河北省南部平原区冬小麦灌溉用水量分析

2018-03-21杨旭洋闫丹丹孙玲玲杨旭涛

节水灌溉 2018年2期

杨旭洋，刘彬，闫丹丹，孙玲玲，杨旭涛

(1.河北工程大学，河北邯郸 056001；2.陕西文强建工集团有限公司，西安 710075)

1 研究背景

灌溉在作物生产中起着至关重要的作用，全球大约69%的淡水用于作物灌溉[1]。在经济的快速发展的现代社会，城市享有水资源分配的优先权[2,3]，农业灌溉用水将在一定程度上被挤占。因此，农业灌溉用水的利用效率必须提高[4,5]。我国现状田间大多为地面灌溉，地面灌溉容易发生深层渗漏，农业用水效率极低，灌溉用水有效利用系数平均为0.536[6,7]。灌溉用水定额是农业灌溉用水管理实施“总量控制，定额管理”、科学的进行农业种植结构调整和合理利用区域水资源的重要支撑[8]。为了合理利用现有水资源、提高农业灌溉用水效率和灌溉质量，2003年水利部在全国范围内首次以省为单位，采用灌溉试验法和现场抽样调查法，编制了各省(市)灌溉用水定额[9,10]。

灌溉用水定额的编制对河北省农业灌溉科学用水、优化配置水资源和改善灌溉质量至关重要[11,12]。河北省应国民经济发展需求而超量开采地下水，现地下水漏斗区已多达50多处，最深达70 m，地下水的透支产生了一系列的地质灾害，地下水量使用控制加剧了当地农业用水的供需矛盾[13]。河北省平原区长期处于地下水超采状态，2013年农业灌溉超采量为18.28 亿m3[14]。党的十八大和十八届三中全会对生态文明建设提出了新的要求，自2014年起，河北省把开展地下水超采治理作为生态文明建设的一个重要工程。为确保河北省超采综合治理取得实效，评估考核显得尤为重要。将灌溉用水定额作为评价现状农业用水水平、分析节水潜力、判定用水合理性和确定节水水平的重要参考技术指标[15]，河北省地方标准《用水定额》(DB13/T 1161-2016)计算出的农业灌溉用水定额由于地理区位和田间灌溉技术等的影响，往往与实际应用存在一定的偏差[16,17]。为了提高河北省灌溉用水定额的科学性与合理性，以保障灌溉用水定额的得到切实应用，在河北省衡水市、沧州市、邢台市和邯郸市4市48个县选择401典型地块进行了小麦灌溉用水量测定灌水试验，并与该区灌溉用水定额指标进行对比分析。

2 灌溉用水量相关概念辨析

灌溉用水量是灌区从水源引入的用于农田灌溉的水量[18]，也是指为满足作物全生育期用水要求，扣除大气的有效降水补给之外，从农田水利措施中补充给作物的水量。灌溉定额是农作物全生育期单位面积上历次灌水定额之和，可分为净灌溉定额和毛灌溉定额。灌溉用水定额是核算单元内单位面积某种作物全生育期灌溉用水量的限额，包含核算单元内的渠系系统输水损失和田间损失，井灌和地表水灌的核算单元分别为井口和斗口，是毛灌溉用水定额[19,20]。

灌溉用水量、灌溉定额与灌溉用水定额三者同中有异。灌溉用水量是农业灌溉用水的一个基本表征，而灌溉用水定额和灌溉定额是特定条件下的灌溉用水量，在农业用水规划和管理中灌溉定额和灌溉用水定额是两个核心的技术指标[21]。灌溉定额分为净灌溉定额和毛灌溉定额。其中，净灌溉定额是为了满足作物自身需水要求的灌溉需水量，其无法直接进行测定，可依据农作物需水量、有效降雨量、地下水利用量确定；毛灌溉定额则主要是为渠首、泵站等水利设施设计提供依据，是以净灌溉定额为基础，扣除通过渠系系统输送到田间的过程中由于渗漏、蒸发以及管理方面等产生的输水损失和田间灌水损失，折算至渠首的单位面积灌溉需水量，无法在具体灌溉单元用水管理中运用。因此灌溉定额反映作物本身的生物学特性、产量水平、土壤水肥以及管理水平等对作物需水量的影响，仅是为有关科研和规划设计提供支撑，主要体现的是灌溉这项活动自身的科学性、客观规律性，并不注重灌溉技术的先进性、合理性、客观性、可操作性和可比性，且相对比较稳定[22-24]。

灌溉用水定额是继工业和生活用水实施定额管理之后，在农业用水管理中提出的一个新概念。用水定额一般均体现用水的科学性、先进性、法规性和经济合理性。因此，灌溉用水定额可作为衡量灌溉用水科学性、合理性、先进性且具有可比性的一项基本准则。灌溉用水的科学性强调灌溉用水符合客观规律，水量在进行输送和分配时符合水利设施的设计特征，补送至农田的水量符合作物需水要求；合理性强调灌溉用水符合现状灌溉技术水平、水利设施建设水平和经济条件；先进性强调灌溉用水的高效利用，体现在用水管理、规划和技术的前瞻性；可比性强调灌溉用水定额具有普遍适用性。灌溉用水定额依据灌溉工程现状、用水水平结合水文气象年份等，围绕灌溉定额上下浮动，是农业用水管理的微观指标和考核标准[11]。

3 灌溉试验

3.1 试验范围

为了将河北省南部冬小麦的实际灌溉用水量和用河北省《用水定额》推算的灌溉用水量进行对比分析，从而对河北省南部冬小麦实际灌溉用水量进行测定，选择邯郸市、邢台市、衡水市、沧州市4市48个县401个典型地块进行灌水试验，其主要涉及太行山山前平原区和黑龙港低平原区。试验典型地块见图1。为了保证观测地点具有代表性，本次灌溉试验点的选取应满足以下几点：①试验点所处的井灌区应是建立时间较长，具备灌区管理实体机构，运行情况和数据资料累计情况较好的灌区；②所选试验点应具有代表性，包括其土质类型、灌溉习惯、用水方式、地下水埋深状况等。③近5年以来其上种植作物类型(冬小麦)必须单一固定。④选取农户即将灌溉的田间地块作为典型地块，不自行选择地块组织灌溉。

3.2 试验方法

(1)试验灌溉用水量测算。本次试验选择在河北省大面积种植的具有代表性的农作物-冬小麦，在冬小麦起身和拔节生育阶段均进行了小麦灌水试验，灌溉系统选择地面灌系统(低压管灌)，地面灌溉系统是通过渠系系统或管道将灌溉水输送到田间，再通过畦、沟、格田(少部分大水漫灌)等分配到整个田间地块[25]。灌溉试验完全按照当地民众习惯，由用户自行控制[26]。在试验过程中准确记录灌溉方式、作物种类、畦长及平整度、灌溉面积、抽水流量、灌溉时间、用电量、机井类型等数据。

灌溉抽水流量用超声波流量计和体积法进行测算并互相印证。使用超声波流量计观测机井出水量，即在小白龙出水口接PVC管，将仪器安装到PVC管上，待水量稳定时，读取读数。使用体积法测算出水量，即通过抽井水进行灌溉，从出水口接“小白龙”管灌，用“体积法”进行测算机井出水量，容器的体积为172 L，桶的深度为0.55 m。分别记录水深和历时。为了保证数据相对准确性进行3次试验，并取其平均值作为最终数据。

图1 试验地点范围Fig.1 Test site range

在48个典型县的小麦灌水试验中共得到401个数据，每个典型县5～18组灌水数据。典型区试验灌溉用水量测算，以现场实测的单井单度电出水量为主要依据，结合从供电部门获得的灌溉用电量资料，求得典型区小麦的生长期总用水量，然后除以该典型区内小麦的种植面积，得到典型区冬小麦的试验灌溉用水量；在灌水试验时全程观测灌溉过程，以现场实测的抽水流量、灌溉时间、试验地块面积为基础计算次试验灌溉用水量，结合实际走访调查所得试验地块小麦全生育期灌水次数，计算典型区冬小麦试验灌溉用水量。

(2)理论推算灌溉用水量。在《用水定额编制技术导则里》里引入了基本用水定额，其是指某种作物在参照灌溉条件下的单位面积灌溉用水量。河北省参照灌溉条件规定为：工程类型为“土渠输水地面灌溉”、水源类型为“地下水”、工程规模为“小型”、“无附加用水”，该条件下某作物的灌溉用水定额作为该作物的基本用水定额。一般比灌溉用水定额偏大。

不同作物的灌溉用水定额，由相应的基本用水定额与灌溉规模、水源、灌溉形式的调节系数综合求得，某种作物灌溉用水定额mijk[21]可表示为：

mijk=m0K1iK2jK3kK4

(1)

式中：m0为某种作物的基本用水定额；K1i为灌区规模调节系数，i为1、2、3，分别为大型、中型、小型3种不同的灌区规模；K2j为水源类型调节系数，j为1、2、3，分别为地下水灌区、地表水灌区、井渠结合3种不同的水源类型；K3k为灌溉工程类型调节系数，k为1、2、3、4、5，分别为土渠输水地面灌、渠道防渗、管道输水、喷灌、微灌5种不同的工程类型；K4为附加用水调节系数。

本文涉及的试验典型区的农业灌溉用水调节系数见表1。河北省《用水定额》推算的灌溉用水量以下称为理论推算灌溉用水定额。

表1 河北省南部平原区灌溉用水调节系数Tab.1 Adjustment coefficient of irrigation water in southern plain area of Hebei Province

3.3 统计分析

为了分析试验灌溉用水量与理论推算灌溉用水量符合程度，本文选择了纳什系数NSE、拟合优度判定系数R2和均方根误差RMSE来进行统计分析，其中，纳什系数NSE取值范围为负无穷至1，NSE越接近1，表示符合程度越好；拟合优度判定系数R2取值范围为0至1，R2越接近1，表示符合程度越好，方根误差RMSE值越小符合程度越好。其公式如下：

(4)

4 结果与讨论

这里列出了两个灌溉分区各典型县冬小麦灌水试验汇总的试验灌溉用水量和理论推算灌溉用水量，见表2，相应的折线图见图2。

表2 各县冬小麦试验灌溉用水量与理论推算灌溉用水量对比表 m3/hm2

续表2 各县冬小麦试验灌溉用水量与理论推算灌溉用水量对比表 m3/hm2

通过对河北省南部平原区试验灌溉用水量和理论推算的灌溉用水量进行对比分析可知，灌溉典型区试验灌溉用水量总体比理论推算灌溉用水量高4.9%，其中试验灌溉用水量比理论推算灌溉用水量高的典型县占58.3%，低的占41.7%。主要原因是由于大部分典型地块的管灌方式为：从地头出水口接“小白龙”通过畦或沟分配至整个地块。在灌溉过程中典型地块的畦长畦宽、田面坡降、平整程度以及农民的操作方式(部分自流即大水漫灌，农户不进行监管)对灌水量的影响很大，故灌溉用水量有一定的时空分布差异。

按灌溉分区分析，太行山山前平原区各典型县试验灌溉用水量总体比理论推算灌溉用水量低26.3%；黑龙港低平原区各典型县试验灌溉用水量总体比理论推算灌溉用水量高0.7%，两者基本一致。太行山山前平原区相对于黑龙港低平原区理论推算出的灌溉用水量总体偏低15.63%，这是由于在小麦全生育期两个灌溉分区的降水量有一定的差异，太行山山前平原区降水量高于黑龙港低平原区降水量[27]，但太行山山前平原区相对于黑龙港低平原区的实际灌溉用水量总体偏高7.12%，这是由于太行山山前平原区水利条件较好，农民灌溉用水较为粗放，节水意识较差。

按行政分区分析，河北省南部试验灌溉用水量从南向北总体呈递减趋势，与理论推算用水量趋势正好相反。邢台市和邯郸市的试验灌溉用水量比理论推算灌溉用水量分别高21.6%、11.7%。在灌水试验中，邯郸市和邢台市田间地块畦长畦宽相对来说比较大，畦长范围大概为20～300 m，畦宽范围大概为2～4 m，单畦面积平均为0.02 hm2，邢台个别田间地块单畦面积达到0.1 hm2。农户进行灌溉时，灌溉习惯大多为，用“小白龙”将水分引至畦头，水流从畦头一直自流推进至畦尾停水，畦尾闭合，然后换畦灌溉直至整个地块灌水完成。畦长过大，灌水时间相对较长，灌水过程中容易产生深层渗漏，造成水资源的浪费，且大量水分聚集在畦尾，导致灌水均匀度不高[28]。这是导致邯郸和邢台地区农业灌溉用水量相对较高的一个重要原因。两市农田灌溉主要采用小畦灌溉，畦长范围大概为2～10 m，畦宽范围大概为1.5～3 m，单畦面积平均为0.001 3 hm2。灌水时间较短，灌水过程中深层渗漏量较少，灌溉损失量较少，灌溉用水量较低，这是沧州市和衡水市农业试验灌溉用水量相对较低的一个重要原因。

图2 各县冬小麦试验灌溉用水量与理论推算灌溉用水量对比折线图Fig. 2 Comparison of test irrigation water consumption and theoretical calculation of irrigation water for winter wheat in Counties

通过对试验灌溉用水量与理论推算灌溉用水量统计分析可知，纳什系数E、拟合优度判定系数R2和均方根误差Re计算结果分别为-4.9、0.02和27.2。3个系数均说明试验灌溉用水量与理论推算灌溉用水量有较大差异。

5 结语

通过河北省南部平原区冬小麦灌溉试验，冬小麦灌溉用水量多少与区域水利条件优劣呈负相关关系，按灌溉分区来说，水利条件较好的太行山山前平原区比水利条件较差的黑龙港低平原区实际灌溉用水量大；按行政分区来说，水利条件较好的邯郸市和邢台市比水利条件较差的衡水市和沧州市实际灌溉用水量大。主要原因水利条件较好的地方灌溉用水管理及利用方式反而较粗放，用水效率不高，灌溉用水量偏大。由试验灌溉用水量与理论推算灌溉用水量对比分析，衡水市和沧州市试验灌溉用水量总体低于理论推算灌溉用水量，邯郸市和邢台市灌溉用水量总体高于理论推算灌溉用水量。灌溉用水量偏大地区，应改进田间地块的畦宽、畦长、地面平整程度，避免灌水不均匀形成部分深层渗漏和灌水时间较长引起的无效蒸发，从而提高灌溉用水效率，改善灌溉质量。

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