北疆典型地區棉花灌溉水有效利用系數測算分析

劉超凡，許 健，景 明，呂 望

(1.甘肅農業大學水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.黃河水利科學研究院，河南 鄭州 450000)

隨著我國經濟的快速發展、人口的增長、人民生活水平和城市化水平的提高，以及生態文明對水資源需求的增加，經濟社會對水資源的需求愈來愈多，要求越來越高，如何更加合理高效開發利用水資源是擺在水利科技人員面前的資源性課題。目前，我國北方大部分灌區仍然以大水漫灌為主，水資源利用率較低，蒸發滲漏較大，水資源利用效率和效益不高，加之現狀農田水利工程完好率較低，高新節水技術推廣緩慢，導致我國灌溉水利用系數仍然處于較低水平，與發達國家70%—80%的程度還是有很大差距，節水潛力有很大的空間。

眾多學者認為，灌溉水利用系數是灌入田間可被作物利用的水量(凈灌溉水量)與灌溉系統取用灌溉總水量(毛灌溉水量)的比值，目前這種定義灌溉水利用系數的方法被普遍接受。通常情況下，系數與灌區自然條件、灌溉工程條件、灌水制度、灌溉技術等因素有關，是目前科學分析用水效率、評價節水灌溉、發展節水措施、提高用水管理水平的一項重要綜合指標。高峰等提出：為了克服傳統方法中工作量大且耗費大量人力、物力來完成，可以用首尾測算法、典型渠道測量相結合完善。

本文研究了農田灌溉水有效利用系數相關的關鍵參數，測算了研究區渠道水利用系數和田間水利用系數，為使測算結果更具代表性，在使用首尾測算法對樣點灌區分析基礎上，采用傳統法(綜合測定法)對樣點灌區進行測算，與前者進行對比分析。

1 試點材料與研究方法

1.1 試點基本資料

克拉瑪依市地處準噶爾盆地西北緣的沖洪積扇前傾斜平原地帶，加依爾山南麓。地貌單一，多為廣闊平坦的戈壁，干旱少雨蒸發量大，年降雨量多年平均值為105.3mm，年均蒸發量3545.2mm，多年平均相對濕度48%，多風沙且強度大，全年主導風向為西北風，無霜期197～298d，平均日照時數2705.6h，有效積溫3600℃以上。除獨山子區以外，克拉瑪依全境基本不產流，水資源需求壓力大。根據統計，全市農田有效灌溉面積2.67萬hm2左右，農業用水在國民經濟用水總量中占有較大比重，灌溉過程相對復雜。

1.2 研究方法

1.2.1首尾測算分析法

根據《全國灌溉水有效利用系數測算分析技術指導細則》采用首尾測算法，公式如下：

(1)

式中，η—灌區灌溉水有效利用系數；W凈—灌區凈灌溉用水總量，m3；W毛—灌區毛灌溉用水總量，m3。

1.2.2灌區凈灌溉用水量分析

1.2.2.1 典型田塊某次平均凈灌溉用水量

(2)

式中，w田凈i—典型田塊某次平均凈灌溉用水量，m3/hm2；γ—典型田塊H土層內土壤干容重，g/cm3；γ水—水的容重，一般可取1，g/cm3；H—計劃濕潤土層深度,cm；θg1—某次灌水前典型田塊H土層內土壤質量含水率，%；θg2—某次灌水后典型田塊H土層內土壤質量含水率，%；θv1—某次灌水前典型田塊H土層內土壤體積含水率，%；θv2—某次灌水后典型田塊H土層內土壤體積含水率，%。

1.2.2.2 典型田塊某種作物年平均凈灌溉用水量

(3)

式中，wi—樣點灌區同片區或同灌溉類型第i種作物的平均凈灌溉用水量，m3/hm2；w田l—同片區或同灌溉類型第i種作物第l個典型田塊平均凈灌溉用水量，m3/hm2；A田l—同片區或同灌溉類型第i種作物第l個典型田塊灌溉面積，hm2；N—同片區或同灌溉類型第i種作物典型田塊數量，個。

1.2.2.3 灌區年凈灌溉用水總量

(4)

式中，W樣凈—樣點灌區年凈灌溉用水總量，m3；Wij—樣點灌區j個片區內第i種作物平均凈灌溉用水量，m3/hm2；Aij—樣點灌區j個片區內第i種作物灌溉面積，hm2；m—樣點灌區j個片區內的作物種類，種；n—樣點灌區片區數量，個；大型灌區n=3，中型灌區n=2，小型灌區n=1。

1.2.3綜合測算法

根據周和平在2013年提出綜合法與首尾測算法，其計算公式為：

η灌溉=η渠系×η田間

(5)

2 結果與分析

據統計，2018年小拐灌區種植有糧食、棉花、甜菜、蔬菜、瓜果菜、飼草料等，在種植結構上，以棉花為主，占94.17%。

2.1 首尾測算法分析灌區灌溉水利用系數

在克拉瑪依市選取三處樣點灌區，此次研究小拐灌區，并根據典型地塊選取原則選取6處典型地塊，在典型地塊里安裝實時監測儀器對地塊實時監測，各項數據監測周期不低于1次/6h。

由式(2)可以獲得某次灌溉畝均凈灌溉水量，根據監測儀器的監測將每次灌水所得畝均凈灌溉水量累加，得到這塊典型地塊的年畝均凈灌溉水量；再由式(3)得出某種作物的年畝均凈灌溉水量，由該灌區對應的種植結構以及相對應的面積占比推算出灌區該種作物年畝均凈灌溉水量；最后由式(4)即可推算出整個灌區年凈灌溉水量。然后由計量儀器以及當地水務部門統計資料獲得灌區年毛灌溉水量，最后由式(1)計算得出灌區灌溉水利用系數。

在整個計算過程中，在對典型地塊某次灌溉畝均凈灌溉水量研究時，利用SigmaPlot軟件繪制出灌溉前后土壤體積含水率隨時間深度變化情況，如圖1所示。

圖1 灌溉前后土壤體積含水率隨時間深度變化情況

灌溉前，土壤體積含水率隨著深度呈現以下規律：在接近地表處由于地面蒸發、太陽輻射等因素，地表土壤體積含水率較低；但隨著深度的增加，土壤體積含水率增大，這是因為在此時作物消耗水量小且土壤保溫保濕作用明顯；灌溉后，地表由于地面來水，地表體積含水率迅速增大，但隨著深度的增加，作物不斷消耗水量以及地表水未能很快滲漏至地表以下，致使隨著深度的增加，土壤體積含水率逐漸減小。

在某一確定深度，隨著作物生長，例如在深度為60mm的土層，在灌溉前土壤體積含水率高，灌水后由于作物的消耗，體積含水率下降；經過40d作物生長再次灌水時作物生長消耗土壤水，灌溉后體積含水率仍略低于灌前；再隨著灌溉次數增多，以及作物不同生育時期對水分的消耗能力不同，從地表滲透到深層土壤水已比灌溉后的土壤水多；隨時間變化過程中，灌前體積含水率的波峰波谷均比灌溉后的波峰波谷提前一些。

由上是對每次灌溉過程分析，完整的一個生育周期里，根據墑情監測儀器監測的數據以及公式計算出的凈灌溉水量、毛灌溉水量、田間水利用系數如圖2所示。

圖2 小拐灌區不同典型地塊灌溉水量與田間水利用系數

由圖2可見，從現蕾期開始，棉花對水分的消耗逐漸開始增大，在花鈴期棉花對水分的消耗達到最大；此時對應的灌溉水量、毛灌溉水量也從現蕾期開始逐漸增大，在花鈴期毛灌溉水量值也達到最大值，自此之后灌溉水量逐漸減少，至吐絮期結束后完全停止灌水。

通過凈灌溉水量變化及棉花生長時間的變化，模擬出下式：

(6)

經過回歸分析：式(6)決定系數R2=0.925。并繪制如圖3所示典型地塊全生育期凈灌溉水量與時間的關系。

圖3 典型地塊全生育期凈灌溉水量與時間的關系

從圖3看出，凈灌溉水量也是隨著作物生長周期逐漸增大，到達峰值后開始降低，最終完全停止，與棉花的生長周期基本保持一致。

通過前述由典型地塊到樣點灌區灌溉水利用系數的推算過程，最終計算得出小拐灌區年凈灌溉水量為2678.579萬m3，年毛灌溉水量為3695.141萬m3。則由式(1)計算得出小拐灌區灌溉水利用系數為0.725。

2.2 綜合測算法測算樣點灌區灌溉水利用系數

由式(5)得知，綜合測算法中需要測定樣點灌區渠系水利用系數與田間水利用系數，灌區田間水利用系數可由典型地塊田間水利用系數加權平均計算得出；渠系水利用系數計算時，采用損失系數法，其具體計算方法不再闡述。首先在小拐灌區由典型渠道選取原則選取上中下游各段典型渠段，其次由典型渠段計算渠系水利用系數，然后推算各級渠道水利用系數，最后由各級渠道系數連乘計算得出渠系水利用系數。計算得出2018年小拐灌區渠系水利用系數為0.857，小拐灌區田間水利用系數為0.844。綜合測算法最終得出小拐灌區灌溉水利用系數為0.723。

3 討論

通過結果分析，發現在典型地塊中，土壤體積含水率是隨著深度與時間存在一定變化規律，在對凈灌溉水量研究時，凈灌溉水量也會隨著生長時間的變化呈現出與作物生長周期保持一致的規律，這對指導作物在不同生育期灌溉水量的控制具有一定的作用，要根據作物在不同時期的需水量變化指導灌溉，不僅可以促進作物更好的發展，避免無效灌水，提高灌溉水利用系數。而且對高效節水農業也具有直接明顯的作用。通過兩種方法對同一灌區進行灌溉水利用系數計算時，首尾測算法計算得出小拐灌區灌溉水利用系數為0.725，綜合測算法測算得出灌溉水利用系數為0.723，綜合測算法相對首尾測算法相對誤差為0.28%。但首尾測算法較綜合測算法有很大優勢：首先，測算工作任務較首尾測算法重，成型灌區的渠道至少分為干、支、斗、農4級渠道，大型灌區的渠系構成更為復雜，且每一級渠道的渠道斷面結構、襯砌方式等差異較大，同時，受灌區自然地理和田間工程布局等多方影響，測定入田水量需要投入大量工作。其次，面對傳統法(綜合測定法)較為苛刻的要求，一般渠道工況不完全具備測定條件，渠系水的測定測算便很難完成。渠道水利用系數測定需要測定渠段順直，渠段上下斷面之間不能有分流，且要具備測定期間穩定的流量。以上條件在渠道行水灌溉期間難以全面配套實現。再次，傳統方法測算的精確性和可靠性較低。由于測算工作繁雜，灌區組織一次測定工作需要多人參加，受技術力量和測流人員技能等多方影響，各級渠道水利用系數以及田間水利用系數測定的人為誤差呈現累計現象，測算結果往往偏差較大。最后，傳統方法測定難以反映灌區實際情況。采用傳統方法測算時，一般在灌溉期間測定一次，作為整個灌溉全年的農田灌溉水有效利用系數。而每次灌溉的渠道運行工況、作物灌溉需水量、實際灌溉面積等存在較大差別，單次測定難以真實反映灌區灌溉周期的用水效率情況。

4 結語

我國作為農業大國，大型灌區農業工程設施相對比較完整，具有一定的抗災害的能力，因此，加強對灌區建設是保護生態壞境一項重要措施，并且可以有效的提高灌區用水效率和效益。經過研究，得出土壤體積含水率與深度時間之間的關系；并且刻畫出典型地塊凈灌溉水量與生長天水之間的聯系。詳細分析兩種測算方法的差異與優劣勢。同比北疆地區同類型灌區，整體上小拐灌區節水農業效果明顯，灌溉水利用系數高。