淠史杭灌區灌溉水有效利用系數實測與估算法比較

2020-11-23 02:16:36翟厚松

中國農村水利水電 2020年11期

翟厚松

(安徽省淠史杭灌區管理總局，安徽六安 237005)

0 引言

我國水資源短缺問題日顯突出，農業用水占全國總用水量的64%以上[1]，且灌溉方式粗放，灌溉水有效利用率較低。灌溉水有效利用系數是評價農業灌溉用水效率的重要參考指標[2]，也是直接反映工程配套和管理水平的綜合性指標[3]。灌溉水有效利用系數的測算和分析，可為判斷農業節水潛力提供依據，并使各地節水農業的主攻方向得到進一步的明確。

根據測算，2017年全國灌溉水有效利用系數平均約為0.55左右[4]，這意味著從水源處引用1 m3的灌溉水，最后僅有0.55 m3能被農作物吸收利用，這與發達國家0.7至0.8[5]的利用系數差距很大，因此提高灌溉水的利用效率成為了節水的第一要務。目前灌溉水有效利用系數的測算，普遍采用水利部《全國現狀灌溉水有效利用系數測算技術方案》及《全國農田灌溉水有效利用系數測算分析技術指導細則》中推薦的首尾法[6-8]，該方法具有簡單準確的優點，但利用這種方法測定樣點田塊的凈灌水量時，仍需要較多的人力物力支出[9-12]，對于大型灌區及管理人員較少的中小型灌區來講，具體實施仍有非常大的難度[9,11]。因此，如何快速準確的測算灌區內的凈灌水總量，仍是當前測算灌溉水有效利用系數的難點，尋找相應的簡易替代方法也成為許多業內人士重點關注的問題[9]。

本文以淠史杭灌區淠河總干渠灌溉片為實例，利用水量平衡原理來估算區域凈灌水量，并以此為基礎對2019年度的灌溉水有效利用系數進行估算，最后與實測法測定的結果進行對比、分析，從而分析確定估算法替代實測法的可行性和精度，期望能為灌溉水有效利用系數的測算工作提供有益的探索與嘗試。

1 研究區域與方法

1.1 灌區的基本情況

淠史杭灌區始建于1958年，由毗鄰的淠河、史河、杭埠河3個子灌區組成，控制面積1.313 萬km2，設計灌溉面積73.3 萬hm2，是我國三座特大型灌區之一。灌區具有防洪、灌溉、城鎮供水、生態供水、發電、航運、旅游等綜合功能。

作為實例的淠河灌區，設計灌溉面積44 萬hm2，近期實際灌溉面積41 萬hm2，其中自流灌溉28.73 萬hm2，提水灌溉15.27 萬hm2，在灌溉面積上已超過一般大型灌區。

1.2 樣點田塊

2019年灌溉水有效利用系數測算時，在淠河總干渠灌溉片的上、中、下游選擇了三處典型田塊，分別為淠河灌區戚橋分局張拐山段、三十鋪分局馬集段、高劉分局新民壩段三處樣點田塊。三處典型田塊又分別選取2個、3個、2個重復典型田塊，共7個典型田塊進行淠河灌區農田灌溉水有效利用系數的測定。

表1 樣點田塊面積及位置基本信息表Tab.1 Basic information on the area and location of the sample plots

1.3 田塊凈灌溉用水的實際測定

1.3.1 首尾法確定灌溉水有效利用系數的基本方法

根據《全國現狀灌溉水有效利用系數測算技術方案》及《全國農田灌溉水有效利用系數測算分析技術指導細則》的有關規定，首尾法測定的灌溉水有效利用系數用下式計算：

(1)

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

1.3.2 毛灌溉用水總量的確定

樣點灌區的毛灌溉用水總量由下式計算：

(2)

式中：W樣毛為樣點灌區年毛灌溉用水總量，m3；W樣毛i為樣點灌區第i個水源取水量，m3；n為樣點灌區水源數量，個。

1.3.3 凈灌溉用水總量的確定

樣點灌區的凈灌溉用水總量由下式計算：

(3)

式中：W樣凈為樣點灌區年凈灌溉用水總量，m3；Wij為樣點灌區j個片區內第i種作物單位面積均凈灌溉用水量，m3/hm2；主要為水稻，而其他旱作物雨養即可滿足；Aij為樣點灌區j個片區內第i種作物灌溉面積，hm2；淠河灌區的總灌溉面積為36.27萬 hm2，水稻面積32.80萬 hm2，而其他旱作物3.47萬 hm2；m為樣點灌區j個片區內的作物種類；n為樣點灌區片區數量，n=3。

1.3.4 田塊凈灌溉用水量

在每次灌水前后按《灌溉試驗規范SL13-2015》[13]有關規定，觀測典型田塊內不同作物年內相應生育期內計劃濕潤層的土壤質量含水率或體積含水率(或田間水層變化)，計算該次單位面積凈灌溉用水量，得出該典型田塊不同作物種類年單位面積凈灌溉用水量。在各次單位面積凈灌溉用水量的基礎上，推算該作物年單位面積凈灌溉用水量，即：

(4)

式中：W田凈為某典型田塊某作物年單位面積凈灌溉用水量，m3/hm2；W田i為典型田塊第i次灌溉的凈灌溉用水量，m3/hm2；n為典型田塊年內總灌水次數，次。

1.4 田塊凈灌溉用水的估算

利用水量平衡方程[14]估算田塊凈灌溉用水量，即：

W田凈=ETc+Wd+Wp-Pe-G

(5)

式中：ETc為作物需水量，mm，用下式估算：

ETc=KcET0

(6)

式中：Kc為作物系數，根據安徽省淠史杭灌區灌溉試驗總站的測算結果如表2；ET0為參考作物蒸騰蒸發量，mm；根據《灌溉試驗規范(SL13-2015)》的要求，利用彭曼-蒙蒂斯(Penman-Monteith)公式計算，結果如表2。

表2 淠河灌區水稻參考作物蒸發騰發量(ET0)與作物系數(Kc)Tab.2 Rice reference crop evapotranspiration (ET0) and crop coefficient (Kc) in Pihe Irrigation District

Wd為滲漏量，mm；根據安徽省淠史杭灌區灌溉試驗站灌溉試驗成果，淠史杭灌區稻田滲漏量1.2 mm/d。

Wp為泡田育秧用水量，mm；根據安徽省淠史杭灌區灌溉試驗站灌溉試驗成果，水稻泡田育苗定額定為100 mm。

Pe為有效雨量，mm。

Pe=σP

(7)

式中：P為實際雨量，mm，各樣點田塊的實際雨量見表3；σ為降雨有效利用系數，根據2019年安徽省淠史杭灌區灌溉試驗總站的測算結果σ= 0.94。

G為地下水利用量，mm，淠史杭灌區的地下水位低，利用量為0。

表3 樣點田塊水稻降雨量Tab.3 Rainfall of rice in the sample plots

2 結果與分析

2.1 實測法確定的田塊凈灌溉用水量

基于實測法確定的田塊凈灌溉用水量值匯于表4中，其中戚家橋兩塊田(1號、2號)的凈灌溉用水分別為359.1、331.8 mm,馬集兩塊田(3號、4號、5號)的凈灌溉用水分別為424.2、404.3、503.6 mm,高劉6號、7號田的凈灌溉用水分別為493.4 mm、485.3 mm。

表4 直接觀測法樣點灌區凈用水量Tab.4 Net water consumption in sample irrigation area of measurement method

2.2 估算法確定的田塊凈灌溉用水量

根據式(5)所示的水量平衡方程估算分析各樣點田塊的凈灌溉用水量，結果如表5所示。與表2中的相關數據比較可以看到，直接觀測法與估算法所確定的各樣點田塊的凈灌溉用水量沒有明顯的差異。

2.3 灌溉水有效利用系數

表6中列出的是兩種方法測算的淠河灌區幾個支渠系2019年灌溉水有效利用系數，可以看出，兩種方法確定的凈灌水量和灌溉水有效利用系數差別很小。2019年淠河灌區從渠首引水總量為19.1 億m3，結合2019年淠河灌區的降雨分析，塘壩水庫用水量約為6.4 億m3；凈灌溉用水為13.4 億m3，灌溉水有效利用系數為0.52。其中，張壽支渠的灌溉水有效利用系數為0.60，望天溝分渠為0.67，吳大崗斗渠為0.66，徐圩農渠為0.69。

2.4 估算法與實測法結果的對比分析

估算法和實測法測定結果的相關關系繪制于圖1，圖中數據顯示，不同監測樣段上，兩種方法確定的凈灌溉用水總量之間的相關系數的平方值(R2)為0.936 4，均方根誤差(RMSE)為17.982 5，標準化均方根誤差(MRE)為3.60%；而兩種方法確定的灌溉水有效利用系數之間的R2=0.954 6，RMSE=0.014 1，MRE=1.39 %，表明估算方法確定的灌溉水利用系數具有較高的一致性和穩定性。

表5 樣點田塊的凈灌溉用水量 mm

表6 樣點灌區凈灌溉水有效利用系數Tab.6 Effective utilization coefficient of net irrigation water in the sample irrigation area

3 討論與結論

本項研究結果表明，2019年淠河灌區灌溉水有效利用系數為0.53，較2018年的0.50有所增加，這一方面是近年來灌區續建配套與節水改造使灌區水利工程日趨完善的原因[9,15]，另一方面可能是因為2019年降雨較少、干旱使得灌區加強了對水資源調度的嚴格管理[16]，嚴格按照作物需水規律供水，杜絕跑水、漏水所致[17]。此外，本研究的結果表明，在2019年的作物生長和灌溉管理條件下，對淠河灌區而言，利用估算法確定的凈灌水總量和灌溉水有效利用系數，與首尾法實際測算的結果無顯著差異，說明在適當的條件下，估算法可以作為一種有效的測算灌溉水有效利用系數的方法使用，從而大大減少確定田間實際凈灌溉用水量所需的人力和物力，提高灌溉水利用系數的測算效率。由于本項研究只是利用一年的數據，以及針對一個灌區進行的研究，結果是否具有廣泛的適用性，還需要在多個不同類型的灌區，以及不同的水文年型下進行更加深入、系統的對比分析才能確定。