河套灌區畦灌灌水方案比選與優化

劉媛媛

（山東省臨沂市蘭山區水務局,山東 臨沂 276000）

1 引言

隨著水資源危機的不斷加重,農業作為水資源消耗較大的組成部分,農業節水的同時可以有效提高生態環境的質量,在平衡節約水資源與農作物豐收的前提下,采用合理有效的節水措施逐漸被重視起來,如改善水資源空間分布、采用新型灌溉方式、采用新產品、新技術、新方法達到節水、保水的效果。史海濱等[1]針對灌區引水量逐年減少的問題,通過分析凍融條件下土壤水鹽運移、土壤水鹽時空分布特征、微咸水灌溉農田-作物效應研究、土壤水鹽運移規律、秋澆制度、鹽堿地改良與土壤結構改善等,達到改善農田用水結構；張義強等[2]為了解決河套灌區水資源利用效率低的問題,研究了灌區的成本、水流流態、灌水效果等問題；付雯琪等[3]分析了河套灌區多年來的各水量平衡要素變化情況,并研究了農作物結構對水量平衡要素的影響；白美健[4]對畦灌關口時間在不同條件下（田面平整度、畦長、坡度、土質）進行優化；鄭和祥等[5]采用SIRMOD模型、田間實測以及SRFR模型的研究方法,分析了灌水效率和灌水均勻度的變化規律。本文以某地河套灌區為研究對象,通過對三種灌水方案的分析,并以灌水效率（AE）、儲水效率（AD）、灌水均勻度（DU）作為評價指標,分析三種方案的最優模型。

2 區域概況

雨量,年蒸發量為2300 mm,灌溉用水中泥沙含量較高,偏弱堿性,分布的土體主要含有砂土,該耕地用土的容重為1.585 kg/m3。

3 布置方案設計

根據相關的耕地情況調查,該區域內的砂土灌溉面積大于2001 m2占總灌溉面積的58%,結合實際的工程狀況,本研究的砂土地塊選取該區域較為典型的80 m×25 m地塊作為研究對象。根據當地的實際情況,設計了三種灌溉方案布置,見圖1,入畦流量是影響灌溉性能較為重要的影響因素,入畦流量值是由毛渠流量、灌水閘門規格決定的,根據統計資料表明,入畦流量值為10 L/s~30 L/s之間,表1 為設計的不同入畦流量值與不同灌溉方案灌溉參數的設計值。

表1 計算模型參數

圖1 灌溉方案布置圖

本研究以某地河套灌區為研究對象,該地處于干旱溫帶大陸性季風氣候區,灌溉用水主要來源為黃河水資源,該地年平均降雨量為142.0 mm,而該地的水資源蒸發量遠大于降

在農作物播種前,在畦長度方向上每間隔10m布置2~4個監測點觀測水流推進與消退,同時在畦長度方向上布置5個土壤含水率監測點,每間隔10 d、灌水、將與前后取樣,入畦流量通過水流流量計測得,相關參數估算采用Kostiakov估算所得。

3.1 灌水時間設計方案

該方案主要是在80 m×25 m畦田規格下,改變入畦流量值（10 L/s、16 L/s、20 L/s、26 L/s、30 L/s）,單寬下的水流流量q為0.38 L/（m·s）、0.63 L/（m·s）、0.75 L/（m·s）、1.04 L/（m·s）、1.16 L/（m·s））以及灌水時間TCO值（120 min、150 min、180 min、210 min、240 min、270 min、300 min）研究灌溉效果的變化。

3.2 田塊劃分+灌水時間設計方案

該方案主要是在80 m×12.5 m、40 m×25 m兩種畦田規格下,小畦田的入畦流量值與原大畦田的入畦流量值相同,灌溉時間在兩塊田地進行均分,改變入畦流量值（10 L/s、16 L/s、20 L/s、26 L/s、30 L/s,單寬下的水流流量q為：垂直分割（80 m×12.5 m）為0.76 L/（m·s）、1.28 L/（m·s）、1.50 L/（m·s）、2.08 L/（m·s）、2.32 L/（m·s）、水平分割（40 m×25 m）為0.38 L/（m·s）、0.63 L/（m·s）、0.75 L/（m·s）、1.04 L/（m·s）、1.16 L/（m·s））以及灌水時間0.5TCO值（60 min、75 min、90 min、105 min、120 min、135 min、150 min）研究灌溉效果的變化。

3.3 田塊劃分+入畦流量設計方案

該方案主要是增加了一個進水口,分析80 m×12.5 m、40 m×25 m兩種畦田規格下,灌溉時間均為TCO,分析在改變入畦流量值0.5Q（5 L/s、8 L/s、10 L/s、13 L/s、15 L/s,單寬下的水流流量q為：垂直分割（80 m×12.5 m）為0.76 L/（m·s）、1.28 L/（m·s）、1.50 L/（m·s）、2.08 L/（m·s）、2.32 L/（m·s）、水平分割（40 m×25 m）為0.38 L/（m·s）、0.63 L/（m·s）、0.75 L/（m·s）、1.04 L/（m·s）、1.16 L/（m·s））以及灌水時間TCO值（120 min、150 min、180 min、210 min、240 min、270 min、300 min）研究灌溉效果的變化。

4 結果與分析

本研究對灌水效果的評價主要采用以下三個評價指標：灌水效率（AE）、儲水效率（AD）、灌水均勻度（DU）,水流流動采用零慣星（WinSRFR）模型模擬。

4.1 常規灌水效果分析

圖2為80 m×25 m畦田常規灌水規格下,進行三次計算得到實測值與WinSRFR模型的模擬曲線對比圖,三次測算得到的結果均方根誤差值（RMSE）分別為：水流推進曲線8.10 min、13.88 min、7.72 min；水流消退曲線15.02 min、20.50 min、11.29 min,誤差值相較實測值誤差較小,在本研究中是可以接受的。

圖2 實測值與模擬曲線對比圖

表2為三次計算所得到的灌水效果的評價指標與實測值的誤差對比,分析表中的數據,3次測算結果的三種指標（灌水效率（AE）、儲水效率（AD）、灌水均勻度（DU）誤差分別為：4.83%、4.99%、3.94%,誤差值較小,表明采用水流流動采用零慣星（WinSRFR）模型模擬較為可靠。結合當地的實際狀況,由于當地土壤為砂土結構,滲透系數較大,灌溉用水水資源損失較多,3次灌溉水試驗的灌水效率（AE） 分別為61%、58%、51%；儲水效率（AD） 分別為0.83、0.80、0.75；灌水均勻度（DU）值分別為1.25、1.39、1.33,灌水效果均表現較差。

表2 灌水指標實測值與模擬值對比

4.2 優化方案灌水效果分析

4.2.1 灌水時間設計方案

在該方案中,當單寬流量值較大時（即入畦流量值Q的變化區間為26 L/s~30 L/s、單寬下的水流流量q變化區間為1.04~1.16）,且灌水時間保持在較為合理的水平時（TCO值分別不大于210 min與150 min）,灌溉評價指標中的灌水均勻度（DU）較大,均大于0.7,可以保證灌溉的水資源可以充滿整個試驗田塊的范圍,但儲水效率（AD）值均大于1.0,主要是由于滲透損失較大,進而導致灌水效率（AE）也偏低。當單寬下的水流流量q=1.04 L/（m·s）、TCO=210 min以及q=1.20 L/（m·s）、TCO=150 min時,灌溉的效果最好,該模擬結果表明,當砂土含量較多的田塊,只有當單寬下的水流流量值較大時,灌溉效果才能保持較高水平,而當單寬下的水流流量值較小時,改變其它參數對于提高灌溉效果的作用有限,無法使得灌溉指標值得到最優優化。

4.2.2 田塊劃分+灌水時間設計方案

對于兩種不同的田塊劃分模式（80 m×12.5 m、40 m×25 m兩種畦田）,兩種田塊隨著不同的灌水時間、入畦流量值下具有相同的變化規律,且水平劃分模式（40 m×25 m）下的整體灌溉效果優于垂直劃分模式（80 m×12.5 m）,分析其原因主要是由于畦田長寬比增大,導致水流覆蓋整個田塊面的均勻系數較小,且單寬下的水流流量q越大,均勻系數越大。

對于不同灌溉時間的影響規律,當入畦流量較大時,灌水時間越長,水資源滲透損失量越大,當灌水時間大于135 min時,AE值保持在50%以下,滲透損失量大于50%,但對于灌溉的灌水均勻度（DU）較大,灌溉均勻性較好；流量保持中等水平時,當灌水時間大于120 min時,AE值保持在70%以下,滲透損失量大于30%,但對于灌溉的灌水均勻度（DU）較小,且當灌水時間小于70 min時將無法保證水資源灌溉至整個田塊范圍；流量處于較低水平時,灌水時間越短,灌水效率越高,在該灌水量下,儲水效率（AD）、灌水均勻度（DU）均保持較低水平。

對于大流量和極大流量的灌溉水量下,當灌溉時間為60 min時,灌溉農田的灌溉效率最高；對于中等流量的灌溉水量下,當灌溉時間為90 min時,灌溉農田的灌溉效率最高；對于小流量和極小流量灌溉水量下,當灌溉時間大于135 min時,灌溉農田的灌溉效率才能滿足正常水資源需求。

4.2.3 田塊劃分+入畦流量設計方案

對于這兩種工況模擬下的灌溉效率結果隨著其他參數變化具有相同的變化趨勢,且不同田塊劃分（水平劃分模式（40 m×25 m）、垂直劃分模式（80 m×12.5 m））對于灌溉效率的影響較小,當灌溉流量為極大流量時,灌溉時間為150 min,灌溉效率最高,灌水均勻度（DU）均大于0.8,可以有效提高水資源的利用效率。

4.3 方案優化選擇

對于田塊劃分+灌水時間設計方案可以有效提高灌水效率（AE）、儲水效率（AD）、灌水均勻度（DU）三項指標,對于田塊的劃分,采用垂直劃分模式（80 m×12.5 m）更加符合當地的水渠流動特征,且該種模式導致的灌溉用水滲透損失量也較小,對于水流流量,選用入畦流量值Q=20 L/s,單寬下的水流流量q=1.60 L/（m·s）,灌溉效率最高。

5 結論

本研究以某地河套灌區為研究對象,通過對三種灌水方案的分析,并以灌水效率（AE）、儲水效率（AD）、灌水均勻度（DU）作為評價指標,分析出了最優模型,田塊劃分+灌水時間設計方案可以有灌溉效果,對于田塊的劃分,采用垂直劃分模式（80 m×12.5 m）更加符合當地的水渠流動特征,且該種模式導致的灌溉用水滲透損失量也較小,對于水流流量,選用入畦流量值Q=20 L/s,單寬下的水流流量q=1.60 L/（m·s）,灌溉效率最高。