劉方平，管升明，鄧海龍，李效文，才 碩

(1.江西省灌溉試驗(yàn)中心站，江西 南昌 330201；2.江西省贛撫平原水利工程管理局，江西 南昌 330096)

0 引 言

灌水定額及灌溉定額是灌區(qū)規(guī)劃及管理的重要依據(jù)[1]。我國(guó)有許多灌區(qū)設(shè)置了灌溉試驗(yàn)站，開(kāi)展了包括作物需水量、灌溉制度、灌水技術(shù)等一系列試驗(yàn)研究，積累的試驗(yàn)資料為灌區(qū)制定科學(xué)灌溉制度提供了重要依據(jù)。但是，在選用灌水定額或灌溉定額時(shí)，必須注意原試驗(yàn)的條件，不能一概照搬。在農(nóng)田灌溉中，渠道滲漏、棄水、退水，田間滲漏與田面排水、跑水等注入地下水或回流到各級(jí)排水溝或天然河溝中，然后被重新利用，這稱為回歸水[2]。然而，由于回歸水的相當(dāng)部分可以在更大區(qū)域尺度被重新利用[3,4]，使全灌區(qū)的綜合灌溉定額并不是簡(jiǎn)單、傳統(tǒng)的該時(shí)段各種作物灌溉定額的面積加權(quán)平均值。在不同尺度上，回歸水的質(zhì)量和數(shù)量的不同，以及其內(nèi)部存在復(fù)雜的轉(zhuǎn)化關(guān)系，所以在考慮回歸水重復(fù)利用時(shí)，所求的綜合灌溉定額具有尺度效應(yīng)[5]。

當(dāng)前，農(nóng)業(yè)灌溉領(lǐng)域爭(zhēng)論的一些問(wèn)題，例如真實(shí)節(jié)水問(wèn)題，真實(shí)需水量、節(jié)水潛力問(wèn)題，渠道防滲標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)劃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題等，均與尺度效應(yīng)有關(guān)[6]。早在 1982 年，美國(guó)加州戴維斯大學(xué)土地、大氣和水資源系的David C.Davenport和 Robert M. Hagan就對(duì)灌溉取水節(jié)水量中的可回收水與不可回收水的概念作了比較系統(tǒng)的說(shuō)明[7]；1998年，國(guó)際灌排學(xué)院首次明確提出了關(guān)于“真實(shí)”節(jié)水問(wèn)題的一些概念；Solomon 等(1999)認(rèn)為，田間尺度上的灌溉效率同灌區(qū)和流域尺度上的灌溉效率之間關(guān)系復(fù)雜的原因是一塊農(nóng)田的出水可被另一塊農(nóng)田利用[8]；Tuong等(1999)指出從農(nóng)田尺度的節(jié)水研究到灌區(qū)和流域尺度的節(jié)水研究是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)[9]；Guerra 等(1998)強(qiáng)調(diào)要進(jìn)行不同尺度水分生產(chǎn)率研究和了解小尺度與大尺度水分生產(chǎn)率之間的關(guān)系[10]。在國(guó)內(nèi)，我國(guó)水利水電科學(xué)研究院水資源研究所認(rèn)為將平原區(qū)地面灌溉方式改為噴灌方式不具有真實(shí)節(jié)水意義[11]；郭相平、張展羽等(2000)指出：渠道和田間滲漏所產(chǎn)生的回歸水中的部分水量可能被重新利用，不能全部看做是可以節(jié)約的水量[12]；董斌等(2005)[13]結(jié)合漳河灌區(qū)田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)和灌區(qū)長(zhǎng)系列的歷史資料，定量分析了采用節(jié)水灌溉技術(shù)對(duì)不同尺度水分利用率的影響。

不同尺度農(nóng)業(yè)水資源的規(guī)劃、調(diào)度、管理和評(píng)價(jià)正成為一個(gè)熱門(mén)研究領(lǐng)域[14-16]。因此，研究灌溉水的尺度效應(yīng)有助于深入理解及解決這個(gè)問(wèn)題。本研究在南方地區(qū)鄱陽(yáng)湖流域選取典型區(qū)域，開(kāi)展不同尺度水量平衡試驗(yàn)，研究一季稻全生育期區(qū)域尺度的灌溉定額，并與大田典型田塊和測(cè)坑試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，以探明田間尺度與區(qū)域尺度水稻灌溉定額的差異。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

為研究區(qū)域尺度農(nóng)田灌溉定額，在鄱陽(yáng)湖流域贛撫平原灌區(qū)二干渠中游選取了一塊灌溉排水相對(duì)封閉的稻作區(qū)，以方便區(qū)域水量平衡分析；該區(qū)域靠近江西省灌溉試驗(yàn)中心站灌溉試驗(yàn)研究基地(距離約200 m)。研究區(qū)域面積117.62 hm2，形似三角形；區(qū)內(nèi)主要種植一季稻，其種植面積占該區(qū)域總面積的81.36 %。研究區(qū)域示意圖和土地利用情況具體見(jiàn)圖1和表1。

圖1 研究區(qū)域示意圖

土地利用面積/hm2占比/%水稻95.7081.36 經(jīng)濟(jì)作物3.292.80 大棚蔬菜3.332.83 塘堰7.696.54 天然濕地2.822.40 蓮藕田1.581.34 溝渠1.721.46 田間道路1.491.27 合計(jì)117.62100.00

研究區(qū)域所在贛撫平原灌區(qū)，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，土壤類(lèi)型為黃泥土；灌區(qū)多年平均降水量1 740 mm，年際降水量變幅為1 100～2 400 mm；多年平均水面蒸發(fā)量(E-601)1 100 mm，年均陸地蒸發(fā)量約800 mm；灌區(qū)農(nóng)作物以水稻為主，為江西省重要商品糧基地之一，還有一些其他經(jīng)濟(jì)作物，如蔬菜、豆類(lèi)、雜糧等。

同時(shí)，為探明不同尺度農(nóng)田灌溉定額之間的差異，本研究在研究區(qū)域內(nèi)選取代表性水稻典型田塊(田塊為長(zhǎng)方形，每塊面積約為667 m2)，進(jìn)行田塊標(biāo)準(zhǔn)化改造，實(shí)行灌排分開(kāi)，單獨(dú)計(jì)量；并以江西省灌溉試驗(yàn)中心站灌溉試驗(yàn)研究基地作物需水量測(cè)坑為對(duì)比研究對(duì)象，采用當(dāng)?shù)剞r(nóng)民普遍采用的淹水灌溉方式，進(jìn)行不同尺度田塊灌水量的測(cè)定。

作物需水量測(cè)坑占地面積70 m2，設(shè)有6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)坑，每個(gè)測(cè)坑的凈面積為4 m2(2 m×2 m)，深度為2.15 m，測(cè)坑均有底，并埋設(shè)有地下水位觀測(cè)井。測(cè)坑布置成兩排，在中間設(shè)置寬2 m的廊道，廊道內(nèi)設(shè)置供排水裝置；試區(qū)采用管道供水和水表計(jì)量，排水采用翻斗式自記排水計(jì)量。

1.2 研究區(qū)灌溉排水狀況

區(qū)域尺度研究區(qū)共有3個(gè)進(jìn)水口和5個(gè)出水口。進(jìn)水口均從贛撫平原灌區(qū)二干渠取水，5個(gè)出水口有4個(gè)從進(jìn)水口的另一側(cè)排出，另一個(gè)從取水的二干渠穿堤涵排出。進(jìn)水口1為直徑60 cm的圓孔；進(jìn)水口2上游為直徑50 cm的圓孔，下游為標(biāo)準(zhǔn)梯形斷面(上底寬170 cm，下底寬58 cm，高105 cm)；進(jìn)水口3為直徑20 cm的圓孔。以上三進(jìn)水口均通過(guò)穿路涵管連接到二干渠。出水口1為大排水溝，梯形斷面(上底寬400 cm，下底寬200 cm，高約200 cm)；出水口2為矩形斷面(底寬55 cm，高50 cm)；出水口3為標(biāo)準(zhǔn)梯形斷面(上底寬80 cm，下底寬50 cm，高35 cm)；出水口4為標(biāo)準(zhǔn)矩形斷面(底寬40 cm，高60 cm)；出水口5為不規(guī)整斷面，經(jīng)人工修整為矩形斷面(寬為80 cm，高為50 cm)。

1.3 試驗(yàn)觀測(cè)方法

本研究其觀測(cè)周期為一季稻全生育期，即6月中旬開(kāi)始，至9月底結(jié)束，試驗(yàn)?zāi)攴轂?016年。針對(duì)不同的過(guò)流斷面，以自記水位計(jì)輔以人工測(cè)流的方式計(jì)算每次過(guò)流量。具有標(biāo)準(zhǔn)斷面的進(jìn)、出水口，在流態(tài)穩(wěn)定段布設(shè)自記水位計(jì)，采取人工測(cè)定流速率定水位-流量曲線的流量測(cè)定方法。不具標(biāo)準(zhǔn)斷面的進(jìn)、出水口均建立標(biāo)準(zhǔn)斷面。進(jìn)水口1和進(jìn)水口3由于穿路涵管較長(zhǎng)，故利用管嘴出流公式進(jìn)行流量計(jì)算，具體計(jì)算公式如下：

(1)

式中：Q為流出涵管的流量；μ為流量系數(shù)；A為斷面面積；H為水面到管口圓心的距離(水位由HOBO自記水位計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè))。

進(jìn)水口2利用自記水位計(jì)監(jiān)測(cè)下游過(guò)流斷面水位變化，同時(shí)配合流速儀定期測(cè)定其流速，采用水位-流量曲線率定方法進(jìn)行流量測(cè)算。

出水口均通過(guò)在溝中安裝HOBO自記水位計(jì)，采用水位-流量曲線率定方法進(jìn)行排水量測(cè)算。

另外，在研究區(qū)域內(nèi)選取的標(biāo)準(zhǔn)田塊，布設(shè)HOBO自記水位計(jì)，監(jiān)測(cè)田間灌溉排水量。同時(shí)，在研究區(qū)域內(nèi)選取典型水塘和蓮藕濕地，布設(shè)HOBO自記水位計(jì)，進(jìn)行灌水、耗水量監(jiān)測(cè)；并在經(jīng)濟(jì)作物區(qū)設(shè)置TDR土壤墑情監(jiān)測(cè)設(shè)備和灌溉量水三角堰，對(duì)研究區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟(jì)作物耗水量和灌水量進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)域用水總量分析

通過(guò)對(duì)一季稻全生育期研究區(qū)內(nèi)進(jìn)出水口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行水量測(cè)算分析，計(jì)算其差值，即為研究區(qū)域內(nèi)灌溉用水。對(duì)一季稻全生育期內(nèi)各進(jìn)、出水口進(jìn)行流量統(tǒng)計(jì)，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 研究區(qū)域內(nèi)一季稻全生育期進(jìn)出水量分析

根據(jù)一季稻全生育期內(nèi)進(jìn)出水口水量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，研究區(qū)全生育期內(nèi)共計(jì)進(jìn)水量為210.87 萬(wàn)m3，出水量為169.52 萬(wàn)m3，則區(qū)域灌溉用水量為41.35 萬(wàn)m3；其間降雨量為297.7 mm，折算為區(qū)域降雨量為35.02 萬(wàn)m3，因降雨排水量為7.93 萬(wàn)m3，降雨有效利用量為27.08 萬(wàn)m3。由此，可計(jì)算得出全生育期研究區(qū)內(nèi)總耗水量為68.43 萬(wàn)m3，區(qū)域平均耗水量為581.7 mm(為作物蒸發(fā)蒸騰量和滲漏量之和)。

2.2 區(qū)域水稻耗水量分析

由于研究區(qū)域內(nèi)種植有少量經(jīng)濟(jì)作物，以及有一定數(shù)量水塘濕地，也需要消耗一部分水量。因此，在監(jiān)測(cè)及計(jì)算分析得到整個(gè)研究區(qū)域內(nèi)用水量后，要獲取水稻耗水量，還需獲取研究區(qū)域內(nèi)其他作物、水塘濕地等的耗水量。

(1)區(qū)域經(jīng)濟(jì)作物耗水量分析。經(jīng)調(diào)查，研究區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟(jì)作物主要有蔬菜、豆類(lèi)、甘蔗、雜糧等作物。通過(guò)對(duì)各作物6月至9月期間監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到各經(jīng)濟(jì)作物期間的耗水量，具體見(jiàn)表3。

表3 研究區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟(jì)作物耗水量統(tǒng)計(jì)

注：*各作物耗水量為一季稻期間，即6月至9月各月耗水量之和。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，研究區(qū)域內(nèi)各經(jīng)濟(jì)作物總面積為6.63 hm2，占區(qū)域總面積的5.67%；在一季稻生育期其總耗水量為2.18 萬(wàn)m3，約占區(qū)域總耗水量的3.18%。

(2)區(qū)域塘堰濕地耗水量分析。經(jīng)調(diào)查，研究區(qū)域內(nèi)塘堰濕地主要有水塘、蓮藕田和天然溝塘濕地。通過(guò)對(duì)HOBO自記水位計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行水量平衡分析，得到各濕地一季稻生長(zhǎng)期間的耗水量，具體見(jiàn)表4。

表4 研究區(qū)域內(nèi)塘堰濕地耗水量統(tǒng)計(jì)

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，研究區(qū)域內(nèi)塘堰濕地總面積為12.10 hm2，占區(qū)域總面積的10.29%；在一季稻生育期水塘耗水量為5.61 萬(wàn)m3，蓮藕田耗水量為1.38 萬(wàn)m3，天然溝塘濕地耗水量為2.38 萬(wàn)m3，總耗水量為9.38 萬(wàn)m3，約占區(qū)域總耗水量的13.71%。

(3)區(qū)域水稻耗水量分析。據(jù)上述分析，研究區(qū)域內(nèi)總耗水量為68.43 萬(wàn)m3，其中各經(jīng)濟(jì)作物總耗水量為2.18 萬(wàn)m3，溝塘濕地總耗水量為9.38 萬(wàn)m3，因此，一季稻總耗水量為56.87 萬(wàn)m3。研究區(qū)域內(nèi)水稻種植面積為95.70 hm2，則平均耗水量為5 942.53 m3/hm2，折算成田間水層深度為594.2 mm。

2.3 區(qū)域水稻綜合灌溉定額分析

據(jù)上述分析，對(duì)研究區(qū)域一季稻生育期內(nèi)進(jìn)出水口水量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到研究區(qū)域全生育期內(nèi)共進(jìn)水量為210.87 萬(wàn)m3，出水量為169.52 萬(wàn)m3，則區(qū)域灌溉引水總量為41.35 萬(wàn)m3。

通過(guò)對(duì)灌溉水量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到一季稻全生育期內(nèi)各經(jīng)濟(jì)作物和塘堰濕地灌溉引水量。具體見(jiàn)表5。

表5 研究區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟(jì)作物和塘堰濕地灌水量統(tǒng)計(jì)

據(jù)表5計(jì)算分析可知，研究區(qū)域一季稻生育期內(nèi)各經(jīng)濟(jì)作物和塘堰濕地總灌水量為7.34 萬(wàn)m3，而研究區(qū)域一季稻生育期內(nèi)灌溉引水總量為41.35 萬(wàn)m3，因此，其間水稻灌水總量為34.01 萬(wàn)m3。研究區(qū)域一季稻種植面積為95.70 hm2，則平均灌水量為3 553.84 m3/hm2，折算成灌水水層深度為355.0 mm。

2.4 不同區(qū)域尺度水稻耗水量和灌溉定額分析

通過(guò)對(duì)測(cè)坑灌溉試驗(yàn)資料和典型田塊監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行分析，得到一季稻全生育期耗水量及灌溉定額，具體見(jiàn)表6；同時(shí)，根據(jù)上述分析，得到區(qū)域尺度一季稻耗水量和灌溉定額。不同尺度區(qū)域一季稻耗水量及灌溉定額具體見(jiàn)表7。

表6 典型田塊和有底測(cè)坑一季稻水分消需統(tǒng)計(jì) mm

注：*入滲量為人工控制排滲量。

表7 不同尺度區(qū)域一季稻耗水量和灌溉定額分析結(jié)果 mm

注：*耗水量，為作物蒸發(fā)蒸騰量和田間滲漏量之和。

據(jù)表7統(tǒng)計(jì)分析可知，不同尺度水稻耗水量和灌溉定額均存在一定差距，均以區(qū)域尺度最小。其中，在田間耗水量方面，表現(xiàn)為典型田塊>有底測(cè)坑>區(qū)域尺度；區(qū)域尺度耗水量較有底測(cè)坑減少107.3 mm，減少率為15.30%；較典型田塊減少137.5 mm，減少率為18.79 %；在灌溉定額方面，表現(xiàn)為有底測(cè)坑>典型田塊>區(qū)域尺度；區(qū)域尺度灌溉定額較有底測(cè)坑減少173.3 mm，減少率為32.80%；較典型田塊減少143.2 mm，減少率為28.74%。

同時(shí)，有底測(cè)坑與典型田塊間耗水量和灌溉定額也存在差異，表現(xiàn)為耗水量與灌溉定額大小呈反向增減；其中，在耗水量方面，有底測(cè)坑小于典型田塊，減少30.2 mm，減少率為4.13%；而在灌溉定額方面，有底測(cè)坑大于典型田塊，增加30.1 mm，增加率為6.04 %。這主要是因?yàn)橛械诇y(cè)坑邊壁和底部均進(jìn)行了防滲處理，在水稻生長(zhǎng)期間，為保持耕作層土壤透水透氣性，防止土壤還原反應(yīng)產(chǎn)生毒害，采用定期人工模擬控制排滲，這一定程度減少了滲漏損失，從而降低了水稻耗水量，而水稻蒸發(fā)蒸騰量并未減少，加之無(wú)外部回歸水的利用，使得測(cè)坑灌溉定額一定程度增加。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)在南方豐水稻作區(qū)鄱陽(yáng)湖流域選取典型區(qū)域，開(kāi)展區(qū)域尺度與典型田塊、試驗(yàn)測(cè)坑等尺度對(duì)比試驗(yàn)分析，探索不同區(qū)域尺度水稻灌溉定額的差異，得到以下具體結(jié)論：

不同尺度水稻灌溉定額存在一定差距，以區(qū)域尺度最小；隨著尺度增大，灌溉定額逐漸減少；區(qū)域尺度灌溉定額較有底測(cè)坑減少173.3 mm，減少率為32.80 %；較典型田塊尺度減少143.2 mm，減少率為28.74%。

綜上所述，從測(cè)坑尺度到典型田塊尺度，水稻灌溉定額有一定的下降，究其原因是典型田塊存在著田間上下田塊串水、滲水所致，上田塊的串水、滲水在下田塊得到重復(fù)利用。從田塊尺度到區(qū)域尺度，水稻灌溉定額進(jìn)一步下降，究其原因有三，一是灌溉水的重復(fù)利用增加，二是灌溉棄水得到重復(fù)利用，三是降雨排水截留得到重復(fù)利用。由此可見(jiàn)，灌溉定額從田塊尺度到區(qū)域尺度的下降，說(shuō)明回歸水重復(fù)利用在灌區(qū)之中的存在，灌區(qū)尺度的綜合灌溉定額并不是簡(jiǎn)單的逐級(jí)按權(quán)求和、平均。因此，由灌溉試驗(yàn)測(cè)坑和典型田塊觀測(cè)計(jì)算的灌溉定額，其實(shí)較田間實(shí)際需求更大，在采用灌溉試驗(yàn)站試驗(yàn)數(shù)據(jù)或典型田塊觀測(cè)計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行農(nóng)田灌溉指導(dǎo)或灌溉工程規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，不能直接搬用，要適當(dāng)考慮試驗(yàn)的限制條件；同時(shí)，在灌區(qū)尺度進(jìn)行用水總量控制時(shí)，應(yīng)適當(dāng)考慮區(qū)域內(nèi)回歸水的重復(fù)利用，采用基于區(qū)域尺度得到的指標(biāo)制定灌溉定額。