張畢元，呂愛斌，周 棟

(1.湖北省咸寧市水文水資源勘測(cè)局，湖北 咸寧 437100；2.湖北省黃石市水文水資源勘測(cè)局，湖北 黃石 435000)

0 引言

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，每年農(nóng)業(yè)用水占用水總量的比重約為70%，而農(nóng)業(yè)用水90%以上都是用于農(nóng)田灌溉，因此，農(nóng)業(yè)節(jié)水對(duì)于節(jié)約水資源、節(jié)水型社會(huì)建設(shè)都具有重要的意義。農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)是反映灌區(qū)工程狀況、用水管理水平、灌溉技術(shù)的一項(xiàng)綜合指標(biāo)，也是指導(dǎo)節(jié)水灌溉和大中型灌區(qū)續(xù)建配套及節(jié)水改造健康發(fā)展的重要參考。系數(shù)的測(cè)算雖然是一項(xiàng)基礎(chǔ)工作，但它卻是落實(shí)最嚴(yán)格水資源管理制度、實(shí)施國(guó)家節(jié)水行動(dòng)，推進(jìn)水資源消耗總量和強(qiáng)度雙控行動(dòng)、全面建設(shè)節(jié)水型社會(huì)的重要內(nèi)容。水利部于“十一五”期間就開始對(duì)我國(guó)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)進(jìn)行了跟蹤測(cè)算分析，多年來，傳統(tǒng)的測(cè)算分析方法測(cè)定工作量大、測(cè)算的硬件條件設(shè)施對(duì)于基層單位而言難以得到保障，且技術(shù)要求較高，實(shí)施難度較大。本文介紹了首尾測(cè)算分析法的原理，以及毛灌量及凈灌量的計(jì)算方法，將該方法應(yīng)用到案例大型灌區(qū)陸水灌區(qū)，計(jì)算案例的分析成果及結(jié)論建議對(duì)其它灌區(qū)系數(shù)測(cè)算具有一定的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義[1]。

1 首尾測(cè)算方法簡(jiǎn)介

根據(jù)灌溉水有效利用系數(shù)的定義，首尾測(cè)算分析法是用灌入田間可被農(nóng)作物吸收利用的水量(凈灌溉用水量)與灌區(qū)從水源取用的灌溉總水量(毛灌溉用水量)的比值來計(jì)算灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)[2]，計(jì)算的公式如下：

(1)

式中：η為灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)；W凈為灌區(qū)凈灌溉用水總量，單位m3；W毛為灌區(qū)毛灌溉用水總量，單位m3。

由上述公式(1)可見首尾測(cè)算分析法主要涉及兩大參數(shù)的測(cè)定：一是毛灌溉用水量，它的推求是以整個(gè)灌區(qū)作為觀測(cè)對(duì)象，觀測(cè)統(tǒng)計(jì)進(jìn)入灌區(qū)的用于灌溉的年總用水量，該值一般是通過測(cè)定灌區(qū)主干渠的年總徑流量及輔助水源的灌溉水量得到；二是凈灌溉用水量，它先以選定的典型田塊作為觀測(cè)對(duì)象，得到某種作物的畝均凈灌溉用水量，再根據(jù)不同的作物實(shí)際灌溉面積，計(jì)算求得灌區(qū)的凈灌溉用水量。整個(gè)樣點(diǎn)灌區(qū)的農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)為凈灌溉用水量與毛灌溉用水量的比值[3]。

1.1 毛灌量的計(jì)算公式

灌區(qū)毛灌溉用水總量是指灌區(qū)全年從水源(一個(gè)或多個(gè))取用的用于農(nóng)田灌溉的總水量，該部分水量通過渠首計(jì)量點(diǎn)結(jié)合其他水源用水分析獲得[4]。樣點(diǎn)灌區(qū)年毛灌溉用水總量的計(jì)算公式如下：

(2)

式中：M樣毛為樣點(diǎn)灌區(qū)年毛灌溉用水總量，單位m3；W樣毛i為樣點(diǎn)灌區(qū)第i個(gè)水源取水量，單位m3；n為樣點(diǎn)灌區(qū)水源數(shù)量，個(gè)。

1.2 凈灌量的計(jì)算公式

作物年畝均凈灌溉用水量w田凈是指某種作物在灌溉周期內(nèi)每畝的凈灌溉量，w田凈的計(jì)算公式如下：

(3)

式中：w田凈為某典型田塊某作物年畝均凈灌溉用水量，m3/畝；i為灌溉方式劃分，水稻灌溉分為濕潤(rùn)灌溉和淹水灌溉，i=2。

①淹水灌溉

根據(jù)典型田塊每次灌溉前后田間水深的變化來確定淹水灌溉畝均凈灌溉用水量[5]，計(jì)算公式如下：

(4)

式中：h1為某次灌水前典型田塊田面水深，mm；h2為某次灌水后典型田塊田面水深，mm；m為作物灌溉周期內(nèi)的灌水次數(shù)。

②濕潤(rùn)灌溉

根據(jù)典型田塊灌溉前后計(jì)劃濕潤(rùn)層土壤含水率的變化確定某次畝均凈灌溉用水量[6]，計(jì)算公式如下：

(5)

式中：w田凈1為典型田塊某次畝均凈灌溉用水量，m3/畝；H為灌水期內(nèi)典型田塊土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層深度，mm；γ為典型田塊H土層內(nèi)土壤干容重，g/cm3；γ水為水的容重，一般可取1，g/cm3；θg1為某次灌水前典型田塊H土層內(nèi)土壤質(zhì)量含水率，%；θg2為某次灌水后典型田塊H土層內(nèi)土壤質(zhì)量含水率，%。

2 灌區(qū)概況

陸水灌區(qū)位于東經(jīng)113°32′～114°13′，北緯29°28′～29°59′之間，地處鄂東南、長(zhǎng)江中游南岸，是一個(gè)以陸水水庫為主要水源的大型灌區(qū)，跨赤壁、嘉魚兩市、縣，自然面積863.8 km2，人口37.34萬人，灌區(qū)設(shè)計(jì)灌溉面積38.2萬畝，有效灌溉面積27.4萬畝，實(shí)際灌溉面積22.3萬畝。

灌區(qū)內(nèi)渠系工程包括干、支、斗、農(nóng)四級(jí)渠道?，F(xiàn)狀骨干渠道由赤壁南、北干渠，嘉魚、鬼咀、米埠等干渠以及所屬支渠組成，其中赤壁南北干渠位于赤壁市境內(nèi)，嘉魚、龜咀、米埠等干渠位于嘉魚縣境內(nèi)。陸水灌區(qū)分了南北兩片，分別建立了南、北兩條干渠。南干渠建于1970年，全長(zhǎng)63.0 km，止于松柏湖，渠道設(shè)計(jì)流量12.0 m3/s，加大流量15.0 m3/s。北干渠建于1972年，全長(zhǎng)69.0 km，從渠首至神山但家灣止，渠道規(guī)劃設(shè)計(jì)流量12.0 m3/s，加大流量15.0 m3/s。北干渠設(shè)計(jì)灌溉面積19.73萬畝。其中：赤壁13.05萬畝、嘉魚6.68萬畝。南干渠共有支渠23條，長(zhǎng)75.7 km；北干渠共有支渠16條，長(zhǎng)91.0 km。

3 計(jì)算案例

陸水灌區(qū)作物種植超播種面積10%以上的作物主要是油菜和一季水稻，因油菜旱作物一般不灌溉或是極少灌溉，故此次測(cè)定的主要對(duì)象為中稻。根據(jù)《全國(guó)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算分析技術(shù)指導(dǎo)細(xì)則》的要求，大型灌區(qū)樣點(diǎn)田塊應(yīng)至少在上、中、下游綜合作物種類、灌溉方式、灌溉制度等有代表性的斗渠控制范圍內(nèi)分別選取，每種需觀測(cè)的作物種類至少選取3個(gè)典型田塊，陸水灌區(qū)2020年度灌溉系數(shù)的測(cè)算分別在上、中、下游各選取3塊典型田塊，共計(jì)9塊。

3.1 毛灌量的推求

陸水灌區(qū)包含南、北干渠，根據(jù)前期的調(diào)查分析，灌區(qū)范圍還有輔助水源小型水庫及塘堰在2020年度進(jìn)行了補(bǔ)充灌溉，小型水庫10座，塘堰涉及到赤壁市9個(gè)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)共計(jì)302個(gè)。故此總結(jié)得到的陸水灌區(qū)毛灌溉用水量的計(jì)算公式如下：

W毛=W南干渠+W北干渠+W塘壩+W小型水庫

(6)

W南干渠、W北干渠分別為陸水灌區(qū)南、北干渠從庫區(qū)流入渠道的年總水量，渠首處均有流量監(jiān)控站點(diǎn)，2020年南干渠總徑流量為959.00萬m3，北干渠總徑流量為4879.80萬m3。

W塘壩為灌區(qū)內(nèi)塘壩的毛灌溉水量，根據(jù)2018年全省小微水體調(diào)查項(xiàng)目數(shù)據(jù)得到陸水灌區(qū)內(nèi)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的塘壩容積信息，然后選定1～2個(gè)典型塘堰委托觀測(cè)、調(diào)查分析，得到2020年塘壩水利用系數(shù)為1.0。據(jù)此計(jì)算求得的塘壩毛灌量為430.96萬m3。

表1 陸水灌區(qū)塘壩毛灌量的計(jì)算

W小型水庫為灌區(qū)內(nèi)小型水庫的毛灌溉水量，陸水灌區(qū)內(nèi)共計(jì)有10個(gè)小型水庫具有單獨(dú)的灌溉能力。各小型水庫毛灌量的推求步驟：①分別記錄各水庫灌溉時(shí)間段；②利用赤壁市水利工程動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)平臺(tái)，查詢各水庫灌溉時(shí)間周期的水位變化過程；再根據(jù)水庫的水位庫容關(guān)系曲線，推算出相應(yīng)灌溉時(shí)段蓄水量的變化；③將灌溉時(shí)段的各蓄水量變化累計(jì)即可得到水庫的毛灌溉水量。用上述方法推求的10個(gè)小型水庫總毛灌溉用水量為256.69萬m3。

根據(jù)式(6)求得的陸水灌區(qū)毛灌溉用水量為6526.45萬m3。

3.2 凈灌量的推求

水稻凈灌溉用水量分為淹水灌溉和濕潤(rùn)灌溉，分別按照式(4)、(5)進(jìn)行推求，對(duì)應(yīng)計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 凈灌溉用水量的計(jì)算

表中∑(h2-h1)為水稻淹水灌溉多次灌水前后的水深差累計(jì)值，w1為淹水灌溉的畝均凈灌溉用水量，H為土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層深度，本次計(jì)算取80 mm，r為土壤干容重，取1.4 g/cm3，θ1、θ2分別為濕潤(rùn)灌溉前、后田間土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層的含水率。w2為濕潤(rùn)灌溉的畝均凈灌溉用水量。田塊的年畝均凈灌溉用水量w田凈為w1與w2之和。

根據(jù)公式3，求得陸水灌區(qū)中稻的畝均凈灌溉用水量為153.77 m3/畝，陸水灌區(qū)有灌溉面積為22.3萬畝，故陸水灌區(qū)凈灌溉用水量為3429.06萬m3。

3.3 灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)的計(jì)算

根據(jù)上述公式，陸水灌區(qū)的毛灌溉用水量為6526.45萬m3，凈灌溉用水量為3429.06萬m3，灌溉水有效利用系數(shù)為0.5254。

3.4 合理性分析

赤壁市陸水灌區(qū)2017年的灌溉系數(shù)為0.5007，2018年的灌溉系數(shù)為0.5041，2019年的灌溉系數(shù)為0.5177，灌溉水有效利用系數(shù)逐步提升，現(xiàn)從高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)、單位面積用水量、降雨量、管理水平等4個(gè)因素進(jìn)行分析。

(1)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)

2020年赤壁市深入推進(jìn)陸水灌區(qū)高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)，使得水利工程現(xiàn)狀相比2019年有所改善，在農(nóng)田灌溉方面發(fā)揮了一定的效益，提高了農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)。

(2)單位面積用水量

陸水灌區(qū)畝均凈灌溉用水量增加幅度大于畝均毛灌溉用水量幅度，提高了樣點(diǎn)灌區(qū)系數(shù)，致使灌區(qū)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)提高到0.5254。

(3)降雨量

赤壁市陸水灌區(qū)2020年全年降水量2207.0 mm，比多年平均增加49.07%，較去年增加102.76%，屬于豐水年份，農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)與降水量呈正相關(guān)的關(guān)系，在一定范圍內(nèi)，降水量越大，有效利用系數(shù)也就越大。

(4)管理水平

2020年赤壁市積極按照省廳部署及市委市政府工作安排，積極推行大中型水庫、堰塘和灌區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化管理，推行高效節(jié)水灌溉技術(shù)，使得灌區(qū)用水管理水平有所提高。

4 結(jié)語

首尾測(cè)算分析法原理簡(jiǎn)單實(shí)用，測(cè)算得到的陸水灌區(qū)2020年農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)值比較真實(shí)客觀地反映了當(dāng)前農(nóng)業(yè)用水效率和農(nóng)田水利建設(shè)與管理水平，揭示了農(nóng)田節(jié)水潛力，其值來源于實(shí)際測(cè)量和科學(xué)分析，數(shù)據(jù)比較合理，是農(nóng)業(yè)用水效率的客觀反映，能夠?yàn)榻?jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與節(jié)水型社會(huì)建設(shè)提供參考依據(jù)，也能夠?yàn)楦骷?jí)政府“最嚴(yán)格水資源管理制度考核”提供依據(jù)。

通過陸水灌區(qū)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)的實(shí)際測(cè)算，在灌溉系數(shù)的量測(cè)過程中，如何準(zhǔn)確、有效地獲取灌區(qū)的凈灌溉用水量、毛灌溉用水量是兩個(gè)關(guān)鍵性指標(biāo)，建議如下：

(1)在獲取樣點(diǎn)田塊的凈灌溉用水量過程中，因作物種植時(shí)間、灌溉作業(yè)、灌溉制度掌握在個(gè)體農(nóng)田手中，具有很大的隨意性。因此，引導(dǎo)農(nóng)戶科學(xué)灌溉、如實(shí)記錄，特別是詳細(xì)記錄降水期農(nóng)田水深的變化情況，是原始資料準(zhǔn)確性的重要保障。

(2)當(dāng)補(bǔ)充水源的小型水庫多達(dá)幾十個(gè)，毛灌溉水量的獲取采用分散調(diào)查統(tǒng)計(jì)的方法有難度，且精度也難以保障。因同一灌區(qū)，一般來說灌溉制度相近，建議均采用典型觀測(cè)，以點(diǎn)代面的方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。如：大、中型灌區(qū)內(nèi)分別選定小(1)、小(2)型水庫各2個(gè)，委托水庫管理人員準(zhǔn)確記錄作物灌溉時(shí)間，通過庫容曲線查得蓄水變量，然后剔除從主水源引用的重復(fù)水量以及灌溉期間的工業(yè)、生活等其他非灌溉水量，從而得到該水庫的毛灌溉水量。再依據(jù)水庫的灌溉面積，加權(quán)得到畝均毛灌溉水量，類推可得到灌區(qū)內(nèi)補(bǔ)充水源的水庫毛灌溉量。

(3)當(dāng)塘堰數(shù)量多達(dá)上千個(gè)時(shí)，為提高精度，可采用選定典型塘堰1～2個(gè)進(jìn)行觀測(cè)分析得到當(dāng)年的塘堰水利用系數(shù)。

(4)當(dāng)旱作物、經(jīng)濟(jì)作物濕潤(rùn)灌溉時(shí)，采用土樣烘干法來測(cè)定田塊灌溉前后田間土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層土壤含水率來計(jì)算畝均凈灌溉用水量，注意規(guī)范取樣頻次、烘干時(shí)間、稱重精度。

(5)樣點(diǎn)田塊和典型水庫、塘堰一旦選定，應(yīng)保持不變，在不同降水年份下動(dòng)態(tài)觀測(cè)分析，以提高農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)的代表性。