武清區(qū)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測算分析

高 微，薛 霞

（1.武清區(qū)水利技術(shù)服務(wù)中心，天津 301700；2.天津市水利科學(xué)研究院，天津 300061）

武清區(qū)是天津市主要涉農(nóng)區(qū)之一，依據(jù)《2020天津水務(wù)發(fā)展統(tǒng)計公報》，天津市農(nóng)業(yè)灌溉用水量占全市總用水量的37.01%，武清區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水量占全區(qū)總用水量的62.30%。因此，正確測算灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)，分析灌溉技術(shù)和管理上存在的問題，提出改進(jìn)措施，對提高灌溉水利用率、促進(jìn)農(nóng)田灌溉節(jié)水工作上水平具有重要意義，同時為制定可靠的節(jié)水措施提供科學(xué)依據(jù)[1]。

1 灌區(qū)概況

武清區(qū)位于天津市西北部、京津走廊之間，總面積15.74 萬hm2，轄5 個街道、24 個鎮(zhèn)。武清區(qū)現(xiàn)有耕地面積8.56 萬hm2，有效灌溉面積6.02 萬hm2，節(jié)水灌溉控制面積5.77 萬hm2。武清區(qū)有20個中型灌區(qū)（包括4個重點(diǎn)中型灌區(qū)和16個一般中型灌區(qū)）和4 個井灌區(qū)，灌區(qū)全部實(shí)現(xiàn)了灌溉計量或直接計量或以電折水計量。武清區(qū)成立了20 個灌區(qū)管理單位，承擔(dān)灌區(qū)工程設(shè)施建設(shè)、管理與維護(hù)、合理調(diào)配水源、規(guī)范灌區(qū)用水等任務(wù)。

灌區(qū)灌溉水源包括地上水和地下水。其中，地上水主要靠河道、排水渠道、水庫、坑塘調(diào)蓄外來水和自產(chǎn)水而成為灌溉水源；地下水指井水，僅全淡水區(qū)限采利用。

2 測算對象確定

灌溉水有效利用系數(shù)是指一次灌水期間被農(nóng)作物利用的凈水量與渠首引進(jìn)水量的比值[2]，或渠系水有效利用系數(shù)與田間水有效利用系數(shù)的乘積[3]。它是衡量灌溉水從水源到田間被作物利用效率的指標(biāo)，可以反映灌區(qū)的灌溉用水管理水平、灌溉技術(shù)水平和工程質(zhì)量[4，5]。武清區(qū)全部為提水灌區(qū)，灌溉水源來自河道、渠網(wǎng)、水庫、坑塘及機(jī)井，提水設(shè)施將水經(jīng)斗灌渠和毛灌渠（管道）輸送至畦田，所以確定測算對象為斗灌渠首提水設(shè)施至田間。

3 測算方法介紹

3.1 經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計調(diào)查法

按照灌溉水有效利用系數(shù)的定義和測算對象的確定，2015—2017 年采用經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計調(diào)查法測算全區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)，即根據(jù)土渠和各類節(jié)水工程灌溉水有效利用系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及控制面積的統(tǒng)計資料，按式（1）測算全區(qū)的灌溉水有效利用系數(shù)：

式中：η為灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)；η噴為噴灌灌溉水利用系數(shù)，取0.8；η微為微灌灌溉水利用系數(shù)，取0.9；η管為低壓管道灌溉水利用系數(shù)，取0.76（管道輸水系數(shù)取0.95，田間系數(shù)取0.8）；η砼為混凝土明渠灌溉水利用系數(shù)，取0.585（渠系系數(shù)取0.9，田間系數(shù)取0.65）；η土為土渠灌溉水利用系數(shù)，取0.489（渠系系數(shù)取0.75，田間系數(shù)取0.65）；A噴為噴灌控制灌溉面積（hm2）；A微為微灌控制灌溉面積（hm2）；A管為低壓管道控制灌溉面積（hm2）；A砼為混凝土明渠控制灌溉面積（hm2）；A土為土渠控制灌溉面積（hm2）。

3.2 典型實(shí)測法

3.2.1 樣點(diǎn)灌區(qū)和典型田塊的選取

在對武清區(qū)灌區(qū)綜合調(diào)研的基礎(chǔ)上，按照具有代表性、可行性和穩(wěn)定性的原則，根據(jù)水源類型和灌區(qū)規(guī)模，將全區(qū)灌區(qū)劃分為3 類，即重點(diǎn)中型灌區(qū)（0.35 萬hm2≤設(shè)計灌溉面積＜2.10 萬hm2）、一般中型灌區(qū)（0.07 萬hm2≤設(shè)計灌溉面積＜0.35 萬hm2）和純井灌區(qū)。在各類灌區(qū)中選取的樣點(diǎn)灌區(qū)情況，詳見表1。

表1 選取的樣點(diǎn)灌區(qū)和典型田塊情況

在樣點(diǎn)灌區(qū)中選取典型田塊，要綜合考慮灌溉方式、作物種類、畦田規(guī)格、土壤類型、計量設(shè)施等因素。其中，對播種面積超過灌區(qū)總播種面積10%以上的作物類型，要分別選擇典型田塊[6]。在樣點(diǎn)灌區(qū)中選取的典型田塊情況，詳見表1。其中，崔黃口灌區(qū)按照上、下游及作物種類選取12 個典型田塊，分別是上游冬小麥3 個、夏玉米3 個，下游冬小麥3個、夏玉米3 個；大孟莊灌區(qū)按照上、下游及作物種類選取12個典型田塊，分別是上游冬小麥3個、夏玉米3個，下游冬小麥3個、夏玉米3個；大王古莊灌區(qū)選取8 個典型田塊，分別是水活鋪村冬小麥2 個、夏玉米2個，張家場村冬小麥2個、夏玉米2個；下伍旗灌區(qū)選取10個典型田塊，分別是齊莊村冬小麥2個、夏玉米2個，丁莊村冬小麥2個、夏玉米2個、蔬菜2個。

3.2.2 樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)計算

各樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)按下式計算：

式中：η樣為樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)；W樣凈為樣點(diǎn)灌區(qū)年凈灌溉用水量（萬m3）；W樣毛為樣點(diǎn)灌區(qū)年毛灌溉用水量（萬m3）。

（1）W樣凈的確定。在典型田塊上，使用TDR 儀器實(shí)測每次灌水前后土壤含水率，計算出典型田塊畝均凈灌溉用水量，再結(jié)合實(shí)灌面積計算出該樣點(diǎn)灌區(qū)不同區(qū)域不同作物的年凈灌溉用水量W樣凈。

（2）W樣毛的確定。根據(jù)測算對象確定的邊界，毛灌溉用水量采用斗灌渠首提水設(shè)施直接計量或以電折水方式換算得出。

3.2.3 全區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)計算

全區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)按下式計算：

式中：η為灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)；η樣1為第1 個樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)；η樣2為第2個樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)；η樣n為第n個樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)；W毛1為第1 個樣點(diǎn)灌區(qū)所代表區(qū)域年毛灌溉用水量（萬m3）；W毛2為第2 個樣點(diǎn)灌區(qū)所代表區(qū)域年毛灌溉用水量（萬m3）；W毛n為第n個樣點(diǎn)灌區(qū)所代表區(qū)域年毛灌溉用水量（萬m3）。

4 結(jié)果與分析

4.1 計算結(jié)果

2015—2017 年，采用經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計調(diào)查法計算武清區(qū)灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)，結(jié)果詳見表2。2018—2020 年，采用典型實(shí)測法計算武清區(qū)灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)，結(jié)果詳見表3。

表2 2015—2017年灌區(qū)統(tǒng)計數(shù)據(jù)及灌溉水有效利用系數(shù)計算結(jié)果（采用經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計調(diào)查法）

表3 2018—2020年灌區(qū)統(tǒng)計數(shù)據(jù)及灌溉水有效利用系數(shù)計算結(jié)果（采用典型實(shí)測法）

4.2 結(jié)果分析

武清區(qū)2015—2020 年灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)變化，如圖1 所示。由圖1 可知，武清區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)總體上呈波折式上升趨勢。其中，2015—2017 年上升幅度較大，2018 年出現(xiàn)下沉拐點(diǎn)，2018—2020 年平緩上升，主要原因是：①2015—2017 年，在市級重點(diǎn)縣項目的支持下，節(jié)水工程建設(shè)投入較大，節(jié)水灌溉控制面積增長迅速，因此這一時段灌溉水有效利用系數(shù)上升幅度較大；②從2018年開始采用典型實(shí)測法計算灌溉水有效利用系數(shù)，較使用經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計調(diào)查法測算結(jié)果存在差異，典型實(shí)測法明顯優(yōu)于經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計調(diào)查法，致使在2018 年出現(xiàn)拐點(diǎn)；③2018—2020 年，節(jié)水工程建設(shè)步伐減緩，農(nóng)田建設(shè)重點(diǎn)放在灌區(qū)改造、維修養(yǎng)護(hù)和管理方面，因此灌溉水有效利用系數(shù)呈平緩上升趨勢。

圖1 2015—2020年武清區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)變化曲線

按式（3）計算出武清區(qū)2020 年農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)為0.736，較可靠地反映了當(dāng)年武清區(qū)農(nóng)田灌溉水有效利用水平。

4.3 影響因素分析

總結(jié)多年灌溉工作實(shí)踐，得出影響灌溉水有效利用系數(shù)的主要因素是單位面積灌溉用水量、節(jié)水工程建設(shè)和灌溉管理水平等。

4.3.1 單位面積灌溉用水量分析

單位面積灌溉用水效率即單位面積凈灌溉用水量與單位面積毛灌溉用水量的比值。2018—2020年武清區(qū)灌區(qū)單位面積凈、毛灌溉用水量，詳見表4。

表4 2018—2020年武清區(qū)灌區(qū)單位面積凈、毛灌溉用水量

由表4 可知，2020 年與2018 年相比，單位面積毛灌溉用水量下降了14.6%，單位面積凈灌溉用水量下降了13.49%，2020年單位面積灌溉用水效率為0.736，較2018 年單位面積灌溉用水效率0.727 顯著提高。可見，單位面積灌溉用水效率的提高，使得灌溉水有效利用系數(shù)穩(wěn)定提升。

4.3.2 節(jié)水工程建設(shè)分析

武清區(qū)2015—2020 年灌區(qū)節(jié)水工程累計面積、累計投資情況，如圖2 所示。由圖2 可知，2015—2017 年，武清區(qū)節(jié)水工程累計投資8 467 萬元，主要用于建設(shè)低壓管道灌溉工程、泵站和取水IC 智能控制柜；新建節(jié)水工程面積0.63 萬hm2。2018—2020年，節(jié)水工程累計投資2 807萬元，主要用于建設(shè)取水IC 智能控制柜和對已安裝取水IC 智能控制柜進(jìn)行維修；新建節(jié)水工程面積僅為0.05 萬hm2。可見，2015—2017年，新建節(jié)水工程面積增長較快。

圖2 2015—2020年武清區(qū)灌區(qū)累計節(jié)水工程面積及累計節(jié)水工程投資情況

隨著節(jié)水工程累計投資逐步提高，2015—2017年，武清區(qū)灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)提高4.29%。2018—2020 年，武清區(qū)灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)提高1.38%。由此可知，通過加大節(jié)水工程建設(shè)，增加節(jié)水工程面積，有效減少田間深層滲漏和渠道滲漏，對灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)提高起到重要作用。通過節(jié)水計量設(shè)施建設(shè)，可提高用水管理水平，使灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)保持穩(wěn)定。

4.3.3 管理水平分析

武清區(qū)自2013 年開始農(nóng)業(yè)水價試點(diǎn)改革，至2020 年完成全區(qū)農(nóng)業(yè)水價綜合改革工作。武清區(qū)農(nóng)業(yè)水價綜合改革實(shí)施了以水價機(jī)制為核心、以獎補(bǔ)機(jī)制為保障、以工程和計量設(shè)施建設(shè)為基礎(chǔ)、以“總量控制、限額管理”為手段、以工程管護(hù)機(jī)制為依托的一系列改革措施，做到了用水有計量、用水有臺賬，提高了田間工程管理水平。

2020年，武清區(qū)以灌區(qū)為單位建立了20個中型灌區(qū)的灌區(qū)管理機(jī)構(gòu)，主要職能為農(nóng)田水利工程設(shè)施的管理和維護(hù)、合理調(diào)配水源、嚴(yán)格計劃用水、推進(jìn)各鎮(zhèn)相應(yīng)的管理體制和運(yùn)行機(jī)制改革等。灌區(qū)管理機(jī)構(gòu)的建立為后續(xù)進(jìn)行中型灌區(qū)改造明確了管理主體，對已建工程完好度提升提供了管理保障。

5 結(jié)論

（1）客觀確定了測算對象。武清區(qū)的灌排特征是灌排渠同道，實(shí)行提水灌溉。農(nóng)田排水分干、支、斗三級排渠，其中干、支排渠兼有調(diào)、蓄水功能，為網(wǎng)狀農(nóng)田灌溉水源。經(jīng)綜合考慮，確定測算對象為斗灌渠首提水設(shè)施至田間。

（2）采用典型實(shí)測法計算得出的武清區(qū)2020 年農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)為0.736，較可靠地反映了當(dāng)年武清區(qū)農(nóng)田灌溉水有效利用水平，較全市灌溉水有效利用系數(shù)0.72 上升了2.22%。這表明武清區(qū)節(jié)水工程較完善、農(nóng)業(yè)水價綜合改革等管理措施初見成效。

（3）2015—2020 年，通過改變測算方法及精度、新建節(jié)水工程和加裝計量設(shè)施等，武清區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)呈波折式上升，提高了5.14%。這表明在種植結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化的情況下，隨著節(jié)水工程面積的增加，灌溉水有效利用系數(shù)逐步提高；節(jié)水工程建成后，對其用水有效管護(hù)和田間用水有效管理會使灌溉水有效利用系數(shù)趨于穩(wěn)定。

（4）提高單位面積灌溉用水效率、推廣建設(shè)節(jié)水工程、實(shí)施灌溉工程和田間用水精細(xì)化管理，均能使灌溉水有效利用系數(shù)有效提高。

6 展望

在低壓管道灌溉方式上，很多農(nóng)戶還未采用吞袖式移動軟管灌溉方式，以致過量灌溉水的流入降低了水資源利用效率。隨著水價改革的推進(jìn)，在用水補(bǔ)貼獎勵和水價的雙重刺激下，吞袖式移動軟管灌溉方式有望得到推廣，田間灌溉水利用率隨之會進(jìn)一步提高。

在水利部加快大中型灌區(qū)續(xù)建配套和現(xiàn)代化改造、加快補(bǔ)齊農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施短板、推動農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施提檔升級的部署下，天津市持續(xù)推進(jìn)大中型灌區(qū)續(xù)建配套建設(shè)，完善灌區(qū)智能化建設(shè)管理，中型灌區(qū)的灌溉水有效利用系數(shù)將有進(jìn)一步提高空間。