基于水量平衡的長序列農田灌溉定額測算方法

詹同濤 洪成 孟偉 趙凱 李瑞杰

摘要：長序列農田灌溉定額在水資源規劃、水資源論證報告書編制、江河流域水量分配方案編制等水資源專業領域工作中有著廣泛的應用。基于水量平衡原理提出長序列農田灌溉定額測算方法;結合工作實踐，詳細闡述長序列農田灌溉定額測算所需的基礎數據、基本參數和公式，討論基礎數據采集的關健點和長序列灌溉定額計算的復雜性，提出農田灌溉定額測算程序編制的思路，并以計算分區B為例，利用降水、蒸發等數據和灌溉試驗確定的基本參數，在各計算分區內應用灌溉定額測算程序，計算旱作物和水稻不同生長期的灌溉期需水量。結果顯示：計算分區B多年平均綜合灌溉定額（毛）為4545m³/hm²。

關鍵詞：水量平衡;灌溉定額;長序列;測算

中圖分類號：TV213 文獻標志碼：A

1 引言

實施最嚴格水資源管理制度是國家層面的一項戰略部署，圍繞最嚴格水資源管理制度的貫徹落實，用水總量控制指標的進一步細化分解工作正在穩步、有序推進，用水總量控制指標制定與分解的基礎是確定長序列農田灌溉定額。目前正在開展全國水資源承載能力評價，對于評價區域當年降雨處于較枯或較豐水年份的，需對當年的農業用水進行技術評價，將實際年的農業用水量核算至多年平均口徑。采用長序列農田灌溉定額，經技術分析，可將評價年農業實際用水量核算至多年平均口徑，最終實現與經核定的用水總量控制指標進行對比，評價區域水資源承載狀況。長序列農田灌溉定額也是開展水資源規劃、水資源開發利用工程規模論證、水資源論證報告書編制、江河流域水量分配方案編制等工作的重要基礎。

典型年灌溉用水定額及各地方行業（標準）用水定額[1]中的農田灌溉定額均為某一特定年份或具有年內過程的用水定額，關于年定額測算方法的研究較多，技術上也日趨完善。長序列農田灌溉定額與典型年灌溉用水定額及各地方行業（標準）用水定額中的農田灌溉定額相比，更具復雜性，獲取的技術難度更大，同時其應用也更加廣泛。目前長序列農田灌溉定額測算方面的研究較少，關于其測算方法的系統論述鮮見。基于水量平衡原理，結合筆者多年工作實踐，從基礎數據及采集、基本公式、測算程序編制、定額測算及注意事項等方面總結提出長序列農田灌溉定額的測算方法，并進行了實例應用。

2 水量平衡原理與農田灌溉定額

2.1 水量平衡原理

水量平衡原理是水文學基本原理之一，是物質不滅定律在水文學上的具體應用。根據物質不滅定律，在水循環過程中，對于任一地區（或任一水體），在給定的時段內，輸入的水量與輸出的水量之差額必等于蓄水量的變化量，叫水量平衡。水量平衡是研究水文現象的基本方法，應用它可對水循環建立定量概念，從而了解各循環要素之間的定量關系[2]。

水量平衡的基本方程為

I-O=W₂-W₁=△W（1）式中：1為給定時段內輸入區域（或水體）的水量;0為給定時段內輸出區域（或水體）的水量;W₁、W₂分別為給定時段始、末區域（或水體）的蓄水量;△W為時段內蓄水量的變化量，△W>0表示區域蓄水量增加，△W<0則蓄水量減少。

2.2 農田灌溉定額

2.2.1 農田灌溉定額的基本定義

按照《中國資源科學百科全書》，農業灌溉用水定額即農田灌溉定額指某一種作物在單位面積上各次灌水定額的總和，即在播種前以及全生育期內單位面積的總灌水量，通常以m³/hm²來表示。灌水時間和灌水次數根據作物需水要求和土壤水分狀況來確定，以達到適時適量灌溉。農田灌溉定額是指導農田灌水工作的重要依據，也是編制灌區水利規劃、設計灌溉工程、制訂制灌區用水計劃的基礎資料[3]。

2.2.2 長序列農田灌溉定額

分析既往關于農田灌溉定額方面的研究成果可知，一般以論述典型年不同作物的農田灌溉定額測算為主，長序列（30a以上）農田灌溉定額的測算鮮見論述。在具體工作實踐的基礎上，結合水資源調查評價、水資源綜合規劃等有關成果，筆者提出了長序列農田灌溉定額的測算方法。

計算分區B（水資源三級區套地級市）位于淮河以北，總面積超過3000km²。該分區內有建站時間較長的水文站及農田灌溉試驗站，水文及灌溉制度等資料較為齊備。區域內以旱作物種植為主，部分地區存在水稻種植情況，就測算農田灌溉定額而言，其具有很好的代表性。限于篇幅，本文以計算分區B為例，闡述長序列農田灌溉定額測算方法的應用。

3 基礎數據及其采集

3.1 降水量、蒸發量

降水量、蒸發量是測算農田灌溉定額的最基本數據，其來源于各氣象站的實測資料，一般應選用建站時間較長、實測資料較為完整的氣象站;對于建站時間較短、資料不完整的氣象站，應根據周邊氣象站實測資料對已有數據進行插補延長。對于面積較小的區域，若有兩個以上氣象站，應采用泰森多邊形法測算面均值;對于面積較大的區域，應選擇足夠多的氣象站，確保每個基本計算分區內至少有一個代表氣象站。

對計算分區B內各氣象站實測數據進行處理后，得出其面均降水量及蒸發量序列值，考慮到數據量較多，統計到年值。計算分區B序列年降水量及水面蒸發量統計值見表1和表2。

3.2 通過灌溉試驗確定的基本參數

旱作物灌溉定額測算基本參數主要包括土壤計劃濕潤層深度Q_t、作物需水量ET[4]、土壤適宜含水量上限H_m及下限H_n、不同生育階段需水模系數A等（見表3）。

水稻灌溉定額測算基本參數主要包括蒸發系數a、最小水深h_n、最大水深h_m、適宜水深h_s、日滲漏量s等[5]（見表4）。

這些數據一般通過多年灌溉試驗獲取。筆者在實際工作中，通過各地水行政主管部門獲取這些數據，并用于農田灌溉定額的測算。

3.3 灌溉制度及復種指數

3.3.1 灌溉制度

灌溉制度一般通過3種方式確定：總結群眾豐產灌水經驗;根據灌溉試驗資料制定灌溉制度;按水量平衡原理分析制定作物灌溉制度[6]。

筆者通過水行政主管部門獲取了根據灌溉試驗資料制定的灌溉制度，考慮到灌溉試驗站設立的位置因素，又通過實地調研的方式獲取了群眾在生產過程中總結的灌水經驗，通過二者的結合，最終確定用于測算農田灌溉定額的灌溉制度。以冬小麥、夏玉米、春棉花、大豆和水稻為代表作物，調查統計了計算分區B內各作物的灌溉制度，各代表作物灌溉制度詳見表5-表9[7]。

3.3.2 復種指數

復種指數是指一定時期內（一般為1a）在同一地塊耕地面積上種植農作物的平均次數，即年內農作物總播種面積與耕地面積之比。

復種指數主要用于測算農田綜合灌溉定額，即在各單項作物灌溉定額測算的基礎上，根據各單項作物的種植面積比計算區域綜合灌溉定額[8]。規劃水平年復種指數一般在現狀農作物種植情況調查的基礎上，結合區域水資源條件、農業發展規劃、水資源綜合規劃等綜合分析確定。

4 長序列農田灌溉定額測算方法

4.1 基本公式

4.1.1 旱作物

播前期：式中W_t+1為t+1日土壤含水量;W_t為t日土壤含水量;p為日有效降雨量;e_t為播種前土壤日消耗水量;e為日蒸發量;W_max為土壤最大含水量，即土壤計劃濕潤層深度×田間持水率（體積比）。

正常生育期：

H=H₁+p-e₀（4）

e₀=ET·A/D（5）式中：H為灌溉、排水判別值;H₁為日初土壤含水量;e₀為作物日需水量;A為不同生育階段需水模系數;D為作物生育階段天數。

4.1.2 水稻

泡田期：

H_p=a₁+S₁+E₁-P₁（6）式中：凡為泡田定額;。，為插秧時田面所需的水層深度;S₁為泡田期間的總滲漏量，等于逐日滲漏量之和;E₁為泡田期間的總蒸發量，可以用水面蒸發量代替;P₁為泡田期間的總降水量。

正常生育期：

h=h₁+p-E₀（7）

E₀=s+ae（8）式中：h為灌溉、排水判別值（當h>h，時，排水至h_m，h₂=h_m;當hn時，灌水至h_s，h₂=h_s;當h_nm時，不排不灌，h₂=h;h₁、h₂分別為日初、末田間水層深度）;E₀為日需水量，包括田間騰發量和滲漏水量;：為日滲漏量;a為某標準型號蒸發皿蒸發系數。

4.1.3 綜合灌溉定額

綜合灌溉定額D_z為式中：d_i（i=1，2，…，n）為某單項作物灌溉定額淚;為某單項作物種植比例，以某單項作物計劃種植面積占計算分區有效灌溉面積的比例計算;γ為計算分區復種指數，等于各單項作物種植比例之和。

4.2 建立基本參數數據庫

長序列農田灌溉定額測算所需數據量較大，特別是對于大尺度、多計算分區的區域，測算所需的基礎數據更龐大，因此需要建立相應的數據庫用于存儲所有基礎參數，供定額測算時調用。基于需要存儲的數據量，建議采用Access作為存儲數據庫，對于數據存儲量更大的，建議采用SQL Server作為存儲數據庫。存儲的基礎數據應涵蓋計算公式中所含的所有參數。

4.3 編制測算程序

農田灌溉定額測算的基本思路并不復雜，建議采用Visual Basic計算機語言編程。

筆者在實際工作中分別編制相應的子程序測算旱作物和水稻灌溉定額。旱作物定額測算涉及的子程序包括基礎數據錄入、旱作物降水頻率錄入、播前期需水定額計算、旱作物需水量錄入、旱作物日需水量計算、逐日灌溉量及排水量計算、逐月和逐年灌溉水量累計計算等模塊。水稻定額測算涉及的子程序包括基礎數據錄入、水稻曬田期適宜含水量下限折算、日需水量及泡田定額測算、逐日灌排水量計算、日定額計算、逐月和逐年灌溉水量累計計算等模塊。

4.4 農田灌溉定額測算

在基本參數收集、基本參數數據庫和灌溉定額測算程序編制等準備工作完畢的情況下，即可開展長序列農田灌溉定額的測算，其基本步驟如下。

（1）逐日蒸發量、降水量、土壤計劃濕潤層深度等基礎參數錄入數據庫。

（2）分別計算旱作物和水稻灌溉定額。

（3）計算旱作物播前期需水量，逐日調算旱作物生育期需水量，按旬或月統計旱作物灌溉凈定額。

（4）計算水稻泡田期需水量，逐日調算水稻正常生育期需水量，按旬或月統計水稻灌溉凈定額。

（5）在單作物灌溉定額測算的基礎上，按照設計的復種指數，進一步計算長序列綜合灌溉凈定額。

（6）按照各地區灌溉水利用系數，計算各計算分區的長序列農田灌溉毛定額。

經測算，計算分區B多年平均綜合灌溉定額（毛）為4545m³/hm²，該分區長序列綜合灌溉定額測算結果見表10。

4.5 有關注意事項

總結實際工作經驗，筆者認為長序列農田灌溉定額測算工作中應注意以下事項。

（1）盡可能多選氣象站點，使面均降水量更具代表性。

（2）對于需要插補延長的站點數據，應分析插補延長后數據的一致性與可靠性。

（3）考慮到各地農田灌溉試驗站的分布情況，對來源于灌溉試驗站的基礎數據，應注意結合現狀調查，對基礎數據進行必要的修訂。

（4）計算播前期需水量時，要注意土壤初始含水量的設定。

（5）對于大尺度、多計算單元的區域，應逐一進行測算。

5 結語

（1）基礎數據的采集是長序列農田灌溉定額測算的難點，也是重點，其獲取過程一般較為復雜，往往是制約長序列農田灌溉定額測算的關鍵因素。獲取基礎數據后，應進行必要的分析、整理和加工，確保基礎數據可靠。

（2）長序列農田灌溉定額測算涉及的基礎數據量較大，測算過程較為復雜，建議采用Access或SQLServer等專用數據庫進行基礎數據存儲。對于灌溉定額的測算，建議采用Visual Basic等計算機語言按照相關計算公式編制相應的程序進行計算，提高定額測算的速度與準確度。

（3）按照本文提出的長序列農田灌溉定額測算方法，以計算分區B為例，分析整理了長序列農田灌溉定額測算所需的降水量、蒸發量、土壤計劃濕潤層深度等參數，以及不同作物的灌溉制度，經測算，該計算分區的多年平均綜合毛灌溉定額為4545m³/hm²，計算結果合理，表明提出的灌溉定額測算方法可行。

參考文獻：

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