鄢文生

(盤(pán)州市水務(wù)局，貴州 盤(pán)州 553537)

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水資源緊缺形勢(shì)日益緊張，根據(jù)現(xiàn)有水資源的使用分配情況來(lái)看，農(nóng)業(yè)灌溉用水占比達(dá)到80%，其灌溉方式總體較為粗放，灌溉水利用效率較低，由此如何實(shí)現(xiàn)水資源的合理開(kāi)發(fā)與高效利用十分關(guān)鍵。為充分挖掘農(nóng)田節(jié)水潛力、科學(xué)指導(dǎo)節(jié)水改造，科學(xué)開(kāi)展灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算分析與評(píng)估備受關(guān)注，這也是本文分析的重點(diǎn)所在。

1 農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)概念

灌溉水有效利用系數(shù)是表征灌溉用水效率的重要指標(biāo)，在區(qū)域農(nóng)業(yè)水資源的管理、節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)措施的實(shí)施效果評(píng)價(jià)中發(fā)揮著關(guān)鍵性的作用，為灌溉系統(tǒng)優(yōu)化提供了可靠依據(jù)[1]。

本文主要針對(duì)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)展開(kāi)具體分析，其指的是田間所需凈流量(水量)與渠首引入流量(水量)之比，根據(jù)灌溉水整個(gè)流經(jīng)過(guò)程，可將其分解為兩部分：渠系水有效利用系數(shù)、田間水有效利用系數(shù)。在農(nóng)業(yè)發(fā)展中，通過(guò)灌溉水有效利用系數(shù)的科學(xué)測(cè)算分析，有利于全面掌握農(nóng)業(yè)灌溉中不同環(huán)節(jié)用水情況，明確灌區(qū)節(jié)水潛力，真正找出節(jié)水核心環(huán)節(jié)，制定合理的、可行的節(jié)水灌溉發(fā)展規(guī)劃，切實(shí)緩解區(qū)域水資源供需矛盾，促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展[2]。

2 農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算的方法

現(xiàn)階段農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算方法主要有兩種，一種是首尾測(cè)定法，另一種是典型渠段法。

2.1 首尾測(cè)定法

首尾測(cè)定法，即：只測(cè)定被作物吸收利用的水量W田凈與灌區(qū)渠首引入水量W總，灌溉水有效利用系數(shù)η計(jì)算公式如下：

(1)

式中：η為灌溉水有效利用系數(shù)；W總為灌區(qū)渠首引入水量，m3；W田凈為被作物吸收利用的水量，m3。

在實(shí)際測(cè)算中，W總根據(jù)灌區(qū)當(dāng)年用水量資料確定，W田凈的確定方法較多，據(jù)此可將首尾法分為以下幾種。

2.1.1 直接計(jì)算法

此方法利用灌區(qū)灌水定額M、灌區(qū)總灌溉面積A(單位：畝)相乘獲得W田凈，具體計(jì)算公式如下：

W田凈=M·A

(2)

式中：M為灌區(qū)灌水定額，m3/畝；A為灌區(qū)總灌溉面積，畝。

2.1.2 田間試驗(yàn)法

此方法通過(guò)測(cè)定灌溉前后土壤濕潤(rùn)層內(nèi)土壤含水率獲得W田凈，具體計(jì)算公式如下：

(3)

式中：H為土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層深度，cm；γ為土壤干容重，g/cm3；θgi為第i次灌水前土壤含水率，%；θ0i為第i次灌水后土壤含水率，%；i為灌水次數(shù)，次。

2.1.3 作物需水量法

無(wú)降水、地下水埋深大地區(qū)，可直接將作物需水量ET當(dāng)作W田凈；有降水或是地下水補(bǔ)給地區(qū)，可以用ET減去有效降水量P0、地下水補(bǔ)給量K獲得W田凈，具體計(jì)算公式如下：

W田凈=(ET-P0-K)·A

(4)

式中：ET為作物需水量，m3/(畝·d)；P0為有效降水量，m3/畝；K為地下水補(bǔ)給量，m3/畝。

在實(shí)際測(cè)算中，ET主要根據(jù)作物、氣象資料，通過(guò)Penman-Monteith公式估算，并結(jié)合當(dāng)?shù)匾延性囼?yàn)資料驗(yàn)證。

2.2 典型渠段法

典型渠段法，灌區(qū)內(nèi)選擇代表性渠段，測(cè)定渠段水有效利用系數(shù)，并做好修正工作，通過(guò)其與田間水有效利用系數(shù)相乘獲得灌溉水有效利用系數(shù)[3]。

2.2.1 測(cè)定方法

(1)田間水有效利用系數(shù)。此系數(shù)為W田凈與末級(jí)農(nóng)渠進(jìn)入田間水量W末級(jí)之比，具體公式如下：

(5)

式中：W末級(jí)為末級(jí)農(nóng)渠進(jìn)入田間水量，m3。

在實(shí)際測(cè)算中，W田凈的測(cè)定與首尾法一致，W末級(jí)可通過(guò)在渠尾設(shè)量水建筑物、流速儀測(cè)定。

(2)渠系水有效利用系數(shù)。此系統(tǒng)為灌水期間同時(shí)工作各級(jí)渠道水有效利用系數(shù)的乘積，需對(duì)干、支、斗、農(nóng)渠等分別進(jìn)行測(cè)算，具體方法如下：

(6)

式中：η渠道為渠道水有效利用系數(shù)；ΔL為代表性渠段長(zhǎng)度，m；Δt為沖水時(shí)間，s；ΔV為充水水量，m3；A為渠道截面積，m2；V為通過(guò)渠道流量，m3/s。

②動(dòng)水測(cè)定法。此方法主要是對(duì)上下游過(guò)水?dāng)嗝媪髁窟M(jìn)行測(cè)定，經(jīng)計(jì)算后獲得相應(yīng)的渠段水利用系數(shù)，具體公式如下：

(7)

式中：Q上為渠段上斷面流量，m3/s；Q下為渠段下斷面流量，m3/s。

在實(shí)際測(cè)定中，有流速法、水工建筑物法兩種方法，前者主要是采用浮標(biāo)、流速儀進(jìn)行測(cè)量；后者主要是根據(jù)壩址處水力條件等，選擇量水建筑物，如：巴歇爾量水槽、梯形量水堰。

2.2.2 計(jì)算方法

(1)渠道水利用系數(shù)計(jì)算及修正。各級(jí)渠道(干、支、斗、農(nóng))η渠道計(jì)算公式如下：

η渠道=η渠段L/ΔL

(8)

式中：η渠道為渠段水有效利用系數(shù)；L為渠道長(zhǎng)度，m；ΔL為代表性渠段長(zhǎng)度，m。

灌區(qū)中輸配水渠道較復(fù)雜，即使是同一級(jí)渠道對(duì)于水的利用效率也是存在差異的，因此必須做好η渠道修正工作，具體公式如下：

(9)

式中：η為未修正渠道水利用系數(shù)；η修為修正后的渠道水利用系數(shù)；n為下一級(jí)渠道條數(shù)。

(2)灌區(qū)渠系水利用系數(shù)。

η渠系=η干η支η斗η農(nóng)

(10)

式中：η渠系為渠系水利用系數(shù)；η干、η支、η斗、η農(nóng)為干、支、斗、農(nóng)渠修正后各級(jí)渠道水利用系數(shù)。

(3)全灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)。此系數(shù)主要由η渠系、η田間相乘所得，具體公式如下：

η灌區(qū)=η渠系η田間

(11)

式中：η灌區(qū)為全灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)。

3 實(shí)例探析農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)的測(cè)算

本文僅以某灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)首尾法測(cè)算為例展開(kāi)具體分析。

3.1 項(xiàng)目背景

本文僅以某特大型灌區(qū)為例展開(kāi)分析，其在工程尚未形成時(shí)出現(xiàn)大水漫灌的情況，導(dǎo)致大面積土地次生鹽堿災(zāi)害，被迫停灌，多次改造后設(shè)計(jì)引水能力減至141 m3/s，后基于水資源管理要求，灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造工程建設(shè)。此灌區(qū)主要采用渠灌、井灌以及井灌與渠灌結(jié)合的灌溉模式，以旱作物種植為主，夏糧作物、早(晚)秋作物分別為小麥、棉花、玉米，少量種植大豆、花生。

3.2 灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)測(cè)算

3.2.1 選取計(jì)算時(shí)段

綜合考慮灌區(qū)作物生育期(小麥：上年10月—當(dāng)年5月；棉花：當(dāng)年4—10月；玉米：當(dāng)年6—9月)，最終選定計(jì)算時(shí)段上年10月—當(dāng)年10月。

3.2.2 測(cè)算灌區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉凈用水量

本項(xiàng)目采用首尾法中的作物需水量法進(jìn)行計(jì)算。

(1)采用參考作物法(單作物)計(jì)算獲得作物需水量ETC，具體公式如下：

ETC=KCET0

(12)

式中：KC為參考作物的作物系數(shù)；ET0為參考作物的騰發(fā)量，mm。

根據(jù)灌區(qū)規(guī)劃報(bào)告，確定小麥、棉花、玉米KC值，ET0采用彭曼修正公式計(jì)算，氣象數(shù)據(jù)依據(jù)相關(guān)觀測(cè)計(jì)算，具體計(jì)算結(jié)果如表1所示。

(2)采用有效降水系數(shù)與次降水量相乘獲得有效降水量，本項(xiàng)目結(jié)合以往降水資料，確定有效降水系數(shù)，具體取值參考表2。本灌區(qū)有效降水量逐旬計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

(3)采用灌區(qū)地下水利用量經(jīng)驗(yàn)公式與地下水埋深觀測(cè)資料計(jì)算獲得地下水補(bǔ)給量，此區(qū)域地下水埋深絕大多數(shù)超過(guò)2.8 m，地下水補(bǔ)給量基本為零，綜合考慮后決定忽略地下水補(bǔ)給量。

表1 灌區(qū)主要農(nóng)作物全生育期需水量 mm

表2 有效降水系數(shù)確定

表3 灌區(qū)有效降水量逐旬計(jì)算結(jié)果 mm

(4)采用灌區(qū)綜合作物全生育期需水量(見(jiàn)表4)減去有效降水量獲得灌區(qū)灌溉凈用水量為203.48 mm，以此值乘以當(dāng)年實(shí)際灌溉面積15.84萬(wàn)hm2，可得灌區(qū)灌溉凈用水總量32 231.84萬(wàn)m3。

表4 灌區(qū)綜合作物全生育期需水量

3.2.3 測(cè)算灌區(qū)毛灌溉用水總量

(1)采用明渠測(cè)流的方法確定渠道總引水量，并通過(guò)橋測(cè)或纜道測(cè)量過(guò)水?dāng)嗝婷娣e和斷面流速的方法獲得過(guò)水?dāng)嗝媪髁?。?duì)上年10月—今年10月渠道水量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，最終測(cè)定計(jì)算得到灌區(qū)渠道總引水量30 245.53萬(wàn)m3。

(2)采用水表計(jì)量的方法確定灌區(qū)工業(yè)生產(chǎn)和城市生活用水量，上年10月—當(dāng)年10月共計(jì)1293.81萬(wàn)m3。

(3)采用渠道總引水量減去灌區(qū)工業(yè)生產(chǎn)和城市生活用水量獲得灌區(qū)渠道農(nóng)業(yè)灌溉引水量為28 951.72萬(wàn)m3。

(4)采用調(diào)查統(tǒng)計(jì)的方法獲得灌區(qū)機(jī)電井提水灌溉水量為41 654.00萬(wàn)m3。

(5)采用引水與提水相加的方法獲得灌溉毛用水量為70 605.72萬(wàn)m3。

3.2.4 灌溉水利用系數(shù)計(jì)算

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，可得灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)為0.457，近年來(lái)隨著節(jié)水改造工程的持續(xù)推進(jìn)，灌溉水利用系數(shù)逐年提高，本次計(jì)算結(jié)果與往年數(shù)據(jù)相比較為合理。

4 結(jié) 語(yǔ)

面對(duì)我國(guó)水資源短缺、工業(yè)(城市)用水量急劇增加這一形勢(shì)，用水效率成為全社會(huì)的關(guān)注焦點(diǎn)之一。在各地農(nóng)業(yè)發(fā)展中，必須科學(xué)開(kāi)展灌溉用水有效利用系數(shù)計(jì)算，以采取針對(duì)性的措施提高灌溉用水有效利用系數(shù)，充分挖掘農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力，實(shí)現(xiàn)有限水資源合理配置和高效利用，促進(jìn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、農(nóng)民增收。