牧區(qū)水利節(jié)水灌溉技術(shù)應(yīng)用分析

何毅

（海晏縣農(nóng)牧水利綜合服務(wù)中心，青海 海晏 812299）

我國內(nèi)蒙古、青海、西藏等省份是最為重要的農(nóng)牧地區(qū)，這些地區(qū)處于中國北部和西北部，氣候?qū)傩陨蠈儆跍貛Т箨懶詺夂蚧蚋咴箨懶詺夂騕1-2]。受到地理環(huán)境以及氣候條件的影響，牧區(qū)的生態(tài)環(huán)境十分脆弱，牧區(qū)存在著過度放牧、水資源粗放利用、土地利用不合理、人類工農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)污染、地下淡水資源開采不科學(xué)等問題，造成水土流失、水資源浪費和水環(huán)境污染，使得牧區(qū)居民飲用水和牲畜養(yǎng)殖、飼草料種植、農(nóng)業(yè)灌溉等都面臨著淡水資源供給不足等問題，極大地限制了牧區(qū)農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè)的發(fā)展，給經(jīng)濟社會發(fā)展造成障礙[3]。在牧區(qū)生產(chǎn)中，水資源是第一戰(zhàn)略資源，提高用水效率達到水資源節(jié)約的目的成為推動生態(tài)建設(shè)中增產(chǎn)增效的重要舉措。節(jié)水灌溉技術(shù)的選擇與利用是實現(xiàn)高效灌溉、抗旱增產(chǎn)的有力途徑。為此，研究牧區(qū)水利灌溉技術(shù)，提高水資源的高效利用，實現(xiàn)生產(chǎn)活動中灌溉用水的可持續(xù)利用，消除由于寶貴水資源供給不足導(dǎo)致的干旱、土地退化和荒漠化。

1 海晏縣牧區(qū)水資源開發(fā)利用面臨的問題

在干旱氣候條件下，對牧區(qū)的水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)實現(xiàn)水資源的開發(fā)利用不僅僅是滿足人畜用水問題的需要，也是發(fā)展草業(yè)灌溉，為畜牧養(yǎng)殖提供優(yōu)良且充裕的草料儲備，改善依靠自然降水進行放牧的養(yǎng)殖方式和生產(chǎn)條件，可以最大限度地發(fā)揮水資源開發(fā)利用的抗旱防災(zāi)功能，達到改善畜牧業(yè)生產(chǎn)條件和牧區(qū)民眾經(jīng)濟水平的作用[4]。然而，大量的研究表明牧區(qū)的水利建設(shè)存在著眾多的現(xiàn)實問題，以青海省海晏縣牧區(qū)水利節(jié)水灌溉技術(shù)應(yīng)用為研究對象，對牧區(qū)水資源開發(fā)利用面臨的問題展開分析，主要集中3 個方面，分別為地理環(huán)境因素引起的水資源分布格局不合理、水資源開發(fā)利用不合理導(dǎo)致用水資源浪費和土地鹽堿化、生產(chǎn)生活用水與生態(tài)用水不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致流域水資源的承載潛力下降。

2 基于數(shù)值模擬分析的節(jié)水灌溉技術(shù)地下水滲流分析

基于水文地質(zhì)滲流理論模型，采用有限元模擬的方法對灌溉水在土壤中的滲流場進行計算分析，以定量化地為牧區(qū)水利節(jié)水灌溉技術(shù)選擇和確定提供依據(jù)。灌溉用水在土壤中滲流的非穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型表達式如公式（1）～公式（3）所示。

式中，對于承壓含水層而言，E=S，S 為儲水系數(shù)，T=M，M為承壓含水層單元體厚度，m；對于潛水含水層而言，E=Sy，Sy為給水度，T=B，B 為潛水含水層單元體飽和地下水厚度，m；kxx、kyy、kzz分別為空間x、y、z 方向上的滲透系數(shù)，m/d；h 為點（x，y，z）在t 時刻的水頭高度，m；W為源匯項，d-1；h0為計算域初始水頭高度，m；h1為第一類邊界的水頭高度，m；t 為時間，d；Ω 為計算域；Γ1 為第一類邊界。

分別對滴灌灌溉和管灌灌溉進行數(shù)值模擬計算，模擬時長為20d，土壤中含水率隨著深度變化的計算結(jié)果如圖1 所示。從圖中可以看出，在采用灌溉行為后，滴灌灌溉在澆灌10d 后，膜間和膜下的土壤含水率峰值均出現(xiàn)在深度約80cm 至120cm 范圍內(nèi)，當(dāng)?shù)喂喙喔刃袨槌掷m(xù)20d 后，土體中的含水率出現(xiàn)明顯變化，其含水率曲線峰值向下遷移，深度達到120cm 至140cm，表明滴灌灌溉可以有效地滲透更深的地層，達到減少水分蒸發(fā)和水分蓄留的作用；而采用管灌灌溉方式，10d 和20d 的土壤含水率曲線變化不大，沒有出現(xiàn)水分向下遷移現(xiàn)象，表明采用灌溉方式不能有效地將灌溉水向下滲透，水分在淺層滯留，導(dǎo)致蒸發(fā)量增大，不能產(chǎn)生水分蓄留現(xiàn)象，大大降低了土壤的保水性能和水資源的利用率。

為了驗證數(shù)值計算結(jié)果的可靠性和精確性，對牧區(qū)布置G1 長期觀測孔對滴灌方式時灌溉水在土壤中的滲流變化進行監(jiān)測；布置G2 長期觀測孔對管灌方式時灌溉水在土壤中的滲流變化進行監(jiān)測。兩種灌溉方法的地下水位水頭數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果對比如圖2 所示（圖中實線為模擬值，虛線為實測值）。

圖2 滴灌和管灌方式的數(shù)值模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果對比

從圖中可以看出，隨著灌溉持續(xù)時間的增加，滴灌方式和管灌方式的地下水位水頭均呈現(xiàn)不同程度的波動。對監(jiān)測實測值與數(shù)值模擬值的相關(guān)性進行T 檢驗和非參數(shù)顯著性檢驗，結(jié)果表明兩者具有良好的一致性，數(shù)值模擬結(jié)果能夠得到較為準(zhǔn)確的預(yù)測值。

3 基于三角模糊數(shù)的節(jié)水灌溉技術(shù)優(yōu)選方法及統(tǒng)計

為更好地利用三角模糊數(shù)理論實現(xiàn)節(jié)水灌溉技術(shù)的優(yōu)選，在操作過程中需要建立層次分析模型[7]，模型結(jié)構(gòu)的最頂層為目標(biāo)層，即建設(shè)工程項目的價值；中間層則為準(zhǔn)則層，它是影響價值實現(xiàn)的各種影響因數(shù)；最下層為方案層，它是不同節(jié)水灌溉技術(shù)方案層面的具體表達，通過中間準(zhǔn)則層的連續(xù)或者權(quán)屬以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)模型的最優(yōu)化，如圖3 所示，具體的判斷準(zhǔn)則可以構(gòu)件三角模糊數(shù)進行分析，如公式（4）所示。

圖3 三角模糊數(shù)理論的節(jié)水灌溉技術(shù)評價模型

式中，um（x）為三角模糊數(shù)M=（l，m，u）的隸屬函數(shù)，x為模糊數(shù)的自變量，m、n 為介于c 和u 的任意實數(shù)，而c、u 分別為三角模糊數(shù)M的上閾值和下閾值。

在上述模數(shù)函數(shù)的確定情況下，設(shè)M=（l，m，u），M'=（l'，m'，u'）則其運算法則為

對于給定的M和M'，均可以跟權(quán)重函數(shù)Wi進行運算以實現(xiàn)目標(biāo)層的排序，如公式（7）所示[8]。

對優(yōu)選結(jié)果進行理論耗水量計算和現(xiàn)場試驗測量實際耗水量，并利用統(tǒng)計學(xué)理論對數(shù)據(jù)進行分析，計算兩者的一致性，統(tǒng)計分析參數(shù)分別為納什系數(shù)NSE 和決定系數(shù)R2，計算公式分別如公式（8）、公式（9）所示。

式中，ETob，t、ETs，t分別是耗水量的試驗值、理論值，t=1，2，…，T和是指耗水量的平均試驗值和耗水量平均理論值。

4 牧區(qū)水利節(jié)水灌溉技術(shù)優(yōu)選對比分析

在節(jié)水灌溉技術(shù)中，基于三角模糊數(shù)理論具體對噴灌技術(shù)、微灌技術(shù)、管道灌溉技術(shù)、渠道防滲技術(shù)、地面節(jié)水灌溉技術(shù)進行優(yōu)選，表明噴灌技術(shù)與管道灌溉技術(shù)在海晏縣的節(jié)水灌溉中具有優(yōu)勢。進一步地，對海晏縣不同灌溉區(qū)域管溉耗水量與噴灌耗水量進行理論計算和現(xiàn)場實測分析，結(jié)果如表1 和圖4 所示。

表1 海晏縣不同灌溉區(qū)域管溉耗水量與噴灌耗水量對比分析

從圖4 中，可以看出，在所有鄉(xiāng)鎮(zhèn)的管灌耗水量理論值與現(xiàn)場實測耗水量相近，誤差均控制在260m3h·m-2以內(nèi)。所有鄉(xiāng)鎮(zhèn)的現(xiàn)場實測耗水量均表明，相對于管灌而言噴灌的節(jié)水效果較好，可以在海晏縣的牧區(qū)田間進行推廣應(yīng)用。

圖4 海晏縣不同灌溉區(qū)域管溉耗水量與噴灌耗水量對比圖

5 結(jié)論

水資源是牧區(qū)生產(chǎn)生活的命脈，也是生態(tài)環(huán)境保護的基石，目前牧區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的前提下，水資源短缺的現(xiàn)象日益凸顯，而牧區(qū)的農(nóng)牧業(yè)灌溉用水一般占到總用水量的60%，發(fā)展水利節(jié)水灌溉技術(shù)成為牧區(qū)發(fā)展面臨的現(xiàn)實問題。本文基于青海省海晏縣面臨的牧區(qū)水資源開發(fā)利用問題，通過建立灌溉水非穩(wěn)定流數(shù)值模型進行滲流過程分分析，分別研究滴灌方式和管灌方式的灌溉水的滲流過程和利用效率，同時采用現(xiàn)場長期水位監(jiān)測孔實測的方式驗證計算結(jié)果，進一步地采用三角模糊數(shù)理論對牧區(qū)節(jié)水灌溉技術(shù)進行優(yōu)選。通過對牧區(qū)水利節(jié)水灌溉技術(shù)的利用，可以充分提高水資源的利用率和提高農(nóng)牧產(chǎn)品質(zhì)量和數(shù)量，到達緩解水資源不足的問題。