鄭越馨，戴長雷,*，李治軍，高 宇，李 洋

(1.黑龍江大學(xué) a.水利電力學(xué)院;b.寒區(qū)地下水研究所，哈爾濱 150080；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，哈爾濱 150030)

肇州縣地處松嫩平原的腹地，是黑龍江省西部典型的旱灌區(qū)[1-2]，農(nóng)業(yè)灌溉主要依賴于地下水，基于高效灌溉主要是改善原有井和灌溉方式，采用不同的灌溉技術(shù)，以此來減少灌溉用水量，提高農(nóng)業(yè)用水水平。為了促進(jìn)節(jié)水增糧行動的有利進(jìn)行，對肇州縣水文年型進(jìn)行分析，根據(jù)玉米生育期的需水特征給出灌溉制度，采用不同的灌溉制度和方式，對肇州縣區(qū)域玉米灌溉的需水量進(jìn)行分析和計(jì)算[3]。玉米是肇州縣主要種植作物，玉米灌溉需水量占總需水量的85%，分別采用灌水3次和灌水2次的灌溉方案，對玉米生育期需水量進(jìn)行分析與計(jì)算，在確保地下水生態(tài)平衡的情況下，選擇玉米生育期灌溉需水量最優(yōu)的灌水方案，達(dá)到在肇州縣旱灌區(qū)高效灌溉的目的。

1 肇州區(qū)域水文年型分析

肇州縣位于大慶市東南部，地處松嫩平原的腹地，面積為2 445 km2，是黑龍江省典型的旱田灌區(qū)，肇州縣轄6個鎮(zhèn)：肇州鎮(zhèn)、永樂鎮(zhèn)、朝陽溝鎮(zhèn)、豐樂鎮(zhèn)、興城鎮(zhèn)、二井鎮(zhèn)；6個鄉(xiāng)：雙發(fā)鄉(xiāng)、托古鄉(xiāng)、朝陽鄉(xiāng)、永勝鄉(xiāng)、榆樹鄉(xiāng)、新福鄉(xiāng)。農(nóng)業(yè)灌溉面積大,需水量隨之增加，選定肇州縣為論證區(qū)。

水文年按總體蓄量變化最小的原則所選的連續(xù)12個月，一個自然水文年從當(dāng)年的第一次漲水當(dāng)月的第一天開始起算12個月，也就是汛期的當(dāng)月開始算往后12個月，肇州地區(qū)是從3月或4月到次年的2月或3月。肇州縣多年平均降水量為452.1 mm，年降水量年際變化幅度小，地區(qū)分布差異較小，降水量年內(nèi)變化十分劇烈，故選具有代表性的2005—2014年各月降水量，肇州縣多年月降水量統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 肇州縣多年月降水量統(tǒng)計(jì)Table 1 Monthly precipitation statistics in Zhaozhou County for years mm

由表1可見，降水主要集中在6—9月，6—9月降水量占全年降水量的82.1%。肇州地區(qū)氣候干燥，尤其在春季和初夏降水量小，蒸發(fā)強(qiáng)度大，并且地表不存在天然江河，全區(qū)境內(nèi)賦存地下水。肇州為農(nóng)業(yè)大縣，全區(qū)需水尤其是農(nóng)業(yè)灌溉需水主要依賴于開采地下水資源，對肇州縣典型年月降水量進(jìn)行研究，主要有保證率為20%、50%和95%的降水量，肇州縣雨量代表站降水量年內(nèi)分配見表2。

在豐水年和平水年降水量能滿足灌溉需水量，主要考慮干旱年的農(nóng)作物灌溉需水量。由于大量開采地下水資源，許多地區(qū)已形成區(qū)域性的地下水開采漏斗甚至超采區(qū)，地下水系統(tǒng)遭到破壞[4-6]。干旱年定義當(dāng)水源為地下水時，由于地下水庫的調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)，水量變化不大，供水保證率相對較高[7-9]。但隨著地下水的超采，供水工程的正常供水量也會受到影響，從而降低供水保證率，因此選擇干旱年作為主要研究的水文年型。

表2 肇州縣雨量代表站降水量年內(nèi)分配Table 2 Rainfall on behalf of the station annual distribution of precipitation in Zhaozhou County

2 基于高效灌溉的肇州縣農(nóng)業(yè)需水量與灌溉制度

2.1 肇州縣耕地分布與作物布局

肇州縣農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)見表3，玉米種植面積126 392 hm2，玉米種植面積占總耕地面積的86.7%,是肇州縣主要農(nóng)作物。

表3 肇州縣農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)Table 3 Agricultural planting structure statistics in Zhaozhou County

2.2 基于高效灌溉的農(nóng)業(yè)需水量

基于高效灌溉主要是改善原有井和灌溉方式，采用不同的灌溉技術(shù)，主要有噴灌和滴灌，以此來減少灌溉用水量，提高農(nóng)業(yè)用水水平。以提高灌溉水利用效率為核心，重點(diǎn)研究實(shí)用性強(qiáng)、節(jié)水、增產(chǎn)、增效玉米高效灌溉技術(shù)，形成具有區(qū)域特色的農(nóng)業(yè)高效灌溉技術(shù)體系。肇州縣需水量主要來源有農(nóng)業(yè)需水量、生活需水量和工業(yè)需水量。肇州縣節(jié)水灌溉區(qū)2010—2020年各水平年需水量見表4。

表4 肇州縣節(jié)水灌溉區(qū)各水平年需水量(104 m3)Table 4 Annual water demand of water-saving irrigation area in Zhaozhou County(104 m3)

農(nóng)業(yè)灌溉用水量是肇州縣主要用水量，占總需水量的66%。

肇州縣境內(nèi)玉米生育期為4月下旬至8月中旬共125～130 d，共需要補(bǔ)水3次，總需水量3 150 m3/hm2，相當(dāng)于314.8 mm，肇州縣玉米生育期需水變化特征見表5。因玉米的生育期需補(bǔ)水3次，分別為5、6、7月，平均一次補(bǔ)水約為105 mm，其中玉米補(bǔ)給水量包括降水入滲補(bǔ)給量和灌溉補(bǔ)給量，在豐水年和平水年期間，降雨入滲補(bǔ)給量可以滿足玉米在生育期內(nèi)的需水量，但干旱年時肇州縣的降水不能滿足玉米的正常生長，干旱發(fā)生頻率最高為91.18%，缺水相當(dāng)嚴(yán)重，需要在適當(dāng)時期進(jìn)行人工補(bǔ)水，最好在播種期、苗期和封壟前期適量補(bǔ)水，才能保證玉米的正常生長發(fā)育[10-13]。主要研究在干旱年玉米的灌溉需水量，因此需扣除降雨入滲補(bǔ)給量，即為玉米的灌溉補(bǔ)水量。

表5 肇州縣玉米生育期需水變化特征Table 5 Water demand characteristics of corn growth period in Zhaozhou County

2.3 農(nóng)作物灌溉制度

作物地面灌溉凈定額，干旱年生育期內(nèi)灌水3～4次，一般年2～3次，玉米每次灌水50 mm；濕潤年1次，玉米灌水50 mm。根據(jù)常規(guī)經(jīng)驗(yàn)，與地面灌比較，噴灌節(jié)水40%。將地面灌凈定額乘以0.6的系數(shù)即為肇州縣噴灌的凈定額，因此采用噴灌的灌溉技術(shù)。

3 不同水文年的肇州縣灌溉需水量分析與計(jì)算

玉米灌溉補(bǔ)水期主要有播種—拔節(jié)期、拔節(jié)—抽雄期和抽雄—灌漿期，灌水次數(shù)3次左右，玉米灌溉需水量計(jì)算有A、B兩類方案，具體方案如下：

A類方案：玉米生育期灌溉3次，即播種—拔節(jié)期、拔節(jié)—抽雄期和抽雄—灌漿期。

B類方案：玉米生育期灌溉2次,分別為B1播種—拔節(jié)期和拔節(jié)—抽雄期，B2播種—拔節(jié)期和抽雄—灌漿期，B3拔節(jié)—抽雄期和抽雄—灌漿期。

計(jì)算扣除保證率為P=95%時降水量的玉米灌溉需水量，當(dāng)需水量小于降水補(bǔ)給量時不需要灌溉，降水量能滿足玉米的需水量。玉米灌溉需水量：

P灌=P需-10P降m

(1)

式中P灌為玉米灌溉需水量( m3/hm2)；P需為需水量( m3/hm2);P降為保證率下的降水量(mm)；m為折算系數(shù)，取0.9。

根據(jù)4種灌溉方案計(jì)算玉米在灌溉期各月的需水量， 玉米灌溉期各月需水量見表6。

表6 玉米灌溉期各月需水量Table 6 Water demand monthly in corn irrigation /(m3·hm-2)

計(jì)算保證率P=95%時A類方案和B類方案在生育期內(nèi)所需的地下水灌溉水量，計(jì)算結(jié)果見表7～表11。

表7 A類方案:灌溉3次特枯水年(P=95%)灌溉水量Table 7 Plan A:Amount of dry years of irrigation three times (P=95%)

表8 B1類方案：灌溉2次特枯水年(P=95%)灌溉水量Table 8 Plan B1:Amount of dry years of irrigation twice(P = 95%)

表9 B2類方案 灌溉2次特枯水年(P=95%)灌溉水量Table 9 Plan B2:Amount of dry years of irrigation twice(P = 95%)

表10 B3類方案 灌溉2次特枯水年(P=95%)灌溉水量Table 10 Plan B3：Amount of dry years of irrigation twice(P = 95%)

表11 P=95%不同方案玉米需水量Table 11 Different scenarios of corn water demand(P=95%)

在特枯水年(P=95%)，采用A方案，玉米灌溉需水量為1 710.6 m3/hm2；采用B1方案，玉米灌溉需水量為1 118.5 m3/hm2；采用B2方案，玉米灌溉需水量為631.0 m3/hm2；采用B3方案，玉米灌溉需水量為882.1 m3/hm2?？梢夿2方案所需地下水灌溉水量最小，在肇州縣地區(qū)可在播種—拔節(jié)期和抽雄—灌漿期對玉米進(jìn)行灌溉補(bǔ)水，可達(dá)到節(jié)水增糧的效果。

4 結(jié) 論

基于高效灌溉的目的對肇州縣玉米生育期的灌溉需水量進(jìn)行分析和計(jì)算，得到的主要結(jié)論有：

1)充分灌溉時采用A方案，灌溉時段為1、2、3，3個時段，在特枯水年(P=95%)玉米灌溉需水量為1 710.6 m3/hm2；采用B1方案，灌溉時段為1、2,2個時段，在特枯水年(P=95%)玉米灌溉需水量為1 118.5 m3/hm2；采用B2方案，灌溉時段為1、3,2個時段，在特枯水年(P=95%)玉米灌溉需水量為631.0 m3/hm2；采用B3方案，灌溉時段為2、3,2個時段，在特枯水年(P=95%)玉米灌溉需水量為882.1 m3/hm2。

2)對比分析4種灌溉方案，得出B2方案在播種—拔節(jié)期和抽雄—灌漿期灌水2次所需水量為631 m3/hm2，是用水量最少的一種灌溉方案，達(dá)到高效灌溉的目的。

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