陜西省灌溉水利用系數(shù)測(cè)算分析

李志軍，張富倉(cāng)，蔡煥杰，胡笑濤

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 楊凌 712100；2.陜西省灌溉試驗(yàn)中心站,陜西 楊凌 712100)

陜西省灌溉水利用系數(shù)測(cè)算分析

李志軍1,2，張富倉(cāng)1,2，蔡煥杰1,2，胡笑濤1,2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 楊凌 712100；2.陜西省灌溉試驗(yàn)中心站,陜西 楊凌 712100)

以陜西省觀測(cè)資料為基礎(chǔ),運(yùn)用首尾測(cè)算法,測(cè)算了陜西省2006—2013年的灌溉水利用系數(shù)，對(duì)陜西省灌溉水利用系數(shù)變化規(guī)律進(jìn)行了初步分析，并對(duì)測(cè)算結(jié)果進(jìn)行了分析與評(píng)價(jià)，結(jié)果表明陜西省灌溉水利用系數(shù)在逐年提高。

首尾測(cè)算法；樣點(diǎn)灌區(qū)；灌溉水利用系數(shù)

陜西省位于東經(jīng)105°29′—110°15′，北緯31°42′—39°35′，橫跨亞熱帶、暖溫帶、溫帶三個(gè)氣候帶，南北氣候差異較大。按地形氣候特征可分為關(guān)中平原、陜南秦巴山區(qū)和陜北丘陵溝壑區(qū)。省內(nèi)多年平均降水量340～1240 mm，5月—9月的降水量占全年降水量的70%以上。降水南多北少，陜南為濕潤(rùn)區(qū)，關(guān)中為半濕潤(rùn)易旱區(qū)，陜北為半干旱區(qū)，水資源時(shí)空分布不均，旱澇災(zāi)害頻發(fā)。灌溉在全省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位，耕地面積286.00萬hm2，其中設(shè)施灌溉面積141.43萬hm2，有效灌溉面積120.99萬hm2。全省發(fā)展節(jié)水灌溉面積86.13萬hm2，其中渠道防滲面積50.60萬hm2，低壓管灌溉面積21.33萬hm2，噴灌面積5.20萬hm2，微灌面積1.93萬hm2，其他工程節(jié)水面積7.07萬hm2，占全省設(shè)施灌溉面積的60.9%。農(nóng)業(yè)節(jié)水的快速發(fā)展有力地推進(jìn)了農(nóng)業(yè)水資源的高效利用。對(duì)于實(shí)行最嚴(yán)格的水資源管理來說，開展農(nóng)業(yè)灌溉水利用系數(shù)的研究，對(duì)促進(jìn)農(nóng)業(yè)水資源的高效利用具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

灌溉水利用系數(shù)是衡量從水源取水到田間作物水分利用效率的一個(gè)重要指標(biāo)，灌溉水利用系數(shù)能綜合反映灌區(qū)灌溉工程狀況、用水管理水平、灌水技術(shù)水平，是評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)水資源利用、指導(dǎo)節(jié)水灌溉、大中型灌區(qū)續(xù)建配套，及節(jié)水改造健康發(fā)展的重要參考[1]。蔡守華等提出渠道水利用率、渠系水利用率、田間水利用率、作物水利用率和灌區(qū)灌溉水利用率組成的灌溉水利用率指標(biāo)體系，并分別給出了這些指標(biāo)的定義及計(jì)算方法[2]。這一用水效率指標(biāo)體系中，由于灌溉水利用率是一項(xiàng)重要的綜合性評(píng)價(jià)指標(biāo)，因此多采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行測(cè)定，即先測(cè)算出渠系水利用系數(shù)和田間水利用系數(shù)，然后兩者相乘得出灌溉水利用系數(shù)[3]。近年來，首尾測(cè)定法與典型渠道測(cè)量相結(jié)合的綜合方法被許多人提出，如許建中，崔遠(yuǎn)來，高峰等，用以克服傳統(tǒng)方法工作量大，需要大量人力、物力才能完成的缺點(diǎn)，同時(shí)又彌補(bǔ)了只測(cè)量典型渠段而引起誤差較大的不足[4-7]。本文以2013年陜西省灌溉水利用系數(shù)測(cè)算流程和方法為例，采用“灌區(qū)首尾”比較的綜合方法，對(duì)陜西省灌溉水利用系數(shù)進(jìn)行測(cè)算和分析研究。

1 材料與方法

1.1 基本資料

1.1.1 背景資料確定。

對(duì)全省大、中、小型灌區(qū)，及井灌區(qū)基本情況進(jìn)行全面核查。首先以2013年灌排年報(bào)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，按照大型(≥2萬hm2)、中型(分為1萬～2萬hm2、0.333萬～1萬hm2、0.067萬～0.333萬hm2)、小型(≤0.067萬hm2)及純井灌區(qū)分類，其中每類灌區(qū)又分為自流引水和提水兩種水源類型，對(duì)全省(區(qū)、市)灌區(qū)數(shù)量、分布等情況進(jìn)行分析與統(tǒng)計(jì)。

1.1.2 全省(區(qū)、市)農(nóng)業(yè)灌溉情況。

統(tǒng)計(jì)陜西省2013年農(nóng)田灌溉及用水情況見表1。根據(jù)資料統(tǒng)計(jì)分析，截至2013年底全省總計(jì)有效灌溉面積120.99萬hm2，當(dāng)年實(shí)際灌溉面積80.07萬hm2，農(nóng)業(yè)灌溉毛用水量46.88億m3。

表1 2013年全省農(nóng)田灌溉及用水情況

1.2 研究方法

1.2.1 陜西省灌溉水利用系數(shù)測(cè)算方法及流程

“首尾測(cè)算分析法”，即直接用灌入田間可被作物吸收利用的水量(凈灌溉用水量)與灌區(qū)從水源取用的灌溉總水量(毛灌溉用水量)的比值來計(jì)算灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)[8]。以2013年陜西省灌溉水利用系數(shù)測(cè)算流程和方法為例，說明省級(jí)測(cè)算方法及流程，如圖1所示。

圖1

1.2.2 樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算

(1)

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)凈灌溉用水量，m3；W樣毛為樣點(diǎn)灌區(qū)毛灌溉用水量，m3。

1.2.3 不同類型灌區(qū)的灌溉水利用系數(shù)測(cè)算

以典型樣點(diǎn)灌區(qū)測(cè)算值為基礎(chǔ)依據(jù)，根據(jù)各灌區(qū)情況按不同灌區(qū)規(guī)模分類分析估算灌溉水利用系數(shù)平均值。如依據(jù)各大型灌區(qū)樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)與用水量加權(quán)平均后得出省級(jí)區(qū)域大型灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)。

(2)

式中：ηw大為省級(jí)區(qū)域大型灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)平均值；η大i為第i個(gè)大型灌區(qū)樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)平均值；W樣大i為第i個(gè)大型灌區(qū)樣點(diǎn)灌區(qū)年毛灌溉用水量，萬m3；N為省級(jí)區(qū)域大型灌區(qū)樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)量，個(gè)。

中、小型灌區(qū)和純井灌區(qū)的灌溉水利用系數(shù)平均值參照此方法進(jìn)行推算。

1.2.4 全省灌溉水利用系數(shù)平均值測(cè)算

全省灌溉水利用系數(shù)平均值根據(jù)大、中、小型灌區(qū)和純井灌區(qū)灌溉用水量加權(quán)平均得出，計(jì)算公式如下：

(3)

式中：ηw省為全省灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)平均值；ηw大型、ηw中型、ηw小型、ηw井分別為全省大、中、小型灌區(qū)和純井灌區(qū)的平均灌溉用水有效利用系數(shù)；Wa大型、Wa中型、Wa小型、Wa井分別為全省大、中、小型灌區(qū)和純井灌區(qū)年毛灌溉用水量，萬m3。

2 結(jié)果與分析

2.1 各規(guī)模與類型樣點(diǎn)灌區(qū)的確定及全省樣點(diǎn)灌區(qū)的代表性分析評(píng)價(jià)

按照《全國(guó)灌溉用水有效利用系數(shù)測(cè)算分析技術(shù)指南》[8](修訂版)樣點(diǎn)灌區(qū)選擇的原則及依據(jù)，全省12個(gè)大型灌區(qū)全部計(jì)入樣點(diǎn)；0.067萬～2萬hm2中型灌區(qū)選取樣點(diǎn)灌區(qū)23個(gè)，占到全省共計(jì)168個(gè)中型灌區(qū)個(gè)數(shù)的12.92%，有效灌溉面積占到全省168個(gè)中型灌區(qū)的19.7%；2013年選擇0～0.067萬hm2小型灌區(qū)選取樣點(diǎn)灌區(qū)11個(gè)，占全省0.39% (<0.5%)，不滿足小型灌區(qū)樣點(diǎn)數(shù)量不少于全省灌區(qū)數(shù)量的0.5%的要求；這主要是因?yàn)?013年省灌排年報(bào)與水利普查數(shù)據(jù)接軌后陜西小型灌區(qū)增加較多，需要增加小型樣點(diǎn)灌區(qū)使之符合要求，見表2。從灌溉面積、引水量與畝均用水量來看，所選樣點(diǎn)灌區(qū)基本可以代表全省各類灌區(qū)情況，代表性基本符合準(zhǔn)則要求。

表2 2013年陜西省樣點(diǎn)灌區(qū)統(tǒng)計(jì)信息表

2.2 樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算分析

首先選取典型田塊，測(cè)算分析典型田塊年畝均凈灌溉用水量，進(jìn)而分析計(jì)算樣點(diǎn)灌區(qū)年凈灌溉用水量，最后以樣點(diǎn)灌區(qū)年凈灌溉用水量、年毛灌溉用水量為基礎(chǔ)，分析計(jì)算樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)。計(jì)算流程如圖2所示。

圖2 樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算流程

測(cè)算中對(duì)有氣象資料的灌區(qū)采用作物系數(shù)法推求凈灌溉定額，對(duì)沒有完善氣象資料的樣點(diǎn)灌區(qū)，依據(jù)各樣點(diǎn)灌區(qū)的灌溉用水管理資料、灌溉試驗(yàn)與觀測(cè)資料和灌溉實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以樣點(diǎn)灌區(qū)填報(bào)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用統(tǒng)一的首尾測(cè)算分析法，對(duì)樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)進(jìn)行測(cè)算分析，測(cè)算結(jié)果見表3。

表3 陜西主要樣點(diǎn)灌區(qū)2010—2013年灌溉水利用系數(shù)測(cè)算結(jié)果分析

從表3可以看出2013年、2012年、2011年與2010年灌區(qū)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)相差并不大，尤其是大型灌區(qū)表現(xiàn)的比較穩(wěn)定，大型灌區(qū)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)基本在0.50以上；中、小型灌區(qū)因跨度大，管理水平參次不齊，計(jì)算結(jié)果表明中型灌區(qū)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)變化范圍比較大；井灌區(qū)陜西省選取了包括土質(zhì)渠道地面灌、防滲渠道地面灌、管道輸水地面灌、微灌和噴灌等類型的6個(gè)縣(區(qū))28個(gè)樣點(diǎn)，對(duì)井灌區(qū)計(jì)算結(jié)果表明，其農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)范圍在0.6～0.86 之間，說明井灌區(qū)的灌溉系數(shù)同樣隨不同地區(qū)、不同工程條件、水文條件、不同作物、不同輸水方式與管理水平差異顯著。

陜西省大型灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)隨降雨不同有升有降，原因是多方面的，對(duì)2013年數(shù)據(jù)進(jìn)行核查，測(cè)算結(jié)果與2012年、2011年結(jié)果相比基本上各灌區(qū)的計(jì)算結(jié)果都有變化，有減少的，也有增加的，說明影響因素較多，需要參考多方面條件及信息進(jìn)行考慮分析。在灌區(qū)灌溉工程狀況、用水管理水平與灌水技術(shù)水平不變的條件下，影響灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)的主要因素為氣象條件，特別是降雨量、降雨時(shí)段對(duì)灌溉水利用率有較大影響，但影響比較復(fù)雜；如對(duì)于水源調(diào)控能力強(qiáng)的灌區(qū)，干旱年份灌溉水量增加，棄水減少，作物灌溉次數(shù)增加，灌溉水利用系數(shù)增加，但對(duì)于水源調(diào)控能力差的灌區(qū)，干旱年份由于無水可引，灌溉面積減少，灌溉水利用系數(shù)反而減少。

2.3 不同類型灌區(qū)的灌溉水利用系數(shù)測(cè)算分析

以典型樣點(diǎn)灌區(qū)測(cè)算值為基礎(chǔ)依據(jù)，根據(jù)各灌區(qū)情況按不同灌溉規(guī)模分類分析估算灌溉水利用系數(shù)平均值。以大型灌區(qū)為例，依據(jù)各大型灌區(qū)樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)與用水量加權(quán)平均后得出省級(jí)區(qū)域大型灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)。中、小型灌區(qū)和純井灌區(qū)的灌溉水利用系數(shù)平均值參照此方法推算，由此得到全省大、中、小型灌區(qū)和純井灌區(qū)的灌溉水利用系數(shù)平均值。經(jīng)測(cè)算2013年陜西省各類灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 2013年陜西省各類灌區(qū)灌溉用水有效利用系數(shù)

2.4 全省灌溉水利用系數(shù)平均值推算分析

全省灌溉水利用系數(shù)平均值根據(jù)大、中、小型灌區(qū)和純井灌區(qū)灌溉用水量加權(quán)平均得出，經(jīng)測(cè)算2013年陜西省灌溉水利用系數(shù)為0.545，與歷年測(cè)算結(jié)果相比較，總體上略有上升但變化不大。通過對(duì)陜西省各典型樣點(diǎn)灌區(qū)的跟蹤測(cè)算,獲得了2006—2013年陜西省8 a灌溉水利用系數(shù)，逐年變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 灌溉水利用系數(shù)年變化曲線

從圖3可以看出，陜西省灌溉水利用系數(shù)表現(xiàn)出逐年提高趨勢(shì)，尤其是大型灌區(qū)變化趨勢(shì)比較穩(wěn)定，這也說明灌區(qū)一旦建成后，設(shè)施及管理沒有發(fā)生大的變化，灌溉水利用系數(shù)是比較穩(wěn)定的。純井灌區(qū)農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)最高，波動(dòng)最大是小型灌區(qū)和純井灌區(qū)。由于在全省計(jì)算中小型灌區(qū)權(quán)重較小，對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)變化影響有限。

從測(cè)算結(jié)果分析可以反映出陜西各類型灌區(qū)的渠系輸配水設(shè)施的現(xiàn)狀、田間水利用水平，并能綜合反映灌區(qū)灌溉工程狀況、用水管理水平與灌水技術(shù)中存在的一些問題。一般來說，灌溉水利用系數(shù)隨灌區(qū)規(guī)模的增大而減少[9]。但陜西省大型灌區(qū)投資規(guī)模較大、管理機(jī)構(gòu)完善、管理水平和技術(shù)相對(duì)較高，因此大型灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)相對(duì)比中型灌區(qū)略大，這是符合陜西實(shí)際的。

3 討 論

(1)首尾測(cè)算法權(quán)重對(duì)結(jié)果影響較大，也就是說不同水文年份全省各類型、不同規(guī)模灌區(qū)引水量變化將會(huì)造成相應(yīng)灌區(qū)與全省灌溉水有效利用系數(shù)的較大波動(dòng)，因此全省各類灌區(qū)灌水資料的收集及分類是灌溉水利用系數(shù)計(jì)算的基準(zhǔn)。目前陜西省大、中型灌區(qū)主要數(shù)據(jù)基本可靠，但0.0667萬hm2以下小型灌區(qū)及井灌區(qū)資料準(zhǔn)確性有待提高。

(2)灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算方法應(yīng)該建立在灌區(qū)進(jìn)行灌溉試驗(yàn)的基礎(chǔ)上。要提高分析成果精度就必須加強(qiáng)各灌區(qū)基礎(chǔ)資料的測(cè)試、收集與統(tǒng)計(jì)分析等工作。建議在進(jìn)行大型灌區(qū)節(jié)水改造的同時(shí)，能夠構(gòu)建省級(jí)灌溉試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)體系，恢復(fù)及健全原有的有代表性的灌溉試驗(yàn)站，只要灌溉試驗(yàn)?zāi)軌蜷_展起來，作物的灌水定額、灌溉制度、灌溉用水與產(chǎn)量的關(guān)系是試驗(yàn)站必須進(jìn)行的試驗(yàn)內(nèi)容,可以為灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)測(cè)算創(chuàng)造良好的基礎(chǔ)條件。

(3)因?yàn)闃狱c(diǎn)灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)的確定除受到灌區(qū)工程質(zhì)量、灌水技術(shù)及灌區(qū)總體管理水平影響外，同時(shí)也會(huì)受到樣點(diǎn)灌區(qū)規(guī)模、自然條件，如土壤、水文氣象、水源條件、灌區(qū)種植面積與種植比例，及農(nóng)戶灌水習(xí)慣等影響，農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格、種植結(jié)構(gòu)變化，甚至農(nóng)民外出打工對(duì)土地疏于管理都會(huì)影響到農(nóng)民用水積極性，進(jìn)而影響到灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)。而氣象條件，特別是降雨時(shí)段對(duì)灌溉水利用率有影響，但影響比較復(fù)雜，在灌溉水利用系數(shù)的測(cè)算過程中必須對(duì)其進(jìn)行研究確定。而建立在樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)的分析基礎(chǔ)上的省級(jí)灌溉水利用系數(shù)的確定同時(shí)還和全省的灌溉發(fā)展息息相關(guān)。

[1] 李志軍.陜西省灌溉水利用系數(shù)測(cè)算分析研究[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué),2013.

[2] 蔡守華，張展羽，張德強(qiáng).修正灌溉水利用效率指標(biāo)體系的研究[J].水利學(xué)報(bào)，2004(5)：111-115.

[3] 李英能.淺論灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電，2003(7)：23-26.

[4] 許建中，趙競(jìng)成，高峰，等.灌溉水利用系數(shù)綜合測(cè)定法[J].中國(guó)水利，2004(7)：45-47.

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[7] 高峰,趙競(jìng)成,許建中，等.灌溉水利用系數(shù)測(cè)定方法研究[J].灌溉排水學(xué)報(bào)，2004，23(1):14-20.

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Measurement and calculation of the irrigation water use efficiency in Shaanxi province

LI Zhijun1，2，ZHANG Fucang1，2，CAI Huanjie1，2，HU Xiaotao1，2

(1.KeyLaboratoryofAgriculturalSoilandWaterEngineeringinAridandSemiaridAreasofMinistryofEducation,NorthwestSci.-Tech.UniversityofAgricultureandForestry，Yangling712100,China；2.ShaanxiExperimentalCenterStationofIrrigation,Yangling712100,China)

t：Based on the observation data of Shaanxi province,the objective of this research is to measure and calculate of irrigation water use efficiency in Shaanxi province and the related problems arising from this process.Research results showed that head-end method is suitable for Shaanxi irrigated area,irrigation water use efficiency was increased year by year.

head-end method,sample irrigated area,irrigation water use efficiency

陜西省灌溉水利用系數(shù)測(cè)算技術(shù)服務(wù)研究項(xiàng)目

李志軍(1976-)，男，講師，主要從事灌溉試驗(yàn)技術(shù)研究與推廣工作。E-mail：345386997@qq.com

S274.4

A

2096-0506(2015)02-0011-06