平原水网地区农田灌溉水有效利用系数测算方法研究

2018-03-21倪深海周凌辉华幸超徐文元潘栋飞

中国农村水利水电 2018年2期

倪深海，周凌辉，华幸超，徐文元，潘栋飞

(1.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210029；2.南京水利科学研究院，南京 210029；3.江苏省宜兴市水利农机局，江苏宜兴 214200)

灌溉水有效利用系数是灌溉用水效率的表征指标之一，能够综合反映灌溉工程状况、用水管理水平和灌溉技术水平等，是正确评估灌溉水有效利用程度及存在问题，评价灌溉节水潜力及节水灌溉发展成效的重要基础[1,2]。近年来，随着我国大力推行最严格水资源管理制度，将灌溉水有效利用系数作为“三条红线”考核指标之一，有关灌溉水有效利用系数的测算分析工作取得了重大进展，提出了首尾测算法、动水法等一系列分析计算方法[3-9]，并对气候、节水灌溉、灌区管理水平等影响灌区灌溉效率的因素展开了分析[10,11]，推动了我国灌溉管理的发展进步。平原水网地区由于水网密布，农业灌溉多是利用机动水泵直接从田旁的河道提水，灌溉水除了作物吸收、蒸腾和渗入地下外，还有相当部分的水量回归到河道中，计量灌溉推行很难。开展平原水网地区农田灌溉水有效利用系数测算分析工作，可推进农业水价综合改革，建立农业灌溉用水总量控制和定额管理制度，对于有效指导农田水利工程的规划设计，合理评估农业节水潜力，促进平原水网地区水资源合理配置具有重大现实意义。

1 平原水网地区灌溉特点

我国平原水网地区主要分布在长江三角洲、珠江三角洲、成都平原、江汉平原、洞庭湖和鄱阳湖地区，降雨量充沛、地势低洼平坦、河网湖荡密布、水道纵横交错、水流流向往复。河网是农业灌溉、工业生产及畜禽养殖的直接水源，既可以蓄纳区域内的雨水径流和上游水库河道的来水，也是灌区排涝的承纳区，具有蓄水、供水、输水、排水和区域水环境调节的多种功能。平原水网灌区由众多的小型提水泵站组成，一个小型泵站具有独立的灌溉系统，控制灌溉面积多为20～40 hm2，相当于一个小微型灌区，平原水网提水灌区是由众多小微型灌区组成的较大灌区。投入极大的物力和人力而仅仅是要得到灌溉水量数据，很难得到灌区管理单位支持，而要落实到包含数量众多灌区的平原水网地区则更为困难。

2 平原水网地区灌溉水有效利用系数测算方法

平原水网地区农田灌溉水有效利用系数测算工作，主要是通过选择不同规模、不同类型、不同工程状况和管理水平的典型代表灌区作为样点灌区，并依据样点灌区已有的灌溉用水管理资料、灌溉试验与观测资料和灌溉实践经验等，必要时补充典型观测，通过调查观测，采用“首尾测算分析法”进行测算分析典型灌区灌溉水有效利用系数。在此基础上，采用点与面相结合的方法，按不同分类灌区灌溉面积进行加权平均，推算平原水网地区农田灌溉水有效利用系数。

2.1 样点灌区选择

样点灌区按照具有代表性和可行性等原则选择。在选择过程中，考虑平原水网地区灌溉面积的分布、灌区节水改造等情况，尽量使所选的样点灌区能基本反映平原水网地区灌区整体特点。按以下原则选择样点灌区：

(1)灌区所在区域的代表性。样点灌区应在降雨量、土壤类型等自然因素，以及作物的种植比例、灌水习惯等方面都具有代表性。根据水系流域特点，结合水利普查的调查统计，选择样点灌区。

(2)灌区面积和作物的代表性。按农业用水性质，将平原水网地区的灌区划分水田(水旱轮作)灌区、菜田等类型灌区。按照不同作物的面积比例，选择各类样点灌区。

(3)灌区软硬件水平的代表性。硬件建设水平包括渠道衬砌率、渠系建筑物配套率、节水灌溉工程覆盖面积率；组织管理机构包括灌区管理人员的配备、技术人员数量、规章制度等；节水灌溉技术包括节水灌溉模式、节水模式推广面积及其比例；管理水平按照好、中、差进行评估，每个档次均抽取一定数量的灌区进行测试，保证样本的均匀分布。

除代表性外，还需考虑测试的可行性，应选择具备一定技术力量和量测条件的灌区进行测试。

2.2 样点灌区典型田块选择

为了合理确定和复核灌区实际灌溉情况、田间净灌溉用水量等，对典型田块进行田间灌水次数、灌水方式与习惯等调查，并进行田间灌溉用水量观测。基本要求如下。

(1)典型田块应面积适中、边界清楚、形状规则，同时综合考虑田间平整度、土质类型、地下水埋深、降雨气候条件、灌溉习惯和灌溉方式等因素的代表性。

(2)典型作物选择可根据其实灌面积在灌区内的比例确定。原则上对于作物实灌面积超过灌区实灌面积10%以上的作物，均应进行田间毛灌溉水量(直接进入田块的灌溉水量)观测，灌水量观测位置应为田间进水口，水量进入田间的过程中无任何渠道输水；如不具备上述条件，也可根据其他方法估算田间毛灌溉用水量，如在斗(农)渠供水口计量，应考虑从计量口到田块入口过程的输水损失，或按照相近作物灌水情况进行估算。

(3)每次灌水期间都应进行典型田块毛灌溉水量观测，并据此确定田间毛灌溉定额。田间毛灌溉定额与灌溉次数多少是判断是否充分灌溉的重要依据。也可以进行深入的田间灌水观测分析，确定田间净灌溉定额，为净灌溉用水量计算以及相关数据复核提供依据。

2.3 样点灌区灌溉水量观测

(1)毛灌溉用水量的观测。毛灌溉用水量的观测主要采用电量估算法和手持式声学多普勒流量计(ADC)等测定，不论哪种方法都要通过多次测量，建立一定的用电量～出水量之间关系或水位～流量关系曲线，并定期进行率定。

(2)净灌溉用水量的观测。水田淹水灌溉采用水位差值法、水位观测井法、农用水表法；水田湿润灌溉、经济作物采用取土烘干法，根据典型田块灌溉前后计划湿润层内土壤含水率的变化来计算每公顷平均净灌溉用水量。根据平原水网地区以水稻灌溉为主的特点，运用水位变化法和水量平衡法进行水稻灌区(水田)的净灌溉用水量测算。

①水位变化法。采用水位变化法测定(水田)，即：

hi=he-hs

(1)

式中：hi为灌水深度，mm；he为灌水结束后田面水深，mm；hs为灌水开始时的田面水深，mm。

具体测定方法如下。

灌水前有水层田块的测定方法。在每个田块适当的测量位置，灌水前打入木桩，其上端与起始水位相平，灌水结束20 min后，以此木桩上端作为起点，测定水深H1，忽略灌水过程中的入渗水量，该水深即为灌水深度。为便于寻找木桩位置，在木桩附近插入树枝、旗帜作为标识。

灌水前无水层田块的测定方法。在每个田块的适当位置，灌水前打入木桩，其上端与地面相平。灌水结束20 min后，以此木桩上端作为起点，测定水深，该水深即为不考虑入渗损失的灌水深度H1。

灌溉的实际灌水深度测算。灌水前另外固定某点，采用无底的铁筒或者塑料筒(上下直径必须相同)，埋于地面以下20 cm以上，以防止侧渗(筒壁与土壤紧密结合)。灌水前桶内须预铺设塑料布等起到防冲作用，灌水前还需在桶内预先打入木桩，其上端水平，高出地面Ha(Ha一般可取大田设计灌水深度)。迅速加水与木桩顶端齐平，灌水结束20 min后，以此木桩上端作为标准，测定筒内水位，此水位与木桩顶端的差值即为灌水过程中的入渗水量H。此次灌溉的实际灌水深度为：

H=H1+H2

(2)

②水量平衡法。水稻的净灌溉需水量包括泡田水量、蒸发蒸腾水量以及必要的渗漏水量3部分。水稻全生育期(包括泡田)净灌溉定额计算式：

M=ETc+Fd+Mo-Pe-Ge

(3)

式中：M为水稻净灌溉定额，mm；ETc为水稻蒸腾蒸发量，mm；Pe为水稻生育期内的有效降水量，mm；Fd为水稻全生育期渗漏量，mm；Mo为插秧前的泡田定额，mm，可根据当地灌溉试验或灌溉经验确定；Ge为水稻全生育期地下水的利用量，mm。

2.4 样点灌区灌溉水有效利用系数测算分析方法

首尾测算分析法是指直接测量统计灌区从水源引入(取用)的毛灌溉用水总量，通过分析测算得到田间实际净灌溉用水总量，田间实际净灌溉用水总量与毛灌溉用水总量的比值即为样点灌区灌溉水有效利用系数，第i个样点灌区灌溉水有效利用系数由下式计算：

(4)

式中：ηw,i为第i个样点灌区灌溉水有效利用系数；Wj,i为第i个样点灌区净灌溉用水总量，m3；Wa,i为第i个样点灌区毛灌溉用水总量，m3。

为了能够反映样点灌区灌溉水利用的整体情况，计算分析时段以测算分析年的日历年为准，即每年1月1日至12月31日；对于跨年度的作物则应分段计算(以下同)，合理确定测算分析年该作物净灌溉用水量。

2.5 平原水网地区灌溉水有效利用系数测算分析

在已知样点灌区灌溉水有效利用系数和灌溉面积的情况下，按样点灌区灌溉面积加权平均求得平原水网地区灌溉水有效利用系数：

(5)

式中：ηw为平原水网地区灌溉水有效利用系数；Aa,i为第i个样点灌区的灌溉面积，hm2；Aa为平原水网地区所有样点灌区灌溉面积，hm2；N为平原水网地区样点灌区总数。

2.6 测算方法准确性和可靠性分析

(1)渠首取水量测定。针对平原水网地区样点灌区特点，主要采用电量估算法和高精度移动式流量计(如，手持式声学多普勒流量计)流速仪等测定，且根据作物生长需水特点，严格掌握灌水测试频率，规范测试步骤，从而提高渠首取水量测定的准确性。

(2)田间净灌水量计算。根据田间观测水位变化和有效降雨量(降雨量-排水量)进行逐日水量平衡来确定各生育期灌水量，在每次灌水时间确定时，合理选定水稻节水灌溉技术，准确计算蒸腾蒸发量、有效降水量、渗漏量、地下水利用量等，这样可科学测算水稻生育期灌水量(净灌溉定额)，从而提高田间净灌水量测算的准确性。

(3)平原水网地区农田灌溉水有效利用系数测算与分析采用点与面相结合的方法，其中，样点灌区采用首尾测算分析方法，在保障样点灌区选择具有代表性的条件下，则采用样点灌区面积加权法计算的结果即可代表平原水网地区的农田灌溉水有效利用系数，所以点面相结合的方法是可靠的。

3 算例

以江苏省宜兴北部水网地区为例，多年平均降水量1 247.4 mm，最大年降水量1 738.4 mm(1957年)，最小年降水量679.1 mm(1978年)。降水量集中在汛期，汛期(5-9月)降水量857.8 mm。多年平均水面蒸发量849.0 mm。该地区已形成了以防洪排涝为主，引水排水，抗旱灌溉，农田配套相结合的较为完善的农田水利工程体系，为农田灌溉水有效利用系数测算提供必要条件。

3.1 样点灌区的数量与分布

按照《全国灌溉水有效利用系数测算分析技术指导细则》(2013年12月)，考虑样点灌区代表性和组织管理要求，2016年宜兴北部水网地区选择了8个样点灌区进行测试，均为小型提水灌区，灌溉作物均为单季水稻。2016年宜兴北部水网地区样点灌区规模见表1，样点灌区分布见图1。

表1 2016年宜兴北部水网地区样点灌区规模

图1 宜兴北部水网地区样点灌区分布

3.2 灌溉水代表年分析

宜兴北部水网地区2016年1-10月降水量2 122 mm，各样点灌区灌溉期(6-10月)降水量均比多年平均降水量偏多，但是7月中旬至9月上旬降水量偏少，只有98.4 mm，且出现高温天气50 d之多，蒸发量偏高，造成本年度灌溉次数及灌水总量均有所增加。

3.3 样点灌区灌溉水有效利用系数测算分析

宜兴北部水网地区样点灌区灌溉水有效利用系数测算值见表2。

表2 样点灌区灌溉水有效利用系数

3.4 样点灌区测算分析成果合理性、可靠性分析

2016年度宜兴北部水网地区选择了8个样点灌区，根据《全国灌溉水有效利用系数测算分析技术指导细则》(2013年12月)、《灌溉水利用率测定技术导则》(SL/Z 699-2015)及相关文件要求，样点灌区选择与上一年度保持相对稳定，有利于测算分析工作连续进行，获取的数据具有年际可比性。2016年结果与2015年结果相比，戈塍灌区农田灌溉水有效利用系数最大，达到0.689，同里灌区提高到0.685，主要由于灌区面积较小，在2015年进行了改造，输水方式由土渠变成了混凝土防渗渠道，因此农田灌溉水有效利用系数有较大提高。其余灌区的农田灌溉水有效利用系数与2015年相比变化较小，与现实情况基本相符。综上，各样点灌区分布合理，自然和经济社会条件、管理水平均具有较好的代表性；样点灌区历年测算分析结果年际间变化趋势与现有文献的规律描述基本符合，表明测算结果是可靠的。

3.5 宜兴北部水网地区灌溉水有效利用系数分析

根据样点灌区灌溉面积加权法算出2016年宜兴北部水网地区农田灌溉水有效利用系数均值为0.654，比2015年农田灌溉水有效利用系数0.648及2014年农田灌溉水有效利用系数平均值0.639有所提高，这是由于宜兴市2015年中央财政小型农田水利重点县项目实施，戈塍、宜塍等灌区输水渠道改造使渠系防渗效果明显。