青海省大峡灌区典型地块作物耗水系数研究

吕文星　周鸿文　王永峰等

摘要：采用引排差法和最大蒸发量法对青海省大峡灌区典型地块耗水系数进行计算研究。在典型地块设置了2个斗渠引水口和6个退水口，并对其春灌期流量进行监测。同时在典型地块内设置5眼地下水监测井，用于计算地下退水量。在综合考虑地表退水和地下退水基础上，采用引排差法计算耗水系数；同时利用最大蒸发量法计算耗水系数，对引排差法进行验证。结果表明，采用引排差法计算得到的大峡灌区典型地块春灌期耗水系数为0.48，采用最大蒸发量法，计算得到耗水系数为0.49，两种方法计算得出的耗水系数非常接近，说明在试验区耗水系数计算上，最大蒸发量法可以对引排差法进行较好的验证。

关键词：耗水系数；引排差法；最大蒸发量法；彭曼公式；青海省大峡灌区

中图分类号：S157.1，X592 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）19-4692-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.19.009

Abstract： Diversion and drainage method and the biggest evaporation method were used respectively to calculate crop water consumption coefficient of typical plot of Daxia irrigation area in Qinghai province. Two lateral canal irrigating gates and six waterspouts were set up in the typical plot and water flow was monitored during the spring irrigating period， and five groundwater wells were also set up to monitor groundwater. In consideration of the surface water and underground water drainage， diversion and drainage method was used respectively to calculate crop water consumption coefficient. The biggest evaporation method was also used to calculate crop water consumption coefficient， to verify the diversion and drainage method. The results showed that crop water consumption coefficient calculated by diversion and drainage method and the biggest evaporation method were 0.48 and 0.49 respectively. The results were so closely， which indicated that the biggest evaporation method could lead better validation to diversion and drainage method for crop water consumption coefficient calculation in the scope of the study area.

Key words： water consumption coefficient； diversion and drainage method； the biggest evaporation method； Penman-Monteith formula； Daxia irrigation area in Qinghai province

水资源作为重要的战略资源，是经济社会发展的基础支撑，也是现代农业建设的主要约束条件。青海省水资源丰富，多年平均水资源总量为629.3亿m3，但水资源总量的93%流向中下游地区，利用率低；区域降水稀少，时空分配不均，黄河一级支流湟水流域水资源总量只占全省的3.5%，却集中了全省52.3%的耕地面积，平均水资源量7 245 m3/hm2，为全国平均值的33.6%，水资源开发利用程度较低和水资源供需矛盾突出成为制约湟水流域农业发展最主要的因素[1]。灌溉方式粗放、灌区农业用水效率偏低、水利基础设施建设滞后成为影响农业发展的薄弱环节。

目前研究主要从4个方面进行耗水量的核定[2]：①黄河干流入境年径流量减出境年径流量加区间汇入量，称河段差法；②直接从黄河取水的渠道统计年引水量之和，减各排水沟年排水量，再减灌区以潜流形式直接排入黄河的排水量，称引排差法；③用彭曼公式计算灌区蒸发蒸腾量，换算灌区耗水量，称最大蒸发量法；④灌区作物生长期耗水来自灌溉、有效降水和作物根系吸收地下水量，3 项和称作物总需水量法，计算耗用黄河水量。

本研究采用引排差法和最大蒸发量法进行耗水系数计算。其中引排差法是通过对所有引水干渠全面监测和对主要排水沟（大约占70%～90%的排水量）进行驻测、巡测，对于漏测部分利用邻近排水沟排水模数进行插补计算，从而能计算出控制区域内的引水量、耗水量和排水量。最大蒸发量法采用彭曼公式计算作物蒸腾蒸发量（也就是植株蒸腾量和棵间蒸发量的总和），再换算成灌区耗水量[3]。FAO Penman-Monteith方法被认为是干旱地区和湿润地区计算效果最好的一种方法[4]，被认为是参考作物蒸发蒸腾量（ET0）计算的标准化方法和ET0实测资料缺乏地区评价其他方法的标准[5-7]，目前已被列入了中国现行规范[8]，在中国针对不同地区开展的研究方法的评价中，基本上都是采用FAO56-PM方法的计算结果作为评价其他方法的标准[9-11]。在此背景下，对青海省湟水流域大峡灌区典型地块采用引排差法和最大蒸发量法开展耗水系数研究，对加强区域水资源管理，区域水权转换、提高水资源利用效率都具有十分重要的意义。

1 研究区概况

试验布设在青海省黄河支流湟水河流域大峡灌区，地处东经102°15′～102°24′和北纬36°13′～36°30′，海拔范围在1 650～4 400 m。大峡灌区位于湟水左岸的高店镇河滩寨村，水源引自湟水，下游有引胜沟等湟水一级支流作为补充水源。灌区贯穿于湟水左岸的高店、雨润、共和、碾伯、高庙5个乡镇的43个行政村和单位。

渠首引水枢纽位于乐都县高店镇河滩寨村，干渠渠道全长57 km（于2005年立项维修27 km）。干渠有各类建筑物298座，其中渡槽36座，长1 950 m，隧洞50座，总长19 200 m，倒虹吸1座，长384 m，退水17座，涵洞17座。其他建筑物168座（完好117座），其中斗门137处。农渠退水口多达198处。由于水污染加重和径流量年内分配不均匀，每年4～6月供需矛盾极为突出，严重影响灌溉。

根据地形和海拔高度，该区域地貌类型分为：河谷平原川水区、黄土浅山丘陵区和石质高山脑山区3种。大峡灌区位于河谷平原川水区，该区沿湟水干流及其一级支流呈带状分布，由河滩和1～5级阶地坡洪积扇组成，土体构型较好，质地松，是全县的主要产粮区。

灌区属半干旱的高原大陆性气候类型，寒冷和干旱是区内主要气候特点。年平均气温4.5～7.5 ℃，无霜期130～150 d，区域地形复杂，海拔高差大，各地降水量不尽一致，山区一般大于川区，脑山大于浅山，川水地区年降雨量为320～340 mm，蒸发量川区大于山区，川区年蒸发量达843 mm，最大冻土深度为86 cm。大峡灌区土壤主要包括灰钙土和栗钙土两种，成土母质有冲积物、洪积物和次生黄土等，土质松散，质地均一，耕性好，结构呈团粒状或粒状。在大峡灌区引退水条件较好处设置典型地块进行试验观测（图1），典型地块地处N36°29′16.4″和E102°13′34.8″，海拔1 950 m，平均坡度3°，种植作物为大蒜，土壤类型为灰钙土。

2 材料与方法

2.1 试验设计

2.1.1 引退水监测断面选取 在大峡灌区典型地块开展引退水量监测，典型地块灌溉面积19.33 hm2，进水口断面2个，退水口断面6个，引、退水口设置见图1和表1。

2.1.2 引退水测流方法及频次 根据典型地块主要作物大蒜的生长周期和耗水规律、灌溉制度、气象条件等因素综合分析，在3月10-25日春灌期进行监测，共16 d。按照规范要求，3月19、20日对水尺零高进行测量。3月21日之前，每日测流2次，21日通过调节闸门增加测次，完成了斗渠水位流量关系率定，采用水位-流量关系曲线法推求引水量。典型地块水位采用驻测的方式观测。每日按2段制观测水位，并根据引水口斗门开启变化情况随时增加断面的水位观测次数。同时加强与灌区区段管理人员联系，及时了解闸门开启情况。大峡灌区典型地块退水断面由于退水渠没有正规渠道，断面不规整，且退水时间不固定，退水量小，设立水尺观测水位难度大，故不监测水位。大峡灌区典型地块引水口断面采用率定水位流量关系曲线法推流。典型地块斗渠水位采用驻测方式监测，每日于9：00、19：00观测两次；流量采用间测方式进行监测，每月不少于1次，测流方式为流速断面法（3条垂线），测速历时大于100 s。灌区典型地块退水口断面采用流量过程线法推流。退水口流量采用巡测方式监测，有退水时随时监测，退水口断面流量较小时测流方式为直角三角型量水堰测流。根据文献[12]，对于自由流直角三角堰，流量计算公式为：

Q=1.343H2.24（1）

式中，H=0.06～0.65 m。薄壁堰厚度1.5 mm，堰顶高0.5 m，顶宽0.5 mm。

2.1.3 地下水观测井布设 灌区农田土壤性质、透水性能、地下水位埋深以及灌溉定额等因素对田间灌溉渗漏量产生综合影响。在典型灌区水文地质条件下，因灌溉水渗漏致使地下水位变动，含水层中的重力水体积的变化在叠加降雨入渗因素后，可近似作为地下水补给量，亦是灌溉水渗漏回归河道的水量。

本研究在典型地块内挖掘5眼地下水观测井，开展农田灌溉水下渗及对地下水动态影响试验研究。地下水位观测井位置如图2所示，在湟水左岸边设立直立式水尺1组共2支，1、2、3、4、5号井距河边水尺P1距离分别为68.3、68.6、48.8、29.0、29.9 m。为使地下水位及河道水位在同一个高程系统内反映灌溉用水下渗及河道水位的变化情况，大峡灌区典型地块设有2个水准点，经纬度分别为（E102°13′35.8″，N36°29′11.36″和E102°13′36.0″，N36°29′7.42″）埋深为1.5 m，高程分别为100.000 m和97.763 m。两水准点相距约124 m。工作中每月对各水准点进行互校，同时校测河道水尺高程及地下水井口高程。

每次灌溉前一天观测5眼地下水井水位，灌溉后期每日9：00、14：00、19：00观测3次，地下水水位稳定后停止观测。每次观测地下水位时，同步观测河道水位。地下水位观测采用PD-26型便携式激光测距仪结合悬垂式电子感应器人工观测，激光测距仪测量精度为±2mm，测量范围为0.2～60.0 m，激光等级为2级，波长为635 mm，工作温度为-10～50 ℃。依照文献[13]要求，每次监测地下水位应测量两次，间隔时间不应少于1 min，当两次测量数值之差小于0.02 m时，取两次水位的平均值。当两次测量偏差超过0.02 m时，应重复测量。在实际观测中，2次测量偏差在0.005以内时，采用2次平均值，高于规范要求的标准。测量成果当场核查，及时绘制各个地下水井的水位过程线，发现反常及时补测，保证监测资料真实、准确、完整、可靠。灌溉期每日9：00、14：00、19：00观测3次，水位稳定后每日9时观测一次。

2.1.4 气象因子监测 采用安装在试验现场的CR1000型自动监测气象站测定空气温度、相对湿度、气压、风速、风向、太阳总辐射、降雨量和日照时间，测定时间间隔为每1或2 h测定一次，根据监测结果计算日平均或日累积值。各监测探头技术指标参数如表2所示。试验期间研究区气象条件见表3。2.2 引排差法

2.4 数据处理

采用EXCEL进行数据整理和分析，采用SPSS统计软件进行相关分析，采用CAD作图。

3 结果与分析

3.1 基于引排差法耗水系数分析

3.1.1 地表引退水量 大峡灌区典型地块进水口流量监测情况见表4，典型地块退水口流量监测情况见表5。由表4可知，引水量中，斗渠1和斗渠2分别测流18次和16次，最大流量分别为0.103 m3/s和0.079 m3/s。由表5可知，退水口共计观测44次，其中退水口1有水36次、退水口2有水1次；退水口3有水10次；退水口4有水31次；退水口5有水4次；退水口6有水20次。

大峡灌区典型地块春灌期引退水量见图3。大峡灌区典型地块春灌期引水量共计4.916 2万m3，其中斗渠1引水量3.922 6万m3，斗渠2引水量0.993 6万m3。退水量共计2.116 5万m3。

3.1.2 地下退水量 试验地下水水位变幅为灌溉前地下水位与灌溉后地下水位上升至最高水位之差，计算中剔除水位异常变化影响。春灌期1号井至5号井水位变幅分别为0.29、0.28、0.29、0.18和0.24 m，平均变幅Δh为0.26 m。典型地块土壤质地为沙壤土，因此给水度μ参考中细沙下限值，取0.085；典型地块面积F为19.33 hm2。经计算得到典型地块春灌期灌溉后地下退水量为4 272.67m3。

3.1.3 引排差法计算耗水系数 综合考虑地表和地下退水量后，根据公式8采用引排差法可计算得到大峡灌区典型地块春灌期耗水系数为0.48。

3.2 基于最大蒸发量法耗水系数分析

3.2.1 参考作物蒸发蒸腾量变化规律 参考作物蒸发蒸腾量（ET0）在观测时段内逐渐增大，达到最大后逐渐降低（图4）。根据 ET0的变化过程，其变化趋势可划分为3个阶段。第一阶段为J=69～77 d，日值变化幅度较小，大部分ET0值在2～4 mm/d范围内变化；第二阶段为J=77～80 d，ET0较大，4～7 mm/d范围内变化；第三阶段为J=81～84 d，ET0一般为4～5 mm/d，变化幅度相对于第二阶段小，比第一阶段稍大。 ET0最大值为7.38 mm/d，出现在J=80（3月21日）；最小值为2.26 mm/d，出现在J=71（3月12日）。

3.2.2 参考作物蒸发蒸腾量影响因子 参考作物蒸发蒸腾量与太阳辐射、空气平均温度表现出极显著的正相关性，与风速表现出显著的正相关性，而与最大相对湿度表现出显著负相关性（表6）。除了气象因子，灌溉和降雨也是 ET0变化的重要影响因子，这与徐俊增等[14]研究结论相同。由图4可知，灌溉后 ET0一般表现出增大的趋势，原因在于灌溉一般发生在晴好天气，辐射较大，气温较高，大气蒸发力较大，因此ET0较大；试验期间未发生降雨，因此未分析降雨对ET0的影响。

3.2.3 最大蒸发量法计算耗水系数 以春灌期（3月10-25日）典型地块逐日参考作物蒸发蒸腾量累加值作为耗水量，根据公式30采用最大蒸发量法可计算得到耗水系数为0.49。

4 结论

大峡灌区典型地块春灌期引水量4.916 2万m3，退水量2.116 5万m3。春灌期1号井至5号井地下水水位平均变幅为0.26 m，经计算得到典型地块春灌期灌溉后地下退水量为272.67 m3。综合考虑地表和地下退水量后，采用引排差法计算得到大峡灌区典型地块春灌期耗水系数为0.48。

参考作物蒸发蒸腾量在观测时段内逐渐增大，达到最大后逐渐降低。最大值为7.38 mm/d，出现在J=80（3月21日）；最小值为2.26 mm/d，出现在J=71（3月12日）。参考作物蒸发蒸腾量与太阳辐射、空气平均温度表现出极显著的正相关性，与风速表现出显著的正相关性，而与日最大相对湿度表现出显著负相关性。除了气象因子，灌溉也是 ET0变化的重要影响因子。以春灌期（3月10-25日）典型地块逐日参考作物蒸发蒸腾量累加值作为耗水量，采用最大蒸发量法计算得到耗水系数为0.49。

传统的引排差法是通过灌溉引退水计算耗水系数，为间接法；而最大蒸发量法计算耗水系数为直接法。引排差法对引排水量监测控制全面，基础资料扎实可靠，可全面反映灌区引用水量情况，对加强灌溉管理、节约用水、灌区内部水量调配均有指导意义，但资料涉及面广，工作量大，一年总结一次时效较慢。本研究中两种方法计算得出的耗水系数非常接近，这说明在研究区范围内耗水系数计算方面，最大蒸发量法可以对引排差法进行较好的验证。

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