白龍江引水工程受水區典型作物灌溉需水量計算方法研究

岳立恒

（甘肅省水利水電勘測設計研究院 甘肅 蘭州 730000）

1 白龍江引水工程農業灌溉概況

甘肅省白龍江引水工程[1]是大型跨流域引水工程，通過從長江流域引水至涇、渭河流域，以減緩慶陽、平涼和天水三市水資源短缺問題，促進地區的經濟社會可持續發展，具有重要的戰略意義。白龍江引水工程受水區耕地面積為1462.4萬畝，其中農田有效灌溉面積182.53萬畝，園林草灌溉面積6.05萬畝。受水區天水市、平涼市、慶陽市農田有效灌溉面積分別為60.05萬畝、53.18萬畝、69.31萬畝。白龍江引水工程受水區農業灌溉需水對當地水資源的配置有直接的影響，從而間接影響到白龍江引水工程的調水規模。因此研究受水區畝均灌溉需水量，對工程的調水規模影響較大，以冬小麥作為本次研究的主要對象，天水市、平涼市、慶陽市冬小麥種植面積分別為15.89萬畝、13.64萬畝、16.48萬畝。白龍江引水工程受水區灌溉面積見表1。

2 作物灌溉需水量的主要計算方法

（1）間接法（彭曼公式法）

彭曼公式[2]依據的是能量平衡原理和水汽擴散原理及空氣的熱導定律，1948年由英國的科學家彭曼提出，是現今被廣泛應用來計算作物需水量的方法。它利用氣象因素計算各階段參考作物的蒸發蒸騰量，然后乘以作物系數求各階段作物需水量，是一種間接計算作物需水量的方法。常用的半經驗半理論公式為：

式中Δ=（es-ea）/（Ts-Ta）為飽和水汽壓對溫度的導數，即在平均氣溫Ta時飽和水汽壓曲線的斜率，只是溫度的函數；R為輻射平衡，根據英國和瑞典的資料建立經驗計算公式R=Ra（1-α）（0.18+0.55n/N）-σTa（0.56-0.092ed）（0.10+0.90n/N），Ra 是 天 文輻射，α是蒸發面反射率，n/N是日照百分率，σ是斯蒂芬-波爾茲曼常數，Ta是以絕對溫度表示的氣溫；L為蒸發潛熱；γ為干濕表常數，數值上等于CpPa/0.622L，Cp是定壓比熱，Pa為大氣壓；Ea為空氣干燥力，它與空氣飽和差和道爾頓蒸發風速函數有關。彭曼公式對計算田間可能蒸發量，確定作物需水量和灌溉量有重要意義。聯合國糧農組織一直推薦這個公式。利用彭曼公式所計算作物需水量考慮有效降水采用水量平衡法便可推求作物的灌溉需水量。

（2）試驗法

甘肅省采用試驗法探求作物需水量的歷史是極其悠久的，試驗方法主要采用田測與坑測兩種。但由于作物需水量受“土壤～作物～大氣”綜合體系中諸多因素的制約，比較復雜，再加上人為因素的影響，如試驗方法不當，儀器設備落后等等，雖然試驗可能有一定的年限，但得出的數據可能不盡合理。因此必須做到試驗方法得當，一切按操作要求進行，這樣得出的試驗數據基本才是可靠的。

表1 白龍江引水工程受水區灌溉面積統計表 單位：萬畝

圖1 各地區作物潛在騰發量ET0示意圖

表3 各地區冬小麥生長周期統計表

表4 各地區典型作物作物系數Kc值統計表

表5 各地區冬小麥生長期ET值計算成果表 單位：mm/d

（3）間接法即產量法（K值法[3]）

該法曾在我省廣泛應用，簡便易求，但K值穩定性較差，有一定的局限性。作物產量是太陽能的累積一水、土、肥、熱、氣諸因素的協調及農業措施的綜合結果，但在一定的氣象和農業技術措施條件下，作物產量與需水量有較好的關系。因而把作物在一定的自然條件和農業技術措施下所獲得的產量及其相適應的需水量聯系起來，以需水系數表示它們之間的關系，即

或 ETc=K（15Y）n+C

式中：ETc為作物全生育期總需水量（m3/kg）；K為需水系數，即形成1kg產量所消耗的水量；Y為作物產量（kg/hm2）；C，n為經驗常熟及指數，n一般取0.3～0.5。

3 白龍江引水工程受水區典型作物（冬小麥）灌溉需水量的計算

（1）彭曼公式法計算成果

本次收集受水區1956年～2013年主要站點氣象及水文資料作為研究依據。其中氣象資料主要包括站點海拔、經緯度以及逐日降水量、逐日小型蒸發量、逐日大型蒸發量、逐日最高氣溫、逐日最低氣溫、日照時數、相對濕度和逐日平均風速等氣象因子，水文資料主要包括逐年月降水資料。以各縣區氣象站長系列氣象資料（主要以降水、蒸發）與區域內平均值以及當地降雨水文資料進行相關性分析，綜合考慮各縣區不同的農業生產條件，確定各區域的代表縣區。經分析，白龍江受水區分別為天水、平涼、慶陽，三市的氣象代表站分別為清水、崆峒、西峰氣象站。

①ET0計算成果：根據彭曼公式中的要求對受水區1956年～2013年相關長系列氣象資料進行了全面的收集，并根據各代表站長系列氣象資料進行分析計算，從而分析出各農業灌溉分區ET0逐年月變化值。由計算結果可知，受水區作物潛在騰發量ET0值從北向南呈遞減趨勢。各地區計算結果見表2及圖1。

②作物生長周期的調查分析：通過對受水區主要農作物進行調查分析[4]，確定冬小麥作為各農業灌溉分區的主要典型作物，經調查：白龍江引水工程受水區冬小麥生長周期為第一年9月～10月至次年6月～7月。各地區冬小麥生長周期見表3。

③作物系數的推求：農作物實際需水量與作物潛在騰發量之間的比值為作物系數KC，由于受水區相關的農業試驗站各典型作物的作物系數無從查證，因此本次利用FAO（聯合國糧農組織）所推薦的相關作物的作物系數和當地的氣象因素對冬小麥作物系數進行修正確定。各地區典型作物的作物系數Kc值（經氣象因子修正）見表4。

④典型作物生長期ET值及作物需水量：

由所確定各農業灌溉分區典型作物生長周期及作物系數計算出各作物生長期內的ET值。由作物生長期ET值與生長期對應時間可推算出作物生長期內的灌溉凈需水量。

各農業灌溉分區冬小麥生長期內ET值和典型作物畝均年需水量分別見表5和表6。

（2）試驗法計算成果

通過對受水區三市農業試驗資料[5]整理分析，得出冬小麥作物需水量相關試驗成果。白龍江受水區冬小麥需水量試驗成果見表7。

（3）產量法（即K值法）計算成果

根據隴東地區試驗站得出K值一般在0.7～1.0之間，冬小麥畝均產量在400公斤～550公斤之間，利用K值法計算冬小麥需水成果見表8。

（4）與近年來實際灌溉情況的對比

根據上述典型作物（冬小麥）畝均灌溉需水量的計算成果與甘肅省根據近年來實際灌溉情況所確定的隴東、隴中地區冬小麥多年平均畝均灌溉定額[6]情況對比成果，分析可知，采用彭曼公式法所計算的作物需水量與作物實際的畝均需水量相差最小。計算成果對比情況見表9。

表6 各地區典型作物畝均年需水量計算成果表 單位：m3/畝

表7 各地區試驗法畝均年需水量（作物毛需水）成果表

表8 各地區K值法畝均年需水量（作物毛需水）計算成果表

表9 各種計算方法畝均年需水量（作物毛需水）計算成果與實際灌溉情況對比表

4 結論

本文分別采用彭曼公式法、試驗法、K值法，對白龍江引水工程受水區三個市區代表站的典型作物（冬小麥）的畝均需水量進行了分析計算。研究結果表明，應用彭曼公式計算作物需水量時，因其考慮了有效降水、蒸發、氣溫、相對濕度及風速等氣象因素對作物需水量的影響，所計算的作物需水量比其他方法的計算成果更接近實際灌溉用水量，故而計算結果較為精確。研究結果可為白龍江引水工程受水區的灌溉制度擬定提供依據，進而保證農業需水預測的合理性。陜西水利

[1]白龍江引水工程規劃[R].甘肅省水利水電勘測設計研究院，2014

[2]郭元裕.農田水力學[M].3 版.北京:中國水利水電出版社,1997.

[3]張丹,張廣濤,王麗學,等.彭曼-蒙特斯公式在參考作物需水量中的應用研究[J].干旱區地理,2005,28（4）:531-536.

[4]甘肅省冬春小麥需水量及作物潛在騰發量（ET0）等值線圖的研究（1984-1991），甘肅省水利廳水利管理局,1993.

[5]甘肅省灌溉試驗成果資料選編[R].甘肅省水利廳水利管理局，1989

[6]甘肅省行業用水定額（修訂本）[S].甘肅省水利廳,2011.