王一騰，蔡煥杰，陳新明

(1.西北農(nóng)林科技大學旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點試驗室，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，陜西 楊凌 712100)

0 引 言

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，面臨人多地少、水資源時空分布不均、水資源與生產(chǎn)力布局不相匹配等諸多問題，這些既是現(xiàn)階段突出的水情，也是今后長期面臨的基本國情。自然地理條件復雜、水土資源不相匹配的現(xiàn)狀，決定了農(nóng)業(yè)灌溉是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展不可替代的基礎條件，是保障國家糧食安全的重要支撐[1]。我國水資源利用方式比較粗放，利用效率低下，尤其是農(nóng)田灌溉，全國灌溉用水量約占總用水量的60%以上，是主要的用水大戶，但是灌區(qū)多修于20世紀五六十年代，存在著老化失修、配套不全等諸多問題，田間灌溉方式相對粗放，全國灌溉水利用效率僅為0.5左右，與世界先進水平0.7～0.8有較大差距[1]。目前我國已實行最嚴格水資源管理制度，農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)成為國家實行最嚴格水資源管理“三條紅線”考核指標之一[2]。農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)是指某一時期灌入田間可被作物利用的水量與水源灌溉取水總量的比值，能綜合反映灌區(qū)灌溉工程狀況、用水管理水平和灌溉技術(shù)水平[3-5]，提高灌溉水有效利用系數(shù)，是解決農(nóng)業(yè)用水短板、實現(xiàn)農(nóng)業(yè)水資源可持續(xù)利用等亟須解決的問題[6]。傳統(tǒng)計算方法通常是先測算出渠系水利用系數(shù)和田間水利用系數(shù)[7]，然后兩者相乘得出灌溉水利用系數(shù)，但是工作量大，需要大量人力、物力才能完成。近年來，許建中，崔遠來，高峰等[8-10]提出：首尾測算法與典型渠道測量法相結(jié)合可以克服傳統(tǒng)方法工作量大，需要大量人力、物力才能完成的缺點；周和平[11]等采用傳統(tǒng)渠道斷面測驗法、典型灌區(qū)田間水利用系數(shù)測驗和 “灌區(qū)首尾”等方法，綜合研究新疆干旱灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)。沈逸軒等[12]采用灌區(qū)年報統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析年灌溉水利用率，結(jié)果表明灌區(qū)數(shù)據(jù)分析具有統(tǒng)計一致、數(shù)據(jù)易達、利于對比利用的特性，因而“首尾測算分析法”法具有較好的實用價值。

伴隨著陜西經(jīng)濟的發(fā)展和人口的增長，水的需求量不斷增加，供水矛盾日益加劇，農(nóng)業(yè)用水面臨著越來越嚴峻的挑戰(zhàn)[13]。筆者綜合考慮寶雞市土壤類型、地形地貌、水源類型、灌區(qū)規(guī)模及作物種植結(jié)構(gòu)等因素，從全市選取32處樣點灌區(qū)，采用“首尾測算分析方法”，在樣點灌區(qū)農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)測算分析成果的基礎上，計算并分析2017年寶雞市不同規(guī)模及類型灌區(qū)農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)，為有關(guān)部門進行水資源管理及研究相關(guān)政策提供了參考依據(jù)。

1 區(qū)域概況

寶雞市位于陜西關(guān)中平原西部，東鄰楊凌國家農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū)，南臨秦嶺，北依黃土塬，下轄3區(qū)9縣。地處中緯度地帶，屬典型的溫帶大陸性氣候類型。全市多年平均降雨量692 mm。2017年耕地總面積32.476 萬hm2，有效灌溉面積15.261 萬hm2，其中大型灌區(qū)3處，有效灌溉面積10.203 萬hm2；中型灌區(qū)19處，有效灌溉面積1.830 萬hm2；小型灌區(qū)約173處，有效灌溉面積1.808 萬hm2；純井灌區(qū)有效灌溉面積1.420 萬hm2。2017年全市農(nóng)田實際灌溉面積7.393 萬hm2，灌溉用水總量4.108 7 億m3。

2 測算方法

2.1 技術(shù)路線

寶雞市灌溉水有效利用系數(shù)測算分析采用點與面相結(jié)合、實地觀測與調(diào)查研究分析相結(jié)合、微觀研究與宏觀分析評價相結(jié)合、分區(qū)測算與獨立測算相結(jié)合的方法進行。在對灌區(qū)綜合調(diào)研的基礎上，分類匯總分析灌區(qū)的灌溉面積、工程設施與用水狀況等，選擇代表不同規(guī)模與類型、不同工程狀況、不同水源條件與管理水平的樣點灌區(qū)，構(gòu)建相對穩(wěn)定的灌溉水有效利用系數(shù)測算分析網(wǎng)絡；收集整理樣點灌區(qū)有關(guān)資料，選擇樣點灌區(qū)典型田塊或典型斗渠，測算樣點灌區(qū)典型田塊年每公頃平均凈灌溉用水量，統(tǒng)計典型斗渠田間用水資料，在分析計算樣點灌區(qū)或典型斗渠控制范圍內(nèi)凈灌溉用水量的基礎上，采用首尾測算法，分析計算樣點灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)；以樣點灌區(qū)測算結(jié)果為基礎，計算并分析寶雞市不同規(guī)模、不同類型灌區(qū)以及不同區(qū)域的灌溉水有效利用系數(shù)。

2.2 樣點灌區(qū)和典型田塊的選取

2.2.1 樣點灌區(qū)的選取

根據(jù)《全國農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測算分析技術(shù)指導細則》，考慮寶雞市地形地貌、灌區(qū)管理水平、土壤類型、水源類型、作物種植結(jié)構(gòu)及具體情況等因素，共選取寶雞市32處樣點灌區(qū)，其中大型灌區(qū)3處，中型灌區(qū)7處，小型灌區(qū)5處，純井灌區(qū)17處，見表1。其中所選大型樣點灌區(qū)數(shù)量占全市大型灌區(qū)的100%，中型樣點灌區(qū)數(shù)量占全市中型灌區(qū)的36.84%，小型樣點灌區(qū)數(shù)量占全市小型灌區(qū)的2.89%，純井灌區(qū)各種作物至少選了2個樣點，均符合水利部《全國農(nóng)田農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測算分析技術(shù)指導細則》的要求。綜上，樣點灌區(qū)數(shù)量選擇合理，基本反映了寶雞市灌區(qū)的實際情況。

表1 2017年寶雞市樣點灌區(qū)統(tǒng)計表Tab.1 Sampling irrigation districts statistics of Baoji City in 2017

2.2.2 典型田塊的選取

樣點灌區(qū)典型田塊是用來監(jiān)測田間凈灌溉用水量的。選擇具有代表性的典型田塊和典型田塊凈灌溉用水量的準確計算將對灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)的計算產(chǎn)生很大影響。典型田塊的選取[9]不僅要選取形狀規(guī)則、邊界清楚、面積適中的田塊，而且還要考慮選取的田塊在作物種類、畦田規(guī)格、灌溉方式等方面的代表性。這些將直接影響田間凈灌溉用水量的計算，進而影響農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)的計算。根據(jù)《全國農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測算分析技術(shù)指導細則》和寶雞市樣點灌區(qū)實際情況對典型田塊進行選取，2017年寶雞市共選取典型田塊132個，典型田塊最大面積1.2 hm2，最小面積0.029 hm2。

2.3 凈灌溉用水量的計算

2.3.1 直接量測法

直接量測法首先觀測典型田塊內(nèi)作物不同生育期內(nèi)計劃濕潤層的土壤含水率，再根據(jù)公式計算不同作物年公頃凈灌溉用水量。計算公式為：

(1)

式中：γ為典型田塊土層內(nèi)土壤干密度，g/cm3;θg1、θg2為灌前、灌后土壤質(zhì)量含水率，%。

2.3.2 觀測分析法

灌溉水有效利用系數(shù)測算過程中，判斷作物充分灌溉還是非充分灌溉是準確計算典型田塊凈灌溉用水量的前提。首先，測算實際流入典型田塊的年公頃均灌溉用水量w田，依據(jù)氣象資料、作物種類等情況，根據(jù)水量平衡原理計算計算凈灌溉定額M。對二者進行比較，當kw田≥M時，為充分灌溉，w田凈=M；當kw田

典型田塊凈灌溉用水量的測算優(yōu)先選擇直接量測法，其次選擇觀測分析法進行測算分析。根據(jù)樣點灌區(qū)現(xiàn)有資料和儀器設備等實際情況，本研究大中型灌區(qū)及小型灌區(qū)采用直接量測法，純井灌區(qū)采用觀測分析法計算典型田塊凈灌溉用水量。

2.4 不同規(guī)模與類型灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)平均值測算

2.4.1 樣點灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)的計算

樣點灌區(qū)凈灌溉用水量和毛灌溉用水量的比值為樣點灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)。計算公式為：

(2)

2.4.2 大型灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)的計算

大型灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)平均值ηw大型計算公式為：

(3)

式中：η大i、W樣大i分別為第i個大型灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)和年毛灌溉用水量，億m3;N為大型灌區(qū)個數(shù)。

2.4.3 中型灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)平均值計算

首先，以樣點灌區(qū)測算值為基礎，按算術(shù)平均法計算0.067～0.333、0.333～1、1～2 萬hm2各規(guī)模灌區(qū)的農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)平均值；其次，按統(tǒng)計的0.067～0.333、0.333～1、1～2 萬hm2灌區(qū)年毛灌溉用水量加權(quán)平均得到全市中型灌區(qū)的灌溉水利用系數(shù)平均值。計算公式如下：

(4)

式中：ηw中型為行政區(qū)域中型灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)；η0.067～0.333、η0.333～1、η1～2分別為0.067～0.333、0.333～1、1～2 萬hm2不同規(guī)模樣點灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)；W0.067～0.333、W0.333～1、W1～2分別為行政區(qū)域內(nèi)0.067～0.333、0.333～1、1～2 萬hm2不同規(guī)模灌區(qū)年毛灌溉用水量，萬m3。

2.4.4 區(qū)域小型灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)平均值計算

以測算分析得出的各個小型灌區(qū)樣點灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)為基礎，采用算術(shù)平均法計算行政區(qū)域小型灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)。計算公式如下：

(5)

式中：ηw小型為行政區(qū)域小型灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)；η小i為行政區(qū)域第i個小型樣點灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)；n為行政區(qū)域小型樣點灌區(qū)數(shù)量。

2.4.5 區(qū)域純井灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)平均值計算

以測算分析得出的各類型純井灌區(qū)樣點灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)為基礎，采用算術(shù)平均法分別計算土質(zhì)渠道地面灌、防滲渠道地面灌、管道輸水地面灌、噴灌、微灌等5種類型灌區(qū)樣點灌區(qū)的灌溉水有效利用系數(shù)；然后，按不同類型灌區(qū)年毛灌溉用水量加權(quán)平均，計算得出行政區(qū)域純井灌區(qū)的灌溉水利用系數(shù)。計算公式如下：

(6)

式中：η土、η防、η管、η噴和η微分別為土質(zhì)渠道地面灌、防滲渠道地面灌、管道輸水地面灌、噴灌、微灌等5種類型樣點灌區(qū)的灌溉水利用系數(shù)；W土、W防、W管、W噴、W微分別為行政區(qū)域土質(zhì)渠道地面灌、防滲渠道地面灌、管道輸水地面灌、噴灌、微灌等5種類型純井灌區(qū)的年毛灌溉用水量，萬m3。

2.4.6 全市灌溉水利用系數(shù)的計算

根據(jù)不同類型灌區(qū)的年毛灌溉用水量和灌溉水有效利用系數(shù)，按不同類型的灌區(qū)年毛灌溉用水量加權(quán)平均計算全市灌溉水利用系數(shù)。計算公式如下：

(7)

式中：W大、W中、W小和W井分別為寶雞市大、中、小型灌區(qū)和純井灌區(qū)的年毛灌溉用水量，萬m3；ηw大型、ηw中型、ηw小型和ηw井分別為寶雞市大、中、小型灌區(qū)和純井灌區(qū)的灌溉水利用系數(shù)。

3 測算成果及合理性分析

3.1 不同規(guī)模灌區(qū)及測算成果分析

根據(jù)式(3)～式(6)，計算得到寶雞市不同規(guī)模與類型灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)平均值，其中大型灌區(qū)為0.525 7、中型灌區(qū)為0.535 9、小型灌區(qū)為0.563 0和純井灌區(qū)為0.763 0。根據(jù)式(7)可以推算出2017年寶雞市農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)為0.578 0。測算成果見圖1和表2。

由圖1可以看出，對于寶雞市2017年不同規(guī)模灌區(qū)的灌溉水利用系數(shù)，純井灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)最大，其次分別為小型灌區(qū)、中型灌區(qū)和大型灌區(qū)，結(jié)果符合實際。王景山[14]等對2012年寧夏現(xiàn)狀灌溉水利用系數(shù)研究表明農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)大小排序為純井灌區(qū)>小型灌區(qū)>中型灌區(qū) >大型灌區(qū)；司振江[15]等利用首尾測算法來對黑龍江省農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)進行了測算分析 不同規(guī)模灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)由純井灌區(qū)、小型灌區(qū)、 中型灌區(qū)到大型灌區(qū)依次減小的規(guī)律。

根據(jù)表2，0.067～0.333、0.333～1 萬hm2的中型灌區(qū)的灌溉水利用系數(shù)分別為0.522 4和0.576 2，純井灌區(qū)的防滲渠道地面灌、管道輸水地面灌和微灌的灌溉水利用系數(shù)分別為0.753 4、0.810 1和0.895 3。農(nóng)田灌溉水的水量損失分為渠系輸水損失和田間灌水損失[16,17]，灌區(qū)規(guī)模越大，渠系越多，分布越復雜，灌區(qū)調(diào)配水越難以管理，調(diào)度過程中，調(diào)度人員根據(jù)渠道水位和流量現(xiàn)狀，憑借經(jīng)驗決定渠道中的流量、水量分配，各分水閘門啟閉及開啟多依據(jù)上下游水位模糊判斷，渠系水流變化及過渡過程難以把握，配水準確性及可靠性比較低，渠系輸水過程中水分損失相對較大，使得大、中型灌區(qū)農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)相對低于小型和純井灌區(qū)。

圖1 2017年寶雞市不同規(guī)模灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)Fig.1 Irrigation water use efficiency of different scale of Baoji City in 2017

表2 2017年寶雞市農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測算成果Tab.2 Calculation results of irrigation water use efficiency of Baoji City in 2017

3.2 不同水源類型灌區(qū)測算成果分析

2017年寶雞市不同水源類型灌區(qū)農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)測算結(jié)果如圖2所示，從圖2中可以看出提水灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)大于自流灌區(qū)。提水灌區(qū)基本使用電力抽水灌溉，成本相對較高，灌區(qū)對其管理措施相對完善，管理水平相對高于自流引水灌區(qū)，農(nóng)民灌水時過度用水情況較少。針對純井灌區(qū)，灌溉水利用系數(shù)高于大型灌區(qū)、小型灌區(qū)和純井灌區(qū)。此結(jié)果符合灌區(qū)的一般規(guī)律。從不同的節(jié)水灌溉類型分析，防滲渠道地面灌、管道輸水地面灌、微灌的灌溉水利用系數(shù)依次增大，這與周和平等對新疆地區(qū)灌溉水利用系數(shù)的研究結(jié)果規(guī)律一致[11]。此結(jié)果進一步表明，在灌區(qū)今后的節(jié)水改造過程中，應大力開發(fā)并且推廣節(jié)水灌溉技術(shù)，尤其是微灌技術(shù)；對于地面灌溉，可以采用管道輸水和防滲渠道方式，減少輸水過程中的水分蒸發(fā)和滲漏，進而不同程度地提高灌溉水有效利用系數(shù)。此外，自流灌區(qū)的農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)相對提水灌區(qū)較低，因此，灌溉水利用效率提高的對策應向自流灌區(qū)有所側(cè)重，加強自流灌區(qū)的灌溉管理水平。

圖2 2017年寶雞市不同類型灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)Fig.2 Irrigation water use efficiency of different type of Baoji City in 2017

4 結(jié) 語

2017年通過選取寶雞市32個樣點灌區(qū)，采取首尾測算分析法，計算得出大型灌區(qū)、中型灌區(qū)、小型灌區(qū)及純井灌區(qū)的農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)分別為0.525 7、0.535 9、0.563 2和0.763 0；由不同規(guī)模灌區(qū)與年毛灌溉用水量加權(quán)平均，計算得出2017年寶雞市農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)為0.578 0，相比2016年全市灌溉水利用系數(shù)0.574 0，提高了0.7%。分析其原因，主要是2017年全市節(jié)水灌溉工程面積增加了4.033 萬hm2，工程投資增加了6 090萬元，渠道襯砌改造加大了力度，改善了灌區(qū)渠系工程狀況，通過渠道襯砌改造，不僅大幅減少了渠系滲漏損失，而且有效減少了渠道泥沙淤積，使灌溉水流順暢，便于渠系調(diào)配水及田間用水管理，為灌溉水利用系數(shù)的提高奠定了堅實的基礎。

灌溉水利用系數(shù)的影響因素較多，要從渠道工程、灌區(qū)管理、田間灌溉技術(shù)等多方面進行改善以提高灌溉水利用系數(shù)。具體可實施的措施有：大力開展渠道襯砌改造工程，改善灌區(qū)的渠系工程狀況，降低渠系水損失；提高灌區(qū)灌溉管理水平，使農(nóng)田灌溉水得到科學合理的調(diào)度；加快推廣先進節(jié)水灌溉技術(shù)的應用，傳統(tǒng)的灌溉模式已不適應現(xiàn)代高效農(nóng)業(yè)的發(fā)展需要，應大力發(fā)展噴灌、滴灌等現(xiàn)代節(jié)水灌溉技術(shù)。從不同方面使用不同方法使農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)得到提高。

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