劉超凡，許 健，景 明，呂 望

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450000)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、人口的增長(zhǎng)、人民生活水平和城市化水平的提高，以及生態(tài)文明對(duì)水資源需求的增加，經(jīng)濟(jì)社會(huì)對(duì)水資源的需求愈來(lái)愈多，要求越來(lái)越高，如何更加合理高效開發(fā)利用水資源是擺在水利科技人員面前的資源性課題。目前，我國(guó)北方大部分灌區(qū)仍然以大水漫灌為主，水資源利用率較低，蒸發(fā)滲漏較大，水資源利用效率和效益不高，加之現(xiàn)狀農(nóng)田水利工程完好率較低，高新節(jié)水技術(shù)推廣緩慢，導(dǎo)致我國(guó)灌溉水利用系數(shù)仍然處于較低水平，與發(fā)達(dá)國(guó)家70%—80%的程度還是有很大差距，節(jié)水潛力有很大的空間。

眾多學(xué)者認(rèn)為，灌溉水利用系數(shù)是灌入田間可被作物利用的水量(凈灌溉水量)與灌溉系統(tǒng)取用灌溉總水量(毛灌溉水量)的比值，目前這種定義灌溉水利用系數(shù)的方法被普遍接受。通常情況下，系數(shù)與灌區(qū)自然條件、灌溉工程條件、灌水制度、灌溉技術(shù)等因素有關(guān)，是目前科學(xué)分析用水效率、評(píng)價(jià)節(jié)水灌溉、發(fā)展節(jié)水措施、提高用水管理水平的一項(xiàng)重要綜合指標(biāo)。高峰等提出：為了克服傳統(tǒng)方法中工作量大且耗費(fèi)大量人力、物力來(lái)完成，可以用首尾測(cè)算法、典型渠道測(cè)量相結(jié)合完善。

本文研究了農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)相關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)，測(cè)算了研究區(qū)渠道水利用系數(shù)和田間水利用系數(shù)，為使測(cè)算結(jié)果更具代表性，在使用首尾測(cè)算法對(duì)樣點(diǎn)灌區(qū)分析基礎(chǔ)上，采用傳統(tǒng)法(綜合測(cè)定法)對(duì)樣點(diǎn)灌區(qū)進(jìn)行測(cè)算，與前者進(jìn)行對(duì)比分析。

1 試點(diǎn)材料與研究方法

1.1 試點(diǎn)基本資料

克拉瑪依市地處準(zhǔn)噶爾盆地西北緣的沖洪積扇前傾斜平原地帶，加依爾山南麓。地貌單一，多為廣闊平坦的戈壁，干旱少雨蒸發(fā)量大，年降雨量多年平均值為105.3mm，年均蒸發(fā)量3545.2mm，多年平均相對(duì)濕度48%，多風(fēng)沙且強(qiáng)度大，全年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，無(wú)霜期197～298d，平均日照時(shí)數(shù)2705.6h，有效積溫3600℃以上。除獨(dú)山子區(qū)以外，克拉瑪依全境基本不產(chǎn)流，水資源需求壓力大。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，全市農(nóng)田有效灌溉面積2.67萬(wàn)hm2左右，農(nóng)業(yè)用水在國(guó)民經(jīng)濟(jì)用水總量中占有較大比重，灌溉過(guò)程相對(duì)復(fù)雜。

1.2 研究方法

1.2.1首尾測(cè)算分析法

根據(jù)《全國(guó)灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算分析技術(shù)指導(dǎo)細(xì)則》采用首尾測(cè)算法，公式如下：

(1)

式中，η—灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)；W凈—灌區(qū)凈灌溉用水總量，m3；W毛—灌區(qū)毛灌溉用水總量，m3。

1.2.2灌區(qū)凈灌溉用水量分析

1.2.2.1 典型田塊某次平均凈灌溉用水量

(2)

式中，w田凈i—典型田塊某次平均凈灌溉用水量，m3/hm2；γ—典型田塊H土層內(nèi)土壤干容重，g/cm3；γ水—水的容重，一般可取1，g/cm3；H—計(jì)劃濕潤(rùn)土層深度,cm；θg1—某次灌水前典型田塊H土層內(nèi)土壤質(zhì)量含水率，%；θg2—某次灌水后典型田塊H土層內(nèi)土壤質(zhì)量含水率，%；θv1—某次灌水前典型田塊H土層內(nèi)土壤體積含水率，%；θv2—某次灌水后典型田塊H土層內(nèi)土壤體積含水率，%。

1.2.2.2 典型田塊某種作物年平均凈灌溉用水量

(3)

式中，wi—樣點(diǎn)灌區(qū)同片區(qū)或同灌溉類型第i種作物的平均凈灌溉用水量，m3/hm2；w田l—同片區(qū)或同灌溉類型第i種作物第l個(gè)典型田塊平均凈灌溉用水量，m3/hm2；A田l—同片區(qū)或同灌溉類型第i種作物第l個(gè)典型田塊灌溉面積，hm2；N—同片區(qū)或同灌溉類型第i種作物典型田塊數(shù)量，個(gè)。

1.2.2.3 灌區(qū)年凈灌溉用水總量

(4)

式中，W樣凈—樣點(diǎn)灌區(qū)年凈灌溉用水總量，m3；Wij—樣點(diǎn)灌區(qū)j個(gè)片區(qū)內(nèi)第i種作物平均凈灌溉用水量，m3/hm2；Aij—樣點(diǎn)灌區(qū)j個(gè)片區(qū)內(nèi)第i種作物灌溉面積，hm2；m—樣點(diǎn)灌區(qū)j個(gè)片區(qū)內(nèi)的作物種類，種；n—樣點(diǎn)灌區(qū)片區(qū)數(shù)量，個(gè)；大型灌區(qū)n=3，中型灌區(qū)n=2，小型灌區(qū)n=1。

1.2.3綜合測(cè)算法

根據(jù)周和平在2013年提出綜合法與首尾測(cè)算法，其計(jì)算公式為：

η灌溉=η渠系×η田間

(5)

2 結(jié)果與分析

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年小拐灌區(qū)種植有糧食、棉花、甜菜、蔬菜、瓜果菜、飼草料等，在種植結(jié)構(gòu)上，以棉花為主，占94.17%。

2.1 首尾測(cè)算法分析灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)

在克拉瑪依市選取三處樣點(diǎn)灌區(qū)，此次研究小拐灌區(qū)，并根據(jù)典型地塊選取原則選取6處典型地塊，在典型地塊里安裝實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儀器對(duì)地塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，各項(xiàng)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)周期不低于1次/6h。

由式(2)可以獲得某次灌溉畝均凈灌溉水量，根據(jù)監(jiān)測(cè)儀器的監(jiān)測(cè)將每次灌水所得畝均凈灌溉水量累加，得到這塊典型地塊的年畝均凈灌溉水量；再由式(3)得出某種作物的年畝均凈灌溉水量，由該灌區(qū)對(duì)應(yīng)的種植結(jié)構(gòu)以及相對(duì)應(yīng)的面積占比推算出灌區(qū)該種作物年畝均凈灌溉水量；最后由式(4)即可推算出整個(gè)灌區(qū)年凈灌溉水量。然后由計(jì)量?jī)x器以及當(dāng)?shù)厮畡?wù)部門統(tǒng)計(jì)資料獲得灌區(qū)年毛灌溉水量，最后由式(1)計(jì)算得出灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)。

在整個(gè)計(jì)算過(guò)程中，在對(duì)典型地塊某次灌溉畝均凈灌溉水量研究時(shí)，利用SigmaPlot軟件繪制出灌溉前后土壤體積含水率隨時(shí)間深度變化情況，如圖1所示。

圖1 灌溉前后土壤體積含水率隨時(shí)間深度變化情況

灌溉前，土壤體積含水率隨著深度呈現(xiàn)以下規(guī)律：在接近地表處由于地面蒸發(fā)、太陽(yáng)輻射等因素，地表土壤體積含水率較低；但隨著深度的增加，土壤體積含水率增大，這是因?yàn)樵诖藭r(shí)作物消耗水量小且土壤保溫保濕作用明顯；灌溉后，地表由于地面來(lái)水，地表體積含水率迅速增大，但隨著深度的增加，作物不斷消耗水量以及地表水未能很快滲漏至地表以下，致使隨著深度的增加，土壤體積含水率逐漸減小。

在某一確定深度，隨著作物生長(zhǎng)，例如在深度為60mm的土層，在灌溉前土壤體積含水率高，灌水后由于作物的消耗，體積含水率下降；經(jīng)過(guò)40d作物生長(zhǎng)再次灌水時(shí)作物生長(zhǎng)消耗土壤水，灌溉后體積含水率仍略低于灌前；再隨著灌溉次數(shù)增多，以及作物不同生育時(shí)期對(duì)水分的消耗能力不同，從地表滲透到深層土壤水已比灌溉后的土壤水多；隨時(shí)間變化過(guò)程中，灌前體積含水率的波峰波谷均比灌溉后的波峰波谷提前一些。

由上是對(duì)每次灌溉過(guò)程分析，完整的一個(gè)生育周期里，根據(jù)墑情監(jiān)測(cè)儀器監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)以及公式計(jì)算出的凈灌溉水量、毛灌溉水量、田間水利用系數(shù)如圖2所示。

圖2 小拐灌區(qū)不同典型地塊灌溉水量與田間水利用系數(shù)

由圖2可見，從現(xiàn)蕾期開始，棉花對(duì)水分的消耗逐漸開始增大，在花鈴期棉花對(duì)水分的消耗達(dá)到最大；此時(shí)對(duì)應(yīng)的灌溉水量、毛灌溉水量也從現(xiàn)蕾期開始逐漸增大，在花鈴期毛灌溉水量值也達(dá)到最大值，自此之后灌溉水量逐漸減少，至吐絮期結(jié)束后完全停止灌水。

通過(guò)凈灌溉水量變化及棉花生長(zhǎng)時(shí)間的變化，模擬出下式：

(6)

經(jīng)過(guò)回歸分析：式(6)決定系數(shù)R2=0.925。并繪制如圖3所示典型地塊全生育期凈灌溉水量與時(shí)間的關(guān)系。

圖3 典型地塊全生育期凈灌溉水量與時(shí)間的關(guān)系

從圖3看出，凈灌溉水量也是隨著作物生長(zhǎng)周期逐漸增大，到達(dá)峰值后開始降低，最終完全停止，與棉花的生長(zhǎng)周期基本保持一致。

通過(guò)前述由典型地塊到樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)的推算過(guò)程，最終計(jì)算得出小拐灌區(qū)年凈灌溉水量為2678.579萬(wàn)m3，年毛灌溉水量為3695.141萬(wàn)m3。則由式(1)計(jì)算得出小拐灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)為0.725。

2.2 綜合測(cè)算法測(cè)算樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)

由式(5)得知，綜合測(cè)算法中需要測(cè)定樣點(diǎn)灌區(qū)渠系水利用系數(shù)與田間水利用系數(shù)，灌區(qū)田間水利用系數(shù)可由典型地塊田間水利用系數(shù)加權(quán)平均計(jì)算得出；渠系水利用系數(shù)計(jì)算時(shí)，采用損失系數(shù)法，其具體計(jì)算方法不再闡述。首先在小拐灌區(qū)由典型渠道選取原則選取上中下游各段典型渠段，其次由典型渠段計(jì)算渠系水利用系數(shù)，然后推算各級(jí)渠道水利用系數(shù)，最后由各級(jí)渠道系數(shù)連乘計(jì)算得出渠系水利用系數(shù)。計(jì)算得出2018年小拐灌區(qū)渠系水利用系數(shù)為0.857，小拐灌區(qū)田間水利用系數(shù)為0.844。綜合測(cè)算法最終得出小拐灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)為0.723。

3 討論

通過(guò)結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)在典型地塊中，土壤體積含水率是隨著深度與時(shí)間存在一定變化規(guī)律，在對(duì)凈灌溉水量研究時(shí)，凈灌溉水量也會(huì)隨著生長(zhǎng)時(shí)間的變化呈現(xiàn)出與作物生長(zhǎng)周期保持一致的規(guī)律，這對(duì)指導(dǎo)作物在不同生育期灌溉水量的控制具有一定的作用，要根據(jù)作物在不同時(shí)期的需水量變化指導(dǎo)灌溉，不僅可以促進(jìn)作物更好的發(fā)展，避免無(wú)效灌水，提高灌溉水利用系數(shù)。而且對(duì)高效節(jié)水農(nóng)業(yè)也具有直接明顯的作用。通過(guò)兩種方法對(duì)同一灌區(qū)進(jìn)行灌溉水利用系數(shù)計(jì)算時(shí)，首尾測(cè)算法計(jì)算得出小拐灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)為0.725，綜合測(cè)算法測(cè)算得出灌溉水利用系數(shù)為0.723，綜合測(cè)算法相對(duì)首尾測(cè)算法相對(duì)誤差為0.28%。但首尾測(cè)算法較綜合測(cè)算法有很大優(yōu)勢(shì)：首先，測(cè)算工作任務(wù)較首尾測(cè)算法重，成型灌區(qū)的渠道至少分為干、支、斗、農(nóng)4級(jí)渠道，大型灌區(qū)的渠系構(gòu)成更為復(fù)雜，且每一級(jí)渠道的渠道斷面結(jié)構(gòu)、襯砌方式等差異較大，同時(shí)，受灌區(qū)自然地理和田間工程布局等多方影響，測(cè)定入田水量需要投入大量工作。其次，面對(duì)傳統(tǒng)法(綜合測(cè)定法)較為苛刻的要求，一般渠道工況不完全具備測(cè)定條件，渠系水的測(cè)定測(cè)算便很難完成。渠道水利用系數(shù)測(cè)定需要測(cè)定渠段順直，渠段上下斷面之間不能有分流，且要具備測(cè)定期間穩(wěn)定的流量。以上條件在渠道行水灌溉期間難以全面配套實(shí)現(xiàn)。再次，傳統(tǒng)方法測(cè)算的精確性和可靠性較低。由于測(cè)算工作繁雜，灌區(qū)組織一次測(cè)定工作需要多人參加，受技術(shù)力量和測(cè)流人員技能等多方影響，各級(jí)渠道水利用系數(shù)以及田間水利用系數(shù)測(cè)定的人為誤差呈現(xiàn)累計(jì)現(xiàn)象，測(cè)算結(jié)果往往偏差較大。最后，傳統(tǒng)方法測(cè)定難以反映灌區(qū)實(shí)際情況。采用傳統(tǒng)方法測(cè)算時(shí)，一般在灌溉期間測(cè)定一次，作為整個(gè)灌溉全年的農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)。而每次灌溉的渠道運(yùn)行工況、作物灌溉需水量、實(shí)際灌溉面積等存在較大差別，單次測(cè)定難以真實(shí)反映灌區(qū)灌溉周期的用水效率情況。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，大型灌區(qū)農(nóng)業(yè)工程設(shè)施相對(duì)比較完整，具有一定的抗災(zāi)害的能力，因此，加強(qiáng)對(duì)灌區(qū)建設(shè)是保護(hù)生態(tài)壞境一項(xiàng)重要措施，并且可以有效的提高灌區(qū)用水效率和效益。經(jīng)過(guò)研究，得出土壤體積含水率與深度時(shí)間之間的關(guān)系；并且刻畫出典型地塊凈灌溉水量與生長(zhǎng)天水之間的聯(lián)系。詳細(xì)分析兩種測(cè)算方法的差異與優(yōu)劣勢(shì)。同比北疆地區(qū)同類型灌區(qū)，整體上小拐灌區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)效果明顯，灌溉水利用系數(shù)高。