農(nóng)田灌溉設(shè)計保證率受時間尺度的影響分析

趙曉棟

（山西萬水水利勘測設(shè)計咨詢有限公司，山西 太原 030024）

農(nóng)田灌溉受到降水時空分布不均的影響較大，當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者在農(nóng)田灌溉空間尺度效應(yīng)方面的研究成果頗豐，大部分學(xué)者主要從作物蒸散發(fā)角度以及利用旬降雨尺度進行灌區(qū)灌溉制度合理性評價，但對于設(shè)計灌溉保證率受時間尺度效應(yīng)的影響研究較少。設(shè)計灌溉保證率是灌區(qū)灌溉制度確定的基礎(chǔ)，也是體現(xiàn)灌區(qū)灌溉水利用效率的主要指標(biāo)，其取值大小及合理性直接影響灌區(qū)灌溉設(shè)施規(guī)模及灌溉面積。根據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》，灌區(qū)可根據(jù)具體灌水方式、作物類型查表選取設(shè)計灌溉保證率，以便灌區(qū)灌溉工程設(shè)計工作的展開。但是該規(guī)范并未將時間尺度對設(shè)計灌溉保證率的影響考慮進去，所給出的設(shè)計灌溉保證率取值的準(zhǔn)確性和適用性值得商榷。

1 背景及方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

以山西省隰縣2018年果水配套工程為例，工程建設(shè)項目由8個灌溉片區(qū)組成，分別為桃坡果水配套工程、下崖底果水配套工程、員家莊果水配套工程、瓦窯坡果水配套工程、水堤果水配套工程、下司徒果水配套工程、竹干果水配套工程、馬家果水配套工程。具體實施地點為桃坡、下崖底、員家莊、瓦窯坡、竹干、下司徒、水堤、馬家等8個自然村，因地制宜建設(shè)節(jié)水灌溉工程。本研究所需氣象數(shù)據(jù)主要取自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)1960年～2020年的逐日數(shù)據(jù)。

根據(jù)研究目的，將隰縣2018年果水配套工程區(qū)氣象數(shù)據(jù)分為降水?dāng)?shù)據(jù)以及根據(jù)修正彭曼公式所計算出的參考作物需水量數(shù)據(jù)兩個部分[1]，其中工程區(qū)參考作物需水量主要根據(jù)以下公式確定：

式中：ET0為作物需水量，mm/d；Rn為土壤靜輻射量，MJ/（m2·d）；G為土壤熱通量，MJ/m2·d；T為日平均氣溫，℃；2為風(fēng)速，m/s；es為飽和水汽壓，kPa；ea為實際水汽壓，kPa；為飽和水汽壓與溫度關(guān)系曲線的斜率值，kPa/℃；γ為干濕溫度計常數(shù)，kPa/℃。

1.2 灌溉設(shè)計保證率

即項目區(qū)用水量在多年間能得到保證的概率，通常按照正常供水年份在總年份中的占比進行量化，可采用的經(jīng)驗頻率計算公式如下：

式中：P為設(shè)計灌溉保證率，%；m為設(shè)計灌溉用水量所對應(yīng)的供水年份數(shù)，a；n為總年份數(shù)，a。

根據(jù)該區(qū)需水過程，并綜合考慮灌區(qū)內(nèi)水資源、降水等情況，本研究中設(shè)計灌溉標(biāo)準(zhǔn)主要以灌溉保證率法所確定的值為準(zhǔn)，設(shè)計灌溉保證率取75%，設(shè)計基準(zhǔn)年取2017 年。

1.3 灌溉制度及灌水定額

項目區(qū)灌溉制度的有關(guān)參數(shù)主要根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H經(jīng)驗確定。隰縣2018年果水配套工程區(qū)代表性作物為梨樹和蘋果樹，兩種作物的種植比例分別為35%和65%。在設(shè)計灌溉保證率下，根據(jù)隰縣2018年果水配套項目區(qū)作物種植狀況及結(jié)構(gòu)調(diào)整規(guī)劃，應(yīng)主要采用低壓管道輸水的管灌方式。

項目區(qū)梨樹和蘋果樹兩種典型作物的灌溉應(yīng)主要根據(jù)《農(nóng)田低壓管道輸水灌溉工程技術(shù)規(guī)范》（GB /T 20203-2006），同時結(jié)合項目區(qū)實際情況，灌水定額設(shè)計參數(shù)具體見表1。

表1 作物灌水定額設(shè)計參數(shù)表

按照所確定出的灌水定額，并結(jié)合項目區(qū)現(xiàn)狀灌溉規(guī)律，同時結(jié)合相關(guān)試驗結(jié)果，進行項目區(qū)管灌方式下具體灌溉制度的確定，見表2。

表2 作物灌溉制度表

2 分析及結(jié)果

2.1 時間尺度降雨量分析

通過P-Ⅲ曲線進行山西省隰縣2018年果水配套工程降雨量數(shù)據(jù)擬合，設(shè)計灌溉保證率分別取P=25%、P=50%、P=75%及P=90%的典型年進行時間尺度降雨量計算。

2.1.1 典型年降雨量分析

對1960 年～2020 年項目區(qū)年降雨量進行頻率排列計算，并將實際降雨頻率與設(shè)計灌溉保證率之差不超出±5%范圍的情況確定為典型年，具體確定結(jié)果見表3，通過對表中結(jié)果的分析可以看出，當(dāng)設(shè)計灌溉保證率相同時，不同典型年所對應(yīng)的降雨量取值之間的差異并不大。

表3 設(shè)計灌溉保證率下典型年降雨量

當(dāng)設(shè)計灌溉保證率P=25%時，比較年降雨量較為接近的情況所對應(yīng)的月降水量值。比較結(jié)果表明，在設(shè)計灌溉保證率相同時，各典型年實際降水量之間雖然不存在較大差異，但其所對應(yīng)的月降水量卻相差較大，例如，4月份降雨量最大值和最小值分別為1987 年的227.8 mm和1965 年的42.4 mm，差距達到5 倍之多；9 月份降雨量最大值和最小值分別為2008 年的273.1 mm和2004 年的55.4 mm，差距最大達到5 倍之多。這也表明以年尺度為標(biāo)準(zhǔn)選擇設(shè)計灌溉保證率時，必須充分考慮降雨量時空分布不均的問題，否則，工程區(qū)典型作物若不能充分吸收和利用區(qū)域內(nèi)降雨資源，便會造成部分雨水資源浪費。

設(shè)計灌溉保證率P=25%的情況下比較各典型年4月、7月、8月上、中、下旬的實際降雨量不難看出，4月上旬降雨量最大最小值分別為1974年的18.7 mm和2008 年的0.8 mm；4月中旬降雨量最大最小值分別為1989 年的85.2 mm和2002 年的0.6 mm；4 月下旬降雨量最大最小值分別為1983 年的8.0 mm和1960 年的0 mm。頻率相同情況下各典型年旬降雨量值差距較大，而且極值分布年份也不盡相同。在P=25%的設(shè)計灌溉保證率下，7月、8月上、中、下旬降雨量極值變動趨勢規(guī)律與4 月基本一致，故省去分析過程。

隰縣2018 年果水配套工程區(qū)典型作物生長周期均在1年以內(nèi)，故在進行典型作物關(guān)鍵生長期確定時必須精確至旬或月，為此，該項目區(qū)應(yīng)按照年尺度進行設(shè)計灌溉保證率的選定和分析，據(jù)此所確定出的保證程度不高。此外，《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》中在選取典型年的過程中必須根據(jù)年內(nèi)分配最不利原則，根據(jù)該原則所確定出的典型年中作物生育期內(nèi)降水量稀少，考慮到作物生長過程中需水性方面的要求，必須增大管道灌溉系統(tǒng)的可供水量[2]。但是，這種情況下，會因此產(chǎn)生一些不利的影響，例如不利于項目區(qū)典型作物對降雨資源的充分利用；增大灌溉工程投資，與灌區(qū)實際生產(chǎn)需要嚴(yán)重脫節(jié)等。

2.1.2 月降雨量分析

對1960年～2020年項目區(qū)4月、7月、8月降雨量進行頻率排列計算，同時參照頻率不超出±5%的要求進行所對應(yīng)典型年的選擇。對于設(shè)計灌溉保證率相同的情況，主要依據(jù)時間尺度選擇典型年，并比較不同時間尺度所對應(yīng)的4 月、7 月、8月降水量極差。當(dāng)工程區(qū)設(shè)計灌溉保證率取P=25%、P=50%、P=75%及P=90%時，4月、7月、8月 降水量極差年尺度大于月尺度，充分表明，根據(jù)年尺度進行典型年選取時，月降水量極差比所對應(yīng)的月尺度下降水量極差大，降雨量分配的不均勻程度十分嚴(yán)重。

2.2 時間尺度灌溉設(shè)計保證率分析

國內(nèi)一般根據(jù)項目區(qū)社會經(jīng)濟狀況、主要作物類型及灌溉方式等進行設(shè)計灌溉保證率的確定，國外農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中設(shè)計灌溉保證率通常在75%及以上，部分國家甚至達到98%。我國《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》規(guī)定的灌區(qū)設(shè)計灌溉保證率應(yīng)保持在50%～95%之間，并要求設(shè)計灌溉保證率應(yīng)隨現(xiàn)狀灌溉設(shè)施、主要作物類型、水源狀況等進行調(diào)整。對于且缺水地區(qū)旱作等而言，設(shè)計灌溉保證率可以適當(dāng)降低；對于風(fēng)水區(qū)水稻等作物，設(shè)計灌溉保證率應(yīng)適當(dāng)提高；灌溉設(shè)施較為先進的地區(qū)，設(shè)計灌溉保證率也應(yīng)高一些。遺憾的是，現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范中，設(shè)計灌溉保證率的確定主要依據(jù)降雨量排列頻率，所以，依據(jù)降雨量或來水量確定設(shè)計灌溉保證率的做法會造成灌區(qū)供水時間和需水時間尺度的不同步。

2.3 時間尺度灌溉制度分析

在進行山西省隰縣2018 年果水配套工程區(qū)試驗田灌溉制度制定時，典型年的選取仍采用的是相關(guān)規(guī)范所規(guī)定的典型年法，將所確定出的典型年內(nèi)實際降雨量按照時間尺度由大至小劃分為季尺度、月尺度、旬尺度和日尺度等，并根據(jù)不同降雨量尺度確定所對應(yīng)的灌溉制度。通過水量平衡法確定項目區(qū)不同典型年代表性作物灌溉制度，并基于此，結(jié)合代表性作物生育期內(nèi)濕潤層計劃深度具體計算儲水量可能的上下限。當(dāng)設(shè)計灌溉保證率相同情況下，典型年各年份代表性作物需水量差異并不大，只是在灌溉定額與降雨資源利用率方面存在較大差異；且隨時間尺度的減小，項目區(qū)代表性作物灌溉定額表現(xiàn)出明顯的下降趨勢，對降雨資源的利用程度呈增大趨勢。這說明項目區(qū)內(nèi)代表性作物灌溉定額和降雨資源利用量之間存在互補關(guān)系[3]，即降雨資源利用程度越高，灌溉定額越大；反之亦然。

山西省隰縣2018年果水配套工程區(qū)不同時間尺度下灌溉定額和降雨量利用情況見表1，其中設(shè)計灌溉保證率P=75%時，典型年僅為1989年，故未進行顯著性分析。通過方差分析進行時間尺度影響灌溉定額及降雨資源利用程度的顯著性研究，檢驗水平α=0.05。根據(jù)分析可以看出，當(dāng)設(shè)計灌溉保證率P=25%時，時間尺度為季時年灌溉定額顯著較高，且其年降雨量利用率比其余時間尺度低。這表明該項目區(qū)灌溉制度制定時，豐水年若采用季時間尺度，則會增大降雨資源的浪費，故不適合以季節(jié)作為降雨計算的時間尺度。當(dāng)設(shè)計灌溉保證率P=90%時，隨著時間尺度從季變化到月、旬、日，降雨資源利用程度表現(xiàn)出增大趨勢，年灌溉定額則以較小幅度下降。這表明當(dāng)降雨計算的時間尺度縮短時，項目區(qū)作物對降雨資源的利用程度增大，灌溉水量會得到很大程度的節(jié)省。

表4 不同時間尺度下灌溉定額和降雨量利用情況

3 結(jié)論

本研究利用山西省隰縣2018 年果水配套工程區(qū)1960 年～2020 年降雨量資料，并按照年降雨量與作物需水所對應(yīng)的月、旬降雨量進行了設(shè)計灌溉保證率時間尺度效應(yīng)分析。結(jié)果顯示，該工程區(qū)所處地理位置主要在降水季節(jié)性變化大且年內(nèi)降雨資源分布不均衡的季風(fēng)氣候區(qū)，同時按照月、旬等較小時間尺度進行典型年的選擇，這種處理方式能在一定程度上解決降雨資源時空分布不均的問題，顯著提升項目區(qū)內(nèi)典型作物生育期對降雨資源的利用程度。而且，隨著時間尺度的減小，針對該工程區(qū)典型作物灌溉制度，年灌溉定額表現(xiàn)為降低趨勢，但年降雨資源利用率反而上升。隰縣2018年果水配套工程區(qū)選擇灌溉設(shè)計保證率時主要依據(jù)《灌溉與排水工程設(shè)計規(guī)范》，該規(guī)范中雖然對灌區(qū)設(shè)計灌溉保證率的計算過程以及選擇原則作出了明確規(guī)定，但對時間尺度效應(yīng)缺乏充分考慮。由本研究分析可知，時間尺度的選擇對灌區(qū)灌溉水保證程度及節(jié)水潛力和效果均存在較大程度的影響，為提升設(shè)計灌溉保證率保證程度，并充分利用各類水資源，必須進行合理時間尺度的選擇與論證。