盛泰瑋

(江蘇龍源水利工程有限公司，江蘇 泰州 214500)

0 引 言

近年來，水資源開發(fā)技術(shù)不斷提高，導(dǎo)致能夠被開發(fā)使用的水資源越來越少，因此水資源短缺問題，已經(jīng)成為制約社會經(jīng)濟(jì)快速、繁榮發(fā)展的突出問題，而農(nóng)業(yè)作為國家發(fā)展的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，其生產(chǎn)量會影響國民生計以及社會穩(wěn)定[1]。根據(jù)以往的調(diào)查結(jié)果可知，農(nóng)業(yè)灌溉用水量，占全國總用水量的65%左右，因此為提高田間水的利用效率，在保證農(nóng)作物正常生長的前提下，相關(guān)學(xué)者根據(jù)文獻(xiàn)[2]，將農(nóng)田灌區(qū)中的某一農(nóng)作物作為樣本，采用平均法、實測法、對比實測法分別測算田間水利用系數(shù)[2]。還有學(xué)者根據(jù)文獻(xiàn)[3]，通過獲得某地灌區(qū)灌溉現(xiàn)狀，以現(xiàn)場測定的方式，使用首尾測算法測算灌溉水利用系數(shù)[3]。這兩種傳統(tǒng)方法就目前而言，可以緩解區(qū)域水資源短缺問題。但由于全球氣候持續(xù)升溫，預(yù)計未來農(nóng)田灌溉區(qū)間，對于水資源的需求還會逐步擴(kuò)大，因此對小型農(nóng)田水利工程灌區(qū)田間水利用系數(shù)，提出全新的測算方法。已知水利用系數(shù)是農(nóng)作物利用的水量與農(nóng)田灌區(qū)總引入水量的比值，以兩種傳統(tǒng)方法為參考，設(shè)計一個新型的測算方法，將測算結(jié)果進(jìn)一步精確，令灌溉區(qū)域使用最少的水來保證田間農(nóng)作物的生長，節(jié)約水資源的同時，保證農(nóng)作物總產(chǎn)量[4]。

1 小型農(nóng)田水利工程灌區(qū)田間水利用系數(shù)的測算方法

1.1 選擇小型農(nóng)田水利工程灌區(qū)測算樣點

測算灌區(qū)田間水利用系數(shù)，預(yù)先選擇具有穩(wěn)定性、代表性以及可行性的灌區(qū)，要求選擇灌區(qū)后，不能再任意調(diào)換，保證測算數(shù)據(jù)來源一致。同時選擇的灌區(qū)要綜合考慮農(nóng)田所在地的自然氣候、土壤質(zhì)地、地形地貌等自然因素，還要考慮水利工程設(shè)施狀況、水源獲取條件、灌區(qū)歷年用水量以及農(nóng)作物類型等因素。最后還要求所選的樣點灌區(qū)有必要的設(shè)備、人員以及測算條件。滿足上述要求后，根據(jù)選定的灌區(qū)，選擇小型農(nóng)田水利工程灌區(qū)測算樣點[5]。

1)大型灌區(qū)。將區(qū)域所有大灌區(qū)作為測算樣點。

2)中型灌區(qū)。按照有效灌溉面積，將中型灌區(qū)分為I、II、III共3個等級，見表1。

表1 中型灌區(qū)等級劃分

3)小型灌區(qū)。為了便于測算，規(guī)定選擇的小型灌區(qū)有效灌溉面積大于等于6.667 hm2。要求小型灌區(qū)的選擇數(shù)量不少于全區(qū)域總數(shù)量的0.5%，但最少不能低于10個，最多不能超過100個。若全區(qū)域的小型灌區(qū)不足10個，那么按照實際存在的數(shù)量選定區(qū)域樣點。同時選擇的小型灌區(qū)的有效灌溉面積，不能小于全區(qū)域所有小型灌區(qū)總面積的1%[6]。

4)純井灌區(qū)。將單井控制灌溉任務(wù)的灌區(qū)，作為一個樣點灌區(qū)。

要求中型灌區(qū)每個等級的灌區(qū)數(shù)量，不少于全區(qū)域同等級灌區(qū)總數(shù)的5%；每個等級灌區(qū)的有效灌溉面積，不少于全區(qū)域同等級灌區(qū)有效灌溉面積的10%[7]。

根據(jù)上述4種灌溉類型為測算對象，按照《全國灌溉用水有效利用系數(shù)測算分析技術(shù)指南》，選擇其中分布均勻、自然環(huán)境與人為環(huán)境高度相似灌區(qū)中的小型農(nóng)田，將其作為測算樣點灌區(qū)，測算田間水利用系數(shù)。

1.2 計算田間水相關(guān)參數(shù)

根據(jù)選定的測算樣點，采集該灌區(qū)的基本用水?dāng)?shù)據(jù)，然后計算與水利用系數(shù)相關(guān)的其他田間用水參數(shù)。已知的灌溉面積與實際灌溉面積還是存在些許差異，因此不能直接將灌區(qū)面積作為灌溉面積，需要通過實地測量，計算灌區(qū)實際面積，然后與樣點渠道灌溉面積進(jìn)行比較，計算實際灌溉面積的修正系數(shù)，對灌溉面積進(jìn)行修正。根據(jù)《2009-2020年農(nóng)田基本建設(shè)規(guī)劃》面積，對修正面積、遙感面積進(jìn)行比較，調(diào)整修正系數(shù)，進(jìn)一步得出更加精準(zhǔn)的灌溉面積[8]。計算灌區(qū)毛灌溉用水總量，該參數(shù)是灌區(qū)全年所有水源取用后田間灌溉的水源總使用量，公式為：

(1)

式中：Q樣毛為樣點灌區(qū)一年的毛灌溉用水總量，m3；Q樣毛i為樣點灌區(qū)第i個水源的灌溉水量，m3；n為樣點灌區(qū)水源總來源數(shù)量[9]。

再分析并計算凈灌溉用水量。凈灌溉用水量是只用來灌溉農(nóng)田的實際總用水，對于大型灌區(qū)、灌溉用水狀況不同、管理水平差異偏大的樣點灌區(qū)，需要分區(qū)計算，然后匯總不同地區(qū)的凈灌溉用水量，計算整個測試地區(qū)的凈灌溉用水量。此次研究采用作物需水量法，計算凈灌溉用水量，公式如下：

gi=Tci-Y-Di+Δv

(2)

式中：i為小型農(nóng)田種植的農(nóng)作物種類；gi為凈灌溉定額；Tci為農(nóng)田面積為c的農(nóng)作物蒸發(fā)蒸騰量；Y為農(nóng)作物生長期內(nèi)，測算地區(qū)的有效降雨量；Di為農(nóng)作物生長期內(nèi)，利用的地下水總量；Δv為農(nóng)作物生長期間，土壤含稅量的變化值[10]。

已知小型農(nóng)田中種植的農(nóng)作物分為兩大類：旱作物和水稻。根據(jù)《全國灌溉水有效利用系數(shù)測算分析技術(shù)指導(dǎo)細(xì)則》，在每次灌水前后，依據(jù)田地土壤滲透性，觀測農(nóng)作物生長期土壤濕潤層的含水率和水層變化，計算凈灌溉定額。其中，旱作物凈灌水定額計算，需要利用土壤含水率變化量，計算結(jié)果為：

(3)

式中：g1i為第i塊灌區(qū)的凈灌水定額，m3/hm2；φ為灌區(qū)土壤干容重，φ水為水的容重，通常取值為1，g/m3；d為灌水期內(nèi)，田地土壤濕潤層深度，mm；μq1、μq2分別為灌水前、灌水后田地土層的含水率，%[11]。

而水稻凈灌溉定額，是育苗水、泡田用水、生育期用水之和。其中，育苗水是培育水稻初始階段的固定需用水，可根據(jù)育苗總數(shù)量來確定；泡田用水是栽種水稻需要在田間灌注的水，根據(jù)經(jīng)驗得知，水稻泡田水的使用量估計值為200 mm(2 025 m3/hm2)；而生育期用水，是大概在4月中下旬至9月中下旬期間，水稻生長所需的水。水稻農(nóng)田在淹水灌溉下的凈灌水定額為：

(4)

當(dāng)采用濕潤灌溉水稻農(nóng)田時，其凈灌水定額與式(3)一致，因此在本環(huán)節(jié)不再列出。

綜合上述兩類農(nóng)作物類型，計算水稻田的凈灌溉定額，結(jié)果為：

(5)

式中：gi為不同作物農(nóng)田的凈灌溉定額計算結(jié)果。

再計算樣點灌區(qū)的年凈灌溉用水總量，公式如下：

(6)

式中：pi為同類型樣點灌區(qū)中，第i種農(nóng)作物的凈灌溉定額；si為同灌溉類型中農(nóng)作物的灌溉面積；M為農(nóng)田田塊數(shù)量。

結(jié)合灌溉面積和所求結(jié)果，計算樣點灌區(qū)的年凈灌溉用水總量：

(7)

式中：Q凈為樣點灌區(qū)的年凈灌溉用水總量；m為j個樣點灌區(qū)中的農(nóng)作物種類；n為樣點灌區(qū)測點數(shù)量；pij為所求的凈灌溉定額；sij為灌溉面積[12]。

根據(jù)上述計算所得的田間水相關(guān)參數(shù)，建立測算小型農(nóng)田水利工程灌區(qū)中田間水利用系數(shù)的分析模型。

1.3 建立田間水利用系數(shù)測算分析模型

根據(jù)上文計算得到的不同類型、不同規(guī)模、不同管理水平以及不同工況的樣點灌區(qū)相關(guān)參數(shù)，采用點與面相結(jié)合的方式，將調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果、觀測分析結(jié)果相融合，將微觀研究數(shù)據(jù)與宏觀分析評價結(jié)果進(jìn)行對比，利用加權(quán)平均的理念，建立田間水利用系數(shù)測算分析模型，推算全區(qū)的小型農(nóng)田水利工程灌區(qū)田間水利用系數(shù)[13]。已知灌區(qū)田間水利用系數(shù)是整個測算樣點灌區(qū)凈灌溉用水總量與毛灌溉用水總量的比值，結(jié)合式(1)和式(7)，得到有效利用系數(shù)σ：

(8)

根據(jù)測算地區(qū)實際情況，建立各類型樣點灌區(qū)的田間水利用系數(shù)分析模型，加權(quán)平均處理，得到大型灌區(qū)中的小型農(nóng)田的田間水利用系數(shù)分析模型：

(9)

中型灌區(qū)的小型農(nóng)田田間水利用系數(shù)分析模型為：

(10)

而小型灌區(qū)的小型農(nóng)田田間水利用系數(shù)分析模型為：

(11)

而純井灌區(qū)灌溉工程中，小型農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)分析模型為：

(12)

式(9)-式(12)中，a、b、c、d分別為不同的灌區(qū)類型[14]。綜合上述公式，建立全區(qū)測算模型：

(13)

式中：Qa、Qb、Qc、Qd分別為4個測算樣點區(qū)域的年毛灌溉用水總量。

使用該模型測算全區(qū)域的灌區(qū)田間水利用系數(shù)，根據(jù)得出結(jié)果調(diào)整灌區(qū)的用水量，至此實現(xiàn)對小型農(nóng)田水利工程灌區(qū)田間水利用系數(shù)的測算[15]。

2 實驗研究

提出對比實驗，將此次研究的測算方法作為實驗組測試對象，將根據(jù)文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]提出的兩種傳統(tǒng)測算方法，分別作為對照1組和對照2組測試對象。比較3個測試組的計算結(jié)果差異。

2.1 測試準(zhǔn)備

將K省作為此次實驗研究對象，該省份中存在大型灌區(qū)、中型灌區(qū)、小型灌區(qū)以及純井灌區(qū)。圖1為10年間，該省份的小型農(nóng)田水利用系數(shù)的變化情況。

圖1 測試地歷年田間水利用系數(shù)統(tǒng)計圖

根據(jù)圖1可知，前期田間水利用系數(shù)增長極慢，符合前期水利工程建設(shè)不完善、灌溉方式較為落后、水量損失較大的實際情況，因此浪費了大量水資源，使利用系數(shù)相對較小。經(jīng)過國家政策幫助以及政府扶持，加之各項技術(shù)相對完善，使田間灌溉水被充分利用，減少了對水資源的浪費，因此利用系數(shù)逐漸提高增長速度，在后期，維持在一個相對穩(wěn)定的范圍之間。圖2為實測地區(qū)某一區(qū)域的灌區(qū)實景圖。

圖2 灌區(qū)實景圖

已知該測試地涵蓋4種灌區(qū)類型。其中，中型灌區(qū)圖2(a)所示左側(cè)區(qū)域，根據(jù)圖2中農(nóng)田布局可知，中型灌區(qū)中開墾了大量小型農(nóng)田；圖2中右側(cè)為小型灌區(qū)所在區(qū)域，由多個小型農(nóng)田組成。圖2(b)是大型灌區(qū)和純井灌區(qū)，該灌區(qū)中的農(nóng)田同樣為小型農(nóng)田。因此，根據(jù)實地調(diào)查得知，選擇的測試省份滿足對小型農(nóng)田的測試要求。

2.2 測試與分析

分別利用3個測試組，綜合測算K省3類灌區(qū)中小型農(nóng)田灌區(qū)田間水利用系數(shù)，其測算結(jié)果見圖3。

根據(jù)圖3中的測算結(jié)果可知，對照1組和對照2組中3處小型農(nóng)田水利工程控制區(qū)的田間水利用系數(shù)的計算結(jié)果高度相似，而實驗組的3處測算結(jié)果并不一致。根據(jù)K省地質(zhì)地形可知，該省位于板塊交界處，且土質(zhì)之間存在較大差異性，因此3個不同灌區(qū)的利用系數(shù)，不可能高度相似。為了分析導(dǎo)致3組測試結(jié)果出現(xiàn)差異的原因，將3種測算方法計算所得數(shù)據(jù)統(tǒng)計到下述3組數(shù)據(jù)表中，見表2-表4。

圖3 田間水利用系數(shù)測算結(jié)果

表2 實驗組測算結(jié)果

表3 對照1組測算結(jié)果

表4 對照2組測算結(jié)果

根據(jù)表2中的測算結(jié)果可知，只有年凈灌溉用水量這一參數(shù)的計算結(jié)果存在較大差異，可見傳統(tǒng)測算方法分析模型在計算時，出現(xiàn)了一定程度的誤差，從而影響了同類型灌區(qū)田間水利用系數(shù)之間的差別。由此證實，此次提出的田間水利用系數(shù)的測算方法，其測算效果更真實。根據(jù)圖1給出的歷年利用系數(shù)變化曲線可知，近些年該地區(qū)將田間水利用系數(shù)發(fā)揮到0.55以上。而3個測試組中，只有實驗組的測試結(jié)果，更貼合K省實際數(shù)據(jù)，由此看出所提出方法的測算性能更好。

3 結(jié) 語

根據(jù)此次實驗研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用此次測算方法后得到的田間水利用系數(shù)，與實際值更貼近，可見該方法相對于傳統(tǒng)方法來說，有更好的測算性能。在今后的研究與分析中，還要進(jìn)一步優(yōu)化灌溉水利用系數(shù)測算方法，為城市灌溉區(qū)域的灌溉工程、節(jié)水改造工程提供更加詳細(xì)的數(shù)據(jù)。