水利灌溉關鍵因素及影響分析

宋小榮

（安慶市長江河道管理處三分處，安徽安慶 246000）

眾所周知，農業是國民經濟的重要支柱，是人民生活富足、社會發展穩定的重要基礎。只有農業生產穩定運營，糧食產量穩定，社會才能長治久安，國民經濟才能可持續的發展[1]。對于農業生產而言，水利灌溉是非常重要的外部條件，并且可以通過人力加以控制和調整。因此，合理有效的水利灌溉，可以將農業生產和農業經濟掌控在可控范圍內，大大減少減產、絕產的風險[2]。我國農田面積總量位居世界前列，但因為人口負荷大，農業生產一直面臨較大的壓力。尤其是部分區域農田耕種長時間受到缺水的影響，必須通過有效的水利灌溉才能彌補自然條件不足的缺陷。可見，農田耕種要可持續進行，就必須充分掌握區域內的氣候條件尤其是降水情況，再根據農田需水總量統籌合理的灌溉量[3]。因此，對水利灌溉的影響因素進行分析，進而用數學模型加以定量化地計算，對于農田灌溉的有效保證具有十分重要的意義。

1 影響水利灌溉的關鍵指標

農田要耕種并且保持穩定的產出，就必須做好水利灌溉工作。根據長期以來的經驗總結可知，影響水利灌溉的關鍵指標很多，具體如圖1 所示。

圖1 影響水利灌溉的關鍵指標

圖1 中，給出了影響水利灌溉的關鍵指標。第一類關鍵指標，引水總量指標；第二類關鍵指標，田畝參數指標；第三類關鍵指標，氣象條件指標；第四類關鍵指標，灌溉方式指標；第五類關鍵指標，引渠結構指標；第六類關鍵指標，土壤條件指標；第七類關鍵指標，作物種類指標。

引水總量指標實際上就是灌溉總水量，這需要通過人工的方式對水資源加以引導，從而對農田進行灌溉。從實際操作的角度看，利用農田周圍的江河湖泊進行引導灌溉，是一種最便利的方式。如果不具備這樣的條件，就要考慮農田周圍是否有人工興建的水庫，或者進行地下水灌溉。

田畝參數指標就是農田的各種物理參數。對灌溉影響最直接的就是農田的總面積，一般用畝數表示。農田畝數的多少直接決定了灌溉總水量的多少，并且和灌溉總水量的變化方向趨同。當然，農田所在的海拔高度、坡度等參數，對于灌溉水量的留存、流向也有很重要的影響，這都歸屬于田畝參數的范疇。

氣象條件指標就是農田所在地區的氣候情況，這是自然條件對農田水利灌溉最直接的影響。氣象條件涵蓋的方面是非常復雜的，這里主要就是考慮氣溫和降水。其中，氣溫的高低決定了農田水分的揮發情況，會對灌溉總水量產生間接影響。而降水則直接影響灌溉水量的多少，降水總量和灌溉水量呈現反向變化。降水總量越多，灌溉所需水量就越少；反之，灌溉所需水量就越多。

灌溉方式指標是影響水利灌溉的技術層面的指標。合理的灌溉方式選擇，有助于節約用水，否則會造成灌溉水量的浪費。傳統的灌溉方式一般采用臨近溝渠引流灌溉，這會導致農田不同區域濕度不均勻，影響灌溉效果。而采用噴頭的噴淋灌溉，作業效率高、覆蓋面積大，并且可以保證灌溉效果均勻。

引渠結構指標也是影響水利灌溉的技術層面的指標。這里所說的結構，主要是指溝渠的形狀，常見的如直線型、網型、自然型等。不同結構的溝渠會導致水流路徑的長度不同，長度較大會增加水分揮發量，但長度較短又可能會導致灌溉微觀作業時的技術難度和實施效率，這就需要兼顧二者來加以考慮。

土壤條件指標是重要的農田自然條件指標，對水利灌溉也會產生直接的影響。如果土壤構成顆粒較大，就會導致土壤縫隙大，水流速度快，從而導致灌溉水量增加。如果土壤構成顆粒小，土壤結構密實度高，水滲漏速度減緩，就會節約灌溉水量。

作物種類指標反應了不同作物吸水量的差異，吸水量高的作物種植，就需要更多的灌溉水量。相反地，吸水量低的作物種植，灌溉水量的需求就會減少。

2 水利灌溉用量的數學模型和計算

在前面的工作中，對水利灌溉的7 類關鍵指標進行了理論分析。其中，大部分指標隨著農田區域劃定、作物種植確定而固定下來，很難通過后續的技術手段加以調整和改變。因此，決定農田灌溉總量的指標，就形成了和農田需水量、降水量2 個指標直接相關的形式。在這3 個指標中，如果能已知其中的任何2 個，即可以計算出第3 個指標。

首先，來看農田需水量計算的數學模型，如公式（1）所示

式中：ET0表示所計算農田內全部農作物的水分蒸發量，Δ 表示農田所在區域的氣壓-溫度關系曲線的斜率，R表示農田內全部農作物的日光照度吸收量，G表示農田土壤結構所體現出的熱通率，T表示農田所在區域的平均溫度，u表示農田所在區域的平均風速，s表示農田所在區域的濕度上限，a表示農田所在區域的濕度下限，γ 表示農田所在區域環境濕度。

公式（1）的計算比較復雜，可以采用一種相對近似的計算方法，如公式（2）所示

式中：ET表示農田實際的需水量，k表示近似計算因子，ET0表示所計算農田內全部農作物的水分蒸發量。

農田實際需水量的一大部分來自自然降水，其計算如公式（3）所示

式中：Pθ表示農田所在區域接收到的有效降水量，P表示農田所在區域接收到的實際降水量，α 表示農作物有效的吸收率。

根據公式（2）和公式（3），可以得出農田所需的水利灌溉總量，如公式（4）所示

式中：Q表示農田所需的水利灌溉總量，ET表示農田實際的需水量，Pθ表示農田所在區域接收到的有效降水量。

3 水利灌溉總量實驗與數據分析

如前所述，對影響水利灌溉的關鍵指標進行了歸類和理論分析，并給出了水利灌溉總量計算的數學方法和模型。上述理論分析和模型構建的有效性，將通過這一部分的實驗工作加以檢驗。

為了完成這一部分的驗證工作，選定了9 組不同的農田進行以年度為單位的數據統計和計算，首先來觀察9 組農田的需水量的對比，時間跨度上則包含了2020、2021、2022 3 個年度，如圖2 所示。

圖2 不同組別的農田需水量對比

圖2 中，橫坐標代表了實驗地區不同組別的農田組號，分別是農田1 組、農田2 組、農田3 組、農田4 組、農田5 組、農田6 組、農田7 組、農田8 組、農田9 組；縱坐標代表了不同組別農田的需水量，單位是萬m3；黑色矩形代表了不同農田組別2020 年度的需水量，灰色矩形代表了不同農田組別2021 年度的需水量，白色矩形代表了不同農田組別2022 年度的需水量。

這9 組不同的農田，大多數環境參數和田畝參數都是一致或接近的，但田畝面積上存在差異。其中，面積最大的農田達到了15 000 畝（1 畝約等于667 m2，下同），面積最小的農田不足2 000 畝。在這樣的先天差異情況下，不同組別的農田需水量也存在很大差異。從圖2 中可以看出，第5 組別農田、第8 組別農田、第9 組別農田因為畝數較多、面積較大，其需水量自然也更多。需水量與田畝自身條件有關，因此各年度差別不大。

進一步對比9 個組別農田區域的降水量情況，如圖3 所示。

圖3 不同組別的自然降水量對比

圖3 中，橫坐標代表了實驗地區不同組別的農田組號，分別是農田1 組、農田2 組、農田3 組、農田4組、農田5 組、農田6 組、農田7 組、農田8 組、農田9組；縱坐標代表了不同組別自然降水量，單位是萬m3；黑色矩形代表了不同農田組別2020 年度的自然降水量，灰色矩形代表了不同農田組別2021 年度的自然降水量，白色矩形代表了不同農田組別2022 年度的自然降水量。

從圖3 中可以看出，第5 組別農田、第8 組別農田、第9 組別農田因為畝數較多，其承接的有效降水量明顯多于其他組別的農田。從年度跨度來看，2021 年度明顯降水量更少，這是自然氣候條件所致。

至此，可以根據9 個組別農田3 個年度的降水量和需水量，計算出水利灌溉總量，結果如圖4 所示。

圖4 不同組別的水利灌溉量對比

圖4 中，橫坐標代表了實驗地區不同組別的農田組號，分別是農田1 組、農田2 組、農田3 組、農田4組、農田5 組、農田6 組、農田7 組、農田8 組、農田9組；縱坐標代表了不同組別水利灌溉量，單位是萬m3；黑色矩形代表了不同農田組別2020 年度的水利灌溉量，灰色矩形代表了不同農田組別2021 年度的水利灌溉量，白色矩形代表了不同農田組別2022 年度的水利灌溉量。從年度跨度來看，因2021 年度降水量明顯少于其他年度，各組別農田在這一年度所需的灌溉量也多于其他年度。

4 結論

本文中，對農田灌溉所需的各種關鍵指標進行分析，得出了7 類最重要的指標，并從各指標的對比分析中得出了灌溉總水量最重要的結論。在此基礎上，給出了灌溉總水量及相關參數的數學模型和計算方法。依托理論分析和數學模型，展開實驗驗證。實驗過程中，降水量被協同考慮，通過多組農田的灌溉總水量計算及分析結果中可以看出：水利灌溉在滿足農田總需水量的前提下，受到降水量的重要影響。如果一個年份的降水量充沛，灌溉總水量就會相對減少；相反，灌溉總水量就會相對增加。