姬小敏 唐 蓮 張紅玲

(1.寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏回族自治區(qū)水利科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750021；3.旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，寧夏 銀川 750021；4.“旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用”教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，寧夏 銀川 750021)

我國西北內(nèi)陸地區(qū)水資源匱乏，水資源利用效率較低，因此，在減少灌溉用水的情況下提高農(nóng)業(yè)用水效率，進(jìn)而達(dá)到節(jié)水的目的，是西北地區(qū)農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境、水資源、土地資源健康發(fā)展的重要課題。近年來，許多學(xué)者對(duì)灌溉水利用系數(shù)進(jìn)行了研究，王景山等[1]采用首尾測算法求出樣點(diǎn)灌區(qū)的灌溉水利用系數(shù)，進(jìn)而得到灌區(qū)整體的平均灌溉水利用系數(shù)；張鵬程等[2]通過對(duì)比分析，推薦使用首尾法對(duì)寧夏灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)進(jìn)行測算；申佩佩等[3]分析了首尾測算法和分段測算法的優(yōu)缺點(diǎn)；杜斌等[4]提出在合理灌水定額下，冬灌可以提高灌溉水利用系數(shù)；張玉順等[5]以河南省為例，采用首尾測算法對(duì)112處樣點(diǎn)灌區(qū)的灌溉水利用系數(shù)進(jìn)行測算，取得的研究成果對(duì)現(xiàn)有水資源利用及研究具有重要的現(xiàn)實(shí)和指導(dǎo)意義。

寧夏位于西北干旱區(qū)，氣候特點(diǎn)干旱少雨，水資源十分匱乏，水資源人均占有量不及全國平均水平的1/10，農(nóng)業(yè)在經(jīng)濟(jì)、社會(huì)中占有重要的位置，引黃灌區(qū)是維系寧夏農(nóng)業(yè)和生態(tài)發(fā)展的命脈，2019年農(nóng)業(yè)灌溉用水量占寧夏水資源總量的84.8%，2019年寧夏灌溉用水有效利用系數(shù)0.494，低于全國平均水平[6-7]。本文在“系數(shù)連乘法”(以下簡稱連乘法)和“首尾測算分析法”(以下簡稱首尾法)大量研究成果基礎(chǔ)上，選取寧夏漢延典型渠段和樣點(diǎn)灌區(qū)，計(jì)算分析了兩種方法得出的2018年、2019年漢延灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)，計(jì)算成果可為灌區(qū)水資源優(yōu)化配置利用和現(xiàn)代化節(jié)水型灌區(qū)建設(shè)提供一定的參考[8-12]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)自然概況

漢延渠位于寧夏西北干旱帶，是河西灌區(qū)最古老的干渠之一[13]。漢延渠灌區(qū)承擔(dān)著興慶區(qū)、永寧縣、賀蘭縣、青銅峽市的13個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)、74個(gè)行政村及4個(gè)農(nóng)場的灌溉任務(wù)[14]。

漢延渠灌區(qū)范圍內(nèi)干旱少雨，降雨主要集中在6—8月，多年平均降水量約為164mm，蒸發(fā)強(qiáng)烈，風(fēng)大沙多，氣溫變化大，日溫差大，多年平均氣溫8.7℃。灌區(qū)內(nèi)太陽輻射大，年太陽總輻射141.7kcal/cm2，光能資源豐富，日照長，光照充足，溫差也大，更適合于有機(jī)物質(zhì)的合成，適宜農(nóng)產(chǎn)品的生長。灌區(qū)為黃河沖積物沉積而成，地勢平緩，土壤以砂壤為主，土壤自然肥力較好，依附黃河水灌溉，生產(chǎn)力水平較高。

1.2 試驗(yàn)處理

根據(jù)漢延渠灌區(qū)渠道級(jí)別、土壤質(zhì)地、渠道襯砌管理水平、工程狀況等因素，依據(jù)“連乘法”灌溉水利用系數(shù)測算要求，綜合考慮選取代表性渠段。選擇干渠段1條、下級(jí)典型支渠2條及其下級(jí)斗渠各2條、農(nóng)渠各4條；“首尾法”測算系數(shù)值參考《寧夏農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測算成果報(bào)告》，結(jié)合漢延渠灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造工程實(shí)施情況，選取漢延渠唐鐸至通橋段作為典型干渠段，在漢延渠灌區(qū)的上中下游，分別布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)位，在每一監(jiān)測點(diǎn)位對(duì)種植面積大于10%的作物全部布設(shè)監(jiān)測田塊，同一作物布置3塊監(jiān)測田，共布設(shè)典型田塊30個(gè)。

1.3 分析方法

“首尾法”計(jì)算灌溉水利用系數(shù)計(jì)算公式如下[15-16]：

(1)

式中：ηw為灌溉水利用系數(shù)；Wj為凈灌溉用水量，m3；Wα為毛灌溉用水量，m3。

“連乘法”計(jì)算灌溉水利用系數(shù)即各級(jí)渠道的渠系水利用系數(shù)與田間水利用系數(shù)連乘的乘積，計(jì)算公式如下：

η灌=η渠系η田

(2)

(3)

式中：η灌為灌區(qū)田間水利用系數(shù)；η田i為不同作物田間水利用系數(shù)；Ai為作物i在灌區(qū)內(nèi)種植面積，畝；∑Ai為不同作物各自灌域的種植面積加權(quán)，畝。

η渠系=η干η支η斗η農(nóng)

(4)

式中：η干、η支、η斗、η農(nóng)為灌區(qū)各級(jí)渠道的渠系水利用系數(shù)。

1.4 灌區(qū)灌溉水量及種植結(jié)構(gòu)

漢延渠灌區(qū)引水主要為黃河水，部分高效節(jié)水及設(shè)施蔬菜采用地下水進(jìn)行灌溉。灌區(qū)引水主要用于農(nóng)業(yè)灌溉及濕地、湖泊、魚池的補(bǔ)水，2018年、2019年年引水量分別為3.8301億m3和3.5925億m3。

漢延渠作物種植結(jié)構(gòu)及灌溉面積變化見表1。

表1 漢延渠作物種植結(jié)構(gòu)及灌溉面積變化

2 測算結(jié)果分析

2.1 “連乘法”測算

2.1.1 渠系水利用系數(shù)

2018年、2019年對(duì)各級(jí)渠系進(jìn)行測量，其中干渠完成23測次、支渠27測次、斗渠34測次、農(nóng)渠64測次，通過測算得到漢延渠各級(jí)渠道渠系水利用系數(shù)見表2。

表2 各級(jí)渠道測次和渠道水有效利用系數(shù)測算

2.1.2 典型田塊田間水利用系數(shù)

根據(jù)典型田塊田間水利用系數(shù)的測算結(jié)果，對(duì)不同作物種植面積加權(quán)平均計(jì)算灌區(qū)田間灌溉水利用系數(shù)為0.854，具體計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 漢延渠典型田塊田間灌溉水利用系數(shù)測算

2.1.3 典型灌域灌溉水有效利用系數(shù)

典型灌域灌溉水利用系數(shù)以渠系水利用系數(shù)乘田間水利用系數(shù)，公式如下：

(5)

2.2 “首尾法”測算

2.2.1 灌溉水有效利用系數(shù)測算成果

根據(jù)“首尾法”，2018年和2019年灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)測算對(duì)比結(jié)果見表4。

表4 2018年和2019年漢延渠灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)測算對(duì)比結(jié)果

根據(jù)式(1)計(jì)算得2018年、2019年年灌溉水利用系數(shù)為0.464、0.468。

2.2.2 “首尾法”測算灌溉水利用系數(shù)變化分析

依據(jù)《寧夏水利科學(xué)研究院灌區(qū)渠系水利用系數(shù)測算成果》，漢延渠灌區(qū)2013—2019年渠系水利用系數(shù)見圖1。由圖1可以看出，2013—2019年，基于“首尾法”的計(jì)算結(jié)果，漢延渠灌區(qū)的灌溉水利用系數(shù)成緩慢增長的趨勢，2019年較2013年提高了0.102。究其原因：一方面是由于灌區(qū)的作物種植不斷優(yōu)化和穩(wěn)定，減少了灌溉用水量；另一方面是由于渠系砌護(hù)改造，減少了滲漏損失，渠系水利用系數(shù)得以提高。

圖1 漢延渠灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)2013—2019年變化趨勢

2.3 不同測算方法結(jié)果對(duì)比分析

采用典型渠段“連乘法”和“首尾法”對(duì)漢延渠灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)進(jìn)行測算，從結(jié)果來看，兩種測算方法計(jì)算灌溉水利用系數(shù)結(jié)果有差異，“首尾法”計(jì)算出的農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)大于典型渠段“連乘法”的測算結(jié)果。

2.3.1 測算方法對(duì)比分析

從測算方法來分析，傳統(tǒng) “連乘法”，通過系數(shù)連乘的方法得到灌溉水利用系數(shù)，首先測得不同級(jí)別典型渠道的渠系水利用系數(shù)，加權(quán)平均得到灌區(qū)各級(jí)渠道的渠系水利用系數(shù)，再乘以典型田塊的田間水利用系數(shù)，這種方法能充分體現(xiàn)灌區(qū)各級(jí)渠系、田間用水的有效利用性，可綜合反應(yīng)不同級(jí)別渠道和田間水的灌溉水利用情況，直接反應(yīng)灌溉水在輸、配水和灌水過程中的損失，能夠指導(dǎo)灌區(qū)對(duì)渠道的防滲、襯砌和田間的節(jié)水灌溉等具體工作。但其工作量大、耗時(shí)耗力、測量條件要求嚴(yán)格、不易操作、準(zhǔn)確性較差，致使測定結(jié)果往往可信度不高[17]。

“首尾法”是根據(jù)灌溉水有效利用系數(shù)測算的過程和實(shí)質(zhì)，人為概化而來的一種測算方法，能夠提高灌溉水利用系數(shù)精度的要求，測量結(jié)果更接近實(shí)際，測量方法簡單，工作量小且耗時(shí)耗力少[18]。寧夏目前采用最多的就是“首尾法”，即通過測算黃河取水口取水量和田間凈用水量來計(jì)算灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)，可對(duì)灌區(qū)整體灌溉水平進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)影響因素。

2.3.2 不同測算方法測算系數(shù)值分析

典型渠段應(yīng)用“連乘法”測算漢延渠灌溉水利用系數(shù)為0.366，而“首尾法”測算漢延渠灌溉水利用系數(shù)2018年為0.464、2019年為0.468，首尾測算法計(jì)算結(jié)果較典型渠段測算結(jié)果偏大。首先，典型渠段測試各級(jí)渠道水利用系數(shù)僅為各級(jí)渠道尺度下的流量或水量測算數(shù)值，而對(duì)較大尺度的影響無法計(jì)量，首尾測算法從全灌區(qū)尺度測算，其對(duì)不同尺度的回歸水、棄水通過實(shí)際灌溉面積的統(tǒng)計(jì)可綜合計(jì)入，故首尾測算法在大尺度下對(duì)凈灌溉水量的統(tǒng)計(jì)更加全面，在一定程度下其凈灌溉水量的測算大于典型渠段測算。其次，典型渠段法通過干、支、斗、農(nóng)、田間不同尺度灌溉水利用系數(shù)逐級(jí)測算，從測算結(jié)果來看干渠灌溉水利用系數(shù)為0.876、支渠灌溉水利用系數(shù)為0.765、斗渠灌溉水利用系數(shù)為0.762、農(nóng)渠灌溉水利用系數(shù)為0.840、田間灌溉水利用系數(shù)為0.854，渠道水利用系數(shù)為干渠>田間>農(nóng)渠>支渠>斗渠，分析原因，其值與渠道輸水流量、灌溉工程布置、種植結(jié)構(gòu)調(diào)整、測量儀器精度、人為因素等有關(guān)，其測算結(jié)果精度有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

3 結(jié) 語

本文選取漢延渠典型渠段和樣點(diǎn)灌區(qū)，采用“連乘法”和“首尾法”，計(jì)算出寧夏漢延渠灌區(qū)2018—2019年的灌溉水利用系數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行對(duì)比分析。通過傳統(tǒng)“連乘法”測算得漢延渠灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)為0.366；而“首尾法”測算得漢延渠灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)2018年為0.464，2019年為0.468。經(jīng)對(duì)比分析，“首尾法”從全灌區(qū)尺度測算，對(duì)不同尺度的回歸水、棄水通過實(shí)際灌溉面積的統(tǒng)計(jì)計(jì)入，在大尺度下對(duì)凈灌溉水量的統(tǒng)計(jì)更加全面。灌溉水利用系數(shù)差別的可能因素是受渠道輸水流量、種植結(jié)構(gòu)、灌溉工程布設(shè)等對(duì)灌溉水利用系數(shù)的影響。且“首尾法”的測算結(jié)果更加接近實(shí)際，與國內(nèi)眾多學(xué)者的分析相吻合，測量方法也較簡單，工作量小、耗時(shí)耗力少。因此，采用“首尾法”對(duì)寧夏農(nóng)業(yè)灌溉用水有效利用系數(shù)進(jìn)行測算分析比較適宜。