灌區(qū)不同尺度灌溉水有效利用系數(shù)估算研究

符建平

（陜西省大荔縣水務(wù)局，陜西 大荔 715100）

水資源是全球重視的一大問(wèn)題，而當(dāng)前我國(guó)水資源仍算豐富，但由于人口眾多，人均淡水資源占有量約2100 m3，僅為世界平均水平的28%，而我國(guó)又是農(nóng)業(yè)大國(guó)，90%的水資源利用于農(nóng)田灌溉，因此對(duì)水資源的有效利用成為我國(guó)當(dāng)前亟需解決的大問(wèn)題[1]。灌溉水有效利用系數(shù)是衡量灌區(qū)從水源引水到田間作用吸收利用水的過(guò)程中水利用程度的一個(gè)重要指標(biāo)，也是集中反映灌溉工程質(zhì)量、灌溉技術(shù)水平和灌溉用水管理的一項(xiàng)綜合指標(biāo)，是評(píng)價(jià)農(nóng)業(yè)水資源利用，指導(dǎo)節(jié)水灌溉和大中型灌區(qū)續(xù)建配套及節(jié)水改造健康發(fā)展的重要參考[2]。本文以我國(guó)第二大內(nèi)陸河—黑河為背景，對(duì)其中下游某灌區(qū)進(jìn)行不同尺度灌溉水有效利用系數(shù)估算，并分析各種計(jì)算方法。

1 研究區(qū)概況及監(jiān)測(cè)方案

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)選定為黑河中下游的一個(gè)中型灌區(qū)，地勢(shì)南高北低，平原地形與高原地形相結(jié)合，氣候?yàn)榇箨懶詼貛夂颍照諘r(shí)間長(zhǎng)，因此日平均溫度較高，晝夜溫差大，降雨量較少，干燥多風(fēng)。灌域面積約為201.3 km2，有效耕地面積為152.7 km2，根據(jù)多年的實(shí)際監(jiān)測(cè)，灌區(qū)平均年需水量達(dá)2.01億m3（不含生態(tài)用水），缺水達(dá)0.31億m3。灌區(qū)內(nèi)各控制渠系情況見表1。

1.2 監(jiān)測(cè)方案

田間試驗(yàn)監(jiān)測(cè)是指采用觀測(cè)儀器對(duì)田間部分水平衡要素進(jìn)行測(cè)定，這種監(jiān)測(cè)方法的特點(diǎn)是，易實(shí)施、適用廣，其測(cè)量精度主要由儀器的精確度及人工操作水平?jīng)Q定。本次試驗(yàn)測(cè)量及項(xiàng)目有：種植結(jié)構(gòu)、土壤含水量、作物生長(zhǎng)水平、氣象條件、灌排流量。主要收集的數(shù)據(jù)為灌區(qū)各渠系灌溉引水量，見表2。

表1 灌區(qū)各區(qū)域內(nèi)的耕地面積

表2 2015年灌區(qū)各渠系灌溉引水量 單位：萬(wàn)m3

2 SIMDualkc模型與計(jì)算方法

2.1 SIMDualkc模型

SIMDualkc是一種雙作物系數(shù)模型，由此根據(jù)相應(yīng)的公式計(jì)算出日降雨產(chǎn)生的地表水徑流量，以及農(nóng)田土壤灌溉滲深等參數(shù)，從而代入灌溉水有效利用系數(shù)計(jì)算公式求值[3]。

模型的構(gòu)建是為了計(jì)算日田間尺度上的土壤水量平衡，假定黑河中下游某灌區(qū)一支渠內(nèi)田間作物騰發(fā)量，科學(xué)地進(jìn)行灌排規(guī)劃和環(huán)境研究，為農(nóng)民提供科學(xué)依據(jù)。土壤水量平衡計(jì)算公式如下：

式中，Hr,n代表第n天根尾區(qū)儲(chǔ)水深度；Hr,n-1代表第n-1天根尾區(qū)儲(chǔ)水深度。Jn代表第n天有效降雨量，DOn為第n天由降雨產(chǎn)生的地表水徑流量；Sn代表第n天灌溉水滲入土壤量；MDn代表第n天土壤孔隙水分上升深度；QTa,n代表第n天假定灌域作物騰發(fā)量與棵間蒸騰量總和，RJn指灌溉水和降雨量滲漏導(dǎo)致根尾區(qū)水損失量。單位皆為mm。

采用黑河該灌區(qū)的二支渠2014~2015年田間種植作物實(shí)測(cè)資料來(lái)率定及驗(yàn)證SIMDualkc模型對(duì)于西北地區(qū)的適用性，試驗(yàn)區(qū)選取于灌區(qū)二支渠范圍內(nèi)，面積約為142畝，2014~2015年種植作物皆為洋蔥，灌溉方式為表面灌溉，在洋蔥生育期內(nèi)（5~10月）一般灌水4次。

驗(yàn)證方法為，先將2014年洋蔥生長(zhǎng)的各個(gè)階段系數(shù)用來(lái)校準(zhǔn)模型，避免模型模擬出的根區(qū)土壤蓄水量和實(shí)際蓄水量差異過(guò)大，由此來(lái)確定模型參數(shù)，再代入2015年洋蔥土壤根區(qū)蓄水量和蒸騰量對(duì)模型和參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。2015年洋蔥要區(qū)土壤蓄水量的模擬值和實(shí)測(cè)值對(duì)比如圖1所示，實(shí)際蓄水量的實(shí)測(cè)值和模擬值對(duì)比如圖2所示，最終驗(yàn)證模型所得參數(shù)如表3所示。

圖1 根區(qū)土壤蓄水量模擬值和實(shí)際值對(duì)比

圖2 實(shí)際蓄水量實(shí)際值與模擬值對(duì)比

表3 SIMDualkc模型率定和驗(yàn)證結(jié)果統(tǒng)計(jì)

2.2 不同尺度灌溉水有效利用系數(shù)的計(jì)算方法

2.2.1 尺度劃分

灌溉水尺度的劃分是分析灌溉水有效利用系數(shù)指標(biāo)的前提，根據(jù)黑河中下游該灌區(qū)的灌排系統(tǒng)特征，排水系統(tǒng)只設(shè)置有排水溝，排水量較少。因此根據(jù)當(dāng)前的尺度劃分原則，將該灌區(qū)劃分為三個(gè)不同尺度進(jìn)行探討，分別為田間尺度、支渠尺度和灌區(qū)尺度[4]。

2.2.2 田間尺度灌溉水有效利用系數(shù)的計(jì)算方法

田間尺度是以黑河中下游該灌區(qū)10個(gè)典型試驗(yàn)田范圍界限為水平邊界，土壤表面為上邊界，土壤最深檢測(cè)區(qū)為下邊界，構(gòu)建水均衡模型。再采用SIMDualkc模型來(lái)模擬田間水含量的定量變化，綜合考慮田間土壤的特性及土地利用情況，保證研究區(qū)域處于同一個(gè)渠系系統(tǒng)內(nèi)，保證本文構(gòu)建的田間水均衡模型與水量平衡原理相符，充分體現(xiàn)研究區(qū)域的水分循環(huán)過(guò)程。

以田間尺度劃分，就是說(shuō)要以田間實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，再根據(jù)水量平衡原理來(lái)分析灌溉水有效利用系數(shù)，因此田間尺度灌溉水有效利用系數(shù)的計(jì)算公式可定為：

式中：η田指田間尺度灌溉水有效利用系數(shù)；S指田間作物生育期內(nèi)灌溉水進(jìn)入量（mm）；Je指試驗(yàn)區(qū)域田間作物生育期內(nèi)的有效降雨量（mm）；QT指SIMDualkc模型模擬出來(lái)的試驗(yàn)區(qū)域田間作物生育期內(nèi)的蒸騰量（mm）；ΔX指試驗(yàn)區(qū)域田間作物的土壤根區(qū)蓄水變化量（mm）。

2.2.3 支渠尺度灌溉水有效利用系數(shù)的計(jì)算方法

支渠尺度是以黑河中下游某灌區(qū)內(nèi)7條支渠所控制范圍為水平邊界，土壤表面為上邊界，土壤最深檢測(cè)區(qū)為下邊界，構(gòu)建水均衡模型，其中不可排除田間互通渠系的滲漏損失量。在支渠尺度灌溉水有效利用系數(shù)計(jì)算時(shí)，水均衡計(jì)算時(shí)段要同時(shí)兼顧計(jì)算來(lái)水項(xiàng)和初含水量，主要包括有：灌溉量、降水量和時(shí)段初土壤蓄水量[5]。

水均衡計(jì)算時(shí)段中還存在去水項(xiàng)和末含水量的計(jì)算，主要包括：試驗(yàn)區(qū)域地表蒸騰量、排水量、田間滲漏量和時(shí)段末土壤蓄水量?？紤]到該灌區(qū)的排水系統(tǒng)只存在排水溝，因此在以支渠尺度計(jì)算灌溉水有效利用系數(shù)時(shí)，排水量可忽略不計(jì)。

以支渠尺度劃分，也是采用田間實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，但是要結(jié)合遙感數(shù)據(jù)及實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)作為分析基礎(chǔ)，根據(jù)水量平衡原理來(lái)分析灌區(qū)內(nèi)灌溉水有效利用系數(shù)，因此支渠尺度灌溉水有效利用系數(shù)的計(jì)算公式可定為：

式中，η支指支渠尺度灌溉水有效利用系數(shù)；Q地表指各支渠土壤表層實(shí)際引水量，m3；Q地下指各支渠灌溉取水量，m3；Jen指第n種作物生育期內(nèi)的有效降雨量，mm；QTn,m指試驗(yàn)支渠灌域范圍內(nèi)通過(guò)遙感讀取關(guān)于第n種作物生育期內(nèi)第m塊田所種植作物的蒸騰量，mm；Ai,j指試驗(yàn)支渠范圍內(nèi)第n種作物生育期內(nèi)第m塊田，m2。

2.2.4 灌區(qū)尺度灌溉水有效利用系數(shù)的計(jì)算方法

灌區(qū)尺度是以黑河中下游某灌區(qū)的全部控制范圍為邊界，構(gòu)建水均衡模型在此過(guò)程中不考慮地下水的回補(bǔ)水量[6]。以SIMDualkc模型模擬出灌區(qū)總蒸騰量和滲漏量與通過(guò)水量平衡計(jì)算所確定的渠系總蒸騰量和滲漏量的總和作為整個(gè)灌區(qū)水循環(huán)系統(tǒng)的蒸發(fā)滲漏損失。該灌區(qū)主要種植的作物是洋蔥，占灌區(qū)耕地面積約為84%。將整個(gè)渠系的灌溉控制范圍劃分為7個(gè)灌域，便于對(duì)每個(gè)灌域內(nèi)種植洋蔥的面積進(jìn)行精確的統(tǒng)計(jì)。

以灌區(qū)尺度劃分，是結(jié)合支渠尺度范圍內(nèi)的灌域相關(guān)數(shù)據(jù)及衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)為分析基礎(chǔ)，根據(jù)水量平衡原理來(lái)分析灌區(qū)內(nèi)灌溉水有效利用系數(shù)，以灌區(qū)尺度劃分時(shí)，土壤蓄水量變化在水均衡模型中占的比例很小，因此這里蓄水量變化可以忽略不計(jì)。灌區(qū)尺度生育期內(nèi)的灌溉水有效利用系數(shù)的計(jì)算方法一共有三種：（1）將灌區(qū)看作一個(gè)整體；（2）將灌區(qū)內(nèi)各支渠灌溉水有效利用系數(shù)按流量相加求平均值；（3）將灌區(qū)內(nèi)各支渠灌溉水有效利用系數(shù)按灌溉面積相加求平均值。本文主要探討的是黑河中下游某灌區(qū)，因此這里只討論第三種計(jì)算方法。

計(jì)算公式如下：

式中：η灌指灌區(qū)尺度灌溉水有效利用系數(shù)；A指黑河中下游某灌區(qū)的總耕地面積（km2）；An指灌區(qū)范圍內(nèi)各支渠的耕地面積（km2）；ηn指灌區(qū)范圍內(nèi)各支渠的支渠灌溉水有效利用系數(shù)。

3 結(jié)論與建議

通過(guò)對(duì)實(shí)際案例的試驗(yàn)，采用田間監(jiān)測(cè)方案來(lái)收集相關(guān)數(shù)據(jù)，以此來(lái)提供構(gòu)建SIMDualkc模型模擬所需的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，結(jié)合試驗(yàn)研究區(qū)的氣象、土壤、灌區(qū)特性等情況進(jìn)行分析。對(duì)SIMDualkc模型作出了簡(jiǎn)單的概述，利用黑河中下游某灌區(qū)的7個(gè)支渠作為試驗(yàn)區(qū)域，對(duì)SIMDualkc模型進(jìn)行了率定和驗(yàn)證，確定適用于該地域的模型參數(shù)。再分別以黑河中下游某灌區(qū)的10個(gè)試驗(yàn)田，7條分支支渠為研究對(duì)象，以試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及遙感數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，總結(jié)出黑河中下游灌域的三種不同尺度的灌溉水有效利用系數(shù)計(jì)算公式，分別為：田間尺度計(jì)算方法，支渠尺度計(jì)算方法，灌區(qū)尺度計(jì)算方法。

針對(duì)本文研究?jī)?nèi)容及結(jié)果，發(fā)現(xiàn)存在的主要問(wèn)題有幾點(diǎn)：

（1）黑河中下游某灌區(qū)的排水資料不完善，因此排水量這項(xiàng)數(shù)據(jù)是被忽略的，也直接影響了模擬的實(shí)際效果，因此在進(jìn)行實(shí)際操作時(shí)，必須要組織現(xiàn)場(chǎng)勘查，收集排水?dāng)?shù)據(jù)。

（2）本文探討的主要內(nèi)容是灌區(qū)的水循環(huán)過(guò)程，考慮到作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響，因此在實(shí)際操作中要加強(qiáng)這兩項(xiàng)因素的模擬，使模型更加科學(xué)和接近實(shí)際，充分發(fā)揮模型的作用來(lái)為灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水服務(wù)。

[1]汪恕誠(chéng).人水和諧科學(xué)發(fā)展——新時(shí)期水利改革發(fā)展的時(shí)代特征[J].中國(guó)水利,2011(8):7-8.

[2]Palanisami K,Senthilvel S,Ramesh T.Water productivity at different scales under canal,tank and well irrigati on systems[M].International WaterManagement Institute,2009.

[3]崔遠(yuǎn)來(lái),李遠(yuǎn)華,陸垂裕.灌溉用水有效利用系數(shù)尺度效應(yīng)分析[J].中國(guó)水利,2009(3):18-21.

[4]閆昕.黑河中游灌區(qū)不同尺度灌溉水有效利用系數(shù)估算[J].中國(guó)水利水電科學(xué)研究院,2015.

[5]陳皓銳,伍靖?jìng)?黃介生.灌溉用水效率尺度效應(yīng)研究評(píng)述[J].水科學(xué)進(jìn)展,2011(6):872-880.

[6]王小軍,張強(qiáng),易小兵.廣東省灌溉水有效利用系數(shù)年度變化與影響因素關(guān)系分析[J].灌溉排水學(xué)報(bào),2015,34(1):64-68.