水利工程灌區田間水利用系數的測算方法研究

盛泰瑋

(江蘇龍源水利工程有限公司，江蘇 泰州 214500)

0 引 言

近年來，水資源開發技術不斷提高，導致能夠被開發使用的水資源越來越少，因此水資源短缺問題，已經成為制約社會經濟快速、繁榮發展的突出問題，而農業作為國家發展的基礎產業，其生產量會影響國民生計以及社會穩定[1]。根據以往的調查結果可知，農業灌溉用水量，占全國總用水量的65%左右，因此為提高田間水的利用效率，在保證農作物正常生長的前提下，相關學者根據文獻[2]，將農田灌區中的某一農作物作為樣本，采用平均法、實測法、對比實測法分別測算田間水利用系數[2]。還有學者根據文獻[3]，通過獲得某地灌區灌溉現狀，以現場測定的方式，使用首尾測算法測算灌溉水利用系數[3]。這兩種傳統方法就目前而言，可以緩解區域水資源短缺問題。但由于全球氣候持續升溫，預計未來農田灌溉區間，對于水資源的需求還會逐步擴大，因此對小型農田水利工程灌區田間水利用系數，提出全新的測算方法。已知水利用系數是農作物利用的水量與農田灌區總引入水量的比值，以兩種傳統方法為參考，設計一個新型的測算方法，將測算結果進一步精確，令灌溉區域使用最少的水來保證田間農作物的生長，節約水資源的同時，保證農作物總產量[4]。

1 小型農田水利工程灌區田間水利用系數的測算方法

1.1 選擇小型農田水利工程灌區測算樣點

測算灌區田間水利用系數，預先選擇具有穩定性、代表性以及可行性的灌區，要求選擇灌區后，不能再任意調換，保證測算數據來源一致。同時選擇的灌區要綜合考慮農田所在地的自然氣候、土壤質地、地形地貌等自然因素，還要考慮水利工程設施狀況、水源獲取條件、灌區歷年用水量以及農作物類型等因素。最后還要求所選的樣點灌區有必要的設備、人員以及測算條件。滿足上述要求后，根據選定的灌區，選擇小型農田水利工程灌區測算樣點[5]。

1)大型灌區。將區域所有大灌區作為測算樣點。

2)中型灌區。按照有效灌溉面積，將中型灌區分為I、II、III共3個等級，見表1。

表1 中型灌區等級劃分

3)小型灌區。為了便于測算，規定選擇的小型灌區有效灌溉面積大于等于6.667 hm2。要求小型灌區的選擇數量不少于全區域總數量的0.5%，但最少不能低于10個，最多不能超過100個。若全區域的小型灌區不足10個，那么按照實際存在的數量選定區域樣點。同時選擇的小型灌區的有效灌溉面積，不能小于全區域所有小型灌區總面積的1%[6]。

4)純井灌區。將單井控制灌溉任務的灌區，作為一個樣點灌區。

要求中型灌區每個等級的灌區數量，不少于全區域同等級灌區總數的5%；每個等級灌區的有效灌溉面積，不少于全區域同等級灌區有效灌溉面積的10%[7]。

根據上述4種灌溉類型為測算對象，按照《全國灌溉用水有效利用系數測算分析技術指南》，選擇其中分布均勻、自然環境與人為環境高度相似灌區中的小型農田，將其作為測算樣點灌區，測算田間水利用系數。

1.2 計算田間水相關參數

根據選定的測算樣點，采集該灌區的基本用水數據，然后計算與水利用系數相關的其他田間用水參數。已知的灌溉面積與實際灌溉面積還是存在些許差異，因此不能直接將灌區面積作為灌溉面積，需要通過實地測量，計算灌區實際面積，然后與樣點渠道灌溉面積進行比較，計算實際灌溉面積的修正系數，對灌溉面積進行修正。根據《2009-2020年農田基本建設規劃》面積，對修正面積、遙感面積進行比較，調整修正系數，進一步得出更加精準的灌溉面積[8]。計算灌區毛灌溉用水總量，該參數是灌區全年所有水源取用后田間灌溉的水源總使用量，公式為：

(1)

式中：Q樣毛為樣點灌區一年的毛灌溉用水總量，m3；Q樣毛i為樣點灌區第i個水源的灌溉水量，m3；n為樣點灌區水源總來源數量[9]。

再分析并計算凈灌溉用水量。凈灌溉用水量是只用來灌溉農田的實際總用水，對于大型灌區、灌溉用水狀況不同、管理水平差異偏大的樣點灌區，需要分區計算，然后匯總不同地區的凈灌溉用水量，計算整個測試地區的凈灌溉用水量。此次研究采用作物需水量法，計算凈灌溉用水量，公式如下：

gi=Tci-Y-Di+Δv

(2)

式中：i為小型農田種植的農作物種類；gi為凈灌溉定額；Tci為農田面積為c的農作物蒸發蒸騰量；Y為農作物生長期內，測算地區的有效降雨量；Di為農作物生長期內，利用的地下水總量；Δv為農作物生長期間，土壤含稅量的變化值[10]。

已知小型農田中種植的農作物分為兩大類：旱作物和水稻。根據《全國灌溉水有效利用系數測算分析技術指導細則》，在每次灌水前后，依據田地土壤滲透性，觀測農作物生長期土壤濕潤層的含水率和水層變化，計算凈灌溉定額。其中，旱作物凈灌水定額計算，需要利用土壤含水率變化量，計算結果為：

(3)

式中：g1i為第i塊灌區的凈灌水定額，m3/hm2；φ為灌區土壤干容重，φ水為水的容重，通常取值為1，g/m3；d為灌水期內，田地土壤濕潤層深度，mm；μq1、μq2分別為灌水前、灌水后田地土層的含水率，%[11]。

而水稻凈灌溉定額，是育苗水、泡田用水、生育期用水之和。其中，育苗水是培育水稻初始階段的固定需用水，可根據育苗總數量來確定；泡田用水是栽種水稻需要在田間灌注的水，根據經驗得知，水稻泡田水的使用量估計值為200 mm(2 025 m3/hm2)；而生育期用水，是大概在4月中下旬至9月中下旬期間，水稻生長所需的水。水稻農田在淹水灌溉下的凈灌水定額為：

(4)

當采用濕潤灌溉水稻農田時，其凈灌水定額與式(3)一致，因此在本環節不再列出。

綜合上述兩類農作物類型，計算水稻田的凈灌溉定額，結果為：

(5)

式中：gi為不同作物農田的凈灌溉定額計算結果。

再計算樣點灌區的年凈灌溉用水總量，公式如下：

(6)

式中：pi為同類型樣點灌區中，第i種農作物的凈灌溉定額；si為同灌溉類型中農作物的灌溉面積；M為農田田塊數量。

結合灌溉面積和所求結果，計算樣點灌區的年凈灌溉用水總量：

(7)

式中：Q凈為樣點灌區的年凈灌溉用水總量；m為j個樣點灌區中的農作物種類；n為樣點灌區測點數量；pij為所求的凈灌溉定額；sij為灌溉面積[12]。

根據上述計算所得的田間水相關參數，建立測算小型農田水利工程灌區中田間水利用系數的分析模型。

1.3 建立田間水利用系數測算分析模型

根據上文計算得到的不同類型、不同規模、不同管理水平以及不同工況的樣點灌區相關參數，采用點與面相結合的方式，將調查統計結果、觀測分析結果相融合，將微觀研究數據與宏觀分析評價結果進行對比，利用加權平均的理念，建立田間水利用系數測算分析模型，推算全區的小型農田水利工程灌區田間水利用系數[13]。已知灌區田間水利用系數是整個測算樣點灌區凈灌溉用水總量與毛灌溉用水總量的比值，結合式(1)和式(7)，得到有效利用系數σ：

(8)

根據測算地區實際情況，建立各類型樣點灌區的田間水利用系數分析模型，加權平均處理，得到大型灌區中的小型農田的田間水利用系數分析模型：

(9)

中型灌區的小型農田田間水利用系數分析模型為：

(10)

而小型灌區的小型農田田間水利用系數分析模型為：

(11)

而純井灌區灌溉工程中，小型農田灌溉水利用系數分析模型為：

(12)

式(9)-式(12)中，a、b、c、d分別為不同的灌區類型[14]。綜合上述公式，建立全區測算模型：

(13)

式中：Qa、Qb、Qc、Qd分別為4個測算樣點區域的年毛灌溉用水總量。

使用該模型測算全區域的灌區田間水利用系數，根據得出結果調整灌區的用水量，至此實現對小型農田水利工程灌區田間水利用系數的測算[15]。

2 實驗研究

提出對比實驗，將此次研究的測算方法作為實驗組測試對象，將根據文獻[2]、文獻[3]提出的兩種傳統測算方法，分別作為對照1組和對照2組測試對象。比較3個測試組的計算結果差異。

2.1 測試準備

將K省作為此次實驗研究對象，該省份中存在大型灌區、中型灌區、小型灌區以及純井灌區。圖1為10年間，該省份的小型農田水利用系數的變化情況。

圖1 測試地歷年田間水利用系數統計圖

根據圖1可知，前期田間水利用系數增長極慢，符合前期水利工程建設不完善、灌溉方式較為落后、水量損失較大的實際情況，因此浪費了大量水資源，使利用系數相對較小。經過國家政策幫助以及政府扶持，加之各項技術相對完善，使田間灌溉水被充分利用，減少了對水資源的浪費，因此利用系數逐漸提高增長速度，在后期，維持在一個相對穩定的范圍之間。圖2為實測地區某一區域的灌區實景圖。

圖2 灌區實景圖

已知該測試地涵蓋4種灌區類型。其中，中型灌區圖2(a)所示左側區域，根據圖2中農田布局可知，中型灌區中開墾了大量小型農田；圖2中右側為小型灌區所在區域，由多個小型農田組成。圖2(b)是大型灌區和純井灌區，該灌區中的農田同樣為小型農田。因此，根據實地調查得知，選擇的測試省份滿足對小型農田的測試要求。

2.2 測試與分析

分別利用3個測試組，綜合測算K省3類灌區中小型農田灌區田間水利用系數，其測算結果見圖3。

根據圖3中的測算結果可知，對照1組和對照2組中3處小型農田水利工程控制區的田間水利用系數的計算結果高度相似，而實驗組的3處測算結果并不一致。根據K省地質地形可知，該省位于板塊交界處，且土質之間存在較大差異性，因此3個不同灌區的利用系數，不可能高度相似。為了分析導致3組測試結果出現差異的原因，將3種測算方法計算所得數據統計到下述3組數據表中，見表2-表4。

圖3 田間水利用系數測算結果

表2 實驗組測算結果

表3 對照1組測算結果

表4 對照2組測算結果

根據表2中的測算結果可知，只有年凈灌溉用水量這一參數的計算結果存在較大差異，可見傳統測算方法分析模型在計算時，出現了一定程度的誤差，從而影響了同類型灌區田間水利用系數之間的差別。由此證實，此次提出的田間水利用系數的測算方法，其測算效果更真實。根據圖1給出的歷年利用系數變化曲線可知，近些年該地區將田間水利用系數發揮到0.55以上。而3個測試組中，只有實驗組的測試結果，更貼合K省實際數據，由此看出所提出方法的測算性能更好。

3 結 語

根據此次實驗研究發現，應用此次測算方法后得到的田間水利用系數，與實際值更貼近，可見該方法相對于傳統方法來說，有更好的測算性能。在今后的研究與分析中，還要進一步優化灌溉水利用系數測算方法，為城市灌溉區域的灌溉工程、節水改造工程提供更加詳細的數據。