肇源县中心灌区灌溉水有效利用系数测算分析

张恩江，李芳花，孙雪梅，于艳梅

(1.汤原县汤旺河灌区灌溉试验站，黑龙江 汤原 150010；2.黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

灌溉水有效利用系数作为表征农业灌溉取用水效率的重要指标，是国家“十三五”规划纲要目标之一，是最严格水资源管理制度“三条红线”的考核指标之一。灌溉水有效利用系数[1]的定义是指灌入田间可被作物利用的水量与渠首引进的总水量的比值。该系数不仅可以集中反映灌区的工程质量，衡量农业用水水平；也能反映灌溉技术如节水灌溉技术程度等技术层面；还能反映用水管理等非工程情况[2-3]。灌溉水有效利用系数与灌区的自然条件、工程状况、用水管理水平和灌水技术等因素有关，是各级水行政主管部门制定计划、加强管理的重要依据，也是政府主管部门编制规划、调整政策措施的重要依据。

灌区用水水平研究工作是一项长期而紧迫的任务，跟踪分析农田灌溉水有效利用系数变化规律，合理评价国家投入、节水潜力和节水灌溉技术发展成效，对实现经济社会发展与人口、资源和环境相协调具有深远意义[4]。黑龙江省作为农业大省，近几年，随着粮食产量的不断提高，农田灌溉用水量已占全省行业用水总量的74.8%[5]，加强农业用水管理、提高农业用水效率是黑龙江省水资源管理的重中之重。为了实施最严格的水资源管理制度，掌握和了解灌区农业灌溉用水水平，按照黑龙江省水利厅的统一部署，以大庆市肇源县中心灌区作为典型灌区，开展灌区灌溉水有效利用系数研究工作，对加快建设资源节约、环境友好型灌区建设，促进先进节水灌溉技术应用与健康发展具有重要的指导作用。

1 典型试验区概况

1.1 基本情况

肇源县中心灌区管理站位于肇源县肇源镇，地理坐标为125°07′E，45°32′N，高程为137.62 m。该管理站地处松花江肇源段上游左岸，始建于1958年，1960年投入运行，受益乡镇有肇源县二站镇、和平乡和古恰乡三个乡镇。灌区内土地面积2.57万hm2，耕地面积1.52万hm2，水田0.65万hm2，区内总人口14.40万人，其中农业人口9.02万人，年均生产水稻1亿斤，水稻年产值1.5亿元。灌区取水水源为松花江水，取水方式为泵站提水，多年引水量在0.7～1.2亿m3之间，设计流量22.0 m3/s，设计灌溉水田面积1.29万hm2，实际灌溉水田面积0.65万hm2，属于中型灌区。灌区渠系发达，分干、支、斗三级，其中总干1条、分干4条，长47.37 km；支渠40条长78.25 km；斗渠345条长191 km。渠道建设尚不完善，衬砌率不高，排水主要通过强排站将降雨和剩余水量排入松花江。中心灌区现有工程建筑物总数191座，其中节制闸7座，进水闸35座，泄水闸2座，桥涵139座，渡槽8座。

1.2 典型测试区选定

依据黑水1文发〔2013〕7号文件《2013年典型灌区取用水研究任务书》的要求，以及2013年3月测试项目组在肇源县中心灌区调查、勘察、调研工作结果，根据肇源县中心灌区的地质土壤、工程状况、灌排设施和地理位置等条件综合分析，选定肇源县中心灌区四方山村作为本次测试工作的典型测试区，以四方山村测试区为基地，同时在全灌区范围内进行各项任务的测试研究工作。

1.3 典型渠道及田块的选择

肇源县中心灌区一般5月份春灌时期水稻耗水量最大，8月中旬水稻生育期转变，是生理用水需水量较大的时期，因此选择在5月份和8月份进行渠系水有效利用系数测定。渠系水有效利用系数的测定严格按照《灌溉渠道系统量水规范》(GB/T 21303—2007)[6]要求进行设置，根据实地勘测调查情况，在中心灌区内选定了渠道流态、流量稳定的干、支、斗渠共12个渠段，设置24个测流断面进行流量测验，在进行渠段流量测验前后，认真勘察测试渠道受工程构造物影响的渠段，避开渠道水流出或外水流入的渠段。

典型田块按照《全国农田灌溉水有效利用系数测算分析技术指导细则》(办农水﹝2013﹞248号，以下简称《细则》)[7]的要求选择，在所选测试区内选择可代表灌区总体用水水平的典型田块3块。

2 测定方法与结果分析

2.1 基本方法与步骤

肇源县中心灌区灌溉水有效利用系数测算与基础资料收集整理同步进行，采用传统测定法与首尾测定法测定灌区灌溉水有效利用系数。

(1)传统测定法是通过实测获得灌区干、支、斗、农不同级别典型渠道的渠道水利用系数，与田间水利用系数连乘得出该灌区综合灌溉水有效利用系数，其测量步骤如下：

①在选择的典型渠道上、下游，布设测流断面，采用多线多点精测法施测。

②通过实测渠段首、尾两端的流量，计算各级渠道渠系水有效利用系数。

③在所选定的典型田块上，通过测量典型田块灌水前后田面水层深度或土壤含水量的变化计算得到典型田块净灌溉用水量，通过水表计量灌入典型田块的毛灌溉用水量，通过典型田块毛灌溉用水量与净灌溉用水量计算田间水利用系数。

④根据渠系水有效利用系数与田间水有效利用系数，计算得出灌区灌溉水有效利用系数。

(2)首尾测定法即直接用灌入田间可被作物吸收利用的水量(净灌溉用水量)与灌区从水源取用的灌溉总水量(毛灌溉用水量)的比值来计算灌区灌溉水有效利用系数，其测量步骤如下：

①监测灌区整个灌溉期渠首的引水量，即毛灌溉用水量。

②利用直接量测法测定作物生育期净灌溉用水量，即测定每次灌水前后田间水层的变化或土壤含水量的变化得到每次净灌溉用水量，生育期所有灌次净灌溉用水量之和，即为作物净灌溉用水量。

2.2 灌溉水有效利用系数测定

2.2.1 传统测定法

(1)渠系水有效利用系数测定。肇源县中心灌区本次渠系测流作业分别在2013年5月17日—27日和8月13日—15日，干、支、斗渠共有12个选定测验渠段，其中干渠3条、支渠3条、斗渠6条，布设了24个流量测验断面。测速垂线按精测法布设，当水深≥1.00 m采用五点法，0.60 m≤水深<1.00 m采用三点法，0.40 m≤水深<0.60 m采用二点法，0.16≤水深<0.40 m时采用一点法，水深<0.16 m时采用浅水流速仪施测。

渠道水利用系数计算公式如下：

η=1-(Q1-Q2)/Q1

(1)

式中：η为某级渠道水利用系数；Q1为渠段上游断面流量，m3/s；Q2为渠段下游断面流量，m3/s。

中心灌区采用流速仪法进行干、支、斗渠流量测定，渠道水有效利用系数数据统计情况见表1～表3。

渠系水有效利用系数计算公式如下：

η渠系=η干渠×η支渠×η斗渠

(2)

式中：η渠系、η干渠、η支渠、η斗渠分别为渠系、干渠、支渠、斗渠的灌溉水利用系数。

通过资料整理、统计并进行数理分析，计算得出干渠水利用系数为0.9071，支渠水利用系数为0.7535，斗渠水利用系数为0.8331。将干渠、支渠和斗渠水利用系数代入公式(2)计算，得出中心灌区渠系水有效利用系数为0.5694。

表1 肇源县中心灌区干渠渠道水利用系数统计表

表2 肇源县中心灌区支渠渠道水利用系数统计表

表3 肇源县中心灌区斗渠渠道水利用系数统计表

(2)田间水有效利用系数测定。肇源县中心灌区种植作物为水稻，采用浅晒深浅方式灌溉。所选定的典型田块面积分别为0.213 hm2、0.300 hm2和0.200 hm2，通过实地实测灌水前后田间水层的变化得到典型田块净灌溉用水量；利用水表记录灌入典型田块的毛灌溉用水量。

田间水有效利用系数计算公式如下：

η田间=10(h2-h1)A/W

(3)

式中：h1、h2分别为灌水前后田间水层，mm；A为实灌面积，hm2；W为实灌水量，m3。

在选定的典型田块进行测量，田面水位变化用钢尺测量，精确到mm，每个田块取三次测量进行计算，结果见表4。

表4 田间水利用系数计算表

根据田间水有效利用系数计算公式，计算出典型田块田间水有效利用系数的平均值为A区0.7489，B区0.7419，C区0.7253，A、B、C三个区平均值为0.7387。

(3)灌溉水有效利用系数推求。传统测定法灌溉水有效利用系数计算公式如下：

η灌溉水=η渠系×η田间

(4)

根据计算，利用传统法测定的中心灌区灌溉水有效利用系数为0.4206。

2.2.2 首尾测定法

首尾测定法使用中心灌区渠首引水总量和净灌溉用水量计算灌溉用水有效利用系数，无需测定灌溉输水及配水、灌水过程中的损失。计算公式如下：

η灌溉水=W净/W毛

(5)

式中：η灌溉水为灌溉用水有效利用系数；W净为田间净灌灌溉用水量，m3；W毛为灌区渠首总引水量，m3。

灌区渠首引水总量利用流速仪法测定，2013年中心灌区渠首引水量为11 385万m3。灌区净灌溉用水量通过测定典型田块作物生育期灌水前后田面水层的变化确定，具体方法如下[7]：

根据典型田块灌溉前后田面水深的变化来确定某次净灌溉用水量，计算公式如下：

w田净i=10(h2-h1)

(6)

式中:w田净i为典型田块某次净灌溉用水量，m3/hm2；其他符号意义同前。

在各次净灌溉用水量w田净i的基础上，推算该作物年净灌溉用水量w田净，即：

(7)

式中:w田净为某典型田块某作物年净灌溉用水量，m3/hm2；n为典型田块年内灌水次数，次。

根据式(7)中得出的典型田块的年净灌溉用水量w田净，将三个典型田块的年净灌溉用水量取平均后与灌区实灌面积相乘得到灌区年净灌溉用水量，结果见表5。按首尾测定法计算灌区灌溉水利用系数为0.4208。

2.3 结果分析

(1)利用传统测定法得出中心灌区灌溉水有效利用系数为0.4206，其中：渠系水有效利用系数为0.5694，田间水有效利用系数为0.7387。中心灌区灌溉水有效利用系数为0.4206，体现出水资源浪费量大于有效利用水量，反映了中心灌区渠道输水损失情况的总体水平，具体表现在投入少、改造少，工程老化，年久失修，主体工程和田间工程不配套，串灌、串排、大水漫灌等方式普遍存在，灌溉模式为粗放式，灌区的运行机制与管理模式落后，农业水费低于成本收取，灌区缺乏足够的资金用于工程大修和日常维修养护，使既有工程恶性循环，从而造成水资源严重浪费。

表5 肇源县中心灌区净灌溉用水量计算表

(2)采用首尾测定法得出灌区灌溉水有效利用系数为0.4208，与传统测定法相比，误差在0.05%，充分说明本次测算结果科学准确，真实合理。该结论反映出中心灌区灌溉水有效利用水平较低，是受所处地域的地理地质构造、建筑物工程老化与渠系防渗率低渗漏量大、管理水平和灌溉技术水平低等客观实际情况影响造成的。

3 结论与建议

(1)中心灌区灌溉水有效利用系数测算结果表明，通过传统测定法与首尾测定法推算得出灌溉用水有效利用系数相比符合性高，误差仅为0.05%。

(2)利用传统测定法测得肇源县中心灌区灌溉水利用系数为0.4206，其中渠系水有效利用系数为0.5694，田间水有效利用系数为0.7387。灌溉用水有效利用水平较低，主要受所处地域的土壤、地质结构、建筑物工程老化与渠系防渗率低渗漏量大、管理水平和灌溉技术水平低等客观影响，表明水资源浪费量大于有效利用水量，反映了中心灌区渠道输水损失情况的总体水平。

(3)灌区具有很大的节水空间和节水潜力。建议今后加强灌区工程建设与改造，需要通过资金多方投入，大幅度的缩减农业取用水量，实现节水工程改造后的灌区节水目标。

[1] 王小军，张强，易小兵，等．不同措施对灌溉水有效利用系数的驱动力贡献分析[J]．中国农村水利水电，2014(6)：33-38．

[2] 杨芳，郑江丽，李兴拼．省级灌溉水有效利用系数测算工作评估方法探讨[J]．节水灌溉，2016(9)：129-132．

[3] 冯保清．我国不同分区灌溉水有效利用系数变化特征及其影响因素分析[J]．节水灌溉，2013(6)：29-32．

[4] 孟玉清，李世月，丰莎，等．三义寨灌区灌溉水利用系数首尾法测算研究[J]．人民黄河，2017，39(6)：29-32．

[5] 黑龙江省水利厅.2014年黑龙江省水资源公报．哈尔滨：黑龙江省水利厅，2015．

[6] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.灌溉渠道系统量水规范：GB/T 21303—2007[S]．北京：中国标准出版社，2007．

[7] 全国农田灌溉水有效利用系数测算分析专题组.全国农田灌溉水有效利用系数测算分析技术指导细则[Z].哈尔滨：黑龙江省水利厅，2016．