金瑞琴 蔣秀華 任笑焱

摘要 在對青海省香日德河谷灌區(qū)典型地塊進行引退水監(jiān)測試驗的基礎上，分別采用引排差和VSMB模型2種方法開展耗水系數(shù)計算。2種方法計算得到的灌區(qū)典型地塊2014年耗水系數(shù)分別為0.908和0.938，差值僅為0.03。研究區(qū)內計算耗水系數(shù)時，VSMB模型的方法可以對引排差法進行較好的驗證。研究可為灌區(qū)及黃河流域水資源合理利用和優(yōu)化配置提供技術支撐。

關鍵詞 作物耗水；監(jiān)測試驗與模擬；香日德河谷灌區(qū)；青海省

中圖分類號 S274；TV211 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）18-0169-04

Abstract On the basis of monitoring the surface diversion and drainage water， the two methods of diversion and drainage and VSMB model were adopted to calculate the crop water consumption coefficient of typical plot of Xiangride river valley irrigation area in Qinghai Province. The crop water consumption coefficient in 2014 calculated by diversion and drainage method and the VSMB model method were 0.908 and 0.938 respectively， whose difference was only 0.03. The VSMB model method could lead better validation to the diversion and drainage method for crop water consumption coefficient calculation in the scope of the study area. The study can provide technical support for reasonablely using and optimally allocatiing water resources of the irrigation area and the Yellow River basin.

Key words Crop water consumption；Monitoring test and simulation；Xiangride river valley irrigation area；Qinghai Province

黃河多年平均可供水量370×108 m3[1]，國家分配給青海省的黃河用水指標14.1×108 m3，其中青海省黃河流域農(nóng)田灌溉耗水量占總耗水量的70%左右。根據(jù)《青海省水資源綜合規(guī)劃》，2010年青海省黃河流域地表水資源開發(fā)利用率僅為7.5%，需水量22.5億m3，可供水量18.8億m3，缺水率達16.1%，而且隨著社會經(jīng)濟發(fā)展，缺水形勢將更加嚴峻。青海省黃河流域是經(jīng)濟政治中心，水資源供需矛盾突出。因此率定灌區(qū)耗水系數(shù)是當前亟待解決的問題。水量平衡原理是耗水系數(shù)相關研究的理論基礎[2-3]。近年來諸多學者基于水量平衡原理，對耗水系數(shù)進行了大量研究，主要方法包括河段差法、引排差法、大蒸發(fā)量法、作物總需水量法、蒸滲儀法、數(shù)值模擬法等[4-8]。用黃河干流入境年徑流量減去出境年徑流量加區(qū)間匯入量，稱河段差法；直接從黃河取水的渠道統(tǒng)計年引水量之和，減去各排水溝年排水量，再減去灌區(qū)以潛流形式直接排入黃河的排水量，稱引排差法；用彭曼公式計算灌區(qū)蒸發(fā)蒸騰量，換算灌區(qū)耗水量，稱最大蒸發(fā)量法；灌區(qū)作物生長期耗水來自灌溉、有效降水和作物根系吸收地下水量，3項之和稱作物總需水量法，計算耗用黃河水量[1]；用蒸滲儀模擬土壤水分蒸滲規(guī)律、小區(qū)灌溉水下滲試驗等稱作蒸滲儀法；采用SWAT、VSMB、BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型等數(shù)學方法和計算機技術建立模擬和預測水循環(huán)過程，稱作數(shù)值模擬方法。但是采用多種方法研究耗水系數(shù)還較少。在此背景下，筆者分別采用引排差法和VSMB模型模擬2種方法開展青海省香日德河谷灌區(qū)典型地塊耗水系數(shù)研究，這不僅是灌區(qū)加強計劃用水和節(jié)約用水的前提，也為灌區(qū)及黃河流域水資源合理利用和優(yōu)化配置提供技術支撐。

1 研究區(qū)概況

香日德河谷灌區(qū)始建于1956年2月26日，1972年正式投入使用，灌溉面積0.452萬hm2，主要種植作物有枸杞、馬鈴薯、小麥、油菜、青稞、豆類等。灌區(qū)在每年的3月25日左右開始放水，11月10日左右停水，5—8月灌區(qū)用水量較大，9—11月灌區(qū)用水量逐漸減小。

香日德河谷灌區(qū)引水樞紐位于都蘭縣香日德鎮(zhèn)大橋下游河道左岸，距香日德鎮(zhèn)大橋0.48 km，修建于1972年9月，主要建筑物有進水閘（設3孔，每孔凈寬3.0 m，凈高1.2 m，進水閘地板比沖砂閘地板高1.0 m，閘室后設5.0 m的斜坡段，閘頂以上有啟閉機工作室）、泄洪沖砂閘（設5孔，每孔凈寬3.1 m）、溢流壩（長330.0 m，由主壩、消力池、漿砌石海漫等組成）。引水總干渠全長7.69 km，渠道斷面為梯形，渠底寬2.0 m，渠口寬4.5 m，渠深1.1 m，漿砌石砌筑，主要建筑物有引水口1個、分水口6個、農(nóng)橋5座，灌溉總面積3 246.67 hm2，過閘設計流量6.00 m3/s，最大流量9.00 m3/s。

香日德河谷灌區(qū)全長60.80 km，共有支渠7條，支渠斷面為梯形；共有斗渠52條，全長86.90 km，擁有各類建筑物659座，均為砼預制板梯形襯砌。

灌區(qū)屬高原干旱大陸性氣候，年均氣溫2.7 ℃，極端最低氣溫為-29.8 ℃，極端最高溫度達33.0 ℃。年均降水量179.1 mm?？h域西部干旱少雨，日照充足，東部氣候溫涼，晝夜溫差大。年平均氣溫1.4～5.1 ℃，年平均降水量37.9～180.5 mm，蒸發(fā)量1 358.0～1 765.0 mm，年日照時數(shù)2 903.9～3 252.5 h。

香日德河谷灌區(qū)典型地塊選在香日德鎮(zhèn)到香日德農(nóng)場公路9.8 km處西側，包括1號和2號2塊相鄰的地塊。1號地塊主要種植農(nóng)作物為青稞，面積0.53 hm2（長198.0 m，寬約27.0 m）；2號地塊主要種植農(nóng)作物為小麥，面積0.47 hm2（長198.0 m，寬約23.5 m），詳見圖1。

2 材料與方法

2.1 引退水量監(jiān)測設計

香日德河谷灌區(qū)典型地塊設有引水監(jiān)測斷面、退水監(jiān)測斷面各2處，可代表整個灌區(qū)進行引退水量監(jiān)測。

流量監(jiān)測：采取委托觀測來水時間和專業(yè)人員巡測流量的方式進行監(jiān)測。灌區(qū)典型地塊的引退水量均采用實測流量過程線法推求。流量測驗采用懸桿流速儀法，懸桿測深，布設5條測深垂線，3條測速垂線，測速歷時不少于100 s。垂線的流速測點布置位置采用相對水深0.5、0.6，測點位置滿足《河流流量測驗規(guī)范》表4.3.3的規(guī)定；岸邊流速系數(shù)采用0.7、0.9，符合《河流流量測驗規(guī)范》表4.8.1的規(guī)定；測速垂線布設、水道斷面測深垂線的布設及單次流量測驗允許誤差均符合《河流流量測驗規(guī)范》的規(guī)定。灌區(qū)典型地塊引退水監(jiān)測斷面水文監(jiān)測實施方案見表1。

2.3 VSMB模型原理

2.3.1 概念基礎。

根據(jù)根密度分布和田間持水量隨土壤深度變化而不同，VSMB模型將包含根部在內的土壤剖面劃分為若干個土層。Dyer和Robertson[9]最初給這個“土層”的定義是包含植物根部在內的土壤厚度。這個“土層”被分成2個排水層，用來計算地表漫灌至下滲到地下水層條件下，并延遲1 d的最小排水量。

排水層的概念是在VSMB3中對氣候濕潤的地區(qū)超過田間持水量的多余水量做預算時引進來的。VSMB3的兩層系統(tǒng)模型是由簡單的兩土層模型改編而來的，用于田間機動性研究[10]，可與各種土壤水分預算模型兼容[11]。

只有下過雨后和第2層已經(jīng)排盡水時，第1排水層中的多余水分才會排進第2層。由于按順序排水和延遲1 d排水的概念是VSMB3兩層子模型的基礎，同時也是下面所說的VSMB2000是三層子模型的基礎，其流程見圖2。

在這個文件里，VSMB新加了個底層（第3層），專門用來模擬潛水位。與其他排水層一致，這一層應該從第2層的底部開始。但是，由于潛水位的動態(tài)變化特性，第3層被認為與上面兩層是分開的，從而第2和第3層之間有可能存在重疊部分。這意味著只有當水位函數(shù)存在時才存在第3層；每個土層至少屬于上面2個排水層中的一個。第3個排水層也稱為“儲水庫”。

VSMB2000根據(jù)水分的動力學運動來管理土層內的水分：蒸散、滲濾、滲透、徑流、排水水位，側向排水和毛細上升。土壤剖面的水分來自降水或灌溉，通過蒸散、徑流、滲透或側向排水而失去水分。土壤剖面中發(fā)生的下滲、潛水位變化和毛細上升等運動，都需要在各個排水層中的每個土層進行預算。

3 結果與分析

3.1 基于引排差法耗水系數(shù)計算

典型地塊主要種植的農(nóng)作物為青稞（1號地塊）和小麥（2號地塊），并且灌溉時間和頻次各不相同，小麥灌溉時間和頻次比青稞要多。2014年香日德河谷灌區(qū)典型地塊XRD-JS1共灌溉7次，XRD-JS2共灌溉8次。灌溉期間，除了1號地塊4月23日、2號地塊5月13日有退水外，其他時間均無退水。

灌區(qū)典型地塊流量監(jiān)測，測次必須根據(jù)高、中、低各級水位的水流特性，斷面控制情況和測驗精度要求，合理分布于各級流量變化的轉折點處，掌握各個時段的水情變化。

1號地塊XRD-JS1引水灌溉時間一般為1～3 h，2號地塊XRD-JS2引水灌溉時間一般為1～2 h。灌溉開始開閘放水至水量平穩(wěn)、灌溉結束至流量為零一般需要3～5 min，因此，流量測次一般布置3次，即引水灌溉開始至水量平穩(wěn)時測流1次，中間測流1次，引水灌溉結束前測流1次。為了使監(jiān)測到的引水量更加準確，可在灌溉過程中增加測次，最多可達7次，這樣可控制水量的變化過程，符合《河流流量測驗規(guī)范》要求。

1號和2號地塊退水斷面XRD-TS1、XRD-TS2退水過程一般需要1.5～3.0 h，為了控制退水過程，每個退水斷面流量測次布置3次，這樣可掌握水量的變化過程。

香日德河谷灌區(qū)引水斷面XRD-JS1、XRD-JS2，退水斷面XRD-TS1、XRD-TS2垂線測點流速均采用LS10型流速儀施測。型號為85210和85041，公式分別為V=0.103 0n/s+0.021 8、V=0.104 0n/s+0.033 6，流速使用范圍0.100～4.00 m/s。

在灌溉期間以及流量測驗過程中，要加強與地塊主人聯(lián)系，及時了解和掌握引退水情況，并根據(jù)引退水情況布置流量測次，以滿足能控制引退水口流量變化過程為原則。XRD-JS1、XRD-JS2、XRD-TS1、XRD-TS2引退水量按照水文監(jiān)測方案監(jiān)測，采用實測流量過程線法推求水量。

通過對香日德河谷灌區(qū)典型地塊4月13日至11月4日監(jiān)測資料分析計算，得出典型地塊引水總量為5 600.0 m3，退水總量106.1 m3。其中XRD-JS1的引水總量為2 971.0 m3，退水總量86.4 m3；XRD-JS2的引水總量為2 629.0 m3，退水總量19.7 m3。

典型地塊引、退水量統(tǒng)計見表2，XRD-JS1、TS1監(jiān)測斷面各時期引、退水量見表3，XRD-JS2、TS2監(jiān)測斷面各時期引、退水量統(tǒng)計見表4。

綜合考慮地表和地下退水量后，根據(jù)公式（1）采用引排差法計算得到香日德河谷灌區(qū)典型地塊2014年耗水系數(shù)為0.908。

3.2 基于VSMB模型耗水系數(shù)計算

2014年香日德灌區(qū)典型地塊降水量僅為210.9 mm，灌溉水量590.9 mm，潛在蒸散發(fā)量1 213.7 mm，實際蒸散發(fā)量752.4 mm，深層滲漏55.8 mm。即有93.8%的水消耗于蒸發(fā)蒸騰，折算成耗水系數(shù)為0.938。香日德灌區(qū)典型地塊模擬結果RMSE為1.86，模擬結果精度較高。土壤水分和蒸散發(fā)模擬結果見表5、圖3和圖4所示。

模擬結果表明，2014年香日德灌區(qū)典型地塊年實際蒸散發(fā)量等于當?shù)亟邓凸喔人恐偷?3.8%。

4 結論

該研究得出，香日德河谷灌區(qū)典型地塊監(jiān)測期總引水量5 600 m3，總退水量106.1 m3，典型地塊滲漏系數(shù)取值5.60%。采用引排差法計算得到香日德河谷灌區(qū)典型地塊2014年耗水系數(shù)為0.908。

VSMB模型模擬結果表明，香日德河谷灌區(qū)典型地塊凈灌溉水量中有93.8%消耗于蒸發(fā)蒸騰，折算成2014年耗水系數(shù)為0.938。2種方法耗水系數(shù)差值僅為0.03，說明在香日德河谷灌區(qū)典型地塊內，在耗水系數(shù)計算方面，VSMB模型可以為引排差法提供較好的驗證。

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