青海省格尔木市农场灌区典型地块耗水系数研究

吕文星　周鸿文　高源　翟禄新　刘东旭　郭邵萌

摘要：农业灌溉用水在青海省国民经济用水中占有非常高的比重，保障农业用水是提高青海省农业稳定发展的主要支撑条件，也是青海省水资源优化配置的基本依托。基于典型地块引退水监测试验，分别采用引排差法和通用土壤水分预算（简称VSMB）模型模拟2种方法对青海省格尔木市农场灌区典型地块耗水系数进行计算。结果表明，2种方法计算得到的格尔木市农场灌区典型地块2014年耗水系數分别为0978、0932，两者较为接近，这说明在研究区内计算耗水系数时，VSMB模型模拟的方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；模型模拟；格尔木市农场灌区；VSMB模型

中图分类号： TV211；TV213；S271文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2017）21-0263-05

收稿日期：2016-06-12

基金项目：国家重点研发计划（编号：2016YFC040240202）；国家自然科学基金（编号：51579102）；青海省黄河流域灌区耗水系数研究（编号：QX2012-019）。

作者简介：吕文星（1985—），男，辽宁盖州人，博士，工程师，主要从事水土保持和水文水资源研究。Tel：（0371）66028365；E-mail：489428073@qqcom。

我国是水资源严重短缺并且短缺形势不断恶化的发展中国家，人均水资源占有量由2000年的2 194 m3下降到2011年的1 730 m3，仅比国际严重缺水警戒线高30 m3。目前黄河流域水资源开发利用率已接近70%，其中农业用水量占全流域整个国民经济用水量的80%左右，但是灌溉可用水量不断减少。通过对2012年《黄河流域水资源公报》和《青海省水资源公报》数据的分析发现，青海省黄河流域农田灌溉耗水量占总耗水量的70%左右，农业灌溉用水在青海省国民经济用水中占有非常高的比重。

针对黄河流域及青海省灌溉农业的特点，建立稳定高效的节水机制，依靠科技创新促进灌溉用水方式的改革，科学探究农业灌溉耗水系数，搞好流域的灌溉事业对保障流域乃至全国的经济建设、社会发展和粮食安全具有重要的作用。

水量平衡原理是耗水系数相关研究的理论基础，但在时空一致性、要素一致性和关注的水循环过程等方面并不统一1-3]。总结各类研究中遇到的问题主要有以下4个方面：（1）测验技术。由于测验技术手段限制，难以对影响耗水的各项要素实施全面精细的观测，如对小流量、大变幅、随机性强、断面多的田间退水和干支流等大断面复杂构造测验误差的控制，排洪量划分和降水有效利用率等一些参数须借助其他手段估算，地形复杂区域地下侧向径流量的测定等。（2）尺度效应。因土壤、植被、气候、地形、工程、技术和管理等因素在大尺度上具有空间异质性，对不同尺度间水循环转换规律的研究薄弱，如各要素尺度转换研究及其对指标尺度转换的影响，不同尺度上各指标间的内在关联研究，大中尺度上回归水重复利用率对耗水系数的影响等。（3）物理试验4]。如试验中隔离土体结构的代表性和蒸渗仪内土壤结构的均质性对观测结果的影响，隔离土体结构扰动对水分蒸渗规律的影响，试验结构尺寸和隔离条件对观测结果的影响，隔离土体内土壤水横向流动及贴壁优先流对结果的影响等。（4）数学模型5]。由于空间异质性，研究区空间网格划分对模拟结果有较大影响，如控制网格划分过粗会导致模拟精度受限，划分过细则高精度模型构建中大量数据难以获得，不同尺度上模型耦合，以及在人类活动扰动强烈的情况下，对成熟模型进行大量改进或重新设计等问题。

在此背景下，本研究分别采用引排差法和通用土壤水分预算（简称VSMB）模型模拟法开展青海省格尔木市农场灌区典型地块耗水系数研究，对提高水资源利用效率、保障社会发展和粮食安全具有重要的作用。

1研究区概况

格尔木市农场灌区始建于2008年12月，灌区典型地块地理坐标为94°34′00″E，36°23′30″N。主要承担格尔木市河东农场、河西农场、园艺公司、郭勒木德镇的灌溉供水任务。灌区有效灌溉面积为5 86666 hm2，其中耕地面积 2 15333 hm2，枸杞种植面积1 540 hm2，蔬菜种植面积 240 hm2，林地及城市园林灌溉面积1 93333 hm2。灌溉周期为220 d（2014年3月25日至2014年11月5日），年均取水量为16亿m3。

格尔木市农场灌区东西干渠引水枢纽位于格尔木河干流上，距格尔木市约180 km，是以农业灌溉为主的中等水利枢纽工程。干渠由东干渠、西干渠、中干渠组成。东干渠全长390 km，设计流量56 m3s，有效灌溉面积2 74666 hm2，共有支渠19条、渡槽2座、跌水41座、节制闸11座、排沙闸4座、排洪桥2座、涵洞4个；西干渠全长410 km，设计流量 72 m3s，有效灌溉面积3 12000 hm2，共有支渠26条、分水闸26座、节制闸24座、跌水8座、排沙闸2座、公路桥4座、排洪桥4座；中干渠全长736 km，设计流量40 m3s，有效灌溉面积1 86667 hm2，因工程质量、渗漏等问题，建成后一直没有运行。

格尔木市农场灌区位于柴达木盆地西南部，格尔木河东西两侧的昆仑山口洪积扇前缘细土带，地势平坦，海拔 2 800 m 左右，气候干旱、风多雨少，年平均降水量383 mm，蒸发量 2 9504 mm，最高气温达35 ℃，最低气温为 -336 ℃，全年日照时数2 800 h以上，无霜期150 d，最大风速20 ms。

格尔木市农场灌区典型地块选在格尔木市河西农场八连第十七支渠处，距格尔木市区直线距离约27 km，地块面积 45 000 hm2，主要种植农作物为青稞，详见图1。

FK（W14]TPLWX1tif；S+3mm]

2材料与方法endprint

21试验设计

211引退水量监测

格尔木市农场灌区典型地块设有引水监测断面2处，退水监测断面各4处，可代表整个灌区进行引退水量监测。

流量监测：采用悬杆流速仪法监测流量。监测采取委托观测来水时间和专业人员巡测流量的方式进行。灌区典型地块监测断面流量采用实测流量过程线法推求。流量测验采用悬杆测深，布设5条测深垂线，3条测速垂线，流速测点的测速历时不少于100 s。垂线的流速测点布设位置采用相对水深05、06、00，符合GB 50179—1993《河流流量测验规范》中的规定6]；岸边流速系数采用09，符合GB 50179—1993《河流流量测验规范》中的规定；测速垂线布设和水道断面测深垂线的布设符合《水文测验实用手册》中的规定7]；单次流量测验允许误差符合GB 50179—1993《河流流量测验规范》中的规定6]。灌区典型地块引退水监测断面水文监测实施方案见表1。

212地下水监测

格尔木市农场灌区典型地块共设置5眼监测井进行地下水位监测，地块中心设立3號地下水监测井，四周分别设立1号、2号、4号、5号地下水监测井。在典型地块两端设立水准点2个。

地下水开始监测前需对井口的固定点高程进行校测，逢1、6日观测地下水位；灌溉前05 h对地下水位进行观测， 灌

后，恢复正常观测。

根据SL 183—2005《地下水监测规范》的规定8]，人工监测地下水位，2次测量间隔时间不应少于1 min，当2次测量数值之差不大于002 m时，取2次水位的平均值；当2次监测偏差超过 002 m 时，应重复测量。

每次测量成果应当场核查，及时点绘出各地下水监测井的地下水位过程线，发现反常及时补测，保证监测资料真实、准确、完整。

地下水位监测使用的测绳、钢卷尺每半年检定1次，精度须符合国家计量检定规程允许的误差标准。

22引排差法原理

本研究基于典型地块尺度上的灌溉试验及相关参数等有关资料分析，间接推求耗水量，来计算农田灌溉耗水系数：

HS2]K=SX（]Mz-WzMzSX）]。JZ）]JY]（1）

式中：K为耗水系数；Mz为总引水量，m3；Wz为总退水量，m3。

其中退水量Wz计算公式如下：

Wz=Wp+Wd。JZ）]JY]（2）

式中：Wp为地表退水量，m3；Wd为地下退水量，m3。

其中地表退水量Wp计算公式如下：

Wp=∑DD（]mj=1DD）]Wpmj。JZ）]JY]（3）

式中：Wpmj为斗农渠退水口退水量，m3；m为斗农渠退水口数量，个。

地下退水量Wd计算公式如下：

Wd=∑DD（]ni=1DD）]Wdi=∑DD（]ni=1DD）]Wdpi+∑DD（]mj=1DD）]Wddi。JZ）]JY]（4）

式中：Wdi为地下退水量，m3；Wdpi为渠床渗漏损失，m3；n为渠床渗漏出水点数量，个；Wddi为地块渗漏损失，m3；m为渠床渗漏出水点数量，个。本项计算应减去降水入渗影响，m3。

耗水系数计算公式如下：

Kd=SX（]∑DD（]ni=1DD）]Msti-∑DD（]mj=1DD）]Wpmj-∑DD（]nj=1DD）]Wddj∑DD（]ni=1DD）]MstiSX）]。JZ）]JY]（5）

式中：Kd为典型地块耗水系数；Msti为典型地块引水量，m3。

23VSMB模型原理

231概念基础

根据根密度分布和田间持水量随土壤深度变化不同，VSMB模型将包含根部在内的土壤剖面划分为若干个土层。Baier等最初给这个土层的定义是包含植物根部在内的土壤厚度9]。这个土层被分成2个排水层，用来计算地表漫灌至下渗到地下水层并延迟1 d的最小排水量。

排水层的概念是在VSMB 3中对气候湿润的地区超过田间持水量的多余水量做预算时引进来的。VSMB 3的2层系统模型是由简单的2土层模型改编而来的，用于田间机动性研究，可与各种土壤水分预算模型兼容10-11]。

只有下过雨后和第2层已经排尽水时，第1排水层中的多余水分才会排进第2层。由于按顺序排水和延迟1 d排水的概念是VSMB 3两层子模型的基础，同时也是下面所说的VSMB 2000三层子模型的基础，其具体流程见图2。

FK（W17]TPLWX2tif]

在这个文件里，VSMB新加了个底层（第3层），专门用来模拟潜水位。与其他排水层一致，这一层应该从第2层的底部开始。但是，由于潜水位的动态变化特性，第3层被认为与上面2层是分开的，从而第2层和第3层之间有可能存在重叠部分。这意味着只有当潜水位处于活跃变化状态时，才存在第3层；每个土体至少包含顶部的2个排水层中的1个。第3个排水层也称为“储水库”。

VSMB 2000根据水分的动力学运动来管理土层内的水分：蒸散、渗滤、渗透、径流、排水水位、侧向排水和毛细上升。土壤剖面的水分来自降水或灌溉，通过蒸散、径流、渗透或侧向排水而失去水分。土壤剖面中发生的下渗、潜水位变化和毛细上升等运动，都需要在各个排水层中的每个土层进行预算5]。

232土壤蒸散发计算

2321土壤水分蒸发计算

蒸散就是各个土层每日实际的蒸散量（简称AET）， 是土层中土壤蒸发和植物蒸腾作用的总和。VSMB中用下面的方程来表述：

AETZi=PET·Zsoli·Cofkzip。JZ）]JY]（6）

式中：AETZi为第i层土壤的实际蒸散量，mmd；PET为潜在蒸散量，mmd，用Penman-Monteith公式计算；Zsoli为第i层土壤的持水性，mm；Cofkzip为决定于作物根系吸水特性的作物吸水参数，下标i表示第i层土壤，p表示作物第p发育期（确定根系分布）。Zsoli和Cofkzip作为2个重要的参数，标志着VSMB模型优于其他土壤水分平衡模型。endprint

其中：

Zsoli=Zvali·ContziCapaczi。JZ）]JY]（7）

式中：Zvali为第i层土壤干燥曲线的修正系数；Contzi为第i层土壤的有效水分含量；Capaczi为第i层土壤的最大有效水分含量（田间持水量与永久凋萎系数之差）。

每日的AET是各个土层实际蒸散量的总和，其中m是土层的总数量。

AET=∑DD（]mi=1DD）]AETZi。JZ）]JY]（8）

土壤干燥时，Zsol系数往往占据主导地位；土壤含水量很高时，Cofkz系数就起主导作用。在水分充足的条件下，蒸腾速率可能超过潜在蒸散发（简称ETP）。在生长期末当叶面积指数很高时，所有土层Cofkz的综合值可能超过10，这恰恰能反映这种情况。

本次模拟采用均方根误差RMSE作为模拟效果的评价指标，其表达式为

RMSE=KF（]SX（]∑DD（]ni=1DD）]（yi-xi）2nSX）]KF）]。JZ）]JY]（9）

式中：xi为实测剖面土壤含水量均值或地下水埋深均值；yi为用VSMB模型模拟的同一天的土壤含水量或地下水埋深；n为观测值个数。

2322土壤表面蒸发计算

下渗后土壤表面或者接近土壤表面处还存有多余水分，或者潜水位在土壤表面，一些自由水分就会从土壤表面蒸发。参考多数学者们在较高PET条件下使用蒸渗仪进行的试验研究中所发现的经验关系可以发现，他们都是把表面蒸发当作土壤表面的水分含量、潜在蒸散量、实际蒸散量及第1个土层内多余水分含量4个因子的函数来计算的：

JB（{]Evap=PET-AET，当SW>PET-AET时Evap=SW+XcesziJB（]SX（]XcesziXcapziSX）]JB）]]E，当SW

式中：Evap为水分蒸发量，mm，在0～（PET-AET）之间变化；SW为表面水分；Xceszi为土层i内的多余水分，mm；Xcapzi为土层i内的最大多余水分，mm；E为控制文件中设置的系数，默认值为1，E的最佳值是KF（S]313KF）]。

24數据处理

采用Excel进行数据整理和分析，采用Excel和CAD作图。

3结果与分析

31基于引排差法的耗水系数计算

311引退水量试验结果

2014年格尔木市农场灌区共计灌溉8次，时间分别为5月15日、5月27日、6月10日、6月26日、7月12日、7月27日、8月11日、10月30日。

GEM-JS1引水灌溉时间一般为3～5 h，GEM-JS2引水灌溉时间一般为2～3 h，引水灌溉开始到水量平稳、引水灌溉结束到流量为0一般需要3～5 min。因此，流量测次布置3次足够，即引水灌溉开始至水量平稳时测流1次，中间测流1次，引水灌溉结束前测流1次。为了使监测到的灌溉水量更加准确，可在灌溉过程中增加流量监测次数，最多可达6次，这样可以完全控制水量变化过程，符合GB 50179—1993《河流流量测验规范》要求。

GEM-TS1、GEM-TS2、GEM-TS3退水监测断面共计4个，其中GEM-TS2、GEM-TS3断面退水时间较长，退水过程一般需要15～35 h；GEM-TS1、GEM-TS4断面退水时间较短，退水过程一般需要10～30 h。流量测次均匀分布在退水过程中，单次灌溉各退水断面测次达2～7次，可完全控制水量变化过程，符合GB 50179—1993《河流流量测验规范》要求6]。

典型地块GEM-JS1、GEM-JS2引水监测断面主要采用LS251型流速仪施测，仪器型号为50437，公式为V=0249 2 ns+0004 2（式中：V表示流速，ms；n表示旋桨总转数，次；s表示相应的测速历时，s）。流速使用范围为 0142 7～5000 0 ms，低速部分（0050 3～0142 7 ms）从低速V-n曲线图中查读。

典型地块GEM-TS1、GEM- TS2、GEM-TS3、GEM-TS4监测断面主要采用LS10型流速仪施测，仪器型号为80543，公式V=0100 9ns+0042 6，流速使用范围0100～4000 ms；仪器型号为070074，公式为V=0101 5ns+0049 5，流速使用范围0100～4000 ms。

通过对格尔木市农场灌区典型地块5月15日至10月30日监测资料的分析，计算得到典型地块引水总量为 51 393 m3，退水总量为21 603 m3。其中GEM-JS1断面引水总量为32 880 m3，GEM-TS1、GEM-TS2断面退水总量为 13 446 m3。GEM-JS2断面引水总量为18 512 m3，GEM-TS3、GEM-TS4断面退水总量为8 157 m3。引、退水量统计见表3、表4。

312地下水动态变化

格尔木市农场灌区典型地块5眼进水口（GEN-JS2），2个退水口（GEN-TS3、GEN-TS4）。

井从4月1日开始观测，水位呈逐渐上升趋势，变化趋势一致。从变化趋势看，地下水位变化与地块灌溉水量有关。

2014年格尔木市农场灌区典型地块在青稞生长期共灌溉8次，选取8次灌溉前后的地下水位数据，进行典型地块灌溉前后地下水位过程线点绘，得出典型地块地下水位过程线对照图，以5月27日灌溉前后地下水位过程线为例，详见图3。可知，5眼井的地下水位变化趋势基本一致。

FK（W11]TPLWX3tif]

另外，由于格尔木市农场灌区土质为沙壤土，下渗较快，灌溉过程中地下水位变化幅度大，灌溉对地下水影响较大。

河西雨量站距离格尔木市农场灌区典型地块约30 km，降水量可借用河西雨量站资料。

格爾木市农场灌区典型地块地下水位、降水量过程线对照见图4。

综合考虑地表和地下退水量后，根据公式（5）采用引排差法计算得到的格尔木市农场灌区典型地块2014年耗水系数为0978。

32基于VSMB模型的耗水系数计算

2014年格尔木灌区典型地块降水量仅为365 mm，灌溉水量6623 mm，潜在蒸散发量1 3269 mm，实际蒸散发量6514 mm， 深层渗漏量409 mm。格尔木灌区典型地块模拟

FK（W11]TPLWX4tif]

结果RMSE为123，模拟结果精度较高。土壤水分和蒸散发模拟结果见表5、图5、图6。格尔木市农场灌区地下水位变化模拟结果见图7。

模拟结果表明，2014年格尔木灌区典型地块年实际蒸散发量小于当地降水和灌溉水量之和，地块灌溉水量的932%消耗蒸散发。

4结论与讨论

格尔木市农场灌区典型地块监测期总引水量51 393 m3，总退水量21 603 m3，典型地块渗漏系数取值428%。采用引排差法计算得到格尔木市农场灌区典型地块2014年耗水系数为0978。

VSMB模型模拟结果表明，格尔木市农场灌区典型地块净灌溉水量中有932%消耗于蒸发蒸腾，折算成2014年耗水系数为0932。2种方法耗水系数差值仅为0046，说明在格尔木灌区典型地块内，在耗水系数计算方面，VSMB模型可以为引排差法提供较好的验证。

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