楊旭洋，劉 彬，閆丹丹，孫玲玲，楊旭濤

(1.河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056001；2.陜西文強(qiáng)建工集團(tuán)有限公司，西安 710075)

1 研究背景

灌溉在作物生產(chǎn)中起著至關(guān)重要的作用，全球大約69%的淡水用于作物灌溉[1]。在經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展的現(xiàn)代社會(huì)，城市享有水資源分配的優(yōu)先權(quán)[2,3]，農(nóng)業(yè)灌溉用水將在一定程度上被擠占。因此，農(nóng)業(yè)灌溉用水的利用效率必須提高[4,5]。我國現(xiàn)狀田間大多為地面灌溉，地面灌溉容易發(fā)生深層滲漏，農(nóng)業(yè)用水效率極低，灌溉用水有效利用系數(shù)平均為0.536[6,7]。灌溉用水定額是農(nóng)業(yè)灌溉用水管理實(shí)施“總量控制，定額管理”、科學(xué)的進(jìn)行農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整和合理利用區(qū)域水資源的重要支撐[8]。為了合理利用現(xiàn)有水資源、提高農(nóng)業(yè)灌溉用水效率和灌溉質(zhì)量，2003年水利部在全國范圍內(nèi)首次以省為單位，采用灌溉試驗(yàn)法和現(xiàn)場抽樣調(diào)查法，編制了各省(市)灌溉用水定額[9,10]。

灌溉用水定額的編制對河北省農(nóng)業(yè)灌溉科學(xué)用水、優(yōu)化配置水資源和改善灌溉質(zhì)量至關(guān)重要[11,12]。河北省應(yīng)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求而超量開采地下水，現(xiàn)地下水漏斗區(qū)已多達(dá)50多處，最深達(dá)70 m，地下水的透支產(chǎn)生了一系列的地質(zhì)災(zāi)害，地下水量使用控制加劇了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)用水的供需矛盾[13]。河北省平原區(qū)長期處于地下水超采狀態(tài)，2013年農(nóng)業(yè)灌溉超采量為18.28 億m3[14]。黨的十八大和十八屆三中全會(huì)對生態(tài)文明建設(shè)提出了新的要求，自2014年起，河北省把開展地下水超采治理作為生態(tài)文明建設(shè)的一個(gè)重要工程。為確保河北省超采綜合治理取得實(shí)效，評(píng)估考核顯得尤為重要。將灌溉用水定額作為評(píng)價(jià)現(xiàn)狀農(nóng)業(yè)用水水平、分析節(jié)水潛力、判定用水合理性和確定節(jié)水水平的重要參考技術(shù)指標(biāo)[15]，河北省地方標(biāo)準(zhǔn)《用水定額》(DB13/T 1161-2016)計(jì)算出的農(nóng)業(yè)灌溉用水定額由于地理區(qū)位和田間灌溉技術(shù)等的影響，往往與實(shí)際應(yīng)用存在一定的偏差[16,17]。為了提高河北省灌溉用水定額的科學(xué)性與合理性，以保障灌溉用水定額的得到切實(shí)應(yīng)用，在河北省衡水市、滄州市、邢臺(tái)市和邯鄲市4市48個(gè)縣選擇401典型地塊進(jìn)行了小麥灌溉用水量測定灌水試驗(yàn)，并與該區(qū)灌溉用水定額指標(biāo)進(jìn)行對比分析。

2 灌溉用水量相關(guān)概念辨析

灌溉用水量是灌區(qū)從水源引入的用于農(nóng)田灌溉的水量[18]，也是指為滿足作物全生育期用水要求，扣除大氣的有效降水補(bǔ)給之外，從農(nóng)田水利措施中補(bǔ)充給作物的水量。灌溉定額是農(nóng)作物全生育期單位面積上歷次灌水定額之和，可分為凈灌溉定額和毛灌溉定額。灌溉用水定額是核算單元內(nèi)單位面積某種作物全生育期灌溉用水量的限額，包含核算單元內(nèi)的渠系系統(tǒng)輸水損失和田間損失，井灌和地表水灌的核算單元分別為井口和斗口，是毛灌溉用水定額[19,20]。

灌溉用水量、灌溉定額與灌溉用水定額三者同中有異。灌溉用水量是農(nóng)業(yè)灌溉用水的一個(gè)基本表征，而灌溉用水定額和灌溉定額是特定條件下的灌溉用水量，在農(nóng)業(yè)用水規(guī)劃和管理中灌溉定額和灌溉用水定額是兩個(gè)核心的技術(shù)指標(biāo)[21]。灌溉定額分為凈灌溉定額和毛灌溉定額。其中，凈灌溉定額是為了滿足作物自身需水要求的灌溉需水量，其無法直接進(jìn)行測定，可依據(jù)農(nóng)作物需水量、有效降雨量、地下水利用量確定；毛灌溉定額則主要是為渠首、泵站等水利設(shè)施設(shè)計(jì)提供依據(jù)，是以凈灌溉定額為基礎(chǔ)，扣除通過渠系系統(tǒng)輸送到田間的過程中由于滲漏、蒸發(fā)以及管理方面等產(chǎn)生的輸水損失和田間灌水損失，折算至渠首的單位面積灌溉需水量，無法在具體灌溉單元用水管理中運(yùn)用。因此灌溉定額反映作物本身的生物學(xué)特性、產(chǎn)量水平、土壤水肥以及管理水平等對作物需水量的影響，僅是為有關(guān)科研和規(guī)劃設(shè)計(jì)提供支撐，主要體現(xiàn)的是灌溉這項(xiàng)活動(dòng)自身的科學(xué)性、客觀規(guī)律性，并不注重灌溉技術(shù)的先進(jìn)性、合理性、客觀性、可操作性和可比性，且相對比較穩(wěn)定[22-24]。

灌溉用水定額是繼工業(yè)和生活用水實(shí)施定額管理之后，在農(nóng)業(yè)用水管理中提出的一個(gè)新概念。用水定額一般均體現(xiàn)用水的科學(xué)性、先進(jìn)性、法規(guī)性和經(jīng)濟(jì)合理性。因此，灌溉用水定額可作為衡量灌溉用水科學(xué)性、合理性、先進(jìn)性且具有可比性的一項(xiàng)基本準(zhǔn)則。灌溉用水的科學(xué)性強(qiáng)調(diào)灌溉用水符合客觀規(guī)律，水量在進(jìn)行輸送和分配時(shí)符合水利設(shè)施的設(shè)計(jì)特征，補(bǔ)送至農(nóng)田的水量符合作物需水要求；合理性強(qiáng)調(diào)灌溉用水符合現(xiàn)狀灌溉技術(shù)水平、水利設(shè)施建設(shè)水平和經(jīng)濟(jì)條件；先進(jìn)性強(qiáng)調(diào)灌溉用水的高效利用，體現(xiàn)在用水管理、規(guī)劃和技術(shù)的前瞻性；可比性強(qiáng)調(diào)灌溉用水定額具有普遍適用性。灌溉用水定額依據(jù)灌溉工程現(xiàn)狀、用水水平結(jié)合水文氣象年份等，圍繞灌溉定額上下浮動(dòng)，是農(nóng)業(yè)用水管理的微觀指標(biāo)和考核標(biāo)準(zhǔn)[11]。

3 灌溉試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)范圍

為了將河北省南部冬小麥的實(shí)際灌溉用水量和用河北省《用水定額》推算的灌溉用水量進(jìn)行對比分析，從而對河北省南部冬小麥實(shí)際灌溉用水量進(jìn)行測定，選擇邯鄲市、邢臺(tái)市、衡水市、滄州市4市48個(gè)縣401個(gè)典型地塊進(jìn)行灌水試驗(yàn)，其主要涉及太行山山前平原區(qū)和黑龍港低平原區(qū)。試驗(yàn)典型地塊見圖1。為了保證觀測地點(diǎn)具有代表性，本次灌溉試驗(yàn)點(diǎn)的選取應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)：①試驗(yàn)點(diǎn)所處的井灌區(qū)應(yīng)是建立時(shí)間較長，具備灌區(qū)管理實(shí)體機(jī)構(gòu)，運(yùn)行情況和數(shù)據(jù)資料累計(jì)情況較好的灌區(qū)；②所選試驗(yàn)點(diǎn)應(yīng)具有代表性，包括其土質(zhì)類型、灌溉習(xí)慣、用水方式、地下水埋深狀況等。③近5年以來其上種植作物類型(冬小麥)必須單一固定。④選取農(nóng)戶即將灌溉的田間地塊作為典型地塊，不自行選擇地塊組織灌溉。

3.2 試驗(yàn)方法

(1)試驗(yàn)灌溉用水量測算。本次試驗(yàn)選擇在河北省大面積種植的具有代表性的農(nóng)作物-冬小麥，在冬小麥起身和拔節(jié)生育階段均進(jìn)行了小麥灌水試驗(yàn)，灌溉系統(tǒng)選擇地面灌系統(tǒng)(低壓管灌)，地面灌溉系統(tǒng)是通過渠系系統(tǒng)或管道將灌溉水輸送到田間，再通過畦、溝、格田(少部分大水漫灌)等分配到整個(gè)田間地塊[25]。灌溉試驗(yàn)完全按照當(dāng)?shù)孛癖娏?xí)慣，由用戶自行控制[26]。在試驗(yàn)過程中準(zhǔn)確記錄灌溉方式、作物種類、畦長及平整度、灌溉面積、抽水流量、灌溉時(shí)間、用電量、機(jī)井類型等數(shù)據(jù)。

灌溉抽水流量用超聲波流量計(jì)和體積法進(jìn)行測算并互相印證。使用超聲波流量計(jì)觀測機(jī)井出水量，即在小白龍出水口接PVC管，將儀器安裝到PVC管上，待水量穩(wěn)定時(shí)，讀取讀數(shù)。使用體積法測算出水量，即通過抽井水進(jìn)行灌溉，從出水口接“小白龍”管灌，用“體積法”進(jìn)行測算機(jī)井出水量，容器的體積為172 L，桶的深度為0.55 m。分別記錄水深和歷時(shí)。為了保證數(shù)據(jù)相對準(zhǔn)確性進(jìn)行3次試驗(yàn)，并取其平均值作為最終數(shù)據(jù)。

圖1 試驗(yàn)地點(diǎn)范圍Fig.1 Test site range

在48個(gè)典型縣的小麥灌水試驗(yàn)中共得到401個(gè)數(shù)據(jù)，每個(gè)典型縣5～18組灌水?dāng)?shù)據(jù)。典型區(qū)試驗(yàn)灌溉用水量測算，以現(xiàn)場實(shí)測的單井單度電出水量為主要依據(jù)，結(jié)合從供電部門獲得的灌溉用電量資料，求得典型區(qū)小麥的生長期總用水量，然后除以該典型區(qū)內(nèi)小麥的種植面積，得到典型區(qū)冬小麥的試驗(yàn)灌溉用水量；在灌水試驗(yàn)時(shí)全程觀測灌溉過程，以現(xiàn)場實(shí)測的抽水流量、灌溉時(shí)間、試驗(yàn)地塊面積為基礎(chǔ)計(jì)算次試驗(yàn)灌溉用水量，結(jié)合實(shí)際走訪調(diào)查所得試驗(yàn)地塊小麥全生育期灌水次數(shù)，計(jì)算典型區(qū)冬小麥試驗(yàn)灌溉用水量。

(2)理論推算灌溉用水量。在《用水定額編制技術(shù)導(dǎo)則里》里引入了基本用水定額，其是指某種作物在參照灌溉條件下的單位面積灌溉用水量。河北省參照灌溉條件規(guī)定為：工程類型為“土渠輸水地面灌溉”、水源類型為“地下水”、工程規(guī)模為“小型”、“無附加用水”，該條件下某作物的灌溉用水定額作為該作物的基本用水定額。一般比灌溉用水定額偏大。

不同作物的灌溉用水定額，由相應(yīng)的基本用水定額與灌溉規(guī)模、水源、灌溉形式的調(diào)節(jié)系數(shù)綜合求得，某種作物灌溉用水定額mijk[21]可表示為：

mijk=m0K1iK2jK3kK4

(1)

式中：m0為某種作物的基本用水定額；K1i為灌區(qū)規(guī)模調(diào)節(jié)系數(shù)，i為1、2、3，分別為大型、中型、小型3種不同的灌區(qū)規(guī)模；K2j為水源類型調(diào)節(jié)系數(shù)，j為1、2、3，分別為地下水灌區(qū)、地表水灌區(qū)、井渠結(jié)合3種不同的水源類型；K3k為灌溉工程類型調(diào)節(jié)系數(shù)，k為1、2、3、4、5，分別為土渠輸水地面灌、渠道防滲、管道輸水、噴灌、微灌5種不同的工程類型；K4為附加用水調(diào)節(jié)系數(shù)。

本文涉及的試驗(yàn)典型區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉用水調(diào)節(jié)系數(shù)見表1。河北省《用水定額》推算的灌溉用水量以下稱為理論推算灌溉用水定額。

表1 河北省南部平原區(qū)灌溉用水調(diào)節(jié)系數(shù)Tab.1 Adjustment coefficient of irrigation water in southern plain area of Hebei Province

3.3 統(tǒng)計(jì)分析

為了分析試驗(yàn)灌溉用水量與理論推算灌溉用水量符合程度，本文選擇了納什系數(shù)NSE、擬合優(yōu)度判定系數(shù)R2和均方根誤差RMSE來進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其中，納什系數(shù)NSE取值范圍為負(fù)無窮至1，NSE越接近1，表示符合程度越好；擬合優(yōu)度判定系數(shù)R2取值范圍為0至1，R2越接近1，表示符合程度越好，方根誤差RMSE值越小符合程度越好。其公式如下：

(4)

4 結(jié)果與討論

這里列出了兩個(gè)灌溉分區(qū)各典型縣冬小麥灌水試驗(yàn)匯總的試驗(yàn)灌溉用水量和理論推算灌溉用水量，見表2，相應(yīng)的折線圖見圖2。

表2 各縣冬小麥試驗(yàn)灌溉用水量與理論推算灌溉用水量對比表 m3/hm2

續(xù)表2 各縣冬小麥試驗(yàn)灌溉用水量與理論推算灌溉用水量對比表 m3/hm2

通過對河北省南部平原區(qū)試驗(yàn)灌溉用水量和理論推算的灌溉用水量進(jìn)行對比分析可知，灌溉典型區(qū)試驗(yàn)灌溉用水量總體比理論推算灌溉用水量高4.9%，其中試驗(yàn)灌溉用水量比理論推算灌溉用水量高的典型縣占58.3%，低的占41.7%。主要原因是由于大部分典型地塊的管灌方式為：從地頭出水口接“小白龍”通過畦或溝分配至整個(gè)地塊。在灌溉過程中典型地塊的畦長畦寬、田面坡降、平整程度以及農(nóng)民的操作方式(部分自流即大水漫灌，農(nóng)戶不進(jìn)行監(jiān)管)對灌水量的影響很大，故灌溉用水量有一定的時(shí)空分布差異。

按灌溉分區(qū)分析，太行山山前平原區(qū)各典型縣試驗(yàn)灌溉用水量總體比理論推算灌溉用水量低26.3%；黑龍港低平原區(qū)各典型縣試驗(yàn)灌溉用水量總體比理論推算灌溉用水量高0.7%，兩者基本一致。太行山山前平原區(qū)相對于黑龍港低平原區(qū)理論推算出的灌溉用水量總體偏低15.63%，這是由于在小麥全生育期兩個(gè)灌溉分區(qū)的降水量有一定的差異，太行山山前平原區(qū)降水量高于黑龍港低平原區(qū)降水量[27]，但太行山山前平原區(qū)相對于黑龍港低平原區(qū)的實(shí)際灌溉用水量總體偏高7.12%，這是由于太行山山前平原區(qū)水利條件較好，農(nóng)民灌溉用水較為粗放，節(jié)水意識(shí)較差。

按行政分區(qū)分析，河北省南部試驗(yàn)灌溉用水量從南向北總體呈遞減趨勢，與理論推算用水量趨勢正好相反。邢臺(tái)市和邯鄲市的試驗(yàn)灌溉用水量比理論推算灌溉用水量分別高21.6%、11.7%。在灌水試驗(yàn)中，邯鄲市和邢臺(tái)市田間地塊畦長畦寬相對來說比較大，畦長范圍大概為20～300 m，畦寬范圍大概為2～4 m，單畦面積平均為0.02 hm2，邢臺(tái)個(gè)別田間地塊單畦面積達(dá)到0.1 hm2。農(nóng)戶進(jìn)行灌溉時(shí)，灌溉習(xí)慣大多為，用“小白龍”將水分引至畦頭，水流從畦頭一直自流推進(jìn)至畦尾停水，畦尾閉合，然后換畦灌溉直至整個(gè)地塊灌水完成。畦長過大，灌水時(shí)間相對較長，灌水過程中容易產(chǎn)生深層滲漏，造成水資源的浪費(fèi)，且大量水分聚集在畦尾，導(dǎo)致灌水均勻度不高[28]。這是導(dǎo)致邯鄲和邢臺(tái)地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水量相對較高的一個(gè)重要原因。兩市農(nóng)田灌溉主要采用小畦灌溉，畦長范圍大概為2～10 m，畦寬范圍大概為1.5～3 m，單畦面積平均為0.001 3 hm2。灌水時(shí)間較短，灌水過程中深層滲漏量較少，灌溉損失量較少，灌溉用水量較低，這是滄州市和衡水市農(nóng)業(yè)試驗(yàn)灌溉用水量相對較低的一個(gè)重要原因。

圖2 各縣冬小麥試驗(yàn)灌溉用水量與理論推算灌溉用水量對比折線圖Fig. 2 Comparison of test irrigation water consumption and theoretical calculation of irrigation water for winter wheat in Counties

通過對試驗(yàn)灌溉用水量與理論推算灌溉用水量統(tǒng)計(jì)分析可知，納什系數(shù)E、擬合優(yōu)度判定系數(shù)R2和均方根誤差Re計(jì)算結(jié)果分別為-4.9、0.02和27.2。3個(gè)系數(shù)均說明試驗(yàn)灌溉用水量與理論推算灌溉用水量有較大差異。

5 結(jié) 語

通過河北省南部平原區(qū)冬小麥灌溉試驗(yàn)，冬小麥灌溉用水量多少與區(qū)域水利條件優(yōu)劣呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，按灌溉分區(qū)來說，水利條件較好的太行山山前平原區(qū)比水利條件較差的黑龍港低平原區(qū)實(shí)際灌溉用水量大；按行政分區(qū)來說，水利條件較好的邯鄲市和邢臺(tái)市比水利條件較差的衡水市和滄州市實(shí)際灌溉用水量大。主要原因水利條件較好的地方灌溉用水管理及利用方式反而較粗放，用水效率不高，灌溉用水量偏大。由試驗(yàn)灌溉用水量與理論推算灌溉用水量對比分析，衡水市和滄州市試驗(yàn)灌溉用水量總體低于理論推算灌溉用水量，邯鄲市和邢臺(tái)市灌溉用水量總體高于理論推算灌溉用水量。灌溉用水量偏大地區(qū)，應(yīng)改進(jìn)田間地塊的畦寬、畦長、地面平整程度，避免灌水不均勻形成部分深層滲漏和灌水時(shí)間較長引起的無效蒸發(fā)，從而提高灌溉用水效率，改善灌溉質(zhì)量。

[1] Food and Agriculture Organisation. FAOSTAT database[DB/OL]. http:∥www.fao.org, 2014.

[2] Beltran J M. Irrigation with saline water: benefits and environmental impact[J]. Agricultural Water Management, 1999,40(2-3):183-194.

[3] Wang H X, Zhang L, Dawes W R, et al. Improving water use efficiency of irrigated crops in the North China Plain-measurements and modeling[J]. Agricultural Water Management, 2001,48(2):151-167.

[4] Rockstrom J, Lannerstad M, Falkenmark M. Increasing water productivity through deficit irrigation: evidence from the Indus plains of Pakistan[J]. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2007,104:6 253-6 260.

[5] Jury W A, Vaux H J. The role of science in solving the world's emerging water problems[J]. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2006,102:15 715-15 720.

[6] 中華人民共和國水利部.2015年中國水資源公報(bào)[Z].

[7] 劉 鈺,蔡甲冰.甘肅景泰提水灌區(qū)田間灌水技術(shù)評(píng)價(jià)與改進(jìn)[J].中國農(nóng)村水利水電,2002,(7):9-13.

[8] 潘國強(qiáng),楊寶中,朱光亞,等.灌溉用水定額及其調(diào)節(jié)系數(shù)計(jì)算和有關(guān)問題探討[J].灌溉排水學(xué)報(bào)，2004,23(3).52-53.

[9] 邱苑梅,段美英,付學(xué)芬.云南省灌溉用水定額編制中的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題[J].節(jié)水灌溉,2004,(5):40-41.

[10] 杜秀文,郭慧濱.全國灌溉用水定額編制中的技術(shù)研究[J].農(nóng)村水利,2007,(9):48-50.

[11] 趙印英.山西省灌溉用水定額編制方法及其成果[J].水利水電科技進(jìn)展，2005,25(4):42-44.

[12] 楊麗霞.山西省灌溉用水定額研究[J].人民黃河,2011,33(5):74-75,88.

[13] 仵 峰,陳玉民,宰松梅.石津灌區(qū)適宜田間灌水技術(shù)試驗(yàn)研究[J].中國農(nóng)村水利水電,2003,(2):25-28.

[14] 溫榮平. 河北省地下水超采及造成的危害和治理[J].水利科技與經(jīng)濟(jì),2015,(12):10-12.

[15] 鄭 紅.河北省用水定額應(yīng)用現(xiàn)狀、問題與對策[J].中國水利,2009,(15):39,43.

[16] 趙慶波.農(nóng)田灌溉用水定額的編制方法[J].黑龍江科技信息,2009,(21):18.

[17] 中國水利百科全書編委會(huì).中國水利百科全書[M].北京:中國水利水電出版社,2006:437.

[18] 張玉順,潘國強(qiáng),秦海霞.河南省主要農(nóng)作物灌溉用水定額分析[J].灌溉排水學(xué)報(bào)，2009,28(5):67-69.

[19] 李粉嬋,張喜錄,王仰仁. 灌溉用水定額編制成果的可靠性分析[J]. 人民黃河,2004,(8):18-19,45.

[20] 鹿 強(qiáng),周和平. 干旱區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水定額研究[J]. 中國水利,2011,(21):45-46.

[21] 鄧兆安,葉德雙. 灌溉用水定額之淺見[J]. 科技資訊,2006,(9):119.

[22] 王 忠,周和平,張江輝.新疆農(nóng)業(yè)用水定額技術(shù)研究應(yīng)用[M].北京:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社,2012:93-95.

[23] 蔡甲冰,蔡林根,劉 枉,等.非標(biāo)準(zhǔn)狀況下作物系數(shù)的計(jì)算方法[J].中國農(nóng)村水利水電,2002,(2):32-37.

[24] 段愛旺.北方地區(qū)主要農(nóng)作物灌溉用水定額[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社,2004.

[25] 王 智,張愛明,廖德華.西營河灌區(qū)田間灌水技術(shù)試驗(yàn)研究[J]. 水資源與水工程學(xué)報(bào)，1993,4(1):17-25.

[26] 龔 宇,花家嘉,高桂芹,等.河北平原冬小麥需水關(guān)鍵期降水變化特征[J].節(jié)水灌溉,2009,(11):8-11,14.

[27] 聶衛(wèi)波,費(fèi)良軍,馬孝義.畦灌灌水技術(shù)要素組合優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012,43(1):83-88,107.

[28] 洪 瑜,王 芳,劉汝亮,等.不同畦灌方式對冬小麥土壤水分和水分利用效率的影響[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2014,32(3):70-75.