瑪納斯河流域灌區(qū)間歇節(jié)水灌溉研究

周曉浩

(新疆白楊河流域管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

瑪納斯河流域平原灌區(qū)是我國第4大灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)和重要的棉花生產(chǎn)基地[1]，隨著新疆城市發(fā)展，水資源不合理的開發(fā)利用方式導致出現(xiàn)灌溉水資源效率低，水資源浪費，配置不合理等問題[2]。為延緩地區(qū)生態(tài)環(huán)境惡化，流域運用多重節(jié)水措施，包括工程措施、農(nóng)業(yè)措施、管理措施[3]。節(jié)水灌溉作為節(jié)水措施中最重要的一環(huán)，一直作為節(jié)水技術(shù)研究的核心課題被學者們研究。國外的節(jié)水灌溉技術(shù)起步較早，從早期的人為控制向智能控制轉(zhuǎn)型，如在美國灌溉水平較高的地區(qū)，開始利用“3S”技術(shù)獲取、傳輸、處理各類農(nóng)業(yè)灌溉信息[4- 5]。近年來隨著生態(tài)化建設(shè)的推進，國內(nèi)的節(jié)水灌溉技術(shù)也得到了一定的發(fā)展。司馬震[6]提出了基于水勢調(diào)控的農(nóng)田灌排節(jié)水增效控制方法，模擬農(nóng)田作物對水分影響情況，構(gòu)建基于水勢調(diào)控農(nóng)田灌排節(jié)水增效控制模型，揭示作物節(jié)水增效機理；楊波等[7]針對傳統(tǒng)節(jié)水灌溉系統(tǒng)用水率和灌溉效率低的問題，進行基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計研究；馬千雅[8]開展了管渠灌溉系統(tǒng)試驗研究，有效解決了水資源利用率不高的問題，緩解了新疆盆地農(nóng)業(yè)用水緊張；高金花等[9]用MatLab軟件計算由AHP-熵權(quán)法確定的綜合權(quán)重值，應(yīng)用線性加權(quán)法實現(xiàn)不同節(jié)水灌溉技術(shù)的綜合效益測度；菅毅等[10]基于TOPSIS方法，對比膜下滴灌、滲灌、地下滴灌和分根區(qū)交替地下滴灌4種節(jié)水灌溉方式作用，并得出交替地下滴灌的綜合效益最好。本文以瑪納斯河流域平原灌區(qū)為研究對象，以實施間歇灌溉新型節(jié)水灌溉技術(shù)為研究手段，建立了間歇灌溉運行模型，并確定了灌溉供水間隔和灌溉水量的計算模型。研究成果可為相關(guān)工程提供參考。

1 工程概況

從地理位置上來看，瑪納斯河流域主要處于準噶爾盆地南側(cè)，具體經(jīng)緯度分別是85°01′～86°32′E、43°27′～45°21′N。總長度和流域面積分別達到了324km、19800km2，包括清水河以及呼斯臺郭勒河2條支流，具體可以劃分為中高山區(qū)、低山區(qū)以及平原區(qū)，各個區(qū)域的基本特征如下所示。中高山區(qū)：海拔高程3500～5000m，較多的巖石裸露，受到氣候等因素的影響常年積雪，山體陡峭。冰川面積達到了1085km2，該區(qū)域保持了500～1000mm的年降水量，夏季降水較多，占比超過六成，以6—8月為主。中山區(qū)海拔高程1500～3500m，山巒疊嶂、溝谷縱橫，降雨充沛，植被發(fā)育，以云杉灌木為主。在氣候方面，全年溫度不高，最高、最低溫度分別是15℃、-10℃，分別為夏季、冬季，年氣溫均值保持在2℃上下。低山丘陵區(qū)：高程總體保持在500～1500m之間，主要包括佛子茅、三葉草等植被，覆蓋率接近于一半，受到植被稀少等因素的影響，水土流失問題嚴峻。平原區(qū)：上部為沖積洪積扇區(qū)，海拔高程380～600m，以礫石為主，上覆薄層壤土。下部為平原區(qū)，由南到北。年氣溫變化顯著，最高、最低分別是43.1℃、-43.2℃，均值保持在6～6.6℃之間。平原區(qū)內(nèi)良田萬頃、條田成行、渠路縱橫，一派綠洲景觀，盛產(chǎn)糧、棉。風積沙漠區(qū)：接近于古爾班通古特大沙漠，以典型的沙丘景觀為主，存在多種類型的植被，例如有沙拐棗等。

2 灌溉算法模型

本文所建立的灌溉運行管理模型是一個數(shù)學模型，用于確定灌溉用水的供應(yīng)間隔和灌溉水量，首先從規(guī)劃種植模式開始。在灌溉運行管理模型的開發(fā)過程中，除了種植計劃模式外，假設(shè)同一土壤類型的土壤處理方法和土壤物理性質(zhì)數(shù)據(jù)相同。水的供應(yīng)是基于土地中水的含量變化的，當水的含量值低于設(shè)定值時，水的供應(yīng)基于植物的年齡確定(見表1)。間歇灌溉供水量計算方法如下式：

ATn=ATn-1+In-1+HEn-1-ETn-1-Pn-1

(1)

ATn=ATn-1-Dn-1+HEn-1-ETn-1-Pn-1

(2)

式中，ATn—第n天觀測時的可用水量；ATn-1—第n-1天的可用水量；Dn-1—第n-1天的排水量；In-1—灌溉第n-1天的有效降雨量；HEn-1—灌溉第n-1天的有效降雨量；ETn-1—第n-1天的蒸散量；Pn-1—第n-1天的滲濾量；Kn—可用水量。如果ATn>Kn，取Dn；ATn

In=Kn-ATn

(3)

3 數(shù)據(jù)分析

本文進行的數(shù)據(jù)分析包括氣候條件分析，灌溉需水量的計算分析，以確定研究地點的氣候、含水量和滲透值。含水量和滲透值可基于土壤試驗獲得。在計算灌溉用水需求時，假設(shè)植物栽培期間一定時期的滲濾值相同。

Jensen(1968)提出了作物潛在蒸散發(fā)的概念，即在理想的農(nóng)作物灌溉條件下蒸散發(fā)的上限值，首次將潛在蒸散發(fā)引入農(nóng)業(yè)。潛在蒸散既是水分循環(huán)的重要組成部分，也是能量平衡的重要部分，它表示在一定氣象條件下水分供應(yīng)不受限制時，某一固定下墊面可能達到的最大蒸發(fā)蒸騰量，也稱為參考作物蒸散。本文采用的蒸散量計算公式如下：

ET0=p(0.46T+8.13)

(4)

式中，p—平均日照時數(shù)的百分比，其大小取決于緯度；T—是氣溫。灌溉需求量計算如下：

(5)

式中，Δθ—土壤水分的變化；Δt—時間的變化，d；R—降雨量，mm/d；Q—灌溉量，mm/d；Kc—植物系數(shù)；ETo—潛在蒸散量，mm/d；P—滲透量mm/d；Δz—根部區(qū)域的深度，mm。

瑪納斯河流域平原灌區(qū)一年內(nèi)的降雨量如圖1所示。由圖可知，該區(qū)域連續(xù)4次出現(xiàn)濕月(降雨量>200mm/m)，3次出現(xiàn)旱月(降雨量<100mm/m)，4～6次潮濕月份出現(xiàn)在12月、2月、3月和4月，而干燥月份出現(xiàn)在6月、7月、8月、9月和10月。4月降雨量最高，為282.45mm，7月降雨量最低，為11mm。

圖1 瑪納斯河流域平原灌區(qū)一年內(nèi)的降雨量

4 結(jié)果分析

灌溉網(wǎng)絡(luò)運行是指通過打開和關(guān)閉灌溉水分配量、收集數(shù)據(jù)、監(jiān)測和評估灌溉效率，來調(diào)節(jié)灌溉用水，從而有效、高效、均勻地利用灌溉水，也是編制種植計劃、建立群體系統(tǒng)、制定間歇灌溉運行管理模式的基礎(chǔ)性工作。本文根據(jù)當?shù)刈魑锾攸c，綜合土壤特性，對當?shù)?個季度的灌溉用水量進行了分析，其中每個季度分3組數(shù)據(jù)進行計算。第一季度每隔3d灌溉用水量如圖2所示。由圖可知，第3組灌溉用水量為1.19L/(s·ha-1)，第2組為1.29L/(s·ha-1)，第1組為1.43L/(s·ha-1)，第一組連續(xù)提供灌溉水為29次，第2組27次，第3組30次。第二季度每隔3d灌溉用水量如圖3所示。由圖可知，第3組灌溉用水量為1.38L/(s·ha-1)，第2組為1.38L/(s·ha-1)，第1組為L/(s·ha-1)，第一組連續(xù)提供灌溉水為29次，第2組28次，第3組29次。第三季度每隔3d灌溉用水量如圖4所示。由圖可知，第3組灌溉用水量為1.10L/(s·ha-1)，第2組為1.14L/(s·ha-1)，第1組為1.03L/(s·ha-1)。總之，在同一個季節(jié)，不同群體之間的灌溉水供應(yīng)存在差異，這是由于不同群體在種植季節(jié)開始時的差異，以及土壤特性的差異，這些差異會影響土地上水分有效性的下限設(shè)定值，但與1L/(s·ha-1)的常規(guī)灌溉水相比，間歇灌溉水的需求更少。

圖2 第一季度每隔3d灌溉用水量

圖3 第二季度每隔3d灌溉用水量

圖4 第三季度每隔3d灌溉用水量

5 結(jié)論

為提高瑪納斯河流域平原灌區(qū)水資源有效利用率，本文建立一種間歇灌溉新型節(jié)水灌溉模型。該模型考慮了灌區(qū)的作物種植模式、植物的年齡、研究地點的氣候、土壤含水量和滲透值等多種因素，可以較為精確地確定灌溉用水的供應(yīng)間隔和灌溉水量。最后通過對該地區(qū)3個季度的灌溉用水量進行分析表明，與1L/(s·ha-1)的常規(guī)灌溉水量相比，本文提出的間歇灌溉方法的水需求更少，灌溉效率更高，能夠在該地區(qū)進行推廣應(yīng)用。但由于不同群體之間的灌溉水供應(yīng)存在差異，會影響土壤水分的下限設(shè)定值，因此建議平均群體之間的供水量從而保證灌區(qū)供水效率。