灌區不同尺度灌溉水有效利用系數估算研究

符建平

（陜西省大荔縣水務局，陜西 大荔 715100）

水資源是全球重視的一大問題，而當前我國水資源仍算豐富，但由于人口眾多，人均淡水資源占有量約2100 m3，僅為世界平均水平的28%，而我國又是農業大國，90%的水資源利用于農田灌溉，因此對水資源的有效利用成為我國當前亟需解決的大問題[1]。灌溉水有效利用系數是衡量灌區從水源引水到田間作用吸收利用水的過程中水利用程度的一個重要指標，也是集中反映灌溉工程質量、灌溉技術水平和灌溉用水管理的一項綜合指標，是評價農業水資源利用，指導節水灌溉和大中型灌區續建配套及節水改造健康發展的重要參考[2]。本文以我國第二大內陸河—黑河為背景，對其中下游某灌區進行不同尺度灌溉水有效利用系數估算，并分析各種計算方法。

1 研究區概況及監測方案

1.1 研究區概況

研究區選定為黑河中下游的一個中型灌區，地勢南高北低，平原地形與高原地形相結合，氣候為大陸性溫帶氣候，日照時間長，因此日平均溫度較高，晝夜溫差大，降雨量較少，干燥多風。灌域面積約為201.3 km2，有效耕地面積為152.7 km2，根據多年的實際監測，灌區平均年需水量達2.01億m3（不含生態用水），缺水達0.31億m3。灌區內各控制渠系情況見表1。

1.2 監測方案

田間試驗監測是指采用觀測儀器對田間部分水平衡要素進行測定，這種監測方法的特點是，易實施、適用廣，其測量精度主要由儀器的精確度及人工操作水平決定。本次試驗測量及項目有：種植結構、土壤含水量、作物生長水平、氣象條件、灌排流量。主要收集的數據為灌區各渠系灌溉引水量，見表2。

表1 灌區各區域內的耕地面積

表2 2015年灌區各渠系灌溉引水量 單位：萬m3

2 SIMDualkc模型與計算方法

2.1 SIMDualkc模型

SIMDualkc是一種雙作物系數模型，由此根據相應的公式計算出日降雨產生的地表水徑流量，以及農田土壤灌溉滲深等參數，從而代入灌溉水有效利用系數計算公式求值[3]。

模型的構建是為了計算日田間尺度上的土壤水量平衡，假定黑河中下游某灌區一支渠內田間作物騰發量，科學地進行灌排規劃和環境研究，為農民提供科學依據。土壤水量平衡計算公式如下：

式中，Hr,n代表第n天根尾區儲水深度；Hr,n-1代表第n-1天根尾區儲水深度。Jn代表第n天有效降雨量，DOn為第n天由降雨產生的地表水徑流量；Sn代表第n天灌溉水滲入土壤量；MDn代表第n天土壤孔隙水分上升深度；QTa,n代表第n天假定灌域作物騰發量與棵間蒸騰量總和，RJn指灌溉水和降雨量滲漏導致根尾區水損失量。單位皆為mm。

采用黑河該灌區的二支渠2014~2015年田間種植作物實測資料來率定及驗證SIMDualkc模型對于西北地區的適用性，試驗區選取于灌區二支渠范圍內，面積約為142畝，2014~2015年種植作物皆為洋蔥，灌溉方式為表面灌溉，在洋蔥生育期內（5~10月）一般灌水4次。

驗證方法為，先將2014年洋蔥生長的各個階段系數用來校準模型，避免模型模擬出的根區土壤蓄水量和實際蓄水量差異過大，由此來確定模型參數，再代入2015年洋蔥土壤根區蓄水量和蒸騰量對模型和參數進行驗證。2015年洋蔥要區土壤蓄水量的模擬值和實測值對比如圖1所示，實際蓄水量的實測值和模擬值對比如圖2所示，最終驗證模型所得參數如表3所示。

圖1 根區土壤蓄水量模擬值和實際值對比

圖2 實際蓄水量實際值與模擬值對比

表3 SIMDualkc模型率定和驗證結果統計

2.2 不同尺度灌溉水有效利用系數的計算方法

2.2.1 尺度劃分

灌溉水尺度的劃分是分析灌溉水有效利用系數指標的前提，根據黑河中下游該灌區的灌排系統特征，排水系統只設置有排水溝，排水量較少。因此根據當前的尺度劃分原則，將該灌區劃分為三個不同尺度進行探討，分別為田間尺度、支渠尺度和灌區尺度[4]。

2.2.2 田間尺度灌溉水有效利用系數的計算方法

田間尺度是以黑河中下游該灌區10個典型試驗田范圍界限為水平邊界，土壤表面為上邊界，土壤最深檢測區為下邊界，構建水均衡模型。再采用SIMDualkc模型來模擬田間水含量的定量變化，綜合考慮田間土壤的特性及土地利用情況，保證研究區域處于同一個渠系系統內，保證本文構建的田間水均衡模型與水量平衡原理相符，充分體現研究區域的水分循環過程。

以田間尺度劃分，就是說要以田間實測數據為基礎，再根據水量平衡原理來分析灌溉水有效利用系數，因此田間尺度灌溉水有效利用系數的計算公式可定為：

式中：η田指田間尺度灌溉水有效利用系數；S指田間作物生育期內灌溉水進入量（mm）；Je指試驗區域田間作物生育期內的有效降雨量（mm）；QT指SIMDualkc模型模擬出來的試驗區域田間作物生育期內的蒸騰量（mm）；ΔX指試驗區域田間作物的土壤根區蓄水變化量（mm）。

2.2.3 支渠尺度灌溉水有效利用系數的計算方法

支渠尺度是以黑河中下游某灌區內7條支渠所控制范圍為水平邊界，土壤表面為上邊界，土壤最深檢測區為下邊界，構建水均衡模型，其中不可排除田間互通渠系的滲漏損失量。在支渠尺度灌溉水有效利用系數計算時，水均衡計算時段要同時兼顧計算來水項和初含水量，主要包括有：灌溉量、降水量和時段初土壤蓄水量[5]。

水均衡計算時段中還存在去水項和末含水量的計算，主要包括：試驗區域地表蒸騰量、排水量、田間滲漏量和時段末土壤蓄水量。考慮到該灌區的排水系統只存在排水溝，因此在以支渠尺度計算灌溉水有效利用系數時，排水量可忽略不計。

以支渠尺度劃分，也是采用田間實測數據為依據，但是要結合遙感數據及實地調查數據作為分析基礎，根據水量平衡原理來分析灌區內灌溉水有效利用系數，因此支渠尺度灌溉水有效利用系數的計算公式可定為：

式中，η支指支渠尺度灌溉水有效利用系數；Q地表指各支渠土壤表層實際引水量，m3；Q地下指各支渠灌溉取水量，m3；Jen指第n種作物生育期內的有效降雨量，mm；QTn,m指試驗支渠灌域范圍內通過遙感讀取關于第n種作物生育期內第m塊田所種植作物的蒸騰量，mm；Ai,j指試驗支渠范圍內第n種作物生育期內第m塊田，m2。

2.2.4 灌區尺度灌溉水有效利用系數的計算方法

灌區尺度是以黑河中下游某灌區的全部控制范圍為邊界，構建水均衡模型在此過程中不考慮地下水的回補水量[6]。以SIMDualkc模型模擬出灌區總蒸騰量和滲漏量與通過水量平衡計算所確定的渠系總蒸騰量和滲漏量的總和作為整個灌區水循環系統的蒸發滲漏損失。該灌區主要種植的作物是洋蔥，占灌區耕地面積約為84%。將整個渠系的灌溉控制范圍劃分為7個灌域，便于對每個灌域內種植洋蔥的面積進行精確的統計。

以灌區尺度劃分，是結合支渠尺度范圍內的灌域相關數據及衛星遙感數據為分析基礎，根據水量平衡原理來分析灌區內灌溉水有效利用系數，以灌區尺度劃分時，土壤蓄水量變化在水均衡模型中占的比例很小，因此這里蓄水量變化可以忽略不計。灌區尺度生育期內的灌溉水有效利用系數的計算方法一共有三種：（1）將灌區看作一個整體；（2）將灌區內各支渠灌溉水有效利用系數按流量相加求平均值；（3）將灌區內各支渠灌溉水有效利用系數按灌溉面積相加求平均值。本文主要探討的是黑河中下游某灌區，因此這里只討論第三種計算方法。

計算公式如下：

式中：η灌指灌區尺度灌溉水有效利用系數；A指黑河中下游某灌區的總耕地面積（km2）；An指灌區范圍內各支渠的耕地面積（km2）；ηn指灌區范圍內各支渠的支渠灌溉水有效利用系數。

3 結論與建議

通過對實際案例的試驗，采用田間監測方案來收集相關數據，以此來提供構建SIMDualkc模型模擬所需的各項數據，結合試驗研究區的氣象、土壤、灌區特性等情況進行分析。對SIMDualkc模型作出了簡單的概述，利用黑河中下游某灌區的7個支渠作為試驗區域，對SIMDualkc模型進行了率定和驗證，確定適用于該地域的模型參數。再分別以黑河中下游某灌區的10個試驗田，7條分支支渠為研究對象，以試驗監測數據及遙感數據為基礎，總結出黑河中下游灌域的三種不同尺度的灌溉水有效利用系數計算公式，分別為：田間尺度計算方法，支渠尺度計算方法，灌區尺度計算方法。

針對本文研究內容及結果，發現存在的主要問題有幾點：

（1）黑河中下游某灌區的排水資料不完善，因此排水量這項數據是被忽略的，也直接影響了模擬的實際效果，因此在進行實際操作時，必須要組織現場勘查，收集排水數據。

（2）本文探討的主要內容是灌區的水循環過程，考慮到作物生長和產量的影響，因此在實際操作中要加強這兩項因素的模擬，使模型更加科學和接近實際，充分發揮模型的作用來為灌區農業用水服務。

[1]汪恕誠.人水和諧科學發展——新時期水利改革發展的時代特征[J].中國水利,2011(8):7-8.

[2]Palanisami K,Senthilvel S,Ramesh T.Water productivity at different scales under canal,tank and well irrigati on systems[M].International WaterManagement Institute,2009.

[3]崔遠來,李遠華,陸垂裕.灌溉用水有效利用系數尺度效應分析[J].中國水利,2009(3):18-21.

[4]閆昕.黑河中游灌區不同尺度灌溉水有效利用系數估算[J].中國水利水電科學研究院,2015.

[5]陳皓銳,伍靖偉,黃介生.灌溉用水效率尺度效應研究評述[J].水科學進展,2011(6):872-880.

[6]王小軍,張強,易小兵.廣東省灌溉水有效利用系數年度變化與影響因素關系分析[J].灌溉排水學報,2015,34(1):64-68.