渠井結合灌區多尺度灌溉水利用效率評價

李星瑜，陳欣欣

（河南省開封水文水資源勘測局，河南 開封 475000）

0 引言

灌區不僅僅是糧食生產的主要基地，在中國經濟和現代農業發展中灌區也有著舉足輕重的地位。但因引水量有限，多采用渠井結合的方式進行灌溉，因此合理規劃灌溉制度是提高水資源利用效率的關鍵。鑒于不同時空尺度灌區水分運動的差異，導致了節水灌溉效果會產生一定的尺度效應。針對其特殊灌溉條件及節水灌溉要求，對不同尺度下的灌溉水利用效率進行評價，以便調整節水措施。文章以典型渠井結合灌區-柳園口灌區為研究對象，評價其不同尺度下的灌溉水利用效率，指導其灌溉節水措施，為類似工程提供經驗，為實施井渠結合提供參考。

1 尺度及尺度效應

尺度分為時間尺度與空間尺度。受監測和資料收集所限，不同尺度工程分析可為相應尺度工程設計提供參考。文章研究對象主要為空間尺度。空間尺寸變化從灌溉水文學來講，指從微觀尺度（10e-5～10e-2m）—中觀尺度（10e-2～1 m）—宏觀尺度（1～104 m）—全球尺度（104～108 m）。按常規灌溉水管理對空間尺度進行單元劃分，可劃分為小尺度（田間尺度）、中等尺度（干渠或斗渠所控制的尺度）以及大尺度（灌區或流域子域及其流域所控制的尺度）。

節水灌溉應用于不同尺度上的節水表現稱為節水灌溉尺度效應，以及一種尺度的節水效果對其他尺度節水效果的影響。

2 灌溉水利用效率評價指標及其獲取

2.1 灌溉水利用效率評價指標

評價灌溉水利用效率的指標通常分為兩種：第一種是灌溉效率、灌溉水利用效率、水分生產率、作物水分利用效率、水分消耗百分比；第二種是灌溉水利用系數。

因灌溉制度與水分生產率、灌溉效率息息相關，兩者都高效，灌溉行為才高效。為體現二者聯系，根據灌溉水利用效率評價指標，分別采用毛入流量、灌溉水分生產率、水分生產率以及作物蒸發蒸騰量水分生產率對灌溉水水分生產率進行衡量。水分消耗比例為總消耗水量與研究區域內毛入流量及可利用水量的比值。其中，可利用水量指毛入流量扣除儲水變化量和調配水量。

2.2 多尺度評價指標的獲取手段

為了進行不同尺度的對比，一般灌區通常進行田間和灌區尺度試驗監測，并獲取相應評價指標。評價指標需要進行水量平衡計算，測出或估算出水量平衡各組成部分，如入流量包括降雨、灌溉水量、地下水補給量；出流量包括排水量、蒸發蒸騰量、滲漏量等。對于不同的計算范圍有不同的計算內容。田間尺度的水量平衡計算各組成部分及測量方法如表1。

表1 田間尺度的水量平衡計算各組成部分及測量方法表

3 柳園口灌區灌溉水利用效率多尺度評價

3.1 尺度試驗設計

柳園口灌區的田間尺度、中等尺度試區選在開封市杜良鄉，距惠北試驗站約5 km。中等尺度試驗區從東干渠引水。中等試驗區總面積為410.63 hm2，稻田面積384.24 hm2。在田間尺度上，從中等試區分別選出三塊農田做田間試驗，根據田間到附近水源距離的差異，各選用一塊上游、中游、下游典型田。

為做水量平衡計算，在各尺度試區邊界處的進水口與出水口處設置涵管、三角堰、無喉段量水槽等測流設備，以測出計算范圍內所有進出口水量。并且為監測田間滲漏量以及田間水層深度，在每塊田區安裝測滲筒、塑料筒以及木樁等設備。上游試驗田共有19塊大小不等的田塊、總面積為12 900 m2，周邊僅有1個進口和1個出口；中游試驗4塊田、總面積為7 247 m2，周邊進口與出口各設置3個；下游有17塊田，總面積為27 130 m2，周邊設置有3個進口和2個出口。

3.2 田間尺度灌溉水利用效率評價

在田間尺度的水量平衡計算中，需要考慮在農作物種植期間試驗田內所有流進與流出的水量，其中包含降雨量、排水量。灌溉水量、土壤儲水變化量等因素。柳園口灌區田間尺度2012-2014年的水量平衡結果見表2。

表2 柳園口灌區典型田水量平衡計算表

分析田間尺度實驗結果可知，由于降雨量的不同導致各年份的灌溉水量有所差別，特別在如2014 年這類降雨量較大的年份，其灌溉水量僅是2012年和2013年的一半，但三年間降雨量與灌溉水量的總和較為接近（約為1 000 mm）。此外，受到氣象條件的影響三年間的水稻蒸發蒸騰量的差異較大，如2012年水稻蒸發蒸騰量高于2013年20%，高于2014年18%，以此可證明氣象條件是水稻騰發耗水量的決定性因素。由田間試驗結果可以看出，淹灌的灌水方式在此條件下的田間出流量最大，所以，運用節水灌溉技術限制排水量和滲流量以減少灌溉水量的方法是有效的。

在產量上，三年的田間試驗結果有較大的差別，2013年水稻產量高于2012 年22%，并且2013 年水稻產量高于2014 年14%，其主要原因為2014年的年降雨量較高，氣象原因而導致作物光照少。

表2 為水量平衡評價指標計算結果，分析計算結果可知，各年份間毛入流量水分生產率WPgross較為接近，但2014年的灌溉水分生產率WP1最大，2012 年與2013 年的灌溉水分生產率WP1無較大差別。2012年與2013年間的蒸發蒸騰量水分生產率WPET較為接近，但2014 年的蒸發蒸騰量水分生產率較小。PFgross 指田間毛入流量占水稻蒸發蒸騰量的百分數，在不同水文年份PFgross 值約為50%，這說明灌溉水量與降雨量多半消耗在水稻蒸發蒸騰。

3.3 中等尺度灌溉水利用效率評價

實驗中中等尺度水量平衡的計算時間是以泡田開始至收割結束為周期（約四個月），表3 為2012-2014 年水量平衡結果。可知：除2013 年黃河沖沙實驗灌區禁止引水的特殊情況外，中等尺度的水稻灌溉定額較大，約為1 000 mm，說明決定灌區上游田間引水量大小的主要因素為是否引入黃河水，而降雨量、作物需水等因素對飲水量的影響較小。

表3 中等尺度水量平衡計算表

在中等尺度試區94%的面積種植有水稻，因此水稻蒸發蒸騰量占總耗水量的占比PFdepleted最高（約為97%）。而總消耗水量占毛入流量的比例DFgross、可利用水量的比例DFavailable變化的幅度較大（介于0.28～0.71）。因此在中等尺度試區上，毛入流量中各因素所消耗水量僅占比50%，另外的50%流出了中等試區和補充了地下水。

在中等尺度上，2013 年的灌溉水分生產率WP1數值最大，約為2012 年和2014 年的兩倍，其主要原因為該年中等試區引水量較少。但2012-2014 年之間水稻蒸發蒸騰量水分生產率WPET的差異較小，特別的，受灌溉水量和降雨量的影響，引水量和降雨量較小的2013 年的毛入流量水分生產率WPgross 值最大，而2014 年的WPgross 值最小。相比之下，中等尺度的灌溉水分生產率WP1較田間尺度較小，但中等尺度的灌溉定額較大。根據氣象條件，選用彭曼-蒙特斯方程計算兩種尺度的水稻蒸發蒸騰量。結果表明，兩種尺度上的水稻騰發量水分生產率相近并且田間尺度的水稻騰發量占毛入流量的比例（約為0.51）高于中等尺度（約為0.43）。由此說明在兩種尺度中水稻所消耗水量的水量均較低，有大量出流現象的存在。

4 結論

文章通過對中國灌溉水利用效率指標及其尺度分析的基礎上，針對典型渠井結合灌區柳園口灌區，開展農田尺度、中等尺度試驗。設置不同灌溉措施，分別監測其地下水補給量；設置不同作物處理小區，分別監測各小區潛水蒸發量；選擇典型區域，監測自然降水和徑流條件下入滲過程，分析降水和徑流對地下水補給規律；監測不同地下水埋深條件下基流和徑流形成的形成過程；同時監測灌區氣象、引黃水量、產量等因素，進而對田間及中等尺度的水量平衡分析，獲取兩種尺度灌溉水利用效率評價指標-灌溉水分生產率、蒸發蒸騰量水分生產率及毛入流量水分生產率。結果可知，中等尺度灌溉定額較大，故灌溉水分生產率較小；中等尺度與田間尺度間的水稻騰量水分生產率水平差異較小；田間尺度的水稻騰發量占毛入流量比率高于中等尺度，由此說明在兩種尺度中水稻所消耗水量的水量均較低，有大量出流現象的存在。