農田水利工程灌溉用水利用系數測算

李旭東

(巴州天寶水利工程設計有限公司，新疆 庫爾勒 841000)

1 概 述

伴隨我國水資源緊缺現狀越發嚴重，水資源合理規劃和高效利用十分重要[1]。按照現有的水資源使用配比情況，農田水利工程灌溉用水比例高達75%，且具備水資源利用效率低特點，造成的水資源浪費情況較為嚴重。為此，農田水利工程用水的合理開發與高效利用對節省水資源尤為重要[2-4]。灌溉用水利用系數可用于表征灌溉用水效率，體現灌溉工程狀況、灌溉技術水平以及用水管理水平等，是作為農田水利工程灌溉用水利用程度和灌溉節水潛力的正確評價指標，在區域農業水資源管理和節水灌溉發展效果評價中發揮重要作用[5-6]。

為貫徹我國水資源管理制度，充分挖掘農田水利工程的節水潛力，科學有效指導灌溉用水節水改造，提出農田水利工程灌溉用水利用系數測算方法，通過選取灌溉區樣點和樣點典型田塊，觀測樣區灌溉水量，采用首尾測算法獲取農田水利工程灌溉用水利用系數，全面掌控農田水利工程用水情況，為農田水利工程優化提供可靠依據[7]。

2 灌溉用水利用系數測算方法

2.1 灌溉區樣點選擇

根據農田水利工程灌溉面積分布和灌溉區節水改造情況，遵循代表性和可行性的原則，選取灌溉區樣點[8]，選取原則為：

1)灌溉區代表性。依據農田水利工程所在水系流域特點，結合水利普查統計結果，選擇降雨量、土壤類型、農作物種植比例等因素均具備顯著代表性的區域為灌溉區樣點[9]。

2)灌溉面積和作物代表性。根據農田水利工程用水性質，將灌溉區域劃分為水旱輪作、菜田等類型，依照不同作物的面積分布情況，選擇各類型的灌溉區樣點。

3)灌溉區軟件硬件水平代表性。軟件水平包括由管理人員配置、規章制度等構成的組織管理機構，由節水灌溉模式、節水模式面積和比例等構成的節水灌溉技術，以及依照等級測試評估管理水平；硬件水平有渠道襯砌率、相關建設配套率，以及工程的節水灌溉工程面積等。

在有效保障灌溉區樣點選擇的代表性基礎上，以具備一定技術力量和量測條件的灌溉區測試可行性為原則，進行灌溉區樣點選擇[10-11]。

2.2 灌溉區樣點灌溉水量觀測

1)毛灌溉用水量觀測。采用電量估算法和手持式聲學多普勒流量計等測定方法，通過多次測量構建水位-流量關系曲線，并實施定期率定[12]。

2)凈灌溉用水量觀測。采用水位變化法和水量平衡法計算凈灌溉用水量。

水位變化法：水位變化法測算公式為：

li=le-ls

(1)

其中：li、le、ls分別為所灌溉水的深度、灌溉結束和灌溉開始時的田面水深，mm。

水量平衡法：作物的凈灌溉用水量由泡田水量、蒸發量和滲透水量組成，作物全生命周期內的凈灌溉定額Y的計算公式為:

Y=ETc+Fd+Yo-Pe-Ge

(2)

其中：ETc、Yo分別為作物蒸發量、作物的泡田定額；Fd、Pe、Ge分別為作物全生命周期內的滲透水量、有效降水量、地下水利用量，mm。

2.3 樣點典型田塊選擇

灌溉區樣點典型田塊選擇依據樣點的地輪廓、面積、作物種類、灌溉方式的代表性以及進出口有量水設施情況，以獲取田塊在單位面積下的平均凈灌溉用水量為目的，其獲取方式包括直接測量法和觀測分析法兩種[13]。

1)直接測量法。在獲取田塊每次灌水前后的土壤含水率基礎上，采用式(3)計算獲取田塊在單位面積下的平均凈灌溉用水量：

(3)

式中：βg1、βg2分別為田塊灌前、灌后的土壤含水率；ζ為土壤容重，g/cm3。

2)觀測分析法。在獲取田塊面積和田塊進、排水量基礎上，采用式(4)計算田塊在單位面積下的平均凈灌溉用水量：

(4)

式中：Q進、Q出分別為田塊進、排水量，m3/hm2；B田為田塊面積，hm2。

直接測量法適用于大中型灌溉區樣點，觀測分析法可有效針對設備不足等情況的小型灌溉區樣點，采用水量平衡方程確定凈灌溉定額[14]。

2.4 農田水利工程灌溉用水利用系數測算

利用灌溉區樣點典型田塊為代表，采用雙作物系數法劃分作物蒸發量為作物蒸騰和土壤蒸發，利用水量平衡方程計算作物凈灌溉定額[15]。每種作物單位面積田塊的平均凈灌溉定額Qi計算公式如下：

(5)

式中：Q田凈,i、B田i為田塊i在單位面積下的年平均凈灌溉用水量(m3/hm2)及田塊i的面積大小(hm2)。

同一灌溉區樣點區域內作物的凈灌溉定額Q樣凈計算公式為：

(6)

其中：m、Bi分別為灌溉區樣點田塊數量、樣點區域內的作物面積，hm2。

利用灌溉樣區j內作物的凈灌溉定額Q樣凈,j，采用首尾測定法測算灌溉區樣點的灌溉用水利用系數ηj，公式如下：

(7)

其中：Qa,j為灌溉區樣點j的渠首引入水量。

在有效獲取樣點j灌溉用水利用系數ηj基礎上，根據灌溉區樣點的灌溉面積的加權平均獲取農田水利工程的灌溉用水利用系數η，公式如下：

(8)

式中：Ba、N為農田水利工程的總灌溉面積、總樣點數量。

3 實例分析

3.1 測算結果分析

以江蘇省某農田水利工程為例，驗證本文方法的有效性。該地區的年降水量均值為1 358.5 mm，10年內的最大、最小年降水量分別為1 749.5和680.2 mm。降水量主要集中在5-9月份。年平均蒸發水量為850.5 mm。該地區的農田水利工程體系較為成熟，主要以防洪排澇為主的引水排水實現農田水利工程的抗旱灌溉。該地區的灌溉區樣點選擇具有代表性，且滿足水利部門發布的《全國灌溉水有效利用系數測算分析技術指導細則》標準，研究區2018年灌溉區樣點的數量和面積占比情況見表1。

表1 灌溉區樣點的數量和面積所占比例

充分考慮灌溉區樣點的代表性，在研究區農田水利工程中選取3個大型灌溉區，分別命名為A1-A3；8個中型灌溉區，分別命名為B1-B8；4個小型灌溉區，分別命名為C1-C4；5個純井灌溉區，分別命名為D1-D5。采用本文方法測算獲取的2018年各灌溉區的灌溉用水利用系數,結果見表2。

分析表2所示的研究區2018年各灌溉區的灌溉用水利用系數結果可知，本文方法可有效測算農田水利灌溉用水利用系數。其中大型、中型、小型、純井灌溉區的灌溉用水利用系數分別為0.567 8、0.570 3、0.600 1和0.814 6，由于渠道干支渠部分損失導致大型灌溉區和中型灌溉區的灌溉用水利用系數偏小；而小型灌溉區和純井灌溉區的在輸水過程中的損失水量較小，計算得到的灌溉用水利用系數偏大。利用灌溉區樣點灌溉面積加權法計算出江蘇省2018年的農田灌溉用水利用系數均值為0.637 2，相比該地2017年農田灌溉用水利用系數均值0.615 8和2016年農田灌溉用水利用系數均值0.602 2均有所上升。表明江蘇省對農田水利工程的改造顯著提升了渠系防滲效果，有效提升了水資源的利用率。

表2 各灌溉區的灌溉用水利用系數測算結果

3.2 不同因素對灌溉用水利用系數的影響分析

3.2.1 不同水源類型對灌溉用水利用系數的影響

以江蘇省的大型、中型、小型灌溉區為研究區域，研究不同水源類型對灌溉用水利用系數的影響，結果見圖1。

圖1 水源類型對灌溉用水利用系數的影響結果

從圖1可以看出，同一規模灌溉區內，不同水源類型對農田灌溉用水利用系數的影響有所差異。其中大型灌溉區中，提水灌溉區比自留引水灌溉區的農田灌溉用水利用系數高0.003 3；中型灌溉區中，提水灌溉區比自留引水灌溉區的農田灌溉用水利用系數高0.002 7；小型灌溉區中，提水灌溉區比自留引水灌溉區的農田灌溉用水利用系數高0.002 1。通過上述數據可以看出，提水灌溉區相比自留引水灌溉區的農田灌溉用水利用系數高，原因在于相對于自留引水灌溉區，提水灌溉區的運行費用較高，其較高的提水成本會讓農民對用水管理更加重視；相反，自留引水灌溉區運行成本低、水資源取用方便管理相對較為寬松，造成農民的水資源浪費現象嚴重，因此自留引水灌溉區的農田灌溉用水利用系數相對較低。

3.2.2 不同土壤類型對灌溉用水利用系數的影響

為避免灌溉渠規模影響，以江蘇省的中型灌溉區中8個灌溉區樣點中6個氣候因素相近的灌溉區樣點為研究對象，研究不同土壤類型對灌溉用水利用系數的影響，結果見表3。

表3 不同土壤類型對灌溉用水利用系數的影響

從表3中可以看出，灌溉區樣點B2的土壤滲透強度比B3小0.125 mm·d-1，其農田灌溉用水利用系數比B3高0.044 0；灌溉區樣點B4的土壤滲透強度比B6小0.317 mm·d-1，其農田灌溉用水利用系數比B6高0.022 5；灌溉區樣點B7的土壤滲透強度比B8大0.085 mm·d-1，其農田灌溉用水利用系數比B6低0.039 0。綜上可知，土壤滲透強度越大，其農田灌溉用水利用系數越小，二者呈顯著負相關。原因在于，水資源輸送過程中，土壤滲透強度越大，水資源的滲漏現象越嚴重，農田作物吸收到的水資源越少，因此導致農田灌溉用水利用系數減小。

4 結 論

隨著水資源的日漸緊缺，水資源利用效率成為農業發展的關注重點，科學的灌溉用水利用系數計算，可通過合理的水資源配置，顯著提升水資源利用率。以江蘇省某農田水利工程為例，驗證本文方法有效性，實驗結果如下：

1)本文方法可有效測算農田水利灌溉用水利用系數。其中大型、中型、小型和純井灌溉區的灌溉用水利用系數分別為0.567 8、0.570 3、0.600 1和0.814 6。江蘇省2018年的農田灌溉用水利用系數均值為0.637 2，相比2017和2016年分別提升0.021 4和0.035 0。

2)不同水源類型對灌溉用水利用系數的影響為：提水灌溉區的農田灌溉用水利用系數高于自留引水灌溉區；不同土壤類型對灌溉用水利用系數的影響為：土壤滲透強度越大，農田灌溉用水利用系數越小。