宝鸡市农田灌溉水利用系数测算分析

王一腾，蔡焕杰，陈新明

(1.西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点试验室，陕西 杨凌 712100；2.西北农林科技大学中国旱区节水农业研究院，陕西 杨凌 712100)

0 引 言

我国是一个农业大国，面临人多地少、水资源时空分布不均、水资源与生产力布局不相匹配等诸多问题，这些既是现阶段突出的水情，也是今后长期面临的基本国情。自然地理条件复杂、水土资源不相匹配的现状，决定了农业灌溉是我国农业生产发展不可替代的基础条件，是保障国家粮食安全的重要支撑[1]。我国水资源利用方式比较粗放，利用效率低下，尤其是农田灌溉，全国灌溉用水量约占总用水量的60%以上，是主要的用水大户，但是灌区多修于20世纪五六十年代，存在着老化失修、配套不全等诸多问题，田间灌溉方式相对粗放，全国灌溉水利用效率仅为0.5左右，与世界先进水平0.7～0.8有较大差距[1]。目前我国已实行最严格水资源管理制度，农田灌溉水利用系数成为国家实行最严格水资源管理“三条红线”考核指标之一[2]。农田灌溉水利用系数是指某一时期灌入田间可被作物利用的水量与水源灌溉取水总量的比值，能综合反映灌区灌溉工程状况、用水管理水平和灌溉技术水平[3-5]，提高灌溉水有效利用系数，是解决农业用水短板、实现农业水资源可持续利用等亟须解决的问题[6]。传统计算方法通常是先测算出渠系水利用系数和田间水利用系数[7]，然后两者相乘得出灌溉水利用系数，但是工作量大，需要大量人力、物力才能完成。近年来，许建中，崔远来，高峰等[8-10]提出：首尾测算法与典型渠道测量法相结合可以克服传统方法工作量大，需要大量人力、物力才能完成的缺点；周和平[11]等采用传统渠道断面测验法、典型灌区田间水利用系数测验和 “灌区首尾”等方法，综合研究新疆干旱灌区灌溉水利用系数。沈逸轩等[12]采用灌区年报统计数据分析年灌溉水利用率，结果表明灌区数据分析具有统计一致、数据易达、利于对比利用的特性，因而“首尾测算分析法”法具有较好的实用价值。

伴随着陕西经济的发展和人口的增长，水的需求量不断增加，供水矛盾日益加剧，农业用水面临着越来越严峻的挑战[13]。笔者综合考虑宝鸡市土壤类型、地形地貌、水源类型、灌区规模及作物种植结构等因素，从全市选取32处样点灌区，采用“首尾测算分析方法”，在样点灌区农田灌溉水利用系数测算分析成果的基础上，计算并分析2017年宝鸡市不同规模及类型灌区农田灌溉水利用系数，为有关部门进行水资源管理及研究相关政策提供了参考依据。

1 区域概况

宝鸡市位于陕西关中平原西部，东邻杨凌国家农业高新技术产业示范区，南临秦岭，北依黄土塬，下辖3区9县。地处中纬度地带，属典型的温带大陆性气候类型。全市多年平均降雨量692 mm。2017年耕地总面积32.476 万hm2，有效灌溉面积15.261 万hm2，其中大型灌区3处，有效灌溉面积10.203 万hm2；中型灌区19处，有效灌溉面积1.830 万hm2；小型灌区约173处，有效灌溉面积1.808 万hm2；纯井灌区有效灌溉面积1.420 万hm2。2017年全市农田实际灌溉面积7.393 万hm2，灌溉用水总量4.108 7 亿m3。

2 测算方法

2.1 技术路线

宝鸡市灌溉水有效利用系数测算分析采用点与面相结合、实地观测与调查研究分析相结合、微观研究与宏观分析评价相结合、分区测算与独立测算相结合的方法进行。在对灌区综合调研的基础上，分类汇总分析灌区的灌溉面积、工程设施与用水状况等，选择代表不同规模与类型、不同工程状况、不同水源条件与管理水平的样点灌区，构建相对稳定的灌溉水有效利用系数测算分析网络；收集整理样点灌区有关资料，选择样点灌区典型田块或典型斗渠，测算样点灌区典型田块年每公顷平均净灌溉用水量，统计典型斗渠田间用水资料，在分析计算样点灌区或典型斗渠控制范围内净灌溉用水量的基础上，采用首尾测算法，分析计算样点灌区灌溉水有效利用系数；以样点灌区测算结果为基础，计算并分析宝鸡市不同规模、不同类型灌区以及不同区域的灌溉水有效利用系数。

2.2 样点灌区和典型田块的选取

2.2.1 样点灌区的选取

根据《全国农田灌溉水有效利用系数测算分析技术指导细则》，考虑宝鸡市地形地貌、灌区管理水平、土壤类型、水源类型、作物种植结构及具体情况等因素，共选取宝鸡市32处样点灌区，其中大型灌区3处，中型灌区7处，小型灌区5处，纯井灌区17处，见表1。其中所选大型样点灌区数量占全市大型灌区的100%，中型样点灌区数量占全市中型灌区的36.84%，小型样点灌区数量占全市小型灌区的2.89%，纯井灌区各种作物至少选了2个样点，均符合水利部《全国农田农田灌溉水有效利用系数测算分析技术指导细则》的要求。综上，样点灌区数量选择合理，基本反映了宝鸡市灌区的实际情况。

表1 2017年宝鸡市样点灌区统计表Tab.1 Sampling irrigation districts statistics of Baoji City in 2017

2.2.2 典型田块的选取

样点灌区典型田块是用来监测田间净灌溉用水量的。选择具有代表性的典型田块和典型田块净灌溉用水量的准确计算将对灌区灌溉水有效利用系数的计算产生很大影响。典型田块的选取[9]不仅要选取形状规则、边界清楚、面积适中的田块，而且还要考虑选取的田块在作物种类、畦田规格、灌溉方式等方面的代表性。这些将直接影响田间净灌溉用水量的计算，进而影响农田灌溉水有效利用系数的计算。根据《全国农田灌溉水有效利用系数测算分析技术指导细则》和宝鸡市样点灌区实际情况对典型田块进行选取，2017年宝鸡市共选取典型田块132个，典型田块最大面积1.2 hm2，最小面积0.029 hm2。

2.3 净灌溉用水量的计算

2.3.1 直接量测法

直接量测法首先观测典型田块内作物不同生育期内计划湿润层的土壤含水率，再根据公式计算不同作物年公顷净灌溉用水量。计算公式为：

(1)

式中：γ为典型田块土层内土壤干密度，g/cm3;θg1、θg2为灌前、灌后土壤质量含水率，%。

2.3.2 观测分析法

灌溉水有效利用系数测算过程中，判断作物充分灌溉还是非充分灌溉是准确计算典型田块净灌溉用水量的前提。首先，测算实际流入典型田块的年公顷均灌溉用水量w田，依据气象资料、作物种类等情况，根据水量平衡原理计算计算净灌溉定额M。对二者进行比较，当kw田≥M时，为充分灌溉，w田净=M；当kw田

典型田块净灌溉用水量的测算优先选择直接量测法，其次选择观测分析法进行测算分析。根据样点灌区现有资料和仪器设备等实际情况，本研究大中型灌区及小型灌区采用直接量测法，纯井灌区采用观测分析法计算典型田块净灌溉用水量。

2.4 不同规模与类型灌区灌溉水利用系数平均值测算

2.4.1 样点灌区灌溉水利用系数的计算

样点灌区净灌溉用水量和毛灌溉用水量的比值为样点灌区灌溉水利用系数。计算公式为：

(2)

2.4.2 大型灌区灌溉水利用系数的计算

大型灌区灌溉水利用系数平均值ηw大型计算公式为：

(3)

式中：η大i、W样大i分别为第i个大型灌区灌溉水利用系数和年毛灌溉用水量，亿m3;N为大型灌区个数。

2.4.3 中型灌区灌溉水利用系数平均值计算

首先，以样点灌区测算值为基础，按算术平均法计算0.067～0.333、0.333～1、1～2 万hm2各规模灌区的农田灌溉水利用系数平均值；其次，按统计的0.067～0.333、0.333～1、1～2 万hm2灌区年毛灌溉用水量加权平均得到全市中型灌区的灌溉水利用系数平均值。计算公式如下：

(4)

式中：ηw中型为行政区域中型灌区灌溉水有效利用系数；η0.067～0.333、η0.333～1、η1～2分别为0.067～0.333、0.333～1、1～2 万hm2不同规模样点灌区灌溉水有效利用系数；W0.067～0.333、W0.333～1、W1～2分别为行政区域内0.067～0.333、0.333～1、1～2 万hm2不同规模灌区年毛灌溉用水量，万m3。

2.4.4 区域小型灌区灌溉水利用系数平均值计算

以测算分析得出的各个小型灌区样点灌区灌溉水利用系数为基础，采用算术平均法计算行政区域小型灌区灌溉水利用系数。计算公式如下：

(5)

式中：ηw小型为行政区域小型灌区灌溉水利用系数；η小i为行政区域第i个小型样点灌区灌溉水利用系数；n为行政区域小型样点灌区数量。

2.4.5 区域纯井灌区灌溉水利用系数平均值计算

以测算分析得出的各类型纯井灌区样点灌区灌溉水利用系数为基础，采用算术平均法分别计算土质渠道地面灌、防渗渠道地面灌、管道输水地面灌、喷灌、微灌等5种类型灌区样点灌区的灌溉水有效利用系数；然后，按不同类型灌区年毛灌溉用水量加权平均，计算得出行政区域纯井灌区的灌溉水利用系数。计算公式如下：

(6)

式中：η土、η防、η管、η喷和η微分别为土质渠道地面灌、防渗渠道地面灌、管道输水地面灌、喷灌、微灌等5种类型样点灌区的灌溉水利用系数；W土、W防、W管、W喷、W微分别为行政区域土质渠道地面灌、防渗渠道地面灌、管道输水地面灌、喷灌、微灌等5种类型纯井灌区的年毛灌溉用水量，万m3。

2.4.6 全市灌溉水利用系数的计算

根据不同类型灌区的年毛灌溉用水量和灌溉水有效利用系数，按不同类型的灌区年毛灌溉用水量加权平均计算全市灌溉水利用系数。计算公式如下：

(7)

式中：W大、W中、W小和W井分别为宝鸡市大、中、小型灌区和纯井灌区的年毛灌溉用水量，万m3；ηw大型、ηw中型、ηw小型和ηw井分别为宝鸡市大、中、小型灌区和纯井灌区的灌溉水利用系数。

3 测算成果及合理性分析

3.1 不同规模灌区及测算成果分析

根据式(3)～式(6)，计算得到宝鸡市不同规模与类型灌区灌溉水利用系数平均值，其中大型灌区为0.525 7、中型灌区为0.535 9、小型灌区为0.563 0和纯井灌区为0.763 0。根据式(7)可以推算出2017年宝鸡市农田灌溉水利用系数为0.578 0。测算成果见图1和表2。

由图1可以看出，对于宝鸡市2017年不同规模灌区的灌溉水利用系数，纯井灌区灌溉水利用系数最大，其次分别为小型灌区、中型灌区和大型灌区，结果符合实际。王景山[14]等对2012年宁夏现状灌溉水利用系数研究表明农田灌溉水利用系数大小排序为纯井灌区>小型灌区>中型灌区 >大型灌区；司振江[15]等利用首尾测算法来对黑龙江省农田灌溉水利用系数进行了测算分析 不同规模灌区灌溉水利用系数由纯井灌区、小型灌区、 中型灌区到大型灌区依次减小的规律。

根据表2，0.067～0.333、0.333～1 万hm2的中型灌区的灌溉水利用系数分别为0.522 4和0.576 2，纯井灌区的防渗渠道地面灌、管道输水地面灌和微灌的灌溉水利用系数分别为0.753 4、0.810 1和0.895 3。农田灌溉水的水量损失分为渠系输水损失和田间灌水损失[16,17]，灌区规模越大，渠系越多，分布越复杂，灌区调配水越难以管理，调度过程中，调度人员根据渠道水位和流量现状，凭借经验决定渠道中的流量、水量分配，各分水闸门启闭及开启多依据上下游水位模糊判断，渠系水流变化及过渡过程难以把握，配水准确性及可靠性比较低，渠系输水过程中水分损失相对较大，使得大、中型灌区农田灌溉水利用系数相对低于小型和纯井灌区。

图1 2017年宝鸡市不同规模灌区灌溉水利用系数Fig.1 Irrigation water use efficiency of different scale of Baoji City in 2017

表2 2017年宝鸡市农田灌溉水有效利用系数测算成果Tab.2 Calculation results of irrigation water use efficiency of Baoji City in 2017

3.2 不同水源类型灌区测算成果分析

2017年宝鸡市不同水源类型灌区农田灌溉水利用系数测算结果如图2所示，从图2中可以看出提水灌区灌溉水利用系数大于自流灌区。提水灌区基本使用电力抽水灌溉，成本相对较高，灌区对其管理措施相对完善，管理水平相对高于自流引水灌区，农民灌水时过度用水情况较少。针对纯井灌区，灌溉水利用系数高于大型灌区、小型灌区和纯井灌区。此结果符合灌区的一般规律。从不同的节水灌溉类型分析，防渗渠道地面灌、管道输水地面灌、微灌的灌溉水利用系数依次增大，这与周和平等对新疆地区灌溉水利用系数的研究结果规律一致[11]。此结果进一步表明，在灌区今后的节水改造过程中，应大力开发并且推广节水灌溉技术，尤其是微灌技术；对于地面灌溉，可以采用管道输水和防渗渠道方式，减少输水过程中的水分蒸发和渗漏，进而不同程度地提高灌溉水有效利用系数。此外，自流灌区的农田灌溉水有效利用系数相对提水灌区较低，因此，灌溉水利用效率提高的对策应向自流灌区有所侧重，加强自流灌区的灌溉管理水平。

图2 2017年宝鸡市不同类型灌区灌溉水利用系数Fig.2 Irrigation water use efficiency of different type of Baoji City in 2017

4 结 语

2017年通过选取宝鸡市32个样点灌区，采取首尾测算分析法，计算得出大型灌区、中型灌区、小型灌区及纯井灌区的农田灌溉水利用系数分别为0.525 7、0.535 9、0.563 2和0.763 0；由不同规模灌区与年毛灌溉用水量加权平均，计算得出2017年宝鸡市农田灌溉水利用系数为0.578 0，相比2016年全市灌溉水利用系数0.574 0，提高了0.7%。分析其原因，主要是2017年全市节水灌溉工程面积增加了4.033 万hm2，工程投资增加了6 090万元，渠道衬砌改造加大了力度，改善了灌区渠系工程状况，通过渠道衬砌改造，不仅大幅减少了渠系渗漏损失，而且有效减少了渠道泥沙淤积，使灌溉水流顺畅，便于渠系调配水及田间用水管理，为灌溉水利用系数的提高奠定了坚实的基础。

灌溉水利用系数的影响因素较多，要从渠道工程、灌区管理、田间灌溉技术等多方面进行改善以提高灌溉水利用系数。具体可实施的措施有：大力开展渠道衬砌改造工程，改善灌区的渠系工程状况，降低渠系水损失；提高灌区灌溉管理水平，使农田灌溉水得到科学合理的调度；加快推广先进节水灌溉技术的应用，传统的灌溉模式已不适应现代高效农业的发展需要，应大力发展喷灌、滴灌等现代节水灌溉技术。从不同方面使用不同方法使农田灌溉水利用系数得到提高。

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