農(nóng)田水利工程灌溉用水效率系數(shù)測算方法研究

計利剛

(云南省農(nóng)業(yè)工程研究設(shè)計院，云南 昆明 650000)

在農(nóng)業(yè)水利工程中,水資源消耗量最大的項(xiàng)目就是灌溉用水，也就是通過人工供給的方式為農(nóng)作物、林草的生長提供充足的水量[1]。為了保證農(nóng)作物生長正常的情況下，減少灌溉用水量，需要在一定程度上提升農(nóng)田水利工程的灌溉用水效率。灌溉用水效率指灌入田間能夠被作物利用的水量與灌溉系統(tǒng)在渠首取用的灌溉用水總量的比值，用水效率直接反映了水利工程的運(yùn)行狀況、灌水技術(shù)水平，對于管理農(nóng)田水利工程具有重要意義。

目前對于灌溉用水效率系數(shù)的測算方法主要采用的是水利部門推薦的首尾測算分析方法，該方法雖然可以解決傳統(tǒng)方法對人力與物力的消耗問題，但依舊由于測算工作量大、測試條件難以保證等因素，導(dǎo)致最終得出的測算結(jié)果存在較大誤差。為了解決上述用水效率系數(shù)測算方法存在的問題，在現(xiàn)有測算方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以期能夠?yàn)檗r(nóng)田水利工程的管理提供有價值的參考數(shù)據(jù)。

1 農(nóng)田水利工程灌溉用水效率系數(shù)測算方法設(shè)計

在農(nóng)田水利工程背景下，通過對灌溉區(qū)域的資料分析，分別測算灌區(qū)土壤、用水量等參數(shù)，并利用量水設(shè)備得出用水效率系數(shù)的最終測算結(jié)果。與傳統(tǒng)測算方法相比，設(shè)計優(yōu)化方法設(shè)置的灌區(qū)數(shù)量更多且用水效率相關(guān)參數(shù)量更多，因此得出的測算結(jié)果考慮因素更加全面，即測算結(jié)果精度更高。

1.1 選擇農(nóng)田水利工程灌區(qū)

在考慮灌區(qū)的自然條件、水利工程條件、灌區(qū)面積和類型、灌溉渠防滲水平等因素的前提下，盡量使樣點(diǎn)灌區(qū)能基本反映研究灌區(qū)整體特點(diǎn)，具有良好的代表性[2]。針對農(nóng)田水利工程灌區(qū)不同的規(guī)模選擇合適的灌區(qū)樣本，具體的灌區(qū)類型選擇依據(jù)見表1。

表1 農(nóng)田水利工程灌區(qū)樣本選擇依據(jù)

在灌區(qū)選擇原則的約束下，按照表1的數(shù)量要求，以抽樣選擇的方式得出農(nóng)田水利工程灌區(qū)的選擇結(jié)果，并了解樣本區(qū)域范圍內(nèi)的水源類型、農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)、地形地貌等自然條件。

1.2 設(shè)置農(nóng)田水利工程灌區(qū)田塊樣點(diǎn)

以方便獲取田塊在單位面積下的平均凈灌溉用水量為目的，在選擇的農(nóng)田水利工程灌區(qū)內(nèi)設(shè)置田塊樣點(diǎn)。要求田塊樣點(diǎn)的面積要適中，邊界清晰，形狀規(guī)則[3]。為方便田塊樣點(diǎn)用水?dāng)?shù)據(jù)的觀測，測試田塊測點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 測試田塊測點(diǎn)布置示意圖

從圖1中可以看出，地下低壓管灌單井控制區(qū)地下水井一般設(shè)置在控制區(qū)一角，安裝在井室內(nèi)，通過1條干管連接到田間輸水。干水管按控制區(qū)的大小設(shè)置幾條支管向田間輸送水，在每個支管上安裝多條滴灌帶，保證正常進(jìn)行灌溉任務(wù)。在試驗(yàn)田塊中，不分階段灌水取其支管控制域[4]。試驗(yàn)場地的上下各設(shè)1個土壤水分觀測點(diǎn)。對低壓管灌來說，科學(xué)對照試驗(yàn)點(diǎn)布置試驗(yàn)點(diǎn)，選擇固定試驗(yàn)塊，每次實(shí)施灌水之前，都要測定灌前土壤含水率，每1次灌水都要根據(jù)試驗(yàn)田塊土壤上田間持水率的90%計算出所需灌溉的水量，水井的單位出水量可由觀測得到，作物灌溉生育期的灌水量是確定的，因此可以計算每次灌水所需的灌水時間。

同理在灌區(qū)內(nèi)選擇斗渠研究對象，需要斗渠的大小、長度適宜，渠首兩側(cè)的排水設(shè)施應(yīng)盡量齊全。該斗渠應(yīng)具備能覆蓋整個灌區(qū)種植的主要農(nóng)作物的功能，大、中、小3種灌區(qū)內(nèi)設(shè)置斗渠的數(shù)量都是均為2條。

1.3 測定田塊的面積及土壤基本物理參數(shù)

利用全站儀測量確定農(nóng)田水利工程灌區(qū)田塊的樣點(diǎn)面積，在田塊的樣點(diǎn)位置安裝全站儀，并進(jìn)行面積測量。在樣片邊緣的起點(diǎn)上豎立帶棱鏡的對中桿，全站儀對準(zhǔn)棱鏡，測得該點(diǎn)的坐標(biāo)。用全站儀按一定的方向?qū)y量設(shè)備迅速移到田塊的邊緣，并用全站儀測量坐標(biāo)。當(dāng)接近第1個點(diǎn)的最后1個角后，測量該點(diǎn)坐標(biāo)，點(diǎn)擊全站儀中的功能鍵，結(jié)束測量并以可視化的方式顯示田塊面積的測量結(jié)果[5]。農(nóng)田土壤的基本物理參數(shù)主要以土壤水分含量為主，在每次灌水前1天和之后，分別采取土樣按每層厚度15cm取4層土樣，每層取兩個測點(diǎn)進(jìn)行平行測定，采用烘干法測定不同點(diǎn)的土壤水分含量。在實(shí)際的測定過程中，將選取的土樣進(jìn)行稱重，并記錄此時的樣品質(zhì)量記為Mfront，接著將該土壤放置到烘干設(shè)備中，設(shè)置烘干溫度為180℃，烘干時間為3min。將烘干處理完成的土壤重新進(jìn)行質(zhì)量測量，此時得出的稱重數(shù)據(jù)記為Mafter，則目標(biāo)土壤的含水率記為Mfront與Mafter的差值與Mfront的比。同理可以得出田塊中所有土層深度的含水率測定結(jié)果，其平均值即為土壤含水率的最終測定結(jié)果[6]。

1.4 量水設(shè)備選型

水資源計量設(shè)備或設(shè)施種類較多，其應(yīng)用要符合渠道條件和流量狀況。因此，在進(jìn)行灌溉水有效利用系數(shù)測算分析工作中，量水設(shè)備或設(shè)施的選擇應(yīng)遵循以下原則和要求：量水設(shè)備應(yīng)與渠道的過流能力相適應(yīng)，與渠道的水流流態(tài)相適應(yīng)，并適應(yīng)一定范圍內(nèi)水流的變化。其產(chǎn)生的水頭損失要盡可能小，力圖不使上游產(chǎn)生較大的淤積，下游不發(fā)生沖刷[7]。流量測量的范圍應(yīng)盡可能大，以滿足渠道流量變化的要求。量水設(shè)備或設(shè)施應(yīng)具有足夠的靈敏度，能夠準(zhǔn)確、及時地感覺到水量的變化。最終選擇滿足上述條件的HD6685型號的量水器，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 量水設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

圖2表示的量水設(shè)備只能檢測出流動狀態(tài)的灌溉用水，對于農(nóng)作物中以及土壤中吸收的水無法利用該設(shè)備直接計量。

1.5 確定田間水相關(guān)觀測參數(shù)

為了更好地理解農(nóng)田土壤水分的動態(tài)變化規(guī)律，建立農(nóng)田水利工程區(qū)域內(nèi)任意時段的降水量、地下水補(bǔ)水量等要素之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，并建立水平衡方程進(jìn)行描述與計算[8]。農(nóng)田灌區(qū)內(nèi)水量平衡示意圖如圖3所示。

圖3 農(nóng)田水利工程灌區(qū)水量平衡示意圖

圖3對應(yīng)的水平衡方程為：

λNet+λrain+Δλground=λETc+λleakage+Δλlayer+Δλdrainage

(1)

式中，λNet—灌溉用水總量；λrain—有效降水量；λETc—農(nóng)作物蒸發(fā)量；λleakage—田間滲透量；Δλground—地下水補(bǔ)給量；Δλlayer—土層蓄水量；Δλdrainage—地表排水量[9]。

在充分灌溉條件下，區(qū)域降水和作物蒸發(fā)是影響農(nóng)業(yè)灌溉用水效率的主要因素，在充分灌溉條件下，蓄納稻格田的降雨均為有效降雨。農(nóng)作物有效降水量與降雨量、雨前水深以及作物生育期水深等因素有關(guān)[10]。作物蒸發(fā)量就是農(nóng)作物生長過程中葉片、枝葉等部分呼吸作用散發(fā)的水分，田間水相關(guān)觀測參數(shù)有效降水量和作物蒸發(fā)量的計算公式如下：

(2)

式中，λrain-0—一次降水量；hi—降水前的水深；hmax—農(nóng)田灌區(qū)水深的最大控制標(biāo)準(zhǔn)；KCi—不同作物生長期間的作物系數(shù)；ET0i—灌區(qū)日參考作物蒸發(fā)量。由此可以計算得出不同灌區(qū)測點(diǎn)位置上的觀測參數(shù)計算結(jié)果。

1.6 觀測農(nóng)田水利工程灌溉用水量

由于不同灌區(qū)使用的灌溉方式不同，因此分別從毛灌溉、凈灌溉兩個方面進(jìn)行用水量計算。毛灌溉主要就是井灌區(qū)灌溉，可以在每個井出口設(shè)立水量觀測點(diǎn)，利用超聲波檢測井出水口流量，計算出一次灌溉總水量。而對于大、中、小3種類型的灌區(qū)樣點(diǎn)灌溉用水量的觀測，則采用直接測量法和觀測分析法[11]。在考慮灌區(qū)土壤與作物生長狀態(tài)的情況下，將凈灌溉用水量分為泡田期灌水量和水稻生育期灌溉水量，其中泡田期灌水量的計算公式如下：

λBubble=103β±H(μ0-μ1)+H0

(3)

式中，H—作物底層深度；H0—作物種植期間所需水層深度；β—指定深度位置上的土壤容重；μ0—土壤的初始含水率；μ1—測算期間土壤的平均含水率。而水稻生育期農(nóng)田水利工程灌溉的用水量為：

(4)

1.7 統(tǒng)計灌溉用水損失量

灌溉用水損失主要包括滲漏和排水兩個部分，農(nóng)作物因經(jīng)常保持一定的水深，因此水分將以滲透形式流失，田間田間滲漏是水作物間耗水量的主要組成部分之一。適度的大田滲水可增加土壤氧化程度，排除還原性物質(zhì)過多，但過多的田間滲水會使作物水分和養(yǎng)分大量流失。隨著地下水埋深的增加，作物水層深度的大小降低了作物水層的滲透量，農(nóng)田中的滲水量也隨之增加[12]。在實(shí)際的測定過程中，利用農(nóng)田水利工程灌區(qū)田塊樣點(diǎn)中設(shè)置的蓄水設(shè)備，通過計算灌溉前后蓄水設(shè)備中的水位差得出滲漏量統(tǒng)計結(jié)果。而排水量的測算主要利用選擇的量水設(shè)備，通過對顯示數(shù)據(jù)的讀取直接得出，最終得出的兩者之和即為以此灌溉后的用水損失量計算結(jié)果。

1.8 實(shí)現(xiàn)農(nóng)田水利工程灌溉用水效率系數(shù)測算

根據(jù)灌溉用水效率系數(shù)的定義，灌溉系數(shù)的計算結(jié)果可以看作是灌入農(nóng)田中能被作物吸收和利用的水量與從水源引出的灌溉總量之間的比值，具體的測算結(jié)果可以表示為：

(5)

式中，λGross—毛灌溉觀測結(jié)果。將相關(guān)數(shù)據(jù)以及公式3和公式4的計算結(jié)果代入到公式5中，便可以得出最終的農(nóng)田水利工程灌溉用水效率系數(shù)測算結(jié)果。

2 實(shí)證分析

為了測試設(shè)計農(nóng)田水利工程灌溉用水效率系數(shù)測算方法的測算性能，以某農(nóng)田水利工程項(xiàng)目作為研究背景進(jìn)行實(shí)證分析。實(shí)驗(yàn)設(shè)置基于首尾測算法的系數(shù)測算方法作為實(shí)驗(yàn)的對比方法，在相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)條件下，體現(xiàn)出設(shè)計方法的性能優(yōu)勢。

2.1 農(nóng)田水利工程項(xiàng)目概況

所選農(nóng)田水利項(xiàng)目的施工地理位置為云南某地，其中農(nóng)田水利建設(shè)項(xiàng)目土地資源807.75km2，土地類型包括耕地、草地、林地，地下水資源總量為244.20km2。在農(nóng)業(yè)灌溉工程中，農(nóng)作物覆蓋率達(dá)83.7%，種植作物種類有水稻、小麥、旱糧、玉米、大豆、花生等20種。

2.2 設(shè)置灌區(qū)數(shù)量與分布

遵循灌區(qū)和田塊樣點(diǎn)的選取原則，在選取的農(nóng)田水利工程項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)選擇10個樣點(diǎn)灌區(qū)進(jìn)行測試，包含大、中、小和純井灌區(qū)4種類型，具體的樣點(diǎn)灌區(qū)研究對象選擇結(jié)果見表2。

按照表2的設(shè)置情況，形成實(shí)證分析的多個組別，通過對多個組別用水效率系數(shù)測算結(jié)果的分析來保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度。

表2 實(shí)驗(yàn)樣點(diǎn)灌區(qū)設(shè)置表

2.3 準(zhǔn)備灌溉用水?dāng)?shù)據(jù)樣本

需要準(zhǔn)備的用水?dāng)?shù)據(jù)樣本主要包括農(nóng)田水利工程的實(shí)際灌溉用水量、測算期間的降水量以及水蒸發(fā)量。其中降水量和水蒸發(fā)量可以利用硬件設(shè)備直接測量得出，由于設(shè)置的所有樣點(diǎn)灌區(qū)均屬于同一個水利工程項(xiàng)目，因此各個研究區(qū)域的降水量和蒸發(fā)量均相同，經(jīng)過數(shù)據(jù)的讀取得出數(shù)據(jù)樣本的統(tǒng)計結(jié)果，如圖4所示。

圖4 水蒸發(fā)量與降水量樣本數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖

另外通過人為添加的方式確定各個測點(diǎn)區(qū)域的凈灌溉和毛灌溉用水量，將數(shù)據(jù)樣本代入到公式5中，并將灌溉用水效率系數(shù)的計算結(jié)果作為真實(shí)值，用來驗(yàn)證測算結(jié)果的精準(zhǔn)度。

2.4 設(shè)置測算效果測試參數(shù)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑O(shè)置用水效率系數(shù)測算誤差作為實(shí)驗(yàn)的量化測試指標(biāo)，其數(shù)值結(jié)果為：

ε=|δact-δcal|

(6)

式中，δact—用水效率系數(shù)的實(shí)際值；δcal—用水效率系數(shù)的測算值。在實(shí)際的測試過程中，計算得出ε的值越小證明對應(yīng)測算方法的性能越好。

2.5 實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果分析

將準(zhǔn)備的農(nóng)田水利工程數(shù)據(jù)樣本分別代入到設(shè)計系數(shù)測算方法及對比測算方法中，經(jīng)過相關(guān)參數(shù)的計算得出最終的測算結(jié)果見表3。

將表3中的數(shù)據(jù)代入到公式6中，可以得出基于首尾測算法的系數(shù)測算方法的平均測算誤差為0.0025，而設(shè)計方法的平均測算誤差為0.0006，由此可見設(shè)計方法的測算誤差遠(yuǎn)低于對比方法，即設(shè)計方法的測算精度有所提升。

表3 灌溉用水效率系數(shù)的測算結(jié)果數(shù)據(jù)表

3 結(jié)語

通過本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，利用用水效率系數(shù)測算方法實(shí)施農(nóng)田水利工程灌溉用水測算工作不僅能夠大幅提高測算性能，而且其準(zhǔn)確性亦可得到保證。

農(nóng)業(yè)作為我國水資源的“消費(fèi)大戶”，每年用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的水量占比較大，而農(nóng)業(yè)灌溉作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中消耗水資源的重要環(huán)節(jié)，國家和各級政府都在保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)正常進(jìn)行的前提下，千方百計地控制和降低農(nóng)業(yè)灌溉用水量。農(nóng)田水利工程灌溉用水效率測算工作作為評價用水效率的重要途徑，其測算方法的簡便性和測算成果的準(zhǔn)確性等將直接影響到相關(guān)農(nóng)田水利節(jié)水設(shè)施的后評價工作。