水利工程灌区田间水利用系数的测算方法研究

2021-01-06盛泰玮

水利科技与经济 2020年12期

盛泰玮

(江苏龙源水利工程有限公司，江苏泰州 214500)

0 引言

近年来，水资源开发技术不断提高，导致能够被开发使用的水资源越来越少，因此水资源短缺问题，已经成为制约社会经济快速、繁荣发展的突出问题，而农业作为国家发展的基础产业，其生产量会影响国民生计以及社会稳定[1]。根据以往的调查结果可知，农业灌溉用水量，占全国总用水量的65%左右，因此为提高田间水的利用效率，在保证农作物正常生长的前提下，相关学者根据文献[2]，将农田灌区中的某一农作物作为样本，采用平均法、实测法、对比实测法分别测算田间水利用系数[2]。还有学者根据文献[3]，通过获得某地灌区灌溉现状，以现场测定的方式，使用首尾测算法测算灌溉水利用系数[3]。这两种传统方法就目前而言，可以缓解区域水资源短缺问题。但由于全球气候持续升温，预计未来农田灌溉区间，对于水资源的需求还会逐步扩大，因此对小型农田水利工程灌区田间水利用系数，提出全新的测算方法。已知水利用系数是农作物利用的水量与农田灌区总引入水量的比值，以两种传统方法为参考，设计一个新型的测算方法，将测算结果进一步精确，令灌溉区域使用最少的水来保证田间农作物的生长，节约水资源的同时，保证农作物总产量[4]。

1 小型农田水利工程灌区田间水利用系数的测算方法

1.1 选择小型农田水利工程灌区测算样点

测算灌区田间水利用系数，预先选择具有稳定性、代表性以及可行性的灌区，要求选择灌区后，不能再任意调换，保证测算数据来源一致。同时选择的灌区要综合考虑农田所在地的自然气候、土壤质地、地形地貌等自然因素，还要考虑水利工程设施状况、水源获取条件、灌区历年用水量以及农作物类型等因素。最后还要求所选的样点灌区有必要的设备、人员以及测算条件。满足上述要求后，根据选定的灌区，选择小型农田水利工程灌区测算样点[5]。

1)大型灌区。将区域所有大灌区作为测算样点。

2)中型灌区。按照有效灌溉面积，将中型灌区分为I、II、III共3个等级，见表1。

表1 中型灌区等级划分

3)小型灌区。为了便于测算，规定选择的小型灌区有效灌溉面积大于等于6.667 hm2。要求小型灌区的选择数量不少于全区域总数量的0.5%，但最少不能低于10个，最多不能超过100个。若全区域的小型灌区不足10个，那么按照实际存在的数量选定区域样点。同时选择的小型灌区的有效灌溉面积，不能小于全区域所有小型灌区总面积的1%[6]。

4)纯井灌区。将单井控制灌溉任务的灌区，作为一个样点灌区。

要求中型灌区每个等级的灌区数量，不少于全区域同等级灌区总数的5%；每个等级灌区的有效灌溉面积，不少于全区域同等级灌区有效灌溉面积的10%[7]。

根据上述4种灌溉类型为测算对象，按照《全国灌溉用水有效利用系数测算分析技术指南》，选择其中分布均匀、自然环境与人为环境高度相似灌区中的小型农田，将其作为测算样点灌区，测算田间水利用系数。

1.2 计算田间水相关参数

根据选定的测算样点，采集该灌区的基本用水数据，然后计算与水利用系数相关的其他田间用水参数。已知的灌溉面积与实际灌溉面积还是存在些许差异，因此不能直接将灌区面积作为灌溉面积，需要通过实地测量，计算灌区实际面积，然后与样点渠道灌溉面积进行比较，计算实际灌溉面积的修正系数，对灌溉面积进行修正。根据《2009-2020年农田基本建设规划》面积，对修正面积、遥感面积进行比较，调整修正系数，进一步得出更加精准的灌溉面积[8]。计算灌区毛灌溉用水总量，该参数是灌区全年所有水源取用后田间灌溉的水源总使用量，公式为：

(1)

式中：Q样毛为样点灌区一年的毛灌溉用水总量，m3；Q样毛i为样点灌区第i个水源的灌溉水量，m3；n为样点灌区水源总来源数量[9]。

再分析并计算净灌溉用水量。净灌溉用水量是只用来灌溉农田的实际总用水，对于大型灌区、灌溉用水状况不同、管理水平差异偏大的样点灌区，需要分区计算，然后汇总不同地区的净灌溉用水量，计算整个测试地区的净灌溉用水量。此次研究采用作物需水量法，计算净灌溉用水量，公式如下：

gi=Tci-Y-Di+Δv

(2)

式中：i为小型农田种植的农作物种类；gi为净灌溉定额；Tci为农田面积为c的农作物蒸发蒸腾量；Y为农作物生长期内，测算地区的有效降雨量；Di为农作物生长期内，利用的地下水总量；Δv为农作物生长期间，土壤含税量的变化值[10]。

已知小型农田中种植的农作物分为两大类：旱作物和水稻。根据《全国灌溉水有效利用系数测算分析技术指导细则》，在每次灌水前后，依据田地土壤渗透性，观测农作物生长期土壤湿润层的含水率和水层变化，计算净灌溉定额。其中，旱作物净灌水定额计算，需要利用土壤含水率变化量，计算结果为：

(3)

式中：g1i为第i块灌区的净灌水定额，m3/hm2；φ为灌区土壤干容重，φ水为水的容重，通常取值为1，g/m3；d为灌水期内，田地土壤湿润层深度，mm；μq1、μq2分别为灌水前、灌水后田地土层的含水率，%[11]。

而水稻净灌溉定额，是育苗水、泡田用水、生育期用水之和。其中，育苗水是培育水稻初始阶段的固定需用水，可根据育苗总数量来确定；泡田用水是栽种水稻需要在田间灌注的水，根据经验得知，水稻泡田水的使用量估计值为200 mm(2 025 m3/hm2)；而生育期用水，是大概在4月中下旬至9月中下旬期间，水稻生长所需的水。水稻农田在淹水灌溉下的净灌水定额为：

(4)

当采用湿润灌溉水稻农田时，其净灌水定额与式(3)一致，因此在本环节不再列出。

综合上述两类农作物类型，计算水稻田的净灌溉定额，结果为：

(5)

式中：gi为不同作物农田的净灌溉定额计算结果。

再计算样点灌区的年净灌溉用水总量，公式如下：

(6)

式中：pi为同类型样点灌区中，第i种农作物的净灌溉定额；si为同灌溉类型中农作物的灌溉面积；M为农田田块数量。

结合灌溉面积和所求结果，计算样点灌区的年净灌溉用水总量：

(7)

式中：Q净为样点灌区的年净灌溉用水总量；m为j个样点灌区中的农作物种类；n为样点灌区测点数量；pij为所求的净灌溉定额；sij为灌溉面积[12]。

根据上述计算所得的田间水相关参数，建立测算小型农田水利工程灌区中田间水利用系数的分析模型。

1.3 建立田间水利用系数测算分析模型

根据上文计算得到的不同类型、不同规模、不同管理水平以及不同工况的样点灌区相关参数，采用点与面相结合的方式，将调查统计结果、观测分析结果相融合，将微观研究数据与宏观分析评价结果进行对比，利用加权平均的理念，建立田间水利用系数测算分析模型，推算全区的小型农田水利工程灌区田间水利用系数[13]。已知灌区田间水利用系数是整个测算样点灌区净灌溉用水总量与毛灌溉用水总量的比值，结合式(1)和式(7)，得到有效利用系数σ：

(8)

根据测算地区实际情况，建立各类型样点灌区的田间水利用系数分析模型，加权平均处理，得到大型灌区中的小型农田的田间水利用系数分析模型：

(9)

中型灌区的小型农田田间水利用系数分析模型为：

(10)

而小型灌区的小型农田田间水利用系数分析模型为：

(11)

而纯井灌区灌溉工程中，小型农田灌溉水利用系数分析模型为：

(12)

式(9)-式(12)中，a、b、c、d分别为不同的灌区类型[14]。综合上述公式，建立全区测算模型：

(13)

式中：Qa、Qb、Qc、Qd分别为4个测算样点区域的年毛灌溉用水总量。

使用该模型测算全区域的灌区田间水利用系数，根据得出结果调整灌区的用水量，至此实现对小型农田水利工程灌区田间水利用系数的测算[15]。

2 实验研究

提出对比实验，将此次研究的测算方法作为实验组测试对象，将根据文献[2]、文献[3]提出的两种传统测算方法，分别作为对照1组和对照2组测试对象。比较3个测试组的计算结果差异。

2.1 测试准备

将K省作为此次实验研究对象，该省份中存在大型灌区、中型灌区、小型灌区以及纯井灌区。图1为10年间，该省份的小型农田水利用系数的变化情况。

图1 测试地历年田间水利用系数统计图

根据图1可知，前期田间水利用系数增长极慢，符合前期水利工程建设不完善、灌溉方式较为落后、水量损失较大的实际情况，因此浪费了大量水资源，使利用系数相对较小。经过国家政策帮助以及政府扶持，加之各项技术相对完善，使田间灌溉水被充分利用，减少了对水资源的浪费，因此利用系数逐渐提高增长速度，在后期，维持在一个相对稳定的范围之间。图2为实测地区某一区域的灌区实景图。

图2 灌区实景图

已知该测试地涵盖4种灌区类型。其中，中型灌区图2(a)所示左侧区域，根据图2中农田布局可知，中型灌区中开垦了大量小型农田；图2中右侧为小型灌区所在区域，由多个小型农田组成。图2(b)是大型灌区和纯井灌区，该灌区中的农田同样为小型农田。因此，根据实地调查得知，选择的测试省份满足对小型农田的测试要求。

2.2 测试与分析

分别利用3个测试组，综合测算K省3类灌区中小型农田灌区田间水利用系数，其测算结果见图3。

根据图3中的测算结果可知，对照1组和对照2组中3处小型农田水利工程控制区的田间水利用系数的计算结果高度相似，而实验组的3处测算结果并不一致。根据K省地质地形可知，该省位于板块交界处，且土质之间存在较大差异性，因此3个不同灌区的利用系数，不可能高度相似。为了分析导致3组测试结果出现差异的原因，将3种测算方法计算所得数据统计到下述3组数据表中，见表2-表4。

图3 田间水利用系数测算结果

表2 实验组测算结果

表3 对照1组测算结果

表4 对照2组测算结果

根据表2中的测算结果可知，只有年净灌溉用水量这一参数的计算结果存在较大差异，可见传统测算方法分析模型在计算时，出现了一定程度的误差，从而影响了同类型灌区田间水利用系数之间的差别。由此证实，此次提出的田间水利用系数的测算方法，其测算效果更真实。根据图1给出的历年利用系数变化曲线可知，近些年该地区将田间水利用系数发挥到0.55以上。而3个测试组中，只有实验组的测试结果，更贴合K省实际数据，由此看出所提出方法的测算性能更好。