基于首尾測算法的太湖縣灌溉水利用系數(shù)測算研究

李建國，黃夢婷，賈冬梅

（1.安徽省水利部淮河水利委員會水利科學(xué)研究院，安徽 合肥 230088；2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210009）

0 前言

灌溉水有效利用系數(shù)是衡量作物田間水利用效率的一項重要指標(biāo)，在實際應(yīng)用中通常被定義為灌入田間實際可被作物利用的水量與灌溉水源取水口引水量之比。傳統(tǒng)測定灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)的方法，是先測定求出渠系水利用系數(shù)和田間水利用系數(shù)，然后兩者相乘得到灌區(qū)的灌溉水有效利用系數(shù)。然后在實際操作中，測定渠系利用系數(shù)通常難度較大，這給工程實踐帶來一定困難。為解決這一問題，部分專家學(xué)者提出采用首尾測算法測定田間灌溉水利用系數(shù)。所謂的“首尾測算法”是指，不考慮渠道輸水過程中的水量損失，而直接用最終達到的結(jié)果來確定，即只測定灌區(qū)渠首引進的水量和最終貯存在作物計劃濕潤層的水量，從而繞開了測定渠系水利用系數(shù)這個環(huán)節(jié)，大大減少了工作量和不穩(wěn)定因素，成為當(dāng)前灌溉水利用系數(shù)測算中較為可靠的方法[1-3]。

1 研究方法

“首尾測算分析法”，就是將田間凈灌溉用水總量除以渠首引進的毛灌溉用水總量，從而得到灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)。根據(jù)區(qū)域內(nèi)樣點灌區(qū)系數(shù)，結(jié)合區(qū)域灌溉用水情況，按照一定點面轉(zhuǎn)換關(guān)系，計算分析出區(qū)域系數(shù)。其主要步驟包括：樣點灌區(qū)選擇→典型田塊選擇→典型田塊畝均凈灌溉用水量觀測與計算→樣點灌區(qū)凈、毛灌溉用水總量計算→區(qū)域大、中、小、純井灌區(qū)系數(shù)計算→區(qū)域系數(shù)計算。具體技術(shù)路線圖如下。

圖1 樣點灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)測算技術(shù)路線圖

2 樣點灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)測算

2.1 研究區(qū)概況

太湖縣位于安徽省西南部，大別山南麓，長江北岸，隸屬于安徽省安慶市。全縣多年平均降水量為920.6mm，但降水在年際和年內(nèi)極不均勻，主要集中在6～9月，約占全年60%。2017年太湖縣耕地有效灌溉面積49.73萬畝，其中大型灌區(qū)9.5萬畝，中型灌區(qū)8.95萬畝，小型灌區(qū)0.75萬畝。各類灌區(qū)4159處，其中大型灌區(qū)1處，中型灌區(qū)10處，小型灌區(qū)6處，井灌區(qū)4142處。據(jù)統(tǒng)計，太湖縣2017年農(nóng)田灌溉用水 3446 萬 m3。

2.2 樣點灌區(qū)的選取

太湖縣下轄的花涼亭灌區(qū)作為全省農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測算樣點灌區(qū)之一，可作為本次灌溉水利用系數(shù)測算的樣點灌區(qū)。中型、小型及井灌區(qū)樣點灌區(qū)的選擇主要根據(jù)全縣地形特征、作物種植以及灌溉習(xí)慣等因素綜合考慮。目前試點區(qū)共有中型灌區(qū)10處，其中5～15萬畝1處（兩河口站灌區(qū)，有效灌溉面積2萬畝），1～5萬畝9處，故選擇兩河口站灌區(qū)及另外3處一般中型灌區(qū)。由于試點區(qū)小型灌區(qū)較少，故選取6處全部作為樣點灌區(qū)。井灌區(qū)按照不同灌溉方式，選擇軟管輸水灌溉、噴灌、微灌分別為12、6、2處。樣點灌區(qū)選取方案如表1所示。

2.3 毛灌溉用水總量的確定

灌溉用水總量是指灌區(qū)全年用于農(nóng)田灌溉的從水源地引入（取用）的總水量，其等于從水源地取水總量扣除由于工程保護、防洪除險等需要的渠道（管路）棄水量。其值是根據(jù)灌區(qū)從水源地實際取水測量值統(tǒng)計取得，而非其它如計收水費等目的收費計量水量數(shù)值。

2.4 凈灌溉用水量的確定

不同灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)、灌溉水源、灌溉方式等均有不同，本文主要針對充分灌溉、非充分灌溉、水稻灌區(qū)等幾種主要灌溉情況，提出相應(yīng)的凈灌溉用水量測算方法。對灌區(qū)范圍較大，區(qū)域氣候氣象條件、灌溉用水實際情況差異明顯，則在灌區(qū)內(nèi)分區(qū)域進行典型分析測算，再以分區(qū)結(jié)果為依據(jù)匯總分析整個灌區(qū)凈灌溉用水量。

3 樣點灌區(qū)測算結(jié)果分析

3.1 大型灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)測算

太湖縣大型灌區(qū)只有花涼亭灌區(qū)1處。根據(jù)首尾測算分析法對大型自流灌區(qū)計算分析，花涼亭灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)為0.4815。其中灌區(qū)凈灌溉用水量計算詳見表1，灌溉水利用系數(shù)測算結(jié)果如表2所示。

3.2 中型灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)測算

太湖縣中型灌區(qū)全部為自流灌區(qū)。根據(jù)首尾測算分析法的計算出太湖縣中型自流灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)為0.5218～0.5240，各中型灌區(qū)各作物凈灌溉用水量詳見表3，灌溉水有效利用系數(shù)計算詳見表4。

以中型樣點灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)為基礎(chǔ)，然后依據(jù)匯總得出的灌區(qū)年毛灌溉用水量對灌溉水有效利用系數(shù)進行加權(quán)平均得出全區(qū)中型灌區(qū)的灌溉水有效利用系數(shù)。計算公式如下[4]：

式中：η中——中型灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)；

η中自、η中提——分別為中型自流和中型提水樣點灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)；

W中自、W中提——分別為中型自流和中型提水灌區(qū)年毛灌溉用水量，萬m3。

大型灌區(qū)年度凈灌溉用水量計算表 表1

大型灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)測算表 表2

中型灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)測算表 表4

經(jīng)計算，全縣樣點中型灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)為0.5229。

3.3 小型灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)測算

太湖縣小型灌區(qū)全部為自流灌區(qū)，共有53處，灌溉水源為水庫、塘壩等，本次測算選取4處作為樣點灌區(qū)。根據(jù)首尾測算分析法的計算公式計算出小型提水灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)0.5816～0.6074，各小型提水灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)計算詳見表5。

以測算分析得出的各個小型灌區(qū)樣點灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)為基礎(chǔ)，采用算術(shù)平均法計算縣級區(qū)域小型灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)[5、6]。計算公式如下：

式中：η小——小型灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)；

η小i——第i個小型灌區(qū)樣點灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)；

n——小型灌區(qū)樣點灌區(qū)數(shù)量。

經(jīng)計算，全縣樣點小型灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)為0.5908。

3.4 全縣灌溉水利用系數(shù)測算

區(qū)域灌溉水有效利用系數(shù)η是指該區(qū)域年凈灌溉用水量W凈與年毛灌溉用水量W毛的比值。在已知各規(guī)模與類型灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)和年毛灌溉用水量的情況下，區(qū)域灌溉水有效利用系數(shù)按下式計算[7-9]：

式中：W大、W中、W小、W井——分別為區(qū)域大、中、小型灌區(qū)和純井灌區(qū)的年毛灌溉用水量，萬m3；

η大、η中、η小、η井——分別為區(qū)域大、中、小型灌區(qū)和純井灌區(qū)的灌溉用水有效利用系數(shù)。

根據(jù)以上方法計算，太湖縣2017年農(nóng)田灌溉總用水量19005.8萬m3，全縣灌溉水有效利用系數(shù)為0.506，不同規(guī)模與水源類型灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)平均值詳見表6。

3.5 全縣灌溉水利用系數(shù)測算對比分析

由圖2可知，太湖縣2017年度全縣畝均用水量691.4m3/畝，大型灌區(qū)畝均用水量707.1m3/畝，中型灌區(qū)畝均用水量695.5m3/畝，小型灌區(qū)畝均用水量607.6m3/畝。總體趨勢表現(xiàn)為隨灌區(qū)規(guī)模的增加，灌區(qū)畝均用水量呈上升趨勢，而灌溉水利用系數(shù)則隨灌區(qū)規(guī)模的增加表現(xiàn)為逐漸降低的趨勢。分析其原因，主要是因為小型灌區(qū)相比大型灌區(qū)輸水距離小，各級渠道總長度較短，因此，在作物種植結(jié)構(gòu)、降雨等條件基本一致的情況下，規(guī)模較小的灌區(qū)畝均灌溉用水量通常小于規(guī)模較大灌區(qū)，而農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)通常是前者大于后者，該測算結(jié)果也是符合常規(guī)趨勢[10]。

小型自流灌區(qū)各作物凈灌溉用水量及灌溉水有效利用系數(shù)計算表 表5

全縣不同規(guī)模與水源類型灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)測算表 表6

圖2 太湖縣不同規(guī)模灌區(qū)畝均用水量比較

圖3 太湖縣不同規(guī)模灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)比較

4 結(jié)語

本文基于首尾測算法實證分析了2017年度太湖縣不同灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)，通過計算得出全縣平均灌溉水利用系數(shù)為0.506，按照國家發(fā)改委、水利部、住建部聯(lián)合印發(fā)的《水利改革發(fā)展“十三五”規(guī)劃》要求，到2020年，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)提高到0.55以上。因此，全縣應(yīng)進一步完善各大灌區(qū)節(jié)水改造與續(xù)建配套工程建設(shè)，特別是大、中型灌區(qū)當(dāng)前灌溉水利用系數(shù)相較國家要求仍有一定差距，應(yīng)作為下一階段節(jié)水改造工作的重中之重，力爭在2020年全面實現(xiàn)灌溉水有效利用系數(shù)的全面提升。