青海省大峽灌區(qū)典型地塊作物耗水系數(shù)研究

呂文星　周鴻文　王永峰等

摘要：采用引排差法和最大蒸發(fā)量法對青海省大峽灌區(qū)典型地塊耗水系數(shù)進行計算研究。在典型地塊設置了2個斗渠引水口和6個退水口，并對其春灌期流量進行監(jiān)測。同時在典型地塊內(nèi)設置5眼地下水監(jiān)測井，用于計算地下退水量。在綜合考慮地表退水和地下退水基礎上，采用引排差法計算耗水系數(shù)；同時利用最大蒸發(fā)量法計算耗水系數(shù)，對引排差法進行驗證。結(jié)果表明，采用引排差法計算得到的大峽灌區(qū)典型地塊春灌期耗水系數(shù)為0.48，采用最大蒸發(fā)量法，計算得到耗水系數(shù)為0.49，兩種方法計算得出的耗水系數(shù)非常接近，說明在試驗區(qū)耗水系數(shù)計算上，最大蒸發(fā)量法可以對引排差法進行較好的驗證。

關(guān)鍵詞：耗水系數(shù)；引排差法；最大蒸發(fā)量法；彭曼公式；青海省大峽灌區(qū)

中圖分類號：S157.1，X592 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）19-4692-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.19.009

Abstract： Diversion and drainage method and the biggest evaporation method were used respectively to calculate crop water consumption coefficient of typical plot of Daxia irrigation area in Qinghai province. Two lateral canal irrigating gates and six waterspouts were set up in the typical plot and water flow was monitored during the spring irrigating period， and five groundwater wells were also set up to monitor groundwater. In consideration of the surface water and underground water drainage， diversion and drainage method was used respectively to calculate crop water consumption coefficient. The biggest evaporation method was also used to calculate crop water consumption coefficient， to verify the diversion and drainage method. The results showed that crop water consumption coefficient calculated by diversion and drainage method and the biggest evaporation method were 0.48 and 0.49 respectively. The results were so closely， which indicated that the biggest evaporation method could lead better validation to diversion and drainage method for crop water consumption coefficient calculation in the scope of the study area.

Key words： water consumption coefficient； diversion and drainage method； the biggest evaporation method； Penman-Monteith formula； Daxia irrigation area in Qinghai province

水資源作為重要的戰(zhàn)略資源，是經(jīng)濟社會發(fā)展的基礎支撐，也是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設的主要約束條件。青海省水資源豐富，多年平均水資源總量為629.3億m3，但水資源總量的93%流向中下游地區(qū)，利用率低；區(qū)域降水稀少，時空分配不均，黃河一級支流湟水流域水資源總量只占全省的3.5%，卻集中了全省52.3%的耕地面積，平均水資源量7 245 m3/hm2，為全國平均值的33.6%，水資源開發(fā)利用程度較低和水資源供需矛盾突出成為制約湟水流域農(nóng)業(yè)發(fā)展最主要的因素[1]。灌溉方式粗放、灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水效率偏低、水利基礎設施建設滯后成為影響農(nóng)業(yè)發(fā)展的薄弱環(huán)節(jié)。

目前研究主要從4個方面進行耗水量的核定[2]：①黃河干流入境年徑流量減出境年徑流量加區(qū)間匯入量，稱河段差法；②直接從黃河取水的渠道統(tǒng)計年引水量之和，減各排水溝年排水量，再減灌區(qū)以潛流形式直接排入黃河的排水量，稱引排差法；③用彭曼公式計算灌區(qū)蒸發(fā)蒸騰量，換算灌區(qū)耗水量，稱最大蒸發(fā)量法；④灌區(qū)作物生長期耗水來自灌溉、有效降水和作物根系吸收地下水量，3 項和稱作物總需水量法，計算耗用黃河水量。

本研究采用引排差法和最大蒸發(fā)量法進行耗水系數(shù)計算。其中引排差法是通過對所有引水干渠全面監(jiān)測和對主要排水溝（大約占70%～90%的排水量）進行駐測、巡測，對于漏測部分利用鄰近排水溝排水模數(shù)進行插補計算，從而能計算出控制區(qū)域內(nèi)的引水量、耗水量和排水量。最大蒸發(fā)量法采用彭曼公式計算作物蒸騰蒸發(fā)量（也就是植株蒸騰量和棵間蒸發(fā)量的總和），再換算成灌區(qū)耗水量[3]。FAO Penman-Monteith方法被認為是干旱地區(qū)和濕潤地區(qū)計算效果最好的一種方法[4]，被認為是參考作物蒸發(fā)蒸騰量（ET0）計算的標準化方法和ET0實測資料缺乏地區(qū)評價其他方法的標準[5-7]，目前已被列入了中國現(xiàn)行規(guī)范[8]，在中國針對不同地區(qū)開展的研究方法的評價中，基本上都是采用FAO56-PM方法的計算結(jié)果作為評價其他方法的標準[9-11]。在此背景下，對青海省湟水流域大峽灌區(qū)典型地塊采用引排差法和最大蒸發(fā)量法開展耗水系數(shù)研究，對加強區(qū)域水資源管理，區(qū)域水權(quán)轉(zhuǎn)換、提高水資源利用效率都具有十分重要的意義。

1 研究區(qū)概況

試驗布設在青海省黃河支流湟水河流域大峽灌區(qū)，地處東經(jīng)102°15′～102°24′和北緯36°13′～36°30′，海拔范圍在1 650～4 400 m。大峽灌區(qū)位于湟水左岸的高店鎮(zhèn)河灘寨村，水源引自湟水，下游有引勝溝等湟水一級支流作為補充水源。灌區(qū)貫穿于湟水左岸的高店、雨潤、共和、碾伯、高廟5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的43個行政村和單位。

渠首引水樞紐位于樂都縣高店鎮(zhèn)河灘寨村，干渠渠道全長57 km（于2005年立項維修27 km）。干渠有各類建筑物298座，其中渡槽36座，長1 950 m，隧洞50座，總長19 200 m，倒虹吸1座，長384 m，退水17座，涵洞17座。其他建筑物168座（完好117座），其中斗門137處。農(nóng)渠退水口多達198處。由于水污染加重和徑流量年內(nèi)分配不均勻，每年4～6月供需矛盾極為突出，嚴重影響灌溉。

根據(jù)地形和海拔高度，該區(qū)域地貌類型分為：河谷平原川水區(qū)、黃土淺山丘陵區(qū)和石質(zhì)高山腦山區(qū)3種。大峽灌區(qū)位于河谷平原川水區(qū)，該區(qū)沿湟水干流及其一級支流呈帶狀分布，由河灘和1～5級階地坡洪積扇組成，土體構(gòu)型較好，質(zhì)地松，是全縣的主要產(chǎn)糧區(qū)。

灌區(qū)屬半干旱的高原大陸性氣候類型，寒冷和干旱是區(qū)內(nèi)主要氣候特點。年平均氣溫4.5～7.5 ℃，無霜期130～150 d，區(qū)域地形復雜，海拔高差大，各地降水量不盡一致，山區(qū)一般大于川區(qū)，腦山大于淺山，川水地區(qū)年降雨量為320～340 mm，蒸發(fā)量川區(qū)大于山區(qū)，川區(qū)年蒸發(fā)量達843 mm，最大凍土深度為86 cm。大峽灌區(qū)土壤主要包括灰鈣土和栗鈣土兩種，成土母質(zhì)有沖積物、洪積物和次生黃土等，土質(zhì)松散，質(zhì)地均一，耕性好，結(jié)構(gòu)呈團粒狀或粒狀。在大峽灌區(qū)引退水條件較好處設置典型地塊進行試驗觀測（圖1），典型地塊地處N36°29′16.4″和E102°13′34.8″，海拔1 950 m，平均坡度3°，種植作物為大蒜，土壤類型為灰鈣土。

2 材料與方法

2.1 試驗設計

2.1.1 引退水監(jiān)測斷面選取 在大峽灌區(qū)典型地塊開展引退水量監(jiān)測，典型地塊灌溉面積19.33 hm2，進水口斷面2個，退水口斷面6個，引、退水口設置見圖1和表1。

2.1.2 引退水測流方法及頻次 根據(jù)典型地塊主要作物大蒜的生長周期和耗水規(guī)律、灌溉制度、氣象條件等因素綜合分析，在3月10-25日春灌期進行監(jiān)測，共16 d。按照規(guī)范要求，3月19、20日對水尺零高進行測量。3月21日之前，每日測流2次，21日通過調(diào)節(jié)閘門增加測次，完成了斗渠水位流量關(guān)系率定，采用水位-流量關(guān)系曲線法推求引水量。典型地塊水位采用駐測的方式觀測。每日按2段制觀測水位，并根據(jù)引水口斗門開啟變化情況隨時增加斷面的水位觀測次數(shù)。同時加強與灌區(qū)區(qū)段管理人員聯(lián)系，及時了解閘門開啟情況。大峽灌區(qū)典型地塊退水斷面由于退水渠沒有正規(guī)渠道，斷面不規(guī)整，且退水時間不固定，退水量小，設立水尺觀測水位難度大，故不監(jiān)測水位。大峽灌區(qū)典型地塊引水口斷面采用率定水位流量關(guān)系曲線法推流。典型地塊斗渠水位采用駐測方式監(jiān)測，每日于9：00、19：00觀測兩次；流量采用間測方式進行監(jiān)測，每月不少于1次，測流方式為流速斷面法（3條垂線），測速歷時大于100 s。灌區(qū)典型地塊退水口斷面采用流量過程線法推流。退水口流量采用巡測方式監(jiān)測，有退水時隨時監(jiān)測，退水口斷面流量較小時測流方式為直角三角型量水堰測流。根據(jù)文獻[12]，對于自由流直角三角堰，流量計算公式為：

Q=1.343H2.24（1）

式中，H=0.06～0.65 m。薄壁堰厚度1.5 mm，堰頂高0.5 m，頂寬0.5 mm。

2.1.3 地下水觀測井布設 灌區(qū)農(nóng)田土壤性質(zhì)、透水性能、地下水位埋深以及灌溉定額等因素對田間灌溉滲漏量產(chǎn)生綜合影響。在典型灌區(qū)水文地質(zhì)條件下，因灌溉水滲漏致使地下水位變動，含水層中的重力水體積的變化在疊加降雨入滲因素后，可近似作為地下水補給量，亦是灌溉水滲漏回歸河道的水量。

本研究在典型地塊內(nèi)挖掘5眼地下水觀測井，開展農(nóng)田灌溉水下滲及對地下水動態(tài)影響試驗研究。地下水位觀測井位置如圖2所示，在湟水左岸邊設立直立式水尺1組共2支，1、2、3、4、5號井距河邊水尺P1距離分別為68.3、68.6、48.8、29.0、29.9 m。為使地下水位及河道水位在同一個高程系統(tǒng)內(nèi)反映灌溉用水下滲及河道水位的變化情況，大峽灌區(qū)典型地塊設有2個水準點，經(jīng)緯度分別為（E102°13′35.8″，N36°29′11.36″和E102°13′36.0″，N36°29′7.42″）埋深為1.5 m，高程分別為100.000 m和97.763 m。兩水準點相距約124 m。工作中每月對各水準點進行互校，同時校測河道水尺高程及地下水井口高程。

每次灌溉前一天觀測5眼地下水井水位，灌溉后期每日9：00、14：00、19：00觀測3次，地下水水位穩(wěn)定后停止觀測。每次觀測地下水位時，同步觀測河道水位。地下水位觀測采用PD-26型便攜式激光測距儀結(jié)合懸垂式電子感應器人工觀測，激光測距儀測量精度為±2mm，測量范圍為0.2～60.0 m，激光等級為2級，波長為635 mm，工作溫度為-10～50 ℃。依照文獻[13]要求，每次監(jiān)測地下水位應測量兩次，間隔時間不應少于1 min，當兩次測量數(shù)值之差小于0.02 m時，取兩次水位的平均值。當兩次測量偏差超過0.02 m時，應重復測量。在實際觀測中，2次測量偏差在0.005以內(nèi)時，采用2次平均值，高于規(guī)范要求的標準。測量成果當場核查，及時繪制各個地下水井的水位過程線，發(fā)現(xiàn)反常及時補測，保證監(jiān)測資料真實、準確、完整、可靠。灌溉期每日9：00、14：00、19：00觀測3次，水位穩(wěn)定后每日9時觀測一次。

2.1.4 氣象因子監(jiān)測 采用安裝在試驗現(xiàn)場的CR1000型自動監(jiān)測氣象站測定空氣溫度、相對濕度、氣壓、風速、風向、太陽總輻射、降雨量和日照時間，測定時間間隔為每1或2 h測定一次，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果計算日平均或日累積值。各監(jiān)測探頭技術(shù)指標參數(shù)如表2所示。試驗期間研究區(qū)氣象條件見表3。2.2 引排差法

2.4 數(shù)據(jù)處理

采用EXCEL進行數(shù)據(jù)整理和分析，采用SPSS統(tǒng)計軟件進行相關(guān)分析，采用CAD作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 基于引排差法耗水系數(shù)分析

3.1.1 地表引退水量 大峽灌區(qū)典型地塊進水口流量監(jiān)測情況見表4，典型地塊退水口流量監(jiān)測情況見表5。由表4可知，引水量中，斗渠1和斗渠2分別測流18次和16次，最大流量分別為0.103 m3/s和0.079 m3/s。由表5可知，退水口共計觀測44次，其中退水口1有水36次、退水口2有水1次；退水口3有水10次；退水口4有水31次；退水口5有水4次；退水口6有水20次。

大峽灌區(qū)典型地塊春灌期引退水量見圖3。大峽灌區(qū)典型地塊春灌期引水量共計4.916 2萬m3，其中斗渠1引水量3.922 6萬m3，斗渠2引水量0.993 6萬m3。退水量共計2.116 5萬m3。

3.1.2 地下退水量 試驗地下水水位變幅為灌溉前地下水位與灌溉后地下水位上升至最高水位之差，計算中剔除水位異常變化影響。春灌期1號井至5號井水位變幅分別為0.29、0.28、0.29、0.18和0.24 m，平均變幅Δh為0.26 m。典型地塊土壤質(zhì)地為沙壤土，因此給水度μ參考中細沙下限值，取0.085；典型地塊面積F為19.33 hm2。經(jīng)計算得到典型地塊春灌期灌溉后地下退水量為4 272.67m3。

3.1.3 引排差法計算耗水系數(shù) 綜合考慮地表和地下退水量后，根據(jù)公式8采用引排差法可計算得到大峽灌區(qū)典型地塊春灌期耗水系數(shù)為0.48。

3.2 基于最大蒸發(fā)量法耗水系數(shù)分析

3.2.1 參考作物蒸發(fā)蒸騰量變化規(guī)律 參考作物蒸發(fā)蒸騰量（ET0）在觀測時段內(nèi)逐漸增大，達到最大后逐漸降低（圖4）。根據(jù) ET0的變化過程，其變化趨勢可劃分為3個階段。第一階段為J=69～77 d，日值變化幅度較小，大部分ET0值在2～4 mm/d范圍內(nèi)變化；第二階段為J=77～80 d，ET0較大，4～7 mm/d范圍內(nèi)變化；第三階段為J=81～84 d，ET0一般為4～5 mm/d，變化幅度相對于第二階段小，比第一階段稍大。 ET0最大值為7.38 mm/d，出現(xiàn)在J=80（3月21日）；最小值為2.26 mm/d，出現(xiàn)在J=71（3月12日）。

3.2.2 參考作物蒸發(fā)蒸騰量影響因子 參考作物蒸發(fā)蒸騰量與太陽輻射、空氣平均溫度表現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)性，與風速表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)性，而與最大相對濕度表現(xiàn)出顯著負相關(guān)性（表6）。除了氣象因子，灌溉和降雨也是 ET0變化的重要影響因子，這與徐俊增等[14]研究結(jié)論相同。由圖4可知，灌溉后 ET0一般表現(xiàn)出增大的趨勢，原因在于灌溉一般發(fā)生在晴好天氣，輻射較大，氣溫較高，大氣蒸發(fā)力較大，因此ET0較大；試驗期間未發(fā)生降雨，因此未分析降雨對ET0的影響。

3.2.3 最大蒸發(fā)量法計算耗水系數(shù) 以春灌期（3月10-25日）典型地塊逐日參考作物蒸發(fā)蒸騰量累加值作為耗水量，根據(jù)公式30采用最大蒸發(fā)量法可計算得到耗水系數(shù)為0.49。

4 結(jié)論

大峽灌區(qū)典型地塊春灌期引水量4.916 2萬m3，退水量2.116 5萬m3。春灌期1號井至5號井地下水水位平均變幅為0.26 m，經(jīng)計算得到典型地塊春灌期灌溉后地下退水量為272.67 m3。綜合考慮地表和地下退水量后，采用引排差法計算得到大峽灌區(qū)典型地塊春灌期耗水系數(shù)為0.48。

參考作物蒸發(fā)蒸騰量在觀測時段內(nèi)逐漸增大，達到最大后逐漸降低。最大值為7.38 mm/d，出現(xiàn)在J=80（3月21日）；最小值為2.26 mm/d，出現(xiàn)在J=71（3月12日）。參考作物蒸發(fā)蒸騰量與太陽輻射、空氣平均溫度表現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)性，與風速表現(xiàn)出顯著的正相關(guān)性，而與日最大相對濕度表現(xiàn)出顯著負相關(guān)性。除了氣象因子，灌溉也是 ET0變化的重要影響因子。以春灌期（3月10-25日）典型地塊逐日參考作物蒸發(fā)蒸騰量累加值作為耗水量，采用最大蒸發(fā)量法計算得到耗水系數(shù)為0.49。

傳統(tǒng)的引排差法是通過灌溉引退水計算耗水系數(shù)，為間接法；而最大蒸發(fā)量法計算耗水系數(shù)為直接法。引排差法對引排水量監(jiān)測控制全面，基礎資料扎實可靠，可全面反映灌區(qū)引用水量情況，對加強灌溉管理、節(jié)約用水、灌區(qū)內(nèi)部水量調(diào)配均有指導意義，但資料涉及面廣，工作量大，一年總結(jié)一次時效較慢。本研究中兩種方法計算得出的耗水系數(shù)非常接近，這說明在研究區(qū)范圍內(nèi)耗水系數(shù)計算方面，最大蒸發(fā)量法可以對引排差法進行較好的驗證。

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