“首尾測(cè)算分析法”在林芝市農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算中的應(yīng)用研究

楊 冰，宮鵬杰，田 軍，黃 東

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣州 510635；2.林芝市水利局，西藏 林芝 860000)

1 概述

農(nóng)業(yè)是我們的衣食之源、生存之本，是國(guó)家的國(guó)民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)。根據(jù)2020年度《中國(guó)水資源公報(bào)》統(tǒng)計(jì)，全國(guó)用水總量為5 812.9億m3，其中農(nóng)業(yè)用水達(dá)到3 612.4億m3，占比超過62%。2020年全國(guó)農(nóng)田灌溉面積超過7 500萬hm2，其中高效節(jié)水灌溉面積超過2 300萬hm2[1]，余下超過69%的土地仍采用低效的地面漫灌方式?？梢?，如何提升農(nóng)業(yè)灌溉用水效率、擴(kuò)大高效節(jié)水灌溉面積是新時(shí)代促進(jìn)農(nóng)業(yè)改革發(fā)展的方向。作為科學(xué)評(píng)估地方農(nóng)田灌溉水效率、節(jié)水潛力的重要指標(biāo)，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)在提升農(nóng)業(yè)用水效率方面發(fā)揮關(guān)鍵作用[2]。農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)是指灌區(qū)真正灌入田間被作物利用的總水量與灌區(qū)從所有水源取用的灌溉總水量的比值[3]。該系數(shù)可定量表征某灌區(qū)從水源取水到被田間作物真實(shí)利用過程中水資源的利用程度，可以綜合體現(xiàn)某灌區(qū)的自然概況、提水引水設(shè)施條件、用水管理現(xiàn)狀以及灌溉技術(shù)水平等能力[4-7]。

2012年1月國(guó)務(wù)院印發(fā)《關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見》，確立用水效率控制紅線，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)被列為主要考核指標(biāo)之一[2]。農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算是落實(shí)我國(guó)最嚴(yán)格水資源管理制度、全面推進(jìn)我國(guó)節(jié)約用水行動(dòng)，有效控制我國(guó)水資源消耗總量和消耗強(qiáng)度、努力創(chuàng)建節(jié)水型社會(huì)的關(guān)鍵指標(biāo)[8-9]。為此，全國(guó)各地區(qū)的水利基層工作者、高校或研究機(jī)構(gòu)的學(xué)者及研究員，分別以省域、市縣或單獨(dú)灌區(qū)為研究對(duì)象，在考慮不同灌溉方式、不同來水條件、不同耕作植物等影響因素的情況分下，開展了大量的農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)實(shí)例測(cè)算分析工作[7]，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)為全國(guó)各地的農(nóng)業(yè)節(jié)水工作做出了突出貢獻(xiàn)[8]。

以農(nóng)業(yè)為主的西藏自治區(qū)地處世界屋脊-青藏高原，雖然有“亞洲水塔”之稱，但山脈縱橫、溝壑遍布，實(shí)際上平坦、土壤肥沃、水源穩(wěn)定的有效耕地面積少之又少，且大多數(shù)是零散的分散各河流稍微寬闊平坦且不連續(xù)的河谷兩岸。各有效耕地面積小、形狀不規(guī)整，很難形成片區(qū)規(guī)模，地塊碎片化特征明顯[10-11]。雖然地表水資源量居全國(guó)首位，但由于天然地形限制和現(xiàn)有農(nóng)業(yè)灌溉條件的落后，致使整個(gè)西藏地區(qū)的農(nóng)田灌溉水有效利率不高。針對(duì)青藏高原地區(qū)，尤其是林芝地區(qū)水量觀測(cè)條件有限、耕地碎片化特征突出的情況，開展系統(tǒng)的、連續(xù)的、標(biāo)準(zhǔn)的農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算分析研究工作，對(duì)于改善西藏自治區(qū)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)、強(qiáng)化農(nóng)業(yè)用水監(jiān)管，都有重要的現(xiàn)實(shí)意義和參考價(jià)值[12]。

2 方法與數(shù)據(jù)

2.1 研究區(qū)概況

林芝地處西藏東南部，雅魯藏布江中下游，下轄巴宜區(qū)、工布江達(dá)縣、米林縣、墨脫縣、波密縣和察隅縣。林芝市西部和西南部分別與拉薩市、山南市相連，西連那曲市嘉黎縣、東接昌都市，南部部分區(qū)域在藏南地區(qū)、緬甸接壤，被稱為“西藏江南”，有世界上最深的峽谷—雅魯藏布江大峽谷和世界第三深度的峽谷帕隆藏布大峽谷。林芝市東西跨度為647 km，南北全長(zhǎng)為353 km，總面積超過11萬km2。林芝市平均海拔為3 100 m，是世界陸地垂直地貌落差最大的地帶，熱帶、亞熱帶、溫帶及寒帶氣候等多種氣候帶并存。林芝市的年均溫度為8.7℃、年降雨量在651 mm左右，年平均日照時(shí)數(shù)超過2 000 h[13]。

林芝市耕地土壤含粗粒部分多，土層瘠薄，生物活動(dòng)弱，有機(jī)質(zhì)少，發(fā)育的土壤主要為高山和亞高山草原土，從上至下為灰化土、棕色灰化土、棕壤土和黃壤土等。

根據(jù)《2020年西藏自治區(qū)水資源公報(bào)》統(tǒng)計(jì)，2020年林芝市用水總量為2.005 2億m3，其中農(nóng)業(yè)是用水大戶，占總用水量的88.96%，工業(yè)用水占2.19%，居民生活用水占8.61%，生態(tài)環(huán)境補(bǔ)水量占0.24%。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，林芝市現(xiàn)有中型灌區(qū)6宗、小型灌區(qū)93宗，無大型灌區(qū)和純井灌區(qū)，設(shè)計(jì)灌溉面積為14 556.6 hm2，有效灌溉面積為8 062.4 hm2。林芝市的農(nóng)業(yè)主要集中在尼洋河、帕隆藏布和雅魯藏布江干、支流的河谷兩岸，因無霜期較短，農(nóng)作物基本上是一年一熟制。作物種類比較單一，主要農(nóng)作物有青稞、小麥，少量地區(qū)也種植玉米、油菜、土豆、辣椒、瓜果等。由于林芝市農(nóng)田“田高水低”現(xiàn)象突出，農(nóng)田灌溉水源主要是山頂雨雪融水自流引水，且水源距田塊距離遠(yuǎn)、渠系硬化程度偏低。

2.2 研究方法

1)測(cè)算方法

按照全國(guó)農(nóng)田灌溉水系數(shù)測(cè)算分析工作統(tǒng)一要求和林芝市實(shí)際測(cè)算條件，林芝市2021年的灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算采用“首尾測(cè)算分析法”，具體公式如下：

(1)

式中：

η——該灌區(qū)的農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)值；

W凈——該灌區(qū)實(shí)際灌入田間被作物利用的總水量(凈灌水量)，m3；

W毛——灌區(qū)從所有水源取用的灌溉總水量(毛灌水量)，m3。

為體現(xiàn)田塊用水整體情況和測(cè)算工作的連續(xù)性，完整計(jì)算周期從1月1日統(tǒng)計(jì)至12月31日結(jié)束。

“首尾測(cè)算分析法”與詳細(xì)測(cè)定灌區(qū)干支斗農(nóng)等各級(jí)渠道水利用系數(shù)來推算農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)等方法相比，在計(jì)算復(fù)雜程度和計(jì)算難度和計(jì)算量方面都有較大優(yōu)勢(shì)。“首尾測(cè)算分析法”不用考慮灌區(qū)用水在田塊間渠道中水分運(yùn)輸?shù)膿p耗、易于操作且大大減少人為觀測(cè)誤差和計(jì)算誤差，測(cè)算結(jié)果可靠性較高[2]。

2)系數(shù)測(cè)算工作流程

“首尾測(cè)算分析法”工作流程主要包含3個(gè)環(huán)節(jié)：

① 樣點(diǎn)灌區(qū)與樣點(diǎn)田塊選擇。首先根據(jù)林芝市農(nóng)業(yè)種植和灌溉實(shí)情，從不同縣區(qū)選取不同水源條件、不同種植模式的代表性灌區(qū)。然后根據(jù)樣點(diǎn)灌區(qū)中田塊形狀和渠道輸水線路特征，選定方便觀測(cè)的樣點(diǎn)田塊。最后充分收集樣點(diǎn)灌區(qū)和樣點(diǎn)田塊的灌溉面積、種植作物等基礎(chǔ)信息。

② 凈灌溉用水量與毛灌溉用水量測(cè)量。針對(duì)各選定的樣點(diǎn)田塊，針對(duì)性的制定水源取水觀測(cè)方案和田間灌溉水量計(jì)量方案，并開展定期的監(jiān)測(cè)與統(tǒng)計(jì)。

③ 灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算。根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果，分別計(jì)算樣點(diǎn)田塊的凈灌溉用水量和毛灌溉用水量，由此逐步推算出各類型樣點(diǎn)灌區(qū)、全市的農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)值。

3 林芝市農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算

3.1 選擇樣點(diǎn)灌區(qū)

選擇樣點(diǎn)灌區(qū)應(yīng)充分綜合考慮灌區(qū)的地形地貌、土壤類型、工程設(shè)施、管理水平、水源條件(提水、自流引水)、作物種植結(jié)構(gòu)等因素，所選樣點(diǎn)灌區(qū)能代表市級(jí)區(qū)域范圍內(nèi)同規(guī)模與類型的灌區(qū)。同時(shí)，所選樣點(diǎn)灌區(qū)應(yīng)保持相對(duì)穩(wěn)定，使測(cè)算分析工作連續(xù)進(jìn)行，獲取的數(shù)據(jù)具有年際可比性[4]。

林芝市中型灌區(qū)共6個(gè)，本次選取其中3個(gè)中型灌區(qū)作為樣點(diǎn)灌區(qū)，占林芝市中型灌區(qū)數(shù)量比例為50%。據(jù)統(tǒng)計(jì)。2021年林芝市中型灌區(qū)有效灌溉面積是5 247.47 hm2，本次測(cè)算選取的中型樣點(diǎn)灌區(qū)的總有效灌溉面積為1 615.13 hm2，有效灌溉面積占比超過30%，滿足中型樣點(diǎn)灌區(qū)有效溉面積總和不應(yīng)少于林芝市中型灌區(qū)相檔次總有效灌溉面積10%的要求。

林芝市共有小型灌區(qū)93個(gè)，本次測(cè)算選取其中10個(gè)作為樣點(diǎn)小型灌區(qū)，選取的小型樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)量占比超過10%，完全滿足小型樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)量不少于全市所有小型灌區(qū)數(shù)量0.5%的規(guī)定。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年林芝市小型灌區(qū)有效灌溉總面積達(dá)到15 077.13 hm2，選取的小型樣點(diǎn)灌區(qū)總面積為3 076.67 hm2，面積占比超過1/5，完全滿足小型樣點(diǎn)灌區(qū)有效灌溉面積不低于全市所有小型灌區(qū)總有效灌溉面積1%的規(guī)定。

2021年，林芝市共計(jì)選定13個(gè)樣點(diǎn)灌區(qū)，分布于林芝市各個(gè)縣區(qū)。

3.2 選擇典型田塊

在田塊類型選擇方面，典型田塊適宜選擇邊界清楚、面積適中的規(guī)則田塊；同時(shí)需要考慮田塊的平整度、種植作物類型、土壤肥沃程度、耕作與灌水制度和方式以及土壤含水量等因素的代表性作物種類、灌溉方式、畦田規(guī)格、地形、土地平整程度、土壤類型、灌溉制度與方法、地下水埋深等方面的代表性。

在田塊數(shù)量選擇方面，中型樣點(diǎn)灌區(qū)需要在灌區(qū)上、中、下游分別選取不同作物代表的典型田塊。小型樣點(diǎn)灌區(qū)需要選取不少于2塊典型田塊代表不同種植作物[4]。

根據(jù)上述要求，林芝市2021年農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算共計(jì)選取各類型典型田塊共計(jì)29塊，選取樣點(diǎn)田塊總面積約為418 220 m2，占樣點(diǎn)灌區(qū)總面積的8.9‰，主要農(nóng)作物包括油菜、玉米、青稞、油菜、辣椒等(見表1)。

表1 典型田塊基本信息統(tǒng)計(jì) m2

3.3 灌溉水量測(cè)算方法

1)毛灌溉用水量測(cè)定

在選定的各樣點(diǎn)灌區(qū)的引水渠渠首附近，選取渠道斷面規(guī)則、渠段順直、水流均勻的斷面安裝固定水尺，工作人員攜帶便攜式流速儀，定期前往各水尺斷面讀取渠道斷面的水位和流速數(shù)據(jù)，由此計(jì)算每個(gè)斷面的流量，即可代表該樣點(diǎn)灌區(qū)的毛灌水量。

2)凈灌溉用水量測(cè)定

林芝市各灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)和灌溉方式基本相同，且由于地形限制，田塊大多小而分散，耕地碎片化，給凈灌溉用水量的測(cè)定帶來很大挑戰(zhàn)。在有限的測(cè)定成本條件下，本次測(cè)算選取土壤墑情儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與間接推算的方式相結(jié)合。

在種植冬小麥和青稞的典型田塊各安裝1臺(tái)土壤墑情儀，分別對(duì)10 cm、20 cm、30 cm和40 cm土層的土壤含水率、土壤溫度進(jìn)行15 min間隔頻次的連續(xù)觀測(cè)，結(jié)合田塊的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，在去除降雨影響背景下，智能識(shí)別人工灌溉引水的次數(shù)、每次灌水的持續(xù)周期，同時(shí)可以自動(dòng)計(jì)算出每次灌溉水量，即可直接計(jì)算典型田塊的總凈灌溉用水量(見圖1)。

4 測(cè)算結(jié)果及問題分析

4.1 測(cè)算結(jié)果

全市的農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)η市表示全市在測(cè)算完整年度內(nèi)真正灌入田間被作物利用的總水量與灌區(qū)從所有水源取用的灌溉總水量的比值。在依次計(jì)算出各中、小型樣點(diǎn)灌區(qū)的農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)之后，林芝市全市的農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)根據(jù)各類型樣點(diǎn)灌區(qū)占各類型全部灌區(qū)的面積權(quán)重進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算，公式如下：

(2)

式中:

η中，η小——分別代表林芝市所有中、小型灌區(qū)2021年農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)；

W中，W小——分別代表林芝市所有中、小型灌區(qū)年毛灌溉用水量，萬m3。

經(jīng)計(jì)算，2021年林芝市農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)為0.459，計(jì)算結(jié)果見表2。

4.2 存在問題與對(duì)策分析

根據(jù)表2的計(jì)算結(jié)果可知，2021年林芝市全市的農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)達(dá)到0.459，其中，全市中型灌區(qū)的農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)為0.435，全市小型灌區(qū)的農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)為0.476。根據(jù)《中國(guó)水資源公報(bào)(2020年)》數(shù)據(jù)，2020年全國(guó)的農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)平均值是0.565，而2020年西藏自治區(qū)全區(qū)的農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)平均值僅有0.451。對(duì)比可見，林芝市農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)略高于西藏平均水平，但遠(yuǎn)低于全國(guó)平均水平。根據(jù)2021年林芝市農(nóng)田灌溉水實(shí)踐測(cè)算工作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)可知，林芝市甚至整個(gè)西藏地區(qū)的農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)偏低的主要原因如下。

表2 林芝市2021年農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)成果

1)農(nóng)民灌溉理念未轉(zhuǎn)變。由于城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展、區(qū)域交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、市縣農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃等各方面的條件均落后于全國(guó)其他大部分地區(qū)，導(dǎo)致林芝甚至整個(gè)西藏地區(qū)的農(nóng)民耕種習(xí)慣仍然保留傳統(tǒng)的漫灌狀態(tài)，由此基層的管理工作也是粗放管理[14]。大多數(shù)農(nóng)田水利設(shè)施的建設(shè)未達(dá)到國(guó)家要求，渠道漏損、破壞、堵塞、淤積斷流現(xiàn)象突出，水資源存在浪費(fèi)的情況，不能合理利用水資源。絕大多數(shù)農(nóng)戶仍是在使用延續(xù)大水漫灌的灌溉習(xí)慣，由此造成農(nóng)業(yè)用水的的嚴(yán)重浪費(fèi)[4]。

2)測(cè)算工作起步晚。相較于全國(guó)從2006年就開始了農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算工作，林芝市在2018年以后才真正開始農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算工作，工作起步落后其他省份，工作推廣和經(jīng)驗(yàn)積累薄弱。基層水利工作者缺乏農(nóng)田水利監(jiān)管專業(yè)知識(shí)，農(nóng)田基本上沒有水資源量計(jì)量設(shè)施，灌溉用水量統(tǒng)計(jì)難度大[13]。由于缺乏相關(guān)的監(jiān)督、管理，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算工作經(jīng)驗(yàn)不足，政府在進(jìn)行農(nóng)業(yè)種植規(guī)劃時(shí)也缺乏真實(shí)的參考依據(jù)。

為改善林芝市乃至整個(gè)西藏地區(qū)農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)偏低的現(xiàn)狀，主要解決對(duì)策有以下兩方面：

1)普及農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算重要性。通過推廣農(nóng)民參與灌區(qū)管理等方法來提高灌區(qū)管理水平，進(jìn)而提高農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)。逐步由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植思維向現(xiàn)代化思維轉(zhuǎn)變，限制田間大水漫灌、隨意開鑿引水渠放水的低效灌溉習(xí)慣，廣泛宣傳引進(jìn)滴灌和噴灌等成熟且先進(jìn)的現(xiàn)代化灌溉手段[7]。

2)加強(qiáng)農(nóng)田水利工程的基礎(chǔ)建設(shè)。分級(jí)分階段推進(jìn)林芝市各灌區(qū)的末級(jí)渠系改造工程建設(shè)，逐步加大林芝市灌區(qū)渠道襯砌和渠系配套建筑物的建設(shè)與維護(hù)的專項(xiàng)資金投入，提升渠系過流能力、提高輸水流速、縮短輸水時(shí)長(zhǎng)，以減少渠道滲漏損失水量，逐步提高林芝市的農(nóng)田水利基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)代化、標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)水平。

3)重視農(nóng)田灌溉信息化建設(shè)。林芝市各縣鎮(zhèn)村各級(jí)行政單位要積極落實(shí)灌區(qū)取水水源水量自動(dòng)化、信息細(xì)化計(jì)量設(shè)施的安裝和普及推廣宣傳，以便盡早實(shí)現(xiàn)林芝市全域的農(nóng)業(yè)用水水源的定量化、信息化監(jiān)管。

4)完善管理體系和監(jiān)管機(jī)制。逐步普及、提高基層水利工作者農(nóng)田水利相關(guān)專業(yè)知識(shí)，宣傳引導(dǎo)農(nóng)戶合理利用水資源、提高農(nóng)田灌溉效率的意識(shí)。對(duì)林芝市各縣鎮(zhèn)村的農(nóng)業(yè)基層管理工作人員開展多輪次的技術(shù)培訓(xùn)，將技術(shù)普及工作推廣至田間地頭，強(qiáng)化灌區(qū)統(tǒng)計(jì)資料對(duì)于整個(gè)測(cè)算工作的重要性，以此保證灌區(qū)基礎(chǔ)資料的可靠性與時(shí)效性[15]。

5 結(jié)語

1)本文針對(duì)林芝市灌區(qū)實(shí)際情況，采用“首尾測(cè)算分析法”，采用13個(gè)樣點(diǎn)灌區(qū)，29處典型田塊，在充分調(diào)查、量測(cè)及比較分析的基礎(chǔ)上，測(cè)算得到林芝市2021年農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)為0.459，中型灌區(qū)為0.435，小型灌區(qū)為0.476。通過對(duì)比林芝市2021年(0.459)和2020年的農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)(0.452)可知，近兩年林芝市的農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)處于上升狀態(tài)，目前在西藏處于首位，但放眼全國(guó)來看仍仍然是平均線以下。

2)測(cè)算分析得到的林芝市2021年農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)值比較真實(shí)客觀地反映了當(dāng)前農(nóng)業(yè)用水效率和農(nóng)田水利建設(shè)與管理現(xiàn)狀。結(jié)合測(cè)算工作實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)分析總結(jié)了林芝市農(nóng)田灌溉在管理和監(jiān)管等方面存在的問題，并針對(duì)性提出解決對(duì)策，以期為林芝市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與節(jié)水型社會(huì)建設(shè)提供參考依據(jù)。

3)農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)測(cè)算計(jì)算的影響因素繁雜，系數(shù)變化趨勢(shì)有長(zhǎng)系列的田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行支撐分析可對(duì)具體的影響因素進(jìn)行單位分析，有助于量化影響因素對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)田灌溉水利用系數(shù)變化產(chǎn)生的影響，林芝市需持續(xù)進(jìn)行農(nóng)田灌溉水利用系數(shù)的測(cè)算，補(bǔ)充收集各灌區(qū)的基本資料信息便于后續(xù)研究。