農田水利工程灌溉用水效率系數測算方法研究

計利剛

(云南省農業工程研究設計院，云南 昆明 650000)

在農業水利工程中,水資源消耗量最大的項目就是灌溉用水，也就是通過人工供給的方式為農作物、林草的生長提供充足的水量[1]。為了保證農作物生長正常的情況下，減少灌溉用水量，需要在一定程度上提升農田水利工程的灌溉用水效率。灌溉用水效率指灌入田間能夠被作物利用的水量與灌溉系統在渠首取用的灌溉用水總量的比值，用水效率直接反映了水利工程的運行狀況、灌水技術水平，對于管理農田水利工程具有重要意義。

目前對于灌溉用水效率系數的測算方法主要采用的是水利部門推薦的首尾測算分析方法，該方法雖然可以解決傳統方法對人力與物力的消耗問題，但依舊由于測算工作量大、測試條件難以保證等因素，導致最終得出的測算結果存在較大誤差。為了解決上述用水效率系數測算方法存在的問題，在現有測算方法的基礎上進行優化設計，以期能夠為農田水利工程的管理提供有價值的參考數據。

1 農田水利工程灌溉用水效率系數測算方法設計

在農田水利工程背景下，通過對灌溉區域的資料分析，分別測算灌區土壤、用水量等參數，并利用量水設備得出用水效率系數的最終測算結果。與傳統測算方法相比，設計優化方法設置的灌區數量更多且用水效率相關參數量更多，因此得出的測算結果考慮因素更加全面，即測算結果精度更高。

1.1 選擇農田水利工程灌區

在考慮灌區的自然條件、水利工程條件、灌區面積和類型、灌溉渠防滲水平等因素的前提下，盡量使樣點灌區能基本反映研究灌區整體特點，具有良好的代表性[2]。針對農田水利工程灌區不同的規模選擇合適的灌區樣本，具體的灌區類型選擇依據見表1。

表1 農田水利工程灌區樣本選擇依據

在灌區選擇原則的約束下，按照表1的數量要求，以抽樣選擇的方式得出農田水利工程灌區的選擇結果，并了解樣本區域范圍內的水源類型、農作物種植結構、地形地貌等自然條件。

1.2 設置農田水利工程灌區田塊樣點

以方便獲取田塊在單位面積下的平均凈灌溉用水量為目的，在選擇的農田水利工程灌區內設置田塊樣點。要求田塊樣點的面積要適中，邊界清晰，形狀規則[3]。為方便田塊樣點用水數據的觀測，測試田塊測點布置如圖1所示。

圖1 測試田塊測點布置示意圖

從圖1中可以看出，地下低壓管灌單井控制區地下水井一般設置在控制區一角，安裝在井室內，通過1條干管連接到田間輸水。干水管按控制區的大小設置幾條支管向田間輸送水，在每個支管上安裝多條滴灌帶，保證正常進行灌溉任務。在試驗田塊中，不分階段灌水取其支管控制域[4]。試驗場地的上下各設1個土壤水分觀測點。對低壓管灌來說，科學對照試驗點布置試驗點，選擇固定試驗塊，每次實施灌水之前，都要測定灌前土壤含水率，每1次灌水都要根據試驗田塊土壤上田間持水率的90%計算出所需灌溉的水量，水井的單位出水量可由觀測得到，作物灌溉生育期的灌水量是確定的，因此可以計算每次灌水所需的灌水時間。

同理在灌區內選擇斗渠研究對象，需要斗渠的大小、長度適宜，渠首兩側的排水設施應盡量齊全。該斗渠應具備能覆蓋整個灌區種植的主要農作物的功能，大、中、小3種灌區內設置斗渠的數量都是均為2條。

1.3 測定田塊的面積及土壤基本物理參數

利用全站儀測量確定農田水利工程灌區田塊的樣點面積，在田塊的樣點位置安裝全站儀，并進行面積測量。在樣片邊緣的起點上豎立帶棱鏡的對中桿，全站儀對準棱鏡，測得該點的坐標。用全站儀按一定的方向將測量設備迅速移到田塊的邊緣，并用全站儀測量坐標。當接近第1個點的最后1個角后，測量該點坐標，點擊全站儀中的功能鍵，結束測量并以可視化的方式顯示田塊面積的測量結果[5]。農田土壤的基本物理參數主要以土壤水分含量為主，在每次灌水前1天和之后，分別采取土樣按每層厚度15cm取4層土樣，每層取兩個測點進行平行測定，采用烘干法測定不同點的土壤水分含量。在實際的測定過程中，將選取的土樣進行稱重，并記錄此時的樣品質量記為Mfront，接著將該土壤放置到烘干設備中，設置烘干溫度為180℃，烘干時間為3min。將烘干處理完成的土壤重新進行質量測量，此時得出的稱重數據記為Mafter，則目標土壤的含水率記為Mfront與Mafter的差值與Mfront的比。同理可以得出田塊中所有土層深度的含水率測定結果，其平均值即為土壤含水率的最終測定結果[6]。

1.4 量水設備選型

水資源計量設備或設施種類較多，其應用要符合渠道條件和流量狀況。因此，在進行灌溉水有效利用系數測算分析工作中，量水設備或設施的選擇應遵循以下原則和要求：量水設備應與渠道的過流能力相適應，與渠道的水流流態相適應，并適應一定范圍內水流的變化。其產生的水頭損失要盡可能小，力圖不使上游產生較大的淤積，下游不發生沖刷[7]。流量測量的范圍應盡可能大，以滿足渠道流量變化的要求。量水設備或設施應具有足夠的靈敏度，能夠準確、及時地感覺到水量的變化。最終選擇滿足上述條件的HD6685型號的量水器，其基本結構如圖2所示。

圖2 量水設備結構圖

圖2表示的量水設備只能檢測出流動狀態的灌溉用水，對于農作物中以及土壤中吸收的水無法利用該設備直接計量。

1.5 確定田間水相關觀測參數

為了更好地理解農田土壤水分的動態變化規律，建立農田水利工程區域內任意時段的降水量、地下水補水量等要素之間的相互轉化關系，并建立水平衡方程進行描述與計算[8]。農田灌區內水量平衡示意圖如圖3所示。

圖3 農田水利工程灌區水量平衡示意圖

圖3對應的水平衡方程為：

λNet+λrain+Δλground=λETc+λleakage+Δλlayer+Δλdrainage

(1)

式中，λNet—灌溉用水總量；λrain—有效降水量；λETc—農作物蒸發量；λleakage—田間滲透量；Δλground—地下水補給量；Δλlayer—土層蓄水量；Δλdrainage—地表排水量[9]。

在充分灌溉條件下，區域降水和作物蒸發是影響農業灌溉用水效率的主要因素，在充分灌溉條件下，蓄納稻格田的降雨均為有效降雨。農作物有效降水量與降雨量、雨前水深以及作物生育期水深等因素有關[10]。作物蒸發量就是農作物生長過程中葉片、枝葉等部分呼吸作用散發的水分，田間水相關觀測參數有效降水量和作物蒸發量的計算公式如下：

(2)

式中，λrain-0—一次降水量；hi—降水前的水深；hmax—農田灌區水深的最大控制標準；KCi—不同作物生長期間的作物系數；ET0i—灌區日參考作物蒸發量。由此可以計算得出不同灌區測點位置上的觀測參數計算結果。

1.6 觀測農田水利工程灌溉用水量

由于不同灌區使用的灌溉方式不同，因此分別從毛灌溉、凈灌溉兩個方面進行用水量計算。毛灌溉主要就是井灌區灌溉，可以在每個井出口設立水量觀測點，利用超聲波檢測井出水口流量，計算出一次灌溉總水量。而對于大、中、小3種類型的灌區樣點灌溉用水量的觀測，則采用直接測量法和觀測分析法[11]。在考慮灌區土壤與作物生長狀態的情況下，將凈灌溉用水量分為泡田期灌水量和水稻生育期灌溉水量，其中泡田期灌水量的計算公式如下：

λBubble=103β±H(μ0-μ1)+H0

(3)

式中，H—作物底層深度；H0—作物種植期間所需水層深度；β—指定深度位置上的土壤容重；μ0—土壤的初始含水率；μ1—測算期間土壤的平均含水率。而水稻生育期農田水利工程灌溉的用水量為：

(4)

1.7 統計灌溉用水損失量

灌溉用水損失主要包括滲漏和排水兩個部分，農作物因經常保持一定的水深，因此水分將以滲透形式流失，田間田間滲漏是水作物間耗水量的主要組成部分之一。適度的大田滲水可增加土壤氧化程度，排除還原性物質過多，但過多的田間滲水會使作物水分和養分大量流失。隨著地下水埋深的增加，作物水層深度的大小降低了作物水層的滲透量，農田中的滲水量也隨之增加[12]。在實際的測定過程中，利用農田水利工程灌區田塊樣點中設置的蓄水設備，通過計算灌溉前后蓄水設備中的水位差得出滲漏量統計結果。而排水量的測算主要利用選擇的量水設備，通過對顯示數據的讀取直接得出，最終得出的兩者之和即為以此灌溉后的用水損失量計算結果。

1.8 實現農田水利工程灌溉用水效率系數測算

根據灌溉用水效率系數的定義，灌溉系數的計算結果可以看作是灌入農田中能被作物吸收和利用的水量與從水源引出的灌溉總量之間的比值，具體的測算結果可以表示為：

(5)

式中，λGross—毛灌溉觀測結果。將相關數據以及公式3和公式4的計算結果代入到公式5中，便可以得出最終的農田水利工程灌溉用水效率系數測算結果。

2 實證分析

為了測試設計農田水利工程灌溉用水效率系數測算方法的測算性能，以某農田水利工程項目作為研究背景進行實證分析。實驗設置基于首尾測算法的系數測算方法作為實驗的對比方法，在相同的實驗環境和實驗條件下，體現出設計方法的性能優勢。

2.1 農田水利工程項目概況

所選農田水利項目的施工地理位置為云南某地，其中農田水利建設項目土地資源807.75km2，土地類型包括耕地、草地、林地，地下水資源總量為244.20km2。在農業灌溉工程中，農作物覆蓋率達83.7%，種植作物種類有水稻、小麥、旱糧、玉米、大豆、花生等20種。

2.2 設置灌區數量與分布

遵循灌區和田塊樣點的選取原則，在選取的農田水利工程項目區域內選擇10個樣點灌區進行測試，包含大、中、小和純井灌區4種類型，具體的樣點灌區研究對象選擇結果見表2。

按照表2的設置情況，形成實證分析的多個組別，通過對多個組別用水效率系數測算結果的分析來保證實驗結果的可信度。

表2 實驗樣點灌區設置表

2.3 準備灌溉用水數據樣本

需要準備的用水數據樣本主要包括農田水利工程的實際灌溉用水量、測算期間的降水量以及水蒸發量。其中降水量和水蒸發量可以利用硬件設備直接測量得出，由于設置的所有樣點灌區均屬于同一個水利工程項目，因此各個研究區域的降水量和蒸發量均相同，經過數據的讀取得出數據樣本的統計結果，如圖4所示。

圖4 水蒸發量與降水量樣本數據統計圖

另外通過人為添加的方式確定各個測點區域的凈灌溉和毛灌溉用水量，將數據樣本代入到公式5中，并將灌溉用水效率系數的計算結果作為真實值，用來驗證測算結果的精準度。

2.4 設置測算效果測試參數

根據實驗目的設置用水效率系數測算誤差作為實驗的量化測試指標，其數值結果為：

ε=|δact-δcal|

(6)

式中，δact—用水效率系數的實際值；δcal—用水效率系數的測算值。在實際的測試過程中，計算得出ε的值越小證明對應測算方法的性能越好。

2.5 實驗過程與結果分析

將準備的農田水利工程數據樣本分別代入到設計系數測算方法及對比測算方法中，經過相關參數的計算得出最終的測算結果見表3。

將表3中的數據代入到公式6中，可以得出基于首尾測算法的系數測算方法的平均測算誤差為0.0025，而設計方法的平均測算誤差為0.0006，由此可見設計方法的測算誤差遠低于對比方法，即設計方法的測算精度有所提升。

表3 灌溉用水效率系數的測算結果數據表

3 結語

通過本文的實驗結果得出，利用用水效率系數測算方法實施農田水利工程灌溉用水測算工作不僅能夠大幅提高測算性能，而且其準確性亦可得到保證。

農業作為我國水資源的“消費大戶”，每年用于農業生產的水量占比較大，而農業灌溉作為農業生產中消耗水資源的重要環節，國家和各級政府都在保證農業生產正常進行的前提下，千方百計地控制和降低農業灌溉用水量。農田水利工程灌溉用水效率測算工作作為評價用水效率的重要途徑，其測算方法的簡便性和測算成果的準確性等將直接影響到相關農田水利節水設施的后評價工作。