基于水量平衡法測算灌區單位面積灌溉凈用水量

俞嘉慶，韓霄

(1.杭州市臨安區水利水電局，浙江 杭州 325000； 2.杭州水信農業科技有限公司，浙江 杭州 310000)

農業灌溉水有效利用系數是指在一段時間內灌溉且被作物吸收利用的水量與水源地總引水量的比值[1-2]。目前，用于測算農業灌溉水有效利用系數的方法主要為首尾測算分析法，該方法采用一年當中田間實際灌溉凈用水量與毛用水量的數值比進行測算[3]，但實際灌溉凈用水量較難準確獲取。為此，本文結合杭州市富陽區的漁山畈灌區案例，采用水量平衡法對灌區實際單位面積的灌溉凈用水量進行測算，總結報道如下。

1 材料與方法

1.1 灌區概況

漁山畈灌區位于漁山溪末端的漁山鄉，地處杭州市富陽區的東北部。灌區屬于亞熱帶季風氣候區，多年平均氣溫16.3 ℃，多年平均日照時數1 761.6 h，多年平均蒸發量1 268.9 mm，多年平均降水量1 479.3 mm。降水量年際差異顯著，降水量最多的年份是1983年(1 964.4 mm)，降水量最少的年份是1967年(1 000.6 mm)。年內降水量呈季節性改變，每年有2個雨期和干旱期，降水變化呈雙峰型：第1個雨期在3—7月，主要為春雨和梅雨期，降水量大且持續時間較長，約占全年降水量的48%；第2個雨期在8—9月，主要為臺風雨和秋雨，降水持續時間較短，但降水量集中，強度較大，約占全年降水量的12%。

漁山畈灌區設計灌溉面積97.2 hm2，有效灌溉面積97.2 hm2。灌區內現有渠系建設情況較好，其中:干渠1條，總長度為1.3 km，采用混凝土襯砌防滲，襯砌防滲率100%；農渠12條，總長度3.12 km，采用混凝土襯砌防滲，襯砌防滲率100%。

漁山畈灌區屬于小型提水灌區，灌區水源為漁山溪，共設有6座機埠，排澇站2座。機埠提水能力0.242 m3·s-1，2座排澇站排水能力0.871 m3·s-1。目前，灌區內作物播種面積86.7 hm2，作物實際灌溉面積86.7 hm2，主要種植作物為單季稻，種植時間5—10月，其余時間灌區內主要種植紫云英。

1.2 數據來源

基于漁山畈灌區附近的三溪口氣象站獲取2018年漁山畈灌區日平均溫度、濕度、風速等氣象學數據，并結合漁山畈灌區內設置的ZK-TR4土壤溫濕度檢測系統、超聲波液位計JZ-40-1水位測針、ZK-ZD7A自動氣象站等設備獲得灌區土壤含水量變化等數據。

漁山畈灌區參考作物選擇水稻。灌區單季稻泡田期為5月15日—6月5日，灌溉期為6月5日—10月5日，成熟期為10月5—26日。對灌區2018年5月15日—10月26日單季稻全生育期內的配套量測設施數據和當地氣象站氣象數據進行過濾分析，獲取水量平衡測算中相關的165組基礎數據。

1.3 計算方法

采用水量平衡法測算灌區實際單位面積的灌溉凈用水量時，需先搜集獲取當地的溫度、濕度、降水量、風速變化等數據，然后結合作物實際蒸騰與蒸發情況、水分輸入與輸出量等參數，選取灌區主要參考作物，采用水量平衡公式計算參考作物全生育期的實際灌溉凈用水量：

M=EC-Pe-Ge-W。

(1)

式(1)中：M為灌溉凈用水量，mm；EC為參考作物全生育期蒸騰蒸發量，mm；Pe為參考作物全生育期有效降水量，mm；Ge為參考作物全生育期地下水補給量，mm；W為參考作物全生育期前后計劃濕潤層儲水變化量，mm。

EC=KC·E0。

(2)

式(2)中：KC為綜合作物系數；E0為參考作物蒸騰蒸發量，mm。

E0采用改進型彭曼-蒙蒂斯(Penman-Monteith)公式[4-5]計算：

(3)

式(3)中：Rn為輸入冠層凈輻射量，MJ·m-2·d-1；G為土壤熱通量，MJ·m-2·d-1；T為2 m高處日平均溫度，℃；U2為2 m高處風速，m·s-1；es為飽和水氣壓，kPa；ea為實際水氣壓，kPa；Δ為飽和水汽壓與溫度關系曲線在某處的斜率，kPa·℃-1；γ為干濕溫度計常數，kPa·℃-1。

參考作物全生育期有效降水量是指能被作物有效利用的當地降水[6]：

Pe=σP。

(4)

式(4)中：σ為降水有效利用系數；P為降水量，mm。

參考作物全生育期地下水補給量表示為存在于地面以下土粒孔隙間的水分借助分子間內聚力提升到作物根系活動層并被根系吸收的總量[7]，在一定的土壤類別和作物生長狀況下，其與地下水補給程度和地下水所在位置、作物類型、作物耗水能力、天氣變化情況等有關。

參考作物全生育期前后土壤計劃濕潤層儲水變化量受灌區計劃濕潤層深度，及參考作物全生育期前、后土壤含水量的影響：

W=1 000H(θe-θi)。

(5)

式(5)中：H為計劃濕潤層深度，m；θi、θe為單季作物全生育期前、后計劃濕潤層的土壤含水量，%。

2 結果與分析

2.1 全生育期蒸騰蒸發量

單季稻全生育期內的日參考作物蒸騰蒸發量和作物蒸騰蒸發量的變化折線如圖1所示。可以看出，參考作物日蒸騰蒸發量的最大值為6.38 mm·d-1，最小值為3.06 mm·d-1，平均值為5.05 mm·d-1，累計蒸騰蒸發量為832.70 mm。KC隨作物生長狀況變化，5—10月的取值分別為1.066、1.216、1.298、1.344、1.213、0.900，經測算，單季稻日蒸騰蒸發量的最大值為8.57 mm·d-1，最小值為3.25 mm·d-1，平均值為6.04 mm·d-1，全生育期蒸騰蒸發量為997.20 mm。

圖1 參考作物蒸騰蒸發量和作物蒸騰蒸發量的變化折線

2.2 全生育期有效降水量

通過漁山畈灌區當地氣象站2018年的降水量氣象數據獲得灌區每天的降水量P，根據漁山畈灌區實際情況，參照表1，獲得降水量P對應的降水有效利用系數關系σ，繼而求得灌區單季稻全生育期的累計降水量為850.2 mm，累計有效降水量為527.57 mm。單季稻全生育期內日降水量和有效降水量的變化折線如圖2所示。

表1 降水量與降水有效利用系數的關系

圖2 降水量和有效降水量的變化折線

2.3 全生育期地下水補給量

考慮到漁山畈灌區地面灌溉水量充足，灌溉水入滲補給較多，且地下水埋藏深度較深，地下水位上升有限，故取單季稻全生育期地下水補給量值為0。

2.4 全生育期前后土壤計劃濕潤層儲水變化量

利用灌區配套的ZK-TR4土壤溫濕度監測系統和超聲波液位計確定田間水層深度觀測值和土壤含水量：單季稻全生育期前土壤含水量θi為25.45%，全生育期后土壤含水量θe為23.16%，計劃濕潤層深度H為0.6 m，單季稻全生育期前后土壤計劃濕潤層內儲水變化量為-13.74 mm。

2.5 灌溉凈用水量

通過對漁山畈灌區單季稻全生育期蒸騰蒸發量、有效降水量、地下水補給量和全生育期前后土壤計劃濕潤層儲水變化量等值的計算，結合(1)式，計算得到漁山畈灌區的灌溉凈用水量為483.37 mm，折算為灌區每667 m2灌溉凈用水量為322.25 m3。

3 小結

基于水量平衡法測算灌區單位面積灌溉凈用水量，結合漁山畈灌區的實際情況，選擇單季稻作為參考作物，采取灌區已有的配套設施和相關資料，過濾獲取灌區單季稻全生育期的降水量、溫度、風速等基礎數據，計算求得灌區單季稻全生育期蒸騰蒸發量為997.72 mm，有效降水量為527.57 mm，地下水補給量為0，土壤計劃濕潤層儲水變化量為-13.74 mm，灌溉凈用水量為483.37 mm，灌區每667 m2灌溉凈用水量為322.25 m3。