水利工程灌區(qū)田間水利用系數(shù)的測(cè)算方法研究

盛泰瑋

(江蘇龍?jiān)此こ逃邢薰荆K 泰州 214500)

0 引 言

近年來(lái)，水資源開(kāi)發(fā)技術(shù)不斷提高，導(dǎo)致能夠被開(kāi)發(fā)使用的水資源越來(lái)越少，因此水資源短缺問(wèn)題，已經(jīng)成為制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速、繁榮發(fā)展的突出問(wèn)題，而農(nóng)業(yè)作為國(guó)家發(fā)展的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，其生產(chǎn)量會(huì)影響國(guó)民生計(jì)以及社會(huì)穩(wěn)定[1]。根據(jù)以往的調(diào)查結(jié)果可知，農(nóng)業(yè)灌溉用水量，占全國(guó)總用水量的65%左右，因此為提高田間水的利用效率，在保證農(nóng)作物正常生長(zhǎng)的前提下，相關(guān)學(xué)者根據(jù)文獻(xiàn)[2]，將農(nóng)田灌區(qū)中的某一農(nóng)作物作為樣本，采用平均法、實(shí)測(cè)法、對(duì)比實(shí)測(cè)法分別測(cè)算田間水利用系數(shù)[2]。還有學(xué)者根據(jù)文獻(xiàn)[3]，通過(guò)獲得某地灌區(qū)灌溉現(xiàn)狀，以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的方式，使用首尾測(cè)算法測(cè)算灌溉水利用系數(shù)[3]。這兩種傳統(tǒng)方法就目前而言，可以緩解區(qū)域水資源短缺問(wèn)題。但由于全球氣候持續(xù)升溫，預(yù)計(jì)未來(lái)農(nóng)田灌溉區(qū)間，對(duì)于水資源的需求還會(huì)逐步擴(kuò)大，因此對(duì)小型農(nóng)田水利工程灌區(qū)田間水利用系數(shù)，提出全新的測(cè)算方法。已知水利用系數(shù)是農(nóng)作物利用的水量與農(nóng)田灌區(qū)總引入水量的比值，以?xún)煞N傳統(tǒng)方法為參考，設(shè)計(jì)一個(gè)新型的測(cè)算方法，將測(cè)算結(jié)果進(jìn)一步精確，令灌溉區(qū)域使用最少的水來(lái)保證田間農(nóng)作物的生長(zhǎng)，節(jié)約水資源的同時(shí)，保證農(nóng)作物總產(chǎn)量[4]。

1 小型農(nóng)田水利工程灌區(qū)田間水利用系數(shù)的測(cè)算方法

1.1 選擇小型農(nóng)田水利工程灌區(qū)測(cè)算樣點(diǎn)

測(cè)算灌區(qū)田間水利用系數(shù)，預(yù)先選擇具有穩(wěn)定性、代表性以及可行性的灌區(qū)，要求選擇灌區(qū)后，不能再任意調(diào)換，保證測(cè)算數(shù)據(jù)來(lái)源一致。同時(shí)選擇的灌區(qū)要綜合考慮農(nóng)田所在地的自然氣候、土壤質(zhì)地、地形地貌等自然因素，還要考慮水利工程設(shè)施狀況、水源獲取條件、灌區(qū)歷年用水量以及農(nóng)作物類(lèi)型等因素。最后還要求所選的樣點(diǎn)灌區(qū)有必要的設(shè)備、人員以及測(cè)算條件。滿(mǎn)足上述要求后，根據(jù)選定的灌區(qū)，選擇小型農(nóng)田水利工程灌區(qū)測(cè)算樣點(diǎn)[5]。

1)大型灌區(qū)。將區(qū)域所有大灌區(qū)作為測(cè)算樣點(diǎn)。

2)中型灌區(qū)。按照有效灌溉面積，將中型灌區(qū)分為I、II、III共3個(gè)等級(jí)，見(jiàn)表1。

表1 中型灌區(qū)等級(jí)劃分

3)小型灌區(qū)。為了便于測(cè)算，規(guī)定選擇的小型灌區(qū)有效灌溉面積大于等于6.667 hm2。要求小型灌區(qū)的選擇數(shù)量不少于全區(qū)域總數(shù)量的0.5%，但最少不能低于10個(gè)，最多不能超過(guò)100個(gè)。若全區(qū)域的小型灌區(qū)不足10個(gè)，那么按照實(shí)際存在的數(shù)量選定區(qū)域樣點(diǎn)。同時(shí)選擇的小型灌區(qū)的有效灌溉面積，不能小于全區(qū)域所有小型灌區(qū)總面積的1%[6]。

4)純井灌區(qū)。將單井控制灌溉任務(wù)的灌區(qū)，作為一個(gè)樣點(diǎn)灌區(qū)。

要求中型灌區(qū)每個(gè)等級(jí)的灌區(qū)數(shù)量，不少于全區(qū)域同等級(jí)灌區(qū)總數(shù)的5%；每個(gè)等級(jí)灌區(qū)的有效灌溉面積，不少于全區(qū)域同等級(jí)灌區(qū)有效灌溉面積的10%[7]。

根據(jù)上述4種灌溉類(lèi)型為測(cè)算對(duì)象，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》，選擇其中分布均勻、自然環(huán)境與人為環(huán)境高度相似灌區(qū)中的小型農(nóng)田，將其作為測(cè)算樣點(diǎn)灌區(qū)，測(cè)算田間水利用系數(shù)。

1.2 計(jì)算田間水相關(guān)參數(shù)

根據(jù)選定的測(cè)算樣點(diǎn)，采集該灌區(qū)的基本用水?dāng)?shù)據(jù)，然后計(jì)算與水利用系數(shù)相關(guān)的其他田間用水參數(shù)。已知的灌溉面積與實(shí)際灌溉面積還是存在些許差異，因此不能直接將灌區(qū)面積作為灌溉面積，需要通過(guò)實(shí)地測(cè)量，計(jì)算灌區(qū)實(shí)際面積，然后與樣點(diǎn)渠道灌溉面積進(jìn)行比較，計(jì)算實(shí)際灌溉面積的修正系數(shù)，對(duì)灌溉面積進(jìn)行修正。根據(jù)《2009-2020年農(nóng)田基本建設(shè)規(guī)劃》面積，對(duì)修正面積、遙感面積進(jìn)行比較，調(diào)整修正系數(shù)，進(jìn)一步得出更加精準(zhǔn)的灌溉面積[8]。計(jì)算灌區(qū)毛灌溉用水總量，該參數(shù)是灌區(qū)全年所有水源取用后田間灌溉的水源總使用量，公式為：

(1)

式中：Q樣毛為樣點(diǎn)灌區(qū)一年的毛灌溉用水總量，m3；Q樣毛i為樣點(diǎn)灌區(qū)第i個(gè)水源的灌溉水量，m3；n為樣點(diǎn)灌區(qū)水源總來(lái)源數(shù)量[9]。

再分析并計(jì)算凈灌溉用水量。凈灌溉用水量是只用來(lái)灌溉農(nóng)田的實(shí)際總用水，對(duì)于大型灌區(qū)、灌溉用水狀況不同、管理水平差異偏大的樣點(diǎn)灌區(qū)，需要分區(qū)計(jì)算，然后匯總不同地區(qū)的凈灌溉用水量，計(jì)算整個(gè)測(cè)試地區(qū)的凈灌溉用水量。此次研究采用作物需水量法，計(jì)算凈灌溉用水量，公式如下：

gi=Tci-Y-Di+Δv

(2)

式中：i為小型農(nóng)田種植的農(nóng)作物種類(lèi)；gi為凈灌溉定額；Tci為農(nóng)田面積為c的農(nóng)作物蒸發(fā)蒸騰量；Y為農(nóng)作物生長(zhǎng)期內(nèi)，測(cè)算地區(qū)的有效降雨量；Di為農(nóng)作物生長(zhǎng)期內(nèi)，利用的地下水總量；Δv為農(nóng)作物生長(zhǎng)期間，土壤含稅量的變化值[10]。

已知小型農(nóng)田中種植的農(nóng)作物分為兩大類(lèi)：旱作物和水稻。根據(jù)《全國(guó)灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算分析技術(shù)指導(dǎo)細(xì)則》，在每次灌水前后，依據(jù)田地土壤滲透性，觀測(cè)農(nóng)作物生長(zhǎng)期土壤濕潤(rùn)層的含水率和水層變化，計(jì)算凈灌溉定額。其中，旱作物凈灌水定額計(jì)算，需要利用土壤含水率變化量，計(jì)算結(jié)果為：

(3)

式中：g1i為第i塊灌區(qū)的凈灌水定額，m3/hm2；φ為灌區(qū)土壤干容重，φ水為水的容重，通常取值為1，g/m3；d為灌水期內(nèi)，田地土壤濕潤(rùn)層深度，mm；μq1、μq2分別為灌水前、灌水后田地土層的含水率，%[11]。

而水稻凈灌溉定額，是育苗水、泡田用水、生育期用水之和。其中，育苗水是培育水稻初始階段的固定需用水，可根據(jù)育苗總數(shù)量來(lái)確定；泡田用水是栽種水稻需要在田間灌注的水，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得知，水稻泡田水的使用量估計(jì)值為200 mm(2 025 m3/hm2)；而生育期用水，是大概在4月中下旬至9月中下旬期間，水稻生長(zhǎng)所需的水。水稻農(nóng)田在淹水灌溉下的凈灌水定額為：

(4)

當(dāng)采用濕潤(rùn)灌溉水稻農(nóng)田時(shí)，其凈灌水定額與式(3)一致，因此在本環(huán)節(jié)不再列出。

綜合上述兩類(lèi)農(nóng)作物類(lèi)型，計(jì)算水稻田的凈灌溉定額，結(jié)果為：

(5)

式中：gi為不同作物農(nóng)田的凈灌溉定額計(jì)算結(jié)果。

再計(jì)算樣點(diǎn)灌區(qū)的年凈灌溉用水總量，公式如下：

(6)

式中：pi為同類(lèi)型樣點(diǎn)灌區(qū)中，第i種農(nóng)作物的凈灌溉定額；si為同灌溉類(lèi)型中農(nóng)作物的灌溉面積；M為農(nóng)田田塊數(shù)量。

結(jié)合灌溉面積和所求結(jié)果，計(jì)算樣點(diǎn)灌區(qū)的年凈灌溉用水總量：

(7)

式中：Q凈為樣點(diǎn)灌區(qū)的年凈灌溉用水總量；m為j個(gè)樣點(diǎn)灌區(qū)中的農(nóng)作物種類(lèi)；n為樣點(diǎn)灌區(qū)測(cè)點(diǎn)數(shù)量；pij為所求的凈灌溉定額；sij為灌溉面積[12]。

根據(jù)上述計(jì)算所得的田間水相關(guān)參數(shù)，建立測(cè)算小型農(nóng)田水利工程灌區(qū)中田間水利用系數(shù)的分析模型。

1.3 建立田間水利用系數(shù)測(cè)算分析模型

根據(jù)上文計(jì)算得到的不同類(lèi)型、不同規(guī)模、不同管理水平以及不同工況的樣點(diǎn)灌區(qū)相關(guān)參數(shù)，采用點(diǎn)與面相結(jié)合的方式，將調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果、觀測(cè)分析結(jié)果相融合，將微觀研究數(shù)據(jù)與宏觀分析評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，利用加權(quán)平均的理念，建立田間水利用系數(shù)測(cè)算分析模型，推算全區(qū)的小型農(nóng)田水利工程灌區(qū)田間水利用系數(shù)[13]。已知灌區(qū)田間水利用系數(shù)是整個(gè)測(cè)算樣點(diǎn)灌區(qū)凈灌溉用水總量與毛灌溉用水總量的比值，結(jié)合式(1)和式(7)，得到有效利用系數(shù)σ：

(8)

根據(jù)測(cè)算地區(qū)實(shí)際情況，建立各類(lèi)型樣點(diǎn)灌區(qū)的田間水利用系數(shù)分析模型，加權(quán)平均處理，得到大型灌區(qū)中的小型農(nóng)田的田間水利用系數(shù)分析模型：

(9)

中型灌區(qū)的小型農(nóng)田田間水利用系數(shù)分析模型為：

(10)

而小型灌區(qū)的小型農(nóng)田田間水利用系數(shù)分析模型為：

(11)

而純井灌區(qū)灌溉工程中，小型農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)分析模型為：

(12)

式(9)-式(12)中，a、b、c、d分別為不同的灌區(qū)類(lèi)型[14]。綜合上述公式，建立全區(qū)測(cè)算模型：

(13)

式中：Qa、Qb、Qc、Qd分別為4個(gè)測(cè)算樣點(diǎn)區(qū)域的年毛灌溉用水總量。

使用該模型測(cè)算全區(qū)域的灌區(qū)田間水利用系數(shù)，根據(jù)得出結(jié)果調(diào)整灌區(qū)的用水量，至此實(shí)現(xiàn)對(duì)小型農(nóng)田水利工程灌區(qū)田間水利用系數(shù)的測(cè)算[15]。

2 實(shí)驗(yàn)研究

提出對(duì)比實(shí)驗(yàn)，將此次研究的測(cè)算方法作為實(shí)驗(yàn)組測(cè)試對(duì)象，將根據(jù)文獻(xiàn)[2]、文獻(xiàn)[3]提出的兩種傳統(tǒng)測(cè)算方法，分別作為對(duì)照1組和對(duì)照2組測(cè)試對(duì)象。比較3個(gè)測(cè)試組的計(jì)算結(jié)果差異。

2.1 測(cè)試準(zhǔn)備

將K省作為此次實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象，該省份中存在大型灌區(qū)、中型灌區(qū)、小型灌區(qū)以及純井灌區(qū)。圖1為10年間，該省份的小型農(nóng)田水利用系數(shù)的變化情況。

圖1 測(cè)試地歷年田間水利用系數(shù)統(tǒng)計(jì)圖

根據(jù)圖1可知，前期田間水利用系數(shù)增長(zhǎng)極慢，符合前期水利工程建設(shè)不完善、灌溉方式較為落后、水量損失較大的實(shí)際情況，因此浪費(fèi)了大量水資源，使利用系數(shù)相對(duì)較小。經(jīng)過(guò)國(guó)家政策幫助以及政府扶持，加之各項(xiàng)技術(shù)相對(duì)完善，使田間灌溉水被充分利用，減少了對(duì)水資源的浪費(fèi)，因此利用系數(shù)逐漸提高增長(zhǎng)速度，在后期，維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的范圍之間。圖2為實(shí)測(cè)地區(qū)某一區(qū)域的灌區(qū)實(shí)景圖。

圖2 灌區(qū)實(shí)景圖

已知該測(cè)試地涵蓋4種灌區(qū)類(lèi)型。其中，中型灌區(qū)圖2(a)所示左側(cè)區(qū)域，根據(jù)圖2中農(nóng)田布局可知，中型灌區(qū)中開(kāi)墾了大量小型農(nóng)田；圖2中右側(cè)為小型灌區(qū)所在區(qū)域，由多個(gè)小型農(nóng)田組成。圖2(b)是大型灌區(qū)和純井灌區(qū)，該灌區(qū)中的農(nóng)田同樣為小型農(nóng)田。因此，根據(jù)實(shí)地調(diào)查得知，選擇的測(cè)試省份滿(mǎn)足對(duì)小型農(nóng)田的測(cè)試要求。

2.2 測(cè)試與分析

分別利用3個(gè)測(cè)試組，綜合測(cè)算K省3類(lèi)灌區(qū)中小型農(nóng)田灌區(qū)田間水利用系數(shù)，其測(cè)算結(jié)果見(jiàn)圖3。

根據(jù)圖3中的測(cè)算結(jié)果可知，對(duì)照1組和對(duì)照2組中3處小型農(nóng)田水利工程控制區(qū)的田間水利用系數(shù)的計(jì)算結(jié)果高度相似，而實(shí)驗(yàn)組的3處測(cè)算結(jié)果并不一致。根據(jù)K省地質(zhì)地形可知，該省位于板塊交界處，且土質(zhì)之間存在較大差異性，因此3個(gè)不同灌區(qū)的利用系數(shù)，不可能高度相似。為了分析導(dǎo)致3組測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)差異的原因，將3種測(cè)算方法計(jì)算所得數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)到下述3組數(shù)據(jù)表中，見(jiàn)表2-表4。

圖3 田間水利用系數(shù)測(cè)算結(jié)果

表2 實(shí)驗(yàn)組測(cè)算結(jié)果

表3 對(duì)照1組測(cè)算結(jié)果

表4 對(duì)照2組測(cè)算結(jié)果

根據(jù)表2中的測(cè)算結(jié)果可知，只有年凈灌溉用水量這一參數(shù)的計(jì)算結(jié)果存在較大差異，可見(jiàn)傳統(tǒng)測(cè)算方法分析模型在計(jì)算時(shí)，出現(xiàn)了一定程度的誤差，從而影響了同類(lèi)型灌區(qū)田間水利用系數(shù)之間的差別。由此證實(shí)，此次提出的田間水利用系數(shù)的測(cè)算方法，其測(cè)算效果更真實(shí)。根據(jù)圖1給出的歷年利用系數(shù)變化曲線可知，近些年該地區(qū)將田間水利用系數(shù)發(fā)揮到0.55以上。而3個(gè)測(cè)試組中，只有實(shí)驗(yàn)組的測(cè)試結(jié)果，更貼合K省實(shí)際數(shù)據(jù)，由此看出所提出方法的測(cè)算性能更好。

3 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)此次實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用此次測(cè)算方法后得到的田間水利用系數(shù)，與實(shí)際值更貼近，可見(jiàn)該方法相對(duì)于傳統(tǒng)方法來(lái)說(shuō)，有更好的測(cè)算性能。在今后的研究與分析中，還要進(jìn)一步優(yōu)化灌溉水利用系數(shù)測(cè)算方法，為城市灌溉區(qū)域的灌溉工程、節(jié)水改造工程提供更加詳細(xì)的數(shù)據(jù)。