基于雙作物系數模型的田間灌溉水利用效率估算

閆 昕，劉 鈺* ，張寶忠，魏 征

(1.中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點試驗室，北京100038;2.國家節水灌溉北京工程技術研究中心，北京100048)

農業灌溉水利用效率是評價灌區農業用水效率的重要指標，也是灌區水利工程建設及用水管理的基本參數，在農業節水灌溉工作中具有非常重要的地位［1］。然而農業灌溉水利用效率的基礎理論國內外還存在比較大的爭議，大尺度區域灌溉水在渠系輸水、用水管理、田間的效率如何確定還缺少比較科學的理論和方法［2］，從而也給農業水利工程建設和區域水資源高效利用工作帶來了很大的困擾。筆者以盈科灌區為研究對象，對灌溉過程中田間灌溉水利用效率進行了評估。

選取盈科灌區為研究尺度，灌區內的典型農渠控制區為田間尺度研究區，分別開展了樣點布設、試驗取樣、實地調查與數據收集等工作。在進行研究區渠系和排水系統實地調查基礎上，完成了盈科灌區多尺度區域水文地理數據庫，包括灌排渠系、土壤質地、土地利用、觀測點、種植結構等，主要選取盈科灌區上的8個典型試驗小區為研究對象，8個典型試驗小區的種植作物均為制種玉米。

1 材料與方法

1.1 雙作物系數SIMDual_Kc模型 SIMDual_Kc雙作物系數模型是根據雙作物系數法并在此基礎上進行延伸和擴展估算作物蓄水量。模型可以模擬和計算每日的作物蒸騰量和棵間蒸發量［3］，采用黑河流域盈科灌區2012年試驗數據，對模型進行了調參和驗證。模型可以模擬每日田間尺度上的土壤水量平衡，預測作物騰發量，制定灌水規劃和進行環境研究。根區土壤水量平衡以每天末根區土壤蓄水量的形式表示。計算公式為:

式中:ASWi+1為第i+1天根區土壤蓄水量(mm);ASWi:第i天根區土壤蓄水量(mm);Ii為第i天的凈灌溉水量(mm);DIi為第i天由于灌溉水而產生的根系層滲漏損失量(mm);Pi為第i天的降水量(mm);DP為第i天由于降水而產生的根系層滲漏損失量(mm);ETc，j為第i天的作物騰發量(mm);Gi為第i天的地下水利用量(mm)。

1.2 凈灌溉定額計算 凈灌溉定額為作物整個生育期內，單位灌溉面積上從供水到田間所被作物利用的總灌溉水量［4］。

盈科灌區渠系組成級別有:干－直斗－農－毛，干－支－斗－農－毛。灌區收集的灌水資料為各支渠及直斗渠的灌溉引水量，實際灌水量I凈為:

式中:I凈為凈灌溉量;W引為渠道斗口引水量;η系為渠系水利用系數。

根據各渠系灌溉引水量，引水時間及相應的作物種植面積利用上述公式得到各支渠控制范圍內的作物實際灌水量，各渠系級別的渠系水利用系數可參照2012年張掖市水利年報中的統計。盈科灌區各渠系使用輪灌制度，根據灌溉作物的不同，設定不同的灌水定額和灌水時間。因此不同作物，不同渠系控制區的實際灌水制度都有所不同，各支渠，分支渠及直斗渠的灌溉引水量及各渠系控制面積由張掖市水管所提供。所研究的8個典型小區所處渠系及灌水時間，試驗小區所在引水渠道的位置及灌水量和灌水時間如表1所示。

表1 試驗小區的灌水時間及灌溉水量及時間

2 實例分析

2.1 灌區概況 研究區域位于黑河流域中游盈科灌區，盈科灌區地理位置為東經 100°17'～ 100°34'，北緯 38°50'～38°58'。地勢西南高東北低，海拔高程1 456～1 600 m。灌區東西長17.4 km，南北寬14.2 km，總面積192 km2，多年平均引提水量1.75×109m3。灌區屬內陸干旱氣候，多年平均氣溫6.5～7.0 ℃，最低氣溫 －28 ℃，最高氣溫33.5 ℃，多年平均降雨量約125 mm，年蒸發量1 972 mm，日照時數3 000 h以上，無霜期140 d左右［5］。灌區地下水埋深在5 m以下。土壤主要為灌漠土，耕灌層厚度一般為70～150 cm，土壤質地主要為均質壤土或沙壤土。農作物以糧食作物為主，有小麥，玉米等。灌區有效灌溉面積有效灌溉面積13 146.67 hm2(19.72 萬畝)，其中農田 12 900.00 hm2(19.35 萬畝)，林地240.00 hm2(0.36萬畝)，農作物以糧食作物為主。灌區土壤主要為灌漠土，地下水埋深在5 m以下;土壤質地主要為均質壤土。灌區有各級渠道1 735條1 119.1 km，高標準襯砌干渠3條41 km，支渠27條133 km，斗渠173條180.4 km，多年平均引提水量1.75×109m3。

2.2 雙作物系數模型估算

2.2.1 模型輸入。SIMDual_Kc雙作物系數模型需要輸入的數據包括:

(1)氣象資料。包括氣溫、降雨量、相對濕度、風速、總輻射和凈輻射等。采用用中國氣象科學數據共享平臺張掖站的實測數據代表整個研究區域上的氣象資料。每0.5 h采集1次數據。

(2)作物數據。包括種植日期，作物各生長階段長度，各階段推薦的基礎作物系數，根深，最大株高，各生長階段無水分脅迫條件下的土壤水量消耗比率，根據覆蓋度修正的Kcb值。

(3)土壤數據。包括易蒸發水量，總蒸發水量，總有效水量。

(4)灌溉數據。包括灌溉系統類型，選項(無灌溉，當前灌溉制度，可評價給定的灌溉制度，每次灌水事件允許的最大灌水深度等)。

2.2.2 模型率定和驗證。當模型的結構和輸入參數初步確定后，就需要對模型進行率定和驗證。通常將使用的資料系列分為2部分，其中一部分用于校準模型，而另一部分則用于模型的驗證［6］。為了檢驗模型的有效性，利用已建立的模型模擬計算出了田間條件下1 m土層土壤蓄水量的變化，并與實測土壤體積含水率換算為重量含水率后算出的1 m根深土壤蓄水量進行了對比。田間試驗區位于黑河流域盈科灌區典型小區內，田間土壤體積含水率用TRIME-T3/IPH土壤水分測量儀，采用人工測量的方式，每10 d測量1次。1 m土層土壤需水量經各層次實測土壤重量含水率乘以容重累加而得，通過SIMDual_Kc雙作物系數模型進行根區土壤蓄水量模擬值與實測值的對比，并選取具有代表性的前4塊試驗田進行對比(圖1)。由圖1可以看出，根區土壤蓄水量的模擬值與實測值均吻合較好。這說明所建立的模型用以計算作物根區蓄水量及模擬作物根區水分的變化是可信的。

將在試驗區設置的渦動相關儀測得的渦度數據(通過黑河數據中心下載獲取)通過單位換算轉化為ETa數據。驗證SIMDual_Kc模型輸出的ETa數據，并對數據進行擬合，模型模擬出的ETa數據和實測ETa數據對比［7］如圖2所示。由圖2可以看出，模型模擬ETa值和實測值擬合良好，兩者數據具有一定的線性相關關系。模型有效性系數分別為0.94，相關系數為R2=0.81，這說明所建立的模型表明模型可以很好地解釋制種玉米蒸散發的實際變化［8］。

3 結果與分析

3.1 田間灌溉水有效利用率的計算 灌溉水利用系數是衡量灌入田間的有效水量同與之相對應的灌溉水源引進的總水量的比值［9］。灌溉水有效利用率的定義為:將凈灌溉水量中儲存在作物根系層能被作物有效利用的水量占凈灌溉水量的比例稱為灌溉水有效利用率。在灌溉水由水源到田間輸送過程中，蒸發損失所占比例很小，主要為滲漏損失量。

根據建立的農田水量平衡模型，利用甘肅省張掖市2012年的逐日氣象資料，模擬計算了夏玉米生育期的1 m根區土壤需水量。在模擬過程中，當對作物進行灌溉時或者有較大降雨時，作物根系層一般會產生一定滲漏損失量。則田間灌溉水有效利用率的計算公式為:

式中:Ii為第i天的凈灌溉水量(mm);DIi為第i天由于灌溉水而產生的根系層滲漏損失量(mm)。

3.2 評價與分析 由上述計算公式計算得出盈科灌區種植制種玉米的8個典型試驗田的灌溉水有效利用率見表2。

表2 研究區域灌溉水有效利用率

由上述計算公式得出的盈科灌區8個典型試驗田的田間灌溉水有效利用率分別為:76%、62%、77%、75%、67%、76%、74%，70%。(試驗研究表明在干旱內陸河灌區，田間灌溉水有效利用為80%～90%)田間水利用系數是衡量田間工程狀況和灌水技術水平的重要指標。在田間工程完善，灌水技術良好的條件下，旱作農田的田間水利用系數可以達到90%以上。因此故該灌區具有一定的節水潛力。可提高該灌區的田間工程狀況和灌水技術水平。

4 結語

(1)通過盈科灌區的試驗數據結合雙作物系數模型SIMDualKc模型模擬計算了黑河流域盈科灌區夏玉米逐日的1 m根區土壤蓄水量，驗證了該模型在西北干旱地區的實用性和可靠性。可運用該模型模擬土壤儲水量的變化過程。

(2)以灌溉水利用率，水量平衡理論為基礎，以研究區域灌溉水利用率的宏觀評價分析方法為導向，從灌區的灌溉結構和基本理論入手，通過研究灌區系統的組成和規律，構建宏觀研究區域灌溉水利用率的整體模型，并可將其應用于整個黑河流域的評定中。

(3)由田間灌溉水有效利用率計算公式計算得出的典型試驗田的田間灌溉水有效利用率在62%～77%之間。該灌區具有一定的節水潛力。

(4)灌溉水利用率的估算極為復雜，每一個環節都需要經過一個極為復雜的運算過程以及需要大量實際的觀測資料和當地有關部門的配合，通過實測獲得大范圍區域內的灌溉水利用率是十分困難的事情，所以該文也只能建立在區域已有的相關研究數據之上。

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