新疆东部中型灌区田间水利用系数的测算

2018-05-07侯裕生王振华李文昊蒋宇新

中国农村水利水电 2018年4期

侯裕生，王振华，李文昊，蒋宇新

(1.石河子大学水利建筑工程学院，新疆石河子 832000；2.现代节水灌溉兵团重点实验室，新疆石河子 832000)

淡水资源短缺是我国的一大基本国情，节水已成为国民经济可持续发展的一项重要的战略措施[1]。新疆东部地处亚欧大陆腹地极端干旱区，属典型大陆性气候，为典型纯绿洲灌溉型垦区[2]。在垦区水资源利用结构中，农业用水所占比重达91.8%，而农田灌溉占农业用水的90%以上。因此实施节水措施是实现该地区可持续发展的一项重要举措。

田间水利用系数作为灌溉水利用系数的一个主要参数，是指实际灌入田间的有效水量(对旱作物农田，是指贮存在计划湿润层中的灌溉用水量)和灌入田间水量的比值[1]，不仅会反映田间水的有效利用程度，而且还会反映灌溉技术水平的高低[3]。灌区田间水利用系数的高低，直接关系到灌区内农业用水量的大小以及水资源的配置，对灌区内水利工程规划设计及水资源配置具有重要的实际意义。

近年来，部分学者对田间水利用系数做了相关研究，杨玫[4]等研究表明灌水定额过大，会导致田间水利用系数减小，赵运革[1]认为田间水利用系数随计划湿润层深度变化而变化并存在一定规律且呈正相关。但以上学者关于田间水利用系数的研究涉及时间比较宏观，只是对作物全生育期田间水利用系数的大小及影响因素做了相关分析，并未对作物生育期内每次灌水测得的田间水利用系数大小及其随时间的变化做相关研究。本文对田间水利用系数进行测算分析，并在此基础上计算出新疆东部中型灌区田间水利用系数。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

新疆东部中型灌区田间水利用系数测算分析工作于2017年4月中旬至9月在新疆生产建设兵团第十三师进行。根据“全国灌溉用水有效利用系数测算分析技术指南”和具体测算分析要求，测算工作选择在天山以南哈密盆地的石城子灌区、五道沟灌区以及天山以北巴里坤高山盆地的红山口沟灌区进行。天山以南哈密盆地和巴里坤高山盆地地处新疆极端干旱区，其中天山以南哈密盆地属典型大陆性气候，年平均气温9.8 ℃，多年年均降水量为38 mm，而多年平均蒸发量高达3 092 mm，为降水量的81.4倍；巴里坤高山盆地属大陆性冷凉干旱气候区，年平均气温1 ℃，多年年均降水量210 mm，多年平均蒸发量为1 622 mm，为降水量的8倍。各样点灌区所在地区具体降雨、蒸散量情况见图1。

图1 2017年样点灌区降雨及蒸散量Fig.1 Rainfall and evapotranspiration in the sample irrigation district in 2017

1.2 测算工作设计

样点灌区确定以后，在满足土壤、水源、交通等基础条件较好，面积适中，日常管理较为规范，便于开展测算分析工作等要求的基础上，在石城子灌区、五道沟灌区选择3种主要作物(棉花、葡萄、大枣)，每种作物选择一块典型田块作为测算点，由于石城子灌区属于中Ⅲ型灌区，面积较大，并且在灌区上下游存在土壤物理性质以及灌溉方式方面的差异，因此在石城子灌区上下游3种主要作物皆选取典型田块，并且在下游葡萄种植区选择一块漫灌田块，石城子灌区和五道沟灌区共选择10个典型田块；在红山口沟灌区由于作物种植类型单一，主要作物为小麦，因此在红山口沟灌区选取两块典型田块。

典型田块确定以后，为确保本次测算工作中的准确性，在选择滴灌的典型田块中选择一条支管并安装ND90水表1块，在漫灌典型田块渠道进口安装水尺和量水堰设施，以此确保田间灌溉用水量的精确性；在所选典型田块选择3个数据采集点，按照对角线布点法安装中子管采集数据，以此确保所采集数据的稳定连续性。

为了准确反映该地区实际灌溉情况，本测算工作随当地农民的实际生产中的灌溉过程进行，因此有必要了解样点灌区内灌溉系统的基本情况。从表1可以看出滴灌条件下样点灌区内不同作物滴灌系统的设置情况。对于石城子灌区下游漫灌田块，使用量水堰所测数据计算得出漫灌田块入畦单宽流量约为4 L/(s·m)。

表1 样点灌区不同作物滴灌系统设置Tab.1 Drip irrigation system of different cropsin sample irrigation district

1.3 数据采集及方法

1.3.1 土壤基本物理性质分析取样

测算工作开始前，对土壤基本理化性质进行取样，在所选样点灌区每种作物种植区域内选择3个取样点，其中一个取样点在典型田块中，另两个取样点随机选择，在取样点用容积为100 cm3(直径50.46 mm×高50 mm)的环刀取出原状土，取样深度为70 cm，每10 cm取一个样。带回实验室进行土壤基本物理性质的分析，具体理化性质见表2。

表2 样点灌区不同作物种植区测算点土壤基本物理性质Tab.2 The soil basic physical properties of differentmeasurement points in the sample irrigation district

1.3.2 土壤水分测定

在所选典型田块作物每次灌溉前一天、灌溉后一天前往采集土壤水分数据。土壤水分数据采集采用美国产503DR型中子土壤水分测试仪(以下简称中子仪)。试验中发现灌区内土壤80 cm以下出现砂卵石层或黏土层，因此中子管打入土壤深度为80 cm，每10 cm读取一个水分数据，测的数据为中子数，根据中子仪标定的数学方程转化为土壤体积含水率。土壤水分数据采集前选取两个测点对中子仪进行标定，选取ExpDecl模型进行拟合，标定方程为：

(1)

式中：y为体积含水率，%；A1、t1、y0为参数；x为中子数。

根据图2的拟合结果，在所给参数区间内选取A1、t1、y0

图2 中子土壤水分测试仪标定曲线Fig.2 Calibration curve of neutron moisture tester

参数值分别为0.001、-1 110、25.33，满足两个测点拟合要求，则中子仪标定方程为：

(2)

1.3.3 典型田块灌水定额测定

对于滴灌典型田块田间灌水定额的测定，在每次灌水前后读取ND90水表读数，灌水前后读数差值即为当次对应田块田间灌水定额，累计测量对应作物生育期内每次田间灌水定额即为全生育期田间灌溉定额；对于漫灌典型田块田间灌水定额的测定，在每次灌水时对量水堰过流量进行实时监测，计算出单次田间灌水定额，累计对应作物生育期内每次田间灌水定额即为全生育期田间灌溉定额。

1.3.4 作物计划湿润层的确定

计划湿润层是指灌溉使灌溉水主要湿润的土壤深度，是随作物根系活动深度、土壤性质、地下水埋深等而变化的。本文所涉及的小麦、棉花两种作物计划湿润层深度按照《灌溉试验规范》[5]确定；由于葡萄、大枣两种作物树龄均在10～15 a，树龄较长，根系延伸缓慢甚至停止延伸，本文在确定葡萄、大枣计划湿润层深度时主要是按照其根系分布确定，根据其他学者对本地区葡萄、大枣相关研究发现，葡萄、大枣根系在0～60 cm深度内分布最多[6,7]，因此确定葡萄、大枣全生育期内计划湿润层深度为60 cm，见表3。

表3 作物不同生育期内计划湿润层深度 cm

1.3.5 典型田块年单位面积平均有效灌溉量计算

根据所选典型田块灌溉前后计划湿润层土壤含水率的变化确定某次单位面积平均有效灌溉量，将每次单位面积平均有效灌溉量累加即可得到典型田块年单位面积平均有效灌溉量w田有，计算公式如下所示：

(3)

式中：w田有为典型田块年有效灌溉量，m3/hm2；w田有i为典型田块某次单位面积平均有效灌溉量，m3/hm2；H为灌水期内典型田块土壤计划湿润层深度，mm；N为生育期内灌水次数，次；θv1为某次灌水前典型田块H土层内土壤体积含水率，%；θv2为某次灌水后典型田块H土层内土壤体积含水率，%。

1.3.6 中型灌区田间水利用系数计算原理

(1)样点灌区年有效灌溉量确定。确定了典型田块年单位面积平均有效灌溉量w田有后，根据样点灌区内不同作物种类灌溉面积，计算出样点灌区年有效灌溉量w样有,计算方法如下：

(4)

式中：w样有为样点灌区年有效灌溉量，m3；wi为样点灌区第i种作物单位面积平均有效灌溉量，m3/hm2；Ai为样点灌区第i种作物灌溉面积，hm2；M为样点灌区作物种类，种。

(2)样点灌区年灌溉用水量确定。根据测得典型田块灌水定额的结果和样点灌区内不同作物种类灌溉面积，计算出样点灌区田间年灌溉用水量，计算方法如下：

(5)

式中：w样田为样点灌区田间年灌溉用水量，m3;Qi为样点灌区第i种作物年单位面积平均灌溉定额，m3/hm2；Ai为样点灌区第i种作物灌溉面积，hm2；M为样点灌区作物种类，种。

(3)样点灌区田间水利用系数确定。样点灌区田间水利用系数计算公式如下：

(6)

式中：η样为样点灌区田间水利用系数；w样有为样点灌区年有效灌溉量，m3；w样田为样点灌区田间年灌溉用水量，m3。

(4)中型灌区田间水利用系数确定。根据上述公式计算出中Ⅰ、中Ⅱ、中Ⅲ型灌区的田间水利用系数及中Ⅰ、中Ⅱ、中Ⅲ型灌区的年灌溉用水量加权平均得出中型灌区田间水利用系数。计算公式如下：

(7)

式中：η中为中型灌区田间水利用系数；η中Ⅰ、η中Ⅱ、η中Ⅲ分别为中Ⅰ、中Ⅱ、中Ⅲ不同规模样点灌区田间水利用系数；w样田中Ⅰ、w样田中Ⅱ、w样田中Ⅲ分别为中Ⅰ、中Ⅱ、中Ⅲ不同规模样点灌区田间年灌溉用水量。

1.4 数据处理

所有数据均使用Microsoft Excel 2016进行处理，Origin2017完成绘图。

2 结果与分析

2.1 样点灌区不同作物田间水利用系数及灌水定额随时间变化

为了直观形象地看出样点灌区不同作物田间水利用系数及灌水定额随时间的变化，将样点灌区不同作物全生育期内田间水利用系数及灌水定额绘于图3。可以看出，各样点灌区不同作物全生育期内田间水利用系数都呈现出“反S”型趋势，即作物生长前期田间水利用系数略有上升趋势，但不显著，直至7月上旬，田间水利用系数开始下降且相较于前期上升趋势幅度很大，7月下旬田间水利用系数开始逐步回升至下降前水平。主要原因：对研究区实际生产中的灌溉过程进行数据采集时发现，7月上旬至7月下旬期间，由于此时间段灌水定额较其他时间段相对较高，导致此时间段田间水利用系数下降(图3)；由于小麦、棉花生长后期计划湿润层深度增加以及小麦、棉花、葡萄、大枣生长后期灌水定额的减小，导致田间水利用系数的升高。

2.2 灌溉方式对田间水利用系数的影响

灌溉定额是影响田间水利利用系数的一个主要因素，当灌水定额较小，土壤中的水分除去蒸发损失以外，基本都可以以有效水的形式保存在计划湿润层内，随着灌水定额的增大，土壤的含水率逐渐增大，当土壤毛细管孔隙全部被水充满时，土壤的有效水达到上限，此时如果继续灌溉，土壤中的水分会以重力水的形式下渗而造成深层渗漏[4]。以石城子灌区下游为例[图3(b)]，滴灌条件下3种作物(棉花、葡萄、大枣)较漫灌葡萄田间水利用系数高约11.3%、9.4%、8.9%。由此说明，漫灌较滴灌容易造成深层渗漏而使田间水利用系数减小。

2.3 滴灌条件下不同土壤质地对田间水利用系数的影响

为了直观形象地看出滴灌条件下不同土壤质地对田间水利用系数的影响，将不同土壤质地种植作物的田间水利用系数绘于图4。可以看出，种植棉花典型田块有两种不同质地的土壤，其中黏土所对应的田间水利用系数较壤土高约0.6%；种植葡萄典型田块有两种不同质地的土壤，其中砂壤土所对应的田间水利用系数较砂土高约0.8%；种植大枣典型田块有两种不同质地的土壤，其中砂壤土对应的田间水利用系数较砂土高约0.9%。由此说明，同种作物相同灌溉条件下，土壤质地对田间水利用系数存在一定影响。

图3 样点灌区不同作物田间水利用系数及灌水定额随时间的变化Fig.3 Variation of water use coefficient and irrigation quantity of different crop in the sample irrigation district with time

图4 滴灌条件下不同土壤质地对应田间水利用系数Fig.4 The different soil texture corresponding to field water utilization coefficient in drip irrigation

2.4 中型灌区田间水利用系数测算

各样点灌区年均有效灌溉量如表4所示，根据表4数据结合公式(4)可以计算出各样点灌区年有效灌溉量。其中，石城子灌区年有效灌溉量为0.734 亿m3，五道沟灌区年有效灌溉量为0.365 亿m3，红山口沟灌区年有效灌溉量为0.291 亿m3。

各样点灌区田间年均灌溉用水量如表5所示，根据表5数据结合公式(5)可以计算出各样点灌区田间年灌溉用水量。其中，石城子灌区田间年灌溉用水量为0.866 亿m3，五道沟灌区田间年灌溉用水量为0.428 亿m3，红山口沟灌区田间年灌溉用水量为0.337 亿m3。

根据各样点灌区田间年灌溉用水量和年净灌溉用水量结合公式(6)可以计算出各样点灌区田间水利用系数。其中石城子灌区田间水利用系数为0.847，五道沟灌区田间水利用系数为0.853，红山口沟灌区田间水利用系数为0.862。

表4 样点灌区年均净灌溉用水量计算表Tab.4 Calculation table of the average annual net irrigation water consumption of sample irrigation district

表5 样点灌区田间年均灌溉用水量计算表Tab.5 Calculation table of annual average irrigation water consumption of sample irrigation district

根据各样点灌区田间水利用系数和田间年灌溉用水量结合公式(7)加权平均得出中型灌区田间水利用系数为0.852。

3 讨论

田间水利用系数的高低不仅反映田间水的有效利用程度，而且还在一定程度上反映灌溉技术水平的高低。作为灌溉水利用系数的一个主要参数，开展对田间水利用系数的测算分析还是很有必要的。有学者指出，影响田间水利用系数的主要因素为土壤质地、计划湿润层深度及灌水定额等[8]。

杨玫[4]等对灌水定额对田间水利用系数的影响做了相关研究，结果表明：灌水定额过大，造成深层渗漏损失加大，土体中的水分增加量相对于田间灌水定额，增幅变小，从而导致田间水利用系数减小。赵运革[1]认为田间水利用系数随计划湿润层深度变化而变化并存在一定规律且呈正相关。本文通过测算分析表明，不同作物生育期内田间水利用系数随时间均呈“反S型”，其中7月中旬至7月下旬由于灌水定额较大而导致田间水利用系数降低的分析结果与杨玫等研究结果有相似之处，小麦、棉花生长后期由于计划湿润层深度的增加和灌水定额的减小使田间水利用系数有所提升的分析结果与赵云革研究结果也有相似之处；作物全生育期田间水利用在一定程度上会受到土壤质地和灌溉方式的影响。其中灌溉方式对田间水利用系数的影响与杨玫等研究结果一致。