河南省農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測算分析

張玉順，路振廣，王 敏，秦海霞，王艷平，和 剛，邱新強

(1.河南省水利科學(xué)研究院，鄭州 450003；2.河南省節(jié)水灌溉工程技術(shù)研究中心，鄭州 450003)

目前我國已實行最嚴(yán)格水資源管理制度，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)成為國家實行最嚴(yán)格水資源管理“三條紅線”考核指標(biāo)之一。水利部于“十一五”期間就開始對我國灌溉水有效利用系數(shù)進(jìn)行了跟蹤測算分析，河南省已連續(xù)多年在全省范圍內(nèi)開展了農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測算分析工作，取得的成果為有關(guān)部門研究制定相關(guān)政策和規(guī)劃提供了依據(jù)。

筆者在2015年河南省樣點灌區(qū)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測算分析成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合河南省農(nóng)田灌溉實際情況，測算分析出2015年全省各類不同規(guī)模及類型灌區(qū)和全省的農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)。

1 區(qū)域概況

河南省位于我國中東部，總土地面積16.55 萬km2，占全國總土地面積的1.74%。全省多年平均降水量771.0 mm，多年平均地表水資源量302.66 億m3，降水入滲補給量185.66 億m3，扣除降水入滲形成的河道基流排泄量84.79 億m3，河南省水資源總量403.53 億m3。

截至2015年底，河南省農(nóng)田有效灌溉面積521.517 萬hm2，其中大型灌區(qū)38處，有效灌溉面積151.299 萬hm2；中型灌區(qū)297處，有效灌溉面積59.331 萬hm2；0.067 萬hm2以下小型灌區(qū)約13 661處，有效灌溉面積27.005 萬hm2；純井灌區(qū)有效灌溉面積283.881 萬hm2。2015年全省耕地實際灌溉面積451.233 萬hm2，農(nóng)田灌溉總用水量98.61 億m3。

2 測算分析方法

2.1 技術(shù)路線

選取河南省測算分析的樣點灌區(qū)，測算分析樣點灌區(qū)典型田塊年單位面積平均凈灌溉用水量、樣點灌區(qū)年凈灌溉用水量、毛灌溉用水量和灌溉水有效利用系數(shù)；以樣點灌區(qū)測算結(jié)果為基礎(chǔ)，采用點面結(jié)合、調(diào)查統(tǒng)計與觀測分析結(jié)合的方法，按毛灌溉用水量進(jìn)行加權(quán)平均，推算不同規(guī)模與類型灌區(qū)以及全省農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)。不同規(guī)模與類型灌區(qū)農(nóng)田灌溉用水量占全省農(nóng)田灌溉用水量的比重即為該類灌區(qū)的水量權(quán)重。

2.2 樣點灌區(qū)選取及代表性分析

綜合考慮河南省地形地貌、土壤類型、灌區(qū)管理水平、水源類型及作物種植結(jié)構(gòu)等因素，共選取112處樣點灌區(qū)，其中大型灌區(qū)30處，中型灌區(qū)24處，小型灌區(qū)28處，純井灌區(qū)30處。

2015年省內(nèi)38處大型灌區(qū)中孤石灘、昭平臺、白龜山、白沙、宿鴨湖、宋崗淘岔、石山口和板橋等8處灌區(qū)因灌溉期水庫枯水或灌區(qū)雨水充沛或工程施工等原因全年沒有灌溉，其余30處灌區(qū)均有灌溉而選取作為測算樣點灌區(qū)。所以大型樣點灌區(qū)代表了省內(nèi)絕大多數(shù)大型灌區(qū)，具有很好的代表性。

共選取24處中型樣點灌區(qū)，其中0.067～0.333 萬hm2的13處，0.333～1 萬hm2的8處，1～2 萬hm2的3處；提水灌區(qū)7處，自流灌區(qū)17處。中型樣點灌區(qū)主要分布在省內(nèi)中型灌區(qū)分布較多的區(qū)域，從數(shù)量、水源類型及有效灌溉面積等方面具有較好的代表性。

小型和純井樣點灌區(qū)選取時以縣為單位，從省內(nèi)小型和純井灌區(qū)分布較多的縣中選取。小型樣點灌區(qū)從5個縣共選取28處，其中提水灌區(qū)12處，自流灌區(qū)16處。小型樣點灌區(qū)分布在省內(nèi)豫南信陽和南陽、豫北安陽、豫西洛陽及豫北安陽和濟源等地，具有較好代表性。純井樣點灌區(qū)從6個縣共選取30處，其中土質(zhì)渠道地面灌9處，防滲渠道地面灌3處，管道輸水地面灌13處，噴灌3處，微灌2處。純井樣點灌區(qū)主要分布在豫中周口和許昌、豫東駐馬店、豫北安陽、豫西洛陽、豫南南陽等地，考慮了各類井灌類型，并側(cè)重數(shù)量較多的管道輸水灌區(qū)，具有較好的代表性。

各類樣點灌區(qū)選取結(jié)果見表1。

2.3 測算分析方法

2.3.1 樣點灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)測算分析方法

(1)典型田塊選取。選取邊界清楚、形狀規(guī)則、面積適中的田塊作為典型田塊，并綜合考慮選取田塊在作物種類、灌溉方式、畦田規(guī)格、地形、土地平整程度、土壤類型、灌溉制度與方法、地下水埋深等方面的代表性。大型樣點灌區(qū)在上、中、下游分別選取，每種作物至少選取3個典型田塊。中型樣點灌區(qū)在上、下游分別選取，每種作物至少選取3個典型田塊。小型樣點灌區(qū)每種作物至少選取2個典型田塊。純井樣點灌區(qū)按照土質(zhì)渠道地面灌、防滲渠道地面灌、管道輸水地面灌、噴灌、微灌等5種類型進(jìn)行選取，同種灌溉類型每種作物至少選取2個典型田塊。

表1 2015年河南省樣點灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)測算成果

續(xù)表1 2015年河南省樣點灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)測算成果

(2)典型田塊單位面積平均凈灌溉用水量觀測與分析。典型田塊單位面積平均凈灌溉用水量優(yōu)先采用直接量測法，其次采用觀測分析法。直接量測法是觀測典型田塊內(nèi)不同作物年內(nèi)相應(yīng)生育期內(nèi)計劃濕潤層的土壤質(zhì)量含水率或體積含水率(水田為田間水層變化)，計算得到不同作物典型田塊年單位面積平均凈灌溉用水量w田凈。觀測分析法是觀測實際進(jìn)入典型田塊田間的年單位面積平均灌溉用水量w田。再根據(jù)當(dāng)年氣象資料、作物種類等情況，依據(jù)水量平衡原理計算典型田塊某種作物當(dāng)年的凈灌溉定額M。然后，對二者比較進(jìn)行判斷，得出典型田塊年單位面積平均凈灌溉用水量w田凈。當(dāng)kw田≥M時，為充分灌溉，w田凈=M；當(dāng)kw田

(3)樣點灌區(qū)年凈灌溉用水總量測算。某灌區(qū)同片區(qū)域或同種灌溉類型第i種作物的年凈灌溉用水量wi計算公式為：

(1)

式中：w田凈l、A田l分別為同片區(qū)或同灌溉類型第i種作物第l個典型田塊單位面積平均凈灌溉用水量和灌溉面積；N為同片區(qū)或同灌溉類型第i種作物典型田塊數(shù)量。

再根據(jù)灌區(qū)內(nèi)不同片區(qū)不同作物種類灌溉面積，結(jié)合不同作物在不同片區(qū)的年單位面積平均凈灌溉用水量，計算得出樣點灌區(qū)年凈灌溉用水總量W樣凈，計算公式為

大、中、小型樣點灌區(qū)：

(2)

式中：wij、Aij分別為樣點灌區(qū)j個片區(qū)內(nèi)第i種作物單位面積平均凈灌溉用水量和灌溉面積；m為樣點灌區(qū)j個片區(qū)內(nèi)的作物種類；n為樣點灌區(qū)片區(qū)數(shù)量，大型灌區(qū)n=3，中型灌區(qū)n=2，小型灌區(qū)n=1。

純井樣點灌區(qū)：

(3)

式中：wik、Aik分別為純井樣點灌區(qū)第k種灌溉類型第i種作物單位面積平均凈灌溉用水量和灌溉面積；m為純井樣點灌區(qū)第k種灌溉類型作物種類數(shù)量；p為樣點灌區(qū)灌溉類型數(shù)量，p=1～5，包括土質(zhì)渠道地面灌、防滲渠道地面灌、管道輸水地面灌、噴灌、微灌。

(4)樣點灌區(qū)年毛灌溉用水總量計算與分析。樣點灌區(qū)年毛灌溉用水總量W樣毛計算公式為：

(4)

式中：W樣毛i為樣點灌區(qū)第i個水源取水量；n為樣點灌區(qū)水源數(shù)量。

樣點灌區(qū)毛灌溉用水量的測算，渠灌區(qū)主要量水方法有流速儀量水法、水工建筑物量水法、標(biāo)準(zhǔn)斷面法、特設(shè)量水設(shè)備法等；井灌區(qū)主要在機井水泵出水口安裝水表，沒有安裝水表的則通過抽水灌溉時耗電量、水泵工作功率及單井出水量等數(shù)據(jù)，換算機井抽水量，即為井灌毛灌溉用水量。

(5)樣點灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)計算。樣點灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)η樣計算公式為：

η樣=W樣凈/W樣毛

(5)

2.3.2 不同規(guī)模與類型灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)平均值推算

大型灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)平均值ηw大型計算公式為：

(6)

式中：η大i、W大i分別為第i個大型灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)平均值和年毛灌溉用水量；N為大型灌區(qū)個數(shù)。

中型灌區(qū)首先以樣點灌區(qū)測算值為基礎(chǔ)，按算術(shù)平均法，分別計算0.067～0.333、0.333～1、1～2 萬hm2各規(guī)模灌區(qū)的灌溉水有效利用系數(shù)平均值η0.067～0.333、η0.333～1、η1～2；然后按統(tǒng)計的0.067～0.333、0.333～1、1～2 萬hm2灌區(qū)年毛灌溉用水量加權(quán)平均得到全省中型灌區(qū)的灌溉水有效利用系數(shù)平均值 ，計算公式為：

(7)

式中：W0.067～0.333、W0.333～1、W1～2分別為0.067～0.333、0.333～1、1～2 萬hm2灌區(qū)的年毛灌溉用水量。

小型灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)平均值ηw小型按照小型樣點灌區(qū)算術(shù)平均值進(jìn)行計算。

純井灌區(qū)，首先按算術(shù)平均法分別計算土質(zhì)渠道地面灌、防滲渠道地面灌、管道輸水地面灌、噴灌、微灌5種灌溉類型樣點灌區(qū)的灌溉水有效利用系數(shù)η土、η渠、η管、η噴、η微；再按不同灌溉類型的年毛灌溉用水量加權(quán)平均計算全省純井灌區(qū)的灌溉水有效利用系數(shù)平均值 ，計算公式為：

式中:W土、W渠、W管、W噴、W微分別為土質(zhì)渠道地面灌、防滲渠道地面灌、管道輸水地面灌、噴灌、微灌5種類型純井灌區(qū)的年毛灌溉用水量。

2.3.3 省級灌溉水有效利用系數(shù)平均值推算

按不同規(guī)模與類型灌區(qū)毛灌溉用水量權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均，推算全省農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)。計算公式為:

ηw=λw大ηw大+λw中ηw中+λw小ηw小+λw井ηw井

(9)

λw大=Wa大/W省

(10)

λw中=Wa中/W省

(11)

λw小=Wa小/W省

(12)

λw井=Wa井/W省

(13)

W省=Wa大+Wa中+Wa小+Wa井

(14)

式中：ηw為全省農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)；λw大、λw中、λw小、λw井分別為全省大、中、小型和純井灌區(qū)的水量權(quán)重；W省、Wa大、Wa中、Wa小、Wa井為分別為全省及全省大、中、小型和純井灌區(qū)的年毛灌溉用水量。

3 測算成果及合理性分析

3.1 樣點灌區(qū)測算成果

按式(5)樣點灌區(qū)測算成果見表1。樣點灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)在0.412～0.873范圍內(nèi)，其中大型樣點灌區(qū)0.412～0.579，中型樣點灌區(qū)0.413～0.783，小型樣點灌區(qū)0.491～0.611，純井樣點灌區(qū)0.619～0.873。

3.2 不同規(guī)模及類型灌區(qū)及全省測算成果

根據(jù)式(6)～(8)，分析得到不同規(guī)模與類型灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)平均值，即大型灌區(qū)0.479、中型灌區(qū)0.482、小型灌區(qū)0.559和純井灌區(qū)0.709。按式(14)推算出2015年河南省農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)為0.601。測算成果見表2。

表2 2015年河南省農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測算成果

3.3 成果合理性分析

近年來大型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造發(fā)展較快，其平均灌溉水有效利用系數(shù)提高較快，接近中型灌區(qū)的平均灌溉水有效利用系數(shù)；噴微灌等先進(jìn)的節(jié)水灌溉技術(shù)，其灌溉水有效利用系數(shù)較其他類型灌區(qū)高；小型灌區(qū)的平均灌溉水有效利用系數(shù)介于大中型灌區(qū)和純井灌區(qū)之間。主要原因，從灌區(qū)規(guī)模大小分析，規(guī)模小的灌區(qū)渠系輸水距離短，其灌溉水量損失小而輸水效率相對較高，灌溉水有效利用系數(shù)也相對

較高；從同一規(guī)模不同水源類型分析，提水灌區(qū)因為首部加壓輸水且輸水距離相對較短等原因其灌溉水有效利用系數(shù)比自流灌區(qū)高；從采取不同節(jié)水灌溉類型分析，灌溉水有效利用系數(shù)依次按土質(zhì)渠道、防滲渠道、管道輸水及噴灌、微灌等類型灌區(qū)逐漸提高。上述結(jié)果符合不同規(guī)模及類型灌區(qū)的實際情況。

此外，河南省純井灌區(qū)面積和用水量所占的比例較大，灌溉水有效利用系數(shù)又較高。2015年全省純井灌區(qū)有效灌溉面積占全省有效灌溉面積的54.4%，其灌溉用水量占全省灌溉用水總量的51.7%，灌溉水有效利用系數(shù)較高，平均達(dá)到0.709，按四類灌區(qū)毛灌溉用量加權(quán)平均后使得全省的灌溉水有效利用系數(shù)也較高。總體而言，測算成果符合我省實際。

□

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