水量相對(duì)較小，只占6.6%。在地下水分收支方面，地下水庫(kù)的水分收入主要來(lái)自渠系和田間的滲漏補(bǔ)給，該變量與側(cè)向流入的比值大概8.5∶1.5；地下水庫(kù)支出方面，地下水向溝道的排水量占比較大，達(dá)57.1%，主要是地下水埋深較淺導(dǎo)致。側(cè)向流出量和潛水蒸發(fā)量占比接近，皆為20%左右，地下抽水灌溉量占比相對(duì)較小。

表3 不同地塊水均衡框架Tab.3 Water accounting for different fields

圖6 研究區(qū)水分收支狀況Fig.6 Water budget for the soil water and groundwater system

2.3 用水效率尺度效應(yīng)

根據(jù)2.2節(jié)不同尺度灌溉用水效率計(jì)算公式以及表3中研究區(qū)水平衡要素模擬量化結(jié)果可以計(jì)算得到不同尺度灌溉用水效率評(píng)價(jià)結(jié)果。

圖7為單個(gè)地塊兩種灌溉用水效率指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果，從圖7可以看出，騰發(fā)量占凈入流量比例在0.456～0.540變動(dòng)，出流量占凈入流量比例在0.45～0.54之間變動(dòng)。地塊2的用水效率相對(duì)偏低，出流量比例相對(duì)偏大，主要原因在于該地塊水稻所占面積相對(duì)較大，導(dǎo)致灌溉水量和出流量較大所致。

圖7 單個(gè)地塊用水效率評(píng)估Fig.7 Irrigation water use efficiency (IWUE) in different fields

圖8為不同尺度灌溉用水效率評(píng)估結(jié)果。從圖8可以看出，騰發(fā)量占凈入流量比例總體隨著尺度增大而增大，但在尺度B有所降低，主要原因在于尺度B在尺度A基礎(chǔ)上包括了地塊2，雖然該地塊存在對(duì)尺度A的地表排水再利用情況(溝水灌溉水稻)，但該地塊中水稻種植比例相對(duì)較大，灌溉量和出流量相對(duì)偏大，使得用水效率總體有所降低導(dǎo)致；隨著尺度進(jìn)一步增大，由于尺度C和尺度D存在對(duì)小尺度出流(地下水側(cè)向流出)的再利用(機(jī)井抽水)，加之旱作種植面積逐漸增大，灌溉水量和出流量都有所減少，因此用水效率有所提升。出流量占凈入流量比例與騰發(fā)量占凈入流量比例的變化趨勢(shì)正好相反，原因也在于此。

圖8 灌溉用水效率尺度效應(yīng)Fig.8 Scale effect of IWUE

為了盡可能削減由于種植結(jié)構(gòu)空間差異導(dǎo)致的用水效率尺度效應(yīng)，凸顯重復(fù)利用水量對(duì)用水效率的作用效果，將尺度修正為單個(gè)地塊-任意連續(xù)兩個(gè)地塊-任意連續(xù)3個(gè)地塊-任意連續(xù)四個(gè)地塊，并將各個(gè)尺度得到的結(jié)果進(jìn)行加權(quán)平均，得到尺度修正后的灌溉用水效率隨尺度變化規(guī)律，見(jiàn)圖9。從圖9看出，經(jīng)過(guò)尺度修正后，用水效率隨尺度發(fā)生變化規(guī)律有所改變，如騰發(fā)量占凈入流量比例總體呈現(xiàn)單調(diào)升高趨勢(shì)，從單個(gè)地塊提升到連續(xù)4個(gè)地塊后，該指標(biāo)提升6.4%，出流量占凈入流量比例總體呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)，減小幅度6.7%。

圖9 不同尺度灌溉用水效率(尺度修正后)Fig.9 IWUE at multiple modified scales

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)由于小尺度的出流量在更大尺度上被重復(fù)利用，不同空間范圍內(nèi)的灌溉用水效率表現(xiàn)出尺度差異性，回歸水重復(fù)利用量以及種植結(jié)構(gòu)等的空間差異使得灌溉用水效率的尺度效應(yīng)表現(xiàn)顯著地復(fù)雜性和非線性特征。

(2)修改后的干旱區(qū)綠洲散耗型水文模型(“四水轉(zhuǎn)化”模型)可以較好的模擬寧夏惠農(nóng)渠灌域典型支渠控制范圍內(nèi)的水分循環(huán)過(guò)程。模擬期土壤水的主要供水水源為渠道引水灌溉量，其次為降雨和潛水蒸發(fā)，主要支出為作物騰發(fā)量和深層滲漏，地表排水相對(duì)較少；地下水庫(kù)的主要補(bǔ)給源為渠系和田間滲漏補(bǔ)給，主要支出是地下排水。

(3)由于存在對(duì)地表排水和地下水的重復(fù)利用，出流量占凈入流量比例隨著尺度的增大，總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，騰發(fā)量占凈入流量比例隨著尺度增大，總體呈現(xiàn)增大趨勢(shì)；種植結(jié)構(gòu)的空間差異對(duì)該尺度效應(yīng)有一定負(fù)面影響，原因是尺度增大時(shí)，水稻面積有一定增加趨勢(shì)，使得排水量增加，導(dǎo)致用水效率有一定降低。

(4)將同一尺度的多個(gè)(連續(xù))地塊進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算灌溉用水效率，可在一定程度上減少由于種植結(jié)構(gòu)空間差異對(duì)尺度效應(yīng)的影響，但由于回歸水重復(fù)利用量相對(duì)偏少，用水效率隨尺度提升效果有限，從單個(gè)地塊提升到4個(gè)地塊，騰發(fā)量占凈入流量比例提升6.4%。

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