青海省格爾木市農場灌區典型地塊耗水系數研究

呂文星　周鴻文　高源　翟祿新　劉東旭　郭邵萌

摘要：農業灌溉用水在青海省國民經濟用水中占有非常高的比重，保障農業用水是提高青海省農業穩定發展的主要支撐條件，也是青海省水資源優化配置的基本依托。基于典型地塊引退水監測試驗，分別采用引排差法和通用土壤水分預算（簡稱VSMB）模型模擬2種方法對青海省格爾木市農場灌區典型地塊耗水系數進行計算。結果表明，2種方法計算得到的格爾木市農場灌區典型地塊2014年耗水系數分別為0978、0932，兩者較為接近，這說明在研究區內計算耗水系數時，VSMB模型模擬的方法可以對引排差法進行較好的驗證。

關鍵詞：耗水系數；引排差法；模型模擬；格爾木市農場灌區；VSMB模型

中圖分類號： TV211；TV213；S271文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）21-0263-05

收稿日期：2016-06-12

基金項目：國家重點研發計劃（編號：2016YFC040240202）；國家自然科學基金（編號：51579102）；青海省黃河流域灌區耗水系數研究（編號：QX2012-019）。

作者簡介：呂文星（1985—），男，遼寧蓋州人，博士，工程師，主要從事水土保持和水文水資源研究。Tel：（0371）66028365；E-mail：489428073@qqcom。

我國是水資源嚴重短缺并且短缺形勢不斷惡化的發展中國家，人均水資源占有量由2000年的2 194 m3下降到2011年的1 730 m3，僅比國際嚴重缺水警戒線高30 m3。目前黃河流域水資源開發利用率已接近70%，其中農業用水量占全流域整個國民經濟用水量的80%左右，但是灌溉可用水量不斷減少。通過對2012年《黃河流域水資源公報》和《青海省水資源公報》數據的分析發現，青海省黃河流域農田灌溉耗水量占總耗水量的70%左右，農業灌溉用水在青海省國民經濟用水中占有非常高的比重。

針對黃河流域及青海省灌溉農業的特點，建立穩定高效的節水機制，依靠科技創新促進灌溉用水方式的改革，科學探究農業灌溉耗水系數，搞好流域的灌溉事業對保障流域乃至全國的經濟建設、社會發展和糧食安全具有重要的作用。

水量平衡原理是耗水系數相關研究的理論基礎，但在時空一致性、要素一致性和關注的水循環過程等方面并不統一1-3]。總結各類研究中遇到的問題主要有以下4個方面：（1）測驗技術。由于測驗技術手段限制，難以對影響耗水的各項要素實施全面精細的觀測，如對小流量、大變幅、隨機性強、斷面多的田間退水和干支流等大斷面復雜構造測驗誤差的控制，排洪量劃分和降水有效利用率等一些參數須借助其他手段估算，地形復雜區域地下側向徑流量的測定等。（2）尺度效應。因土壤、植被、氣候、地形、工程、技術和管理等因素在大尺度上具有空間異質性，對不同尺度間水循環轉換規律的研究薄弱，如各要素尺度轉換研究及其對指標尺度轉換的影響，不同尺度上各指標間的內在關聯研究，大中尺度上回歸水重復利用率對耗水系數的影響等。（3）物理試驗4]。如試驗中隔離土體結構的代表性和蒸滲儀內土壤結構的均質性對觀測結果的影響，隔離土體結構擾動對水分蒸滲規律的影響，試驗結構尺寸和隔離條件對觀測結果的影響，隔離土體內土壤水橫向流動及貼壁優先流對結果的影響等。（4）數學模型5]。由于空間異質性，研究區空間網格劃分對模擬結果有較大影響，如控制網格劃分過粗會導致模擬精度受限，劃分過細則高精度模型構建中大量數據難以獲得，不同尺度上模型耦合，以及在人類活動擾動強烈的情況下，對成熟模型進行大量改進或重新設計等問題。

在此背景下，本研究分別采用引排差法和通用土壤水分預算（簡稱VSMB）模型模擬法開展青海省格爾木市農場灌區典型地塊耗水系數研究，對提高水資源利用效率、保障社會發展和糧食安全具有重要的作用。

1研究區概況

格爾木市農場灌區始建于2008年12月，灌區典型地塊地理坐標為94°34′00″E，36°23′30″N。主要承擔格爾木市河東農場、河西農場、園藝公司、郭勒木德鎮的灌溉供水任務。灌區有效灌溉面積為5 86666 hm2，其中耕地面積 2 15333 hm2，枸杞種植面積1 540 hm2，蔬菜種植面積 240 hm2，林地及城市園林灌溉面積1 93333 hm2。灌溉周期為220 d（2014年3月25日至2014年11月5日），年均取水量為16億m3。

格爾木市農場灌區東西干渠引水樞紐位于格爾木河干流上，距格爾木市約180 km，是以農業灌溉為主的中等水利樞紐工程。干渠由東干渠、西干渠、中干渠組成。東干渠全長390 km，設計流量56 m3s，有效灌溉面積2 74666 hm2，共有支渠19條、渡槽2座、跌水41座、節制閘11座、排沙閘4座、排洪橋2座、涵洞4個；西干渠全長410 km，設計流量 72 m3s，有效灌溉面積3 12000 hm2，共有支渠26條、分水閘26座、節制閘24座、跌水8座、排沙閘2座、公路橋4座、排洪橋4座；中干渠全長736 km，設計流量40 m3s，有效灌溉面積1 86667 hm2，因工程質量、滲漏等問題，建成后一直沒有運行。

格爾木市農場灌區位于柴達木盆地西南部，格爾木河東西兩側的昆侖山口洪積扇前緣細土帶，地勢平坦，海拔 2 800 m 左右，氣候干旱、風多雨少，年平均降水量383 mm，蒸發量 2 9504 mm，最高氣溫達35 ℃，最低氣溫為 -336 ℃，全年日照時數2 800 h以上，無霜期150 d，最大風速20 ms。

格爾木市農場灌區典型地塊選在格爾木市河西農場八連第十七支渠處，距格爾木市區直線距離約27 km，地塊面積 45 000 hm2，主要種植農作物為青稞，詳見圖1。

FK（W14]TPLWX1tif；S+3mm]

2材料與方法endprint

21試驗設計

211引退水量監測

格爾木市農場灌區典型地塊設有引水監測斷面2處，退水監測斷面各4處，可代表整個灌區進行引退水量監測。

流量監測：采用懸桿流速儀法監測流量。監測采取委托觀測來水時間和專業人員巡測流量的方式進行。灌區典型地塊監測斷面流量采用實測流量過程線法推求。流量測驗采用懸桿測深，布設5條測深垂線，3條測速垂線，流速測點的測速歷時不少于100 s。垂線的流速測點布設位置采用相對水深05、06、00，符合GB 50179—1993《河流流量測驗規范》中的規定6]；岸邊流速系數采用09，符合GB 50179—1993《河流流量測驗規范》中的規定；測速垂線布設和水道斷面測深垂線的布設符合《水文測驗實用手冊》中的規定7]；單次流量測驗允許誤差符合GB 50179—1993《河流流量測驗規范》中的規定6]。灌區典型地塊引退水監測斷面水文監測實施方案見表1。

212地下水監測

格爾木市農場灌區典型地塊共設置5眼監測井進行地下水位監測，地塊中心設立3號地下水監測井，四周分別設立1號、2號、4號、5號地下水監測井。在典型地塊兩端設立水準點2個。

地下水開始監測前需對井口的固定點高程進行校測，逢1、6日觀測地下水位；灌溉前05 h對地下水位進行觀測， 灌

后，恢復正常觀測。

根據SL 183—2005《地下水監測規范》的規定8]，人工監測地下水位，2次測量間隔時間不應少于1 min，當2次測量數值之差不大于002 m時，取2次水位的平均值；當2次監測偏差超過 002 m 時，應重復測量。

每次測量成果應當場核查，及時點繪出各地下水監測井的地下水位過程線，發現反常及時補測，保證監測資料真實、準確、完整。

地下水位監測使用的測繩、鋼卷尺每半年檢定1次，精度須符合國家計量檢定規程允許的誤差標準。

22引排差法原理

本研究基于典型地塊尺度上的灌溉試驗及相關參數等有關資料分析，間接推求耗水量，來計算農田灌溉耗水系數：

HS2]K=SX（]Mz-WzMzSX）]。JZ）]JY]（1）

式中：K為耗水系數；Mz為總引水量，m3；Wz為總退水量，m3。

其中退水量Wz計算公式如下：

Wz=Wp+Wd。JZ）]JY]（2）

式中：Wp為地表退水量，m3；Wd為地下退水量，m3。

其中地表退水量Wp計算公式如下：

Wp=∑DD（]mj=1DD）]Wpmj。JZ）]JY]（3）

式中：Wpmj為斗農渠退水口退水量，m3；m為斗農渠退水口數量，個。

地下退水量Wd計算公式如下：

Wd=∑DD（]ni=1DD）]Wdi=∑DD（]ni=1DD）]Wdpi+∑DD（]mj=1DD）]Wddi。JZ）]JY]（4）

式中：Wdi為地下退水量，m3；Wdpi為渠床滲漏損失，m3；n為渠床滲漏出水點數量，個；Wddi為地塊滲漏損失，m3；m為渠床滲漏出水點數量，個。本項計算應減去降水入滲影響，m3。

耗水系數計算公式如下：

Kd=SX（]∑DD（]ni=1DD）]Msti-∑DD（]mj=1DD）]Wpmj-∑DD（]nj=1DD）]Wddj∑DD（]ni=1DD）]MstiSX）]。JZ）]JY]（5）

式中：Kd為典型地塊耗水系數；Msti為典型地塊引水量，m3。

23VSMB模型原理

231概念基礎

根據根密度分布和田間持水量隨土壤深度變化不同，VSMB模型將包含根部在內的土壤剖面劃分為若干個土層。Baier等最初給這個土層的定義是包含植物根部在內的土壤厚度9]。這個土層被分成2個排水層，用來計算地表漫灌至下滲到地下水層并延遲1 d的最小排水量。

排水層的概念是在VSMB 3中對氣候濕潤的地區超過田間持水量的多余水量做預算時引進來的。VSMB 3的2層系統模型是由簡單的2土層模型改編而來的，用于田間機動性研究，可與各種土壤水分預算模型兼容10-11]。

只有下過雨后和第2層已經排盡水時，第1排水層中的多余水分才會排進第2層。由于按順序排水和延遲1 d排水的概念是VSMB 3兩層子模型的基礎，同時也是下面所說的VSMB 2000三層子模型的基礎，其具體流程見圖2。

FK（W17]TPLWX2tif]

在這個文件里，VSMB新加了個底層（第3層），專門用來模擬潛水位。與其他排水層一致，這一層應該從第2層的底部開始。但是，由于潛水位的動態變化特性，第3層被認為與上面2層是分開的，從而第2層和第3層之間有可能存在重疊部分。這意味著只有當潛水位處于活躍變化狀態時，才存在第3層；每個土體至少包含頂部的2個排水層中的1個。第3個排水層也稱為“儲水庫”。

VSMB 2000根據水分的動力學運動來管理土層內的水分：蒸散、滲濾、滲透、徑流、排水水位、側向排水和毛細上升。土壤剖面的水分來自降水或灌溉，通過蒸散、徑流、滲透或側向排水而失去水分。土壤剖面中發生的下滲、潛水位變化和毛細上升等運動，都需要在各個排水層中的每個土層進行預算5]。

232土壤蒸散發計算

2321土壤水分蒸發計算

蒸散就是各個土層每日實際的蒸散量（簡稱AET）， 是土層中土壤蒸發和植物蒸騰作用的總和。VSMB中用下面的方程來表述：

AETZi=PET·Zsoli·Cofkzip。JZ）]JY]（6）

式中：AETZi為第i層土壤的實際蒸散量，mmd；PET為潛在蒸散量，mmd，用Penman-Monteith公式計算；Zsoli為第i層土壤的持水性，mm；Cofkzip為決定于作物根系吸水特性的作物吸水參數，下標i表示第i層土壤，p表示作物第p發育期（確定根系分布）。Zsoli和Cofkzip作為2個重要的參數，標志著VSMB模型優于其他土壤水分平衡模型。endprint

其中：

Zsoli=Zvali·ContziCapaczi。JZ）]JY]（7）

式中：Zvali為第i層土壤干燥曲線的修正系數；Contzi為第i層土壤的有效水分含量；Capaczi為第i層土壤的最大有效水分含量（田間持水量與永久凋萎系數之差）。

每日的AET是各個土層實際蒸散量的總和，其中m是土層的總數量。

AET=∑DD（]mi=1DD）]AETZi。JZ）]JY]（8）

土壤干燥時，Zsol系數往往占據主導地位；土壤含水量很高時，Cofkz系數就起主導作用。在水分充足的條件下，蒸騰速率可能超過潛在蒸散發（簡稱ETP）。在生長期末當葉面積指數很高時，所有土層Cofkz的綜合值可能超過10，這恰恰能反映這種情況。

本次模擬采用均方根誤差RMSE作為模擬效果的評價指標，其表達式為

RMSE=KF（]SX（]∑DD（]ni=1DD）]（yi-xi）2nSX）]KF）]。JZ）]JY]（9）

式中：xi為實測剖面土壤含水量均值或地下水埋深均值；yi為用VSMB模型模擬的同一天的土壤含水量或地下水埋深；n為觀測值個數。

2322土壤表面蒸發計算

下滲后土壤表面或者接近土壤表面處還存有多余水分，或者潛水位在土壤表面，一些自由水分就會從土壤表面蒸發。參考多數學者們在較高PET條件下使用蒸滲儀進行的試驗研究中所發現的經驗關系可以發現，他們都是把表面蒸發當作土壤表面的水分含量、潛在蒸散量、實際蒸散量及第1個土層內多余水分含量4個因子的函數來計算的：

JB（{]Evap=PET-AET，當SW>PET-AET時Evap=SW+XcesziJB（]SX（]XcesziXcapziSX）]JB）]]E，當SW

式中：Evap為水分蒸發量，mm，在0～（PET-AET）之間變化；SW為表面水分；Xceszi為土層i內的多余水分，mm；Xcapzi為土層i內的最大多余水分，mm；E為控制文件中設置的系數，默認值為1，E的最佳值是KF（S]313KF）]。

24數據處理

采用Excel進行數據整理和分析，采用Excel和CAD作圖。

3結果與分析

31基于引排差法的耗水系數計算

311引退水量試驗結果

2014年格爾木市農場灌區共計灌溉8次，時間分別為5月15日、5月27日、6月10日、6月26日、7月12日、7月27日、8月11日、10月30日。

GEM-JS1引水灌溉時間一般為3～5 h，GEM-JS2引水灌溉時間一般為2～3 h，引水灌溉開始到水量平穩、引水灌溉結束到流量為0一般需要3～5 min。因此，流量測次布置3次足夠，即引水灌溉開始至水量平穩時測流1次，中間測流1次，引水灌溉結束前測流1次。為了使監測到的灌溉水量更加準確，可在灌溉過程中增加流量監測次數，最多可達6次，這樣可以完全控制水量變化過程，符合GB 50179—1993《河流流量測驗規范》要求。

GEM-TS1、GEM-TS2、GEM-TS3退水監測斷面共計4個，其中GEM-TS2、GEM-TS3斷面退水時間較長，退水過程一般需要15～35 h；GEM-TS1、GEM-TS4斷面退水時間較短，退水過程一般需要10～30 h。流量測次均勻分布在退水過程中，單次灌溉各退水斷面測次達2～7次，可完全控制水量變化過程，符合GB 50179—1993《河流流量測驗規范》要求6]。

典型地塊GEM-JS1、GEM-JS2引水監測斷面主要采用LS251型流速儀施測，儀器型號為50437，公式為V=0249 2 ns+0004 2（式中：V表示流速，ms；n表示旋槳總轉數，次；s表示相應的測速歷時，s）。流速使用范圍為 0142 7～5000 0 ms，低速部分（0050 3～0142 7 ms）從低速V-n曲線圖中查讀。

典型地塊GEM-TS1、GEM- TS2、GEM-TS3、GEM-TS4監測斷面主要采用LS10型流速儀施測，儀器型號為80543，公式V=0100 9ns+0042 6，流速使用范圍0100～4000 ms；儀器型號為070074，公式為V=0101 5ns+0049 5，流速使用范圍0100～4000 ms。

通過對格爾木市農場灌區典型地塊5月15日至10月30日監測資料的分析，計算得到典型地塊引水總量為 51 393 m3，退水總量為21 603 m3。其中GEM-JS1斷面引水總量為32 880 m3，GEM-TS1、GEM-TS2斷面退水總量為 13 446 m3。GEM-JS2斷面引水總量為18 512 m3，GEM-TS3、GEM-TS4斷面退水總量為8 157 m3。引、退水量統計見表3、表4。

312地下水動態變化

格爾木市農場灌區典型地塊5眼進水口（GEN-JS2），2個退水口（GEN-TS3、GEN-TS4）。

井從4月1日開始觀測，水位呈逐漸上升趨勢，變化趨勢一致。從變化趨勢看，地下水位變化與地塊灌溉水量有關。

2014年格爾木市農場灌區典型地塊在青稞生長期共灌溉8次，選取8次灌溉前后的地下水位數據，進行典型地塊灌溉前后地下水位過程線點繪，得出典型地塊地下水位過程線對照圖，以5月27日灌溉前后地下水位過程線為例，詳見圖3。可知，5眼井的地下水位變化趨勢基本一致。

FK（W11]TPLWX3tif]

另外，由于格爾木市農場灌區土質為沙壤土，下滲較快，灌溉過程中地下水位變化幅度大，灌溉對地下水影響較大。

河西雨量站距離格爾木市農場灌區典型地塊約30 km，降水量可借用河西雨量站資料。

格爾木市農場灌區典型地塊地下水位、降水量過程線對照見圖4。

綜合考慮地表和地下退水量后，根據公式（5）采用引排差法計算得到的格爾木市農場灌區典型地塊2014年耗水系數為0978。

32基于VSMB模型的耗水系數計算

2014年格爾木灌區典型地塊降水量僅為365 mm，灌溉水量6623 mm，潛在蒸散發量1 3269 mm，實際蒸散發量6514 mm， 深層滲漏量409 mm。格爾木灌區典型地塊模擬

FK（W11]TPLWX4tif]

結果RMSE為123，模擬結果精度較高。土壤水分和蒸散發模擬結果見表5、圖5、圖6。格爾木市農場灌區地下水位變化模擬結果見圖7。

模擬結果表明，2014年格爾木灌區典型地塊年實際蒸散發量小于當地降水和灌溉水量之和，地塊灌溉水量的932%消耗蒸散發。

4結論與討論

格爾木市農場灌區典型地塊監測期總引水量51 393 m3，總退水量21 603 m3，典型地塊滲漏系數取值428%。采用引排差法計算得到格爾木市農場灌區典型地塊2014年耗水系數為0978。

VSMB模型模擬結果表明，格爾木市農場灌區典型地塊凈灌溉水量中有932%消耗于蒸發蒸騰，折算成2014年耗水系數為0932。2種方法耗水系數差值僅為0046，說明在格爾木灌區典型地塊內，在耗水系數計算方面，VSMB模型可以為引排差法提供較好的驗證。

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