寧夏漢延渠灌區灌溉水利用系數測算分析與評價

姬小敏 唐 蓮 張紅玲

(1.寧夏大學土木與水利工程學院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏回族自治區水利科學研究院，寧夏 銀川 750021；3.旱區現代農業水資源高效利用教育部工程研究中心，寧夏 銀川 750021；4.“旱區現代農業水資源高效利用”教育部創新團隊，寧夏 銀川 750021)

我國西北內陸地區水資源匱乏，水資源利用效率較低，因此，在減少灌溉用水的情況下提高農業用水效率，進而達到節水的目的，是西北地區農業、生態環境、水資源、土地資源健康發展的重要課題。近年來，許多學者對灌溉水利用系數進行了研究，王景山等[1]采用首尾測算法求出樣點灌區的灌溉水利用系數，進而得到灌區整體的平均灌溉水利用系數；張鵬程等[2]通過對比分析，推薦使用首尾法對寧夏灌區灌溉水利用系數進行測算；申佩佩等[3]分析了首尾測算法和分段測算法的優缺點；杜斌等[4]提出在合理灌水定額下，冬灌可以提高灌溉水利用系數；張玉順等[5]以河南省為例，采用首尾測算法對112處樣點灌區的灌溉水利用系數進行測算，取得的研究成果對現有水資源利用及研究具有重要的現實和指導意義。

寧夏位于西北干旱區，氣候特點干旱少雨，水資源十分匱乏，水資源人均占有量不及全國平均水平的1/10，農業在經濟、社會中占有重要的位置，引黃灌區是維系寧夏農業和生態發展的命脈，2019年農業灌溉用水量占寧夏水資源總量的84.8%，2019年寧夏灌溉用水有效利用系數0.494，低于全國平均水平[6-7]。本文在“系數連乘法”(以下簡稱連乘法)和“首尾測算分析法”(以下簡稱首尾法)大量研究成果基礎上，選取寧夏漢延典型渠段和樣點灌區，計算分析了兩種方法得出的2018年、2019年漢延灌區灌溉水利用系數，計算成果可為灌區水資源優化配置利用和現代化節水型灌區建設提供一定的參考[8-12]。

1 材料與方法

1.1 研究區自然概況

漢延渠位于寧夏西北干旱帶，是河西灌區最古老的干渠之一[13]。漢延渠灌區承擔著興慶區、永寧縣、賀蘭縣、青銅峽市的13個鄉鎮、74個行政村及4個農場的灌溉任務[14]。

漢延渠灌區范圍內干旱少雨，降雨主要集中在6—8月，多年平均降水量約為164mm，蒸發強烈，風大沙多，氣溫變化大，日溫差大，多年平均氣溫8.7℃。灌區內太陽輻射大，年太陽總輻射141.7kcal/cm2，光能資源豐富，日照長，光照充足，溫差也大，更適合于有機物質的合成，適宜農產品的生長。灌區為黃河沖積物沉積而成，地勢平緩，土壤以砂壤為主，土壤自然肥力較好，依附黃河水灌溉，生產力水平較高。

1.2 試驗處理

根據漢延渠灌區渠道級別、土壤質地、渠道襯砌管理水平、工程狀況等因素，依據“連乘法”灌溉水利用系數測算要求，綜合考慮選取代表性渠段。選擇干渠段1條、下級典型支渠2條及其下級斗渠各2條、農渠各4條；“首尾法”測算系數值參考《寧夏農田灌溉水有效利用系數測算成果報告》，結合漢延渠灌區續建配套與節水改造工程實施情況，選取漢延渠唐鐸至通橋段作為典型干渠段，在漢延渠灌區的上中下游，分別布設監測點位，在每一監測點位對種植面積大于10%的作物全部布設監測田塊，同一作物布置3塊監測田，共布設典型田塊30個。

1.3 分析方法

“首尾法”計算灌溉水利用系數計算公式如下[15-16]：

(1)

式中：ηw為灌溉水利用系數；Wj為凈灌溉用水量，m3；Wα為毛灌溉用水量，m3。

“連乘法”計算灌溉水利用系數即各級渠道的渠系水利用系數與田間水利用系數連乘的乘積，計算公式如下：

η灌=η渠系η田

(2)

(3)

式中：η灌為灌區田間水利用系數；η田i為不同作物田間水利用系數；Ai為作物i在灌區內種植面積，畝；∑Ai為不同作物各自灌域的種植面積加權，畝。

η渠系=η干η支η斗η農

(4)

式中：η干、η支、η斗、η農為灌區各級渠道的渠系水利用系數。

1.4 灌區灌溉水量及種植結構

漢延渠灌區引水主要為黃河水，部分高效節水及設施蔬菜采用地下水進行灌溉。灌區引水主要用于農業灌溉及濕地、湖泊、魚池的補水，2018年、2019年年引水量分別為3.8301億m3和3.5925億m3。

漢延渠作物種植結構及灌溉面積變化見表1。

表1 漢延渠作物種植結構及灌溉面積變化

2 測算結果分析

2.1 “連乘法”測算

2.1.1 渠系水利用系數

2018年、2019年對各級渠系進行測量，其中干渠完成23測次、支渠27測次、斗渠34測次、農渠64測次，通過測算得到漢延渠各級渠道渠系水利用系數見表2。

表2 各級渠道測次和渠道水有效利用系數測算

2.1.2 典型田塊田間水利用系數

根據典型田塊田間水利用系數的測算結果，對不同作物種植面積加權平均計算灌區田間灌溉水利用系數為0.854，具體計算結果見表3。

表3 漢延渠典型田塊田間灌溉水利用系數測算

2.1.3 典型灌域灌溉水有效利用系數

典型灌域灌溉水利用系數以渠系水利用系數乘田間水利用系數，公式如下：

(5)

2.2 “首尾法”測算

2.2.1 灌溉水有效利用系數測算成果

根據“首尾法”，2018年和2019年灌區灌溉水利用系數測算對比結果見表4。

表4 2018年和2019年漢延渠灌區灌溉水有效利用系數測算對比結果

根據式(1)計算得2018年、2019年年灌溉水利用系數為0.464、0.468。

2.2.2 “首尾法”測算灌溉水利用系數變化分析

依據《寧夏水利科學研究院灌區渠系水利用系數測算成果》，漢延渠灌區2013—2019年渠系水利用系數見圖1。由圖1可以看出，2013—2019年，基于“首尾法”的計算結果，漢延渠灌區的灌溉水利用系數成緩慢增長的趨勢，2019年較2013年提高了0.102。究其原因：一方面是由于灌區的作物種植不斷優化和穩定，減少了灌溉用水量；另一方面是由于渠系砌護改造，減少了滲漏損失，渠系水利用系數得以提高。

圖1 漢延渠灌區灌溉水有效利用系數2013—2019年變化趨勢

2.3 不同測算方法結果對比分析

采用典型渠段“連乘法”和“首尾法”對漢延渠灌區灌溉水利用系數進行測算，從結果來看，兩種測算方法計算灌溉水利用系數結果有差異，“首尾法”計算出的農田灌溉水利用系數大于典型渠段“連乘法”的測算結果。

2.3.1 測算方法對比分析

從測算方法來分析，傳統 “連乘法”，通過系數連乘的方法得到灌溉水利用系數，首先測得不同級別典型渠道的渠系水利用系數，加權平均得到灌區各級渠道的渠系水利用系數，再乘以典型田塊的田間水利用系數，這種方法能充分體現灌區各級渠系、田間用水的有效利用性，可綜合反應不同級別渠道和田間水的灌溉水利用情況，直接反應灌溉水在輸、配水和灌水過程中的損失，能夠指導灌區對渠道的防滲、襯砌和田間的節水灌溉等具體工作。但其工作量大、耗時耗力、測量條件要求嚴格、不易操作、準確性較差，致使測定結果往往可信度不高[17]。

“首尾法”是根據灌溉水有效利用系數測算的過程和實質，人為概化而來的一種測算方法，能夠提高灌溉水利用系數精度的要求，測量結果更接近實際，測量方法簡單，工作量小且耗時耗力少[18]。寧夏目前采用最多的就是“首尾法”，即通過測算黃河取水口取水量和田間凈用水量來計算灌區灌溉水有效利用系數，可對灌區整體灌溉水平進行評價，提出灌區灌溉水利用系數影響因素。

2.3.2 不同測算方法測算系數值分析

典型渠段應用“連乘法”測算漢延渠灌溉水利用系數為0.366，而“首尾法”測算漢延渠灌溉水利用系數2018年為0.464、2019年為0.468，首尾測算法計算結果較典型渠段測算結果偏大。首先，典型渠段測試各級渠道水利用系數僅為各級渠道尺度下的流量或水量測算數值，而對較大尺度的影響無法計量，首尾測算法從全灌區尺度測算，其對不同尺度的回歸水、棄水通過實際灌溉面積的統計可綜合計入，故首尾測算法在大尺度下對凈灌溉水量的統計更加全面，在一定程度下其凈灌溉水量的測算大于典型渠段測算。其次，典型渠段法通過干、支、斗、農、田間不同尺度灌溉水利用系數逐級測算，從測算結果來看干渠灌溉水利用系數為0.876、支渠灌溉水利用系數為0.765、斗渠灌溉水利用系數為0.762、農渠灌溉水利用系數為0.840、田間灌溉水利用系數為0.854，渠道水利用系數為干渠>田間>農渠>支渠>斗渠，分析原因，其值與渠道輸水流量、灌溉工程布置、種植結構調整、測量儀器精度、人為因素等有關，其測算結果精度有待進一步驗證。

3 結 語

本文選取漢延渠典型渠段和樣點灌區，采用“連乘法”和“首尾法”，計算出寧夏漢延渠灌區2018—2019年的灌溉水利用系數，并對其進行對比分析。通過傳統“連乘法”測算得漢延渠灌區灌溉水利用系數為0.366；而“首尾法”測算得漢延渠灌區灌溉水有效利用系數2018年為0.464，2019年為0.468。經對比分析，“首尾法”從全灌區尺度測算，對不同尺度的回歸水、棄水通過實際灌溉面積的統計計入，在大尺度下對凈灌溉水量的統計更加全面。灌溉水利用系數差別的可能因素是受渠道輸水流量、種植結構、灌溉工程布設等對灌溉水利用系數的影響。且“首尾法”的測算結果更加接近實際，與國內眾多學者的分析相吻合，測量方法也較簡單，工作量小、耗時耗力少。因此，采用“首尾法”對寧夏農業灌溉用水有效利用系數進行測算分析比較適宜。