河套灌区畦灌灌水方案优化与敏感性分析

范雷雷 史海滨 李瑞平 苗庆丰 裴文武 华智敏

(1.内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院， 呼和浩特 010018； 2.内蒙古河套灌区管理总局， 巴彦淖尔 015000；3.内蒙古自治区水利水电勘测设计院， 呼和浩特 010020)

0 引言

20世纪80年代以来，随着全球性水危机的加剧，节水灌溉受到高度重视[1-2]。2019年中国水资源公报指出全国农业用水超3 682亿m3，占全国总用水量的61.2%，节水潜力巨大。节水优先考虑的是农业节水，同时农业节水也是农业现代化的重要抓手[3]，进一步说，农业节水也是山水林田湖草生命共同体健康发展的必要要求，农业节水及其生态环境效应应得到全社会的关注[4]。

河套灌区是我国最大引黄灌区，同时也是北方重要的粮食基地之一[5-6]，随着灌区的快速发展和非农业用水的不断增加，水资源需求量不断上升[7]。但黄河上游来水日趋减少，灌区年引水量逐年下降，水资源供需矛盾日益突出[8]。灌区以畦灌为主要代表的田间灌水技术较发达国家有较大差距，灌溉水利用效率仅有0.41，水资源浪费的同时严重制约了农业的可持续发展[9-11]。随着灌区续建配套、节水改造、水权转换等一系列项目的实施[12-14]，灌区灌排渠道系统日益完善，畦田长度基本固定，但是宽畦田、大畦块仍是该地区畦田的主要特点，影响了灌水效率的进一步提高。由于灌区来水流量、来水时间及其持续时间的不确定性，对灌区农业生产带来诸多压力，这使得已有相关农业决策存在不足[15-18]，故需根据实际情况适当进行调整，以减轻不确定因素带来的不利影响。

田间灌溉设计和优化的研究，以往主要集中在固定供水流量的常规畦灌系统上[19-21]，而河套灌区引水流量不稳定。对此，本研究在典型畦灌试验基础上，利用WinSRFR模型模拟计算大、中、小入畦流量下不同畦田规格和灌水时间下的灌水效率、灌水均匀度和储水效率等指标。进而对不同方案畦田灌溉性能进行评价优选，确定灌区适宜的田块布局和灌水设计方案，并在此基础上分析不同参数对最佳方案灌水质量的敏感性。以提高灌区黄河水分配效率，保证灌溉充足性，为灌区农业水资源高效利用发展提供理论支撑。

1 研究区概况

研究区位于内蒙古自治区巴彦淖尔市磴口县境内，地处河套灌区沈乌灌域中游，属典型的干旱温带大陆性季风气候；年均降雨量142.1 mm，蒸发量超2 300 mm，无霜期130 d左右。黄河水作为试验区灌溉的主要水源，水中泥沙含量大，pH值约为7.8，耕作层土壤盐分大多为氯化物-硫酸盐，典型试验区布设在沈乌灌域建设二分干渠管理所附近，土壤类型为砂土，平均容重为1.586 g/cm3。

2 材料与方法

2.1 试验设计

本研究方案分析的目的是对实际农田现场布局和灌溉参数进行优化，以减少由于农渠来水流量变化造成的水资源浪费等问题。由内蒙古自治区水利厅2018年“内蒙古黄河干流水权盟市间转让河套灌区沈乌灌域试点现状评估报告”可知，沈乌灌域现状砂土2 001 m2及以上畦田面积的地块占灌域砂土总灌溉面积的57%以上，结合灌域实际情况，本文选取当地典型砂土田块(80 m×25 m)作为主要研究对象。并且在现有研究基础上，设计了3种灌溉方案：灌水时间设计方案；田块规格+灌水时间设计方案；田块规格+入畦流量设计方案。具体方案布置见图1，其中W为畦田宽度，m；L为畦田长度，m；Q为入畦流量，L/s；Tco为灌水时间，min。入畦流量是影响灌溉性能的主要因素之一，并且其大小在很大程度上取决于毛渠流量和入田灌水闸门规格，根据灌区实际，灌溉期间入畦流量Q大多在10～30 L/s之间[11]，表1为模型模拟所需的5种不同入畦流量(30 L/s(极大)、26 L/s(大)、20 L/s(中)、16 L/s(小)、10 L/s(极小))和对应的可能灌水时间Tco的参数组合。

表1 模型所需参数Tab.1 Parameters required for model

表2为典型田块部分基本参数及灌水参数，玉米播种前对典型试验田进行了激光平地，沿畦长方向每隔10 m设置2～4个观测点用以观测水流推进与消退。沿试验田畦长方向设置5个取样点，每隔10 d测定土壤含水率，灌水以及降雨前后加测。入畦水量通过梯形量水堰测得，畦首处水深通过水尺测定，灌水时间用秒表确定；入渗参数的估算采用Kostiakov方程进行描述[22]。灌溉水量及其他田间管理措施与当地水平一致。

表2 典型田块基本参数及灌水参数Tab.2 Basic parameters and irrigation parameters of typical fields

2.1.1灌水时间设计方案

此方案设计主要是在当前典型畦田规格(80 m×25 m)以及不同入畦流量(30、26、20、16、10 L/s，单宽流量q分别为1.20、1.04、0.80、0.64、0.40 L/(m·s))下通过改变灌水时间Tco(300、270、240、210、180、150、120 min)分析灌水质量变化情况。

2.1.2田块规格+灌水时间设计方案

该方案设计通过将现有畦田划分为两个相等尺寸的小畦田：垂直分割(80 m×12.5 m)或水平分割(40 m×25 m)。每个均分小畦田与典型大畦田均采用相同入畦流量，灌水时间Tco在两个小畦田内均分设计，即该灌溉方案灌水质量指标是在入畦流量Q为30、26、20、16、10 L/s，垂直分割(80 m×12.5 m)田块单宽流量q分别为2.40、2.08、1.60、1.28、0.80 L/(m·s)，水平分割(40 m×25 m)田块单宽流量q分别为1.20、1.04、0.80、0.64、0.40 L/(m·s)和0.5Tco(150、135、120、105、90、75、60 min)下获得的。

2.1.3田块规格+入畦流量设计方案

此方案设计在典型田块中增加1个进水口，保证入畦流量在两个垂直分割或者水平分割小畦田内均匀分配，且每个小田块灌水时间均为Tco，即分析各个田块在0.5Q为15、13、10、8、5 L/s，垂直分割(80 m×12.5 m)田块单宽流量q分别为1.20、1.04、0.80、0.64、0.40 L/(m·s)，水平分割(40 m×25 m)田块单宽流量q分别为0.60、0.52、0.40、0.32、0.20 L/(m·s)和Tco(300、270、240、210、180、150、120 min)组合下的灌水质量变化情况。

2.2 研究方法

2.2.1灌水质量评价指标

采用灌水效率(AE)、灌水均匀度(DU)和储水效率(AD)评价灌水质量[23]。

2.2.2WinSRFR模型

采用零惯量(WinSRFR)模型对灌溉水水流运动进行模拟，基本方程表达式为

(1)

(2)

式中x——水流推进距离，m

h——水深，m

t——关口时间，s

Z——累计入渗量，m

τ——净入渗时间，s

y——水流深度，m

S1——田面坡度，m/m

Sf——田面阻力坡降，m/m

当利用WinSRFR模型对试验灌水过程进行模拟时，需要输入的参数有畦长、畦宽、畦尾开闭口情况、计划需水水深、土壤入渗参数(k、α)、田面糙率系数n、灌溉水量、入畦流量以及灌水时间等[24-25]，进而通过软件计算得出灌水质量模拟指标。

3 结果与分析

3.1 模型精度

图2为典型田块(80 m×25 m)分别通过田间实测以及WinSRFR模型模拟两种方法得到的3次灌水水流推进与消退曲线，从图中可以看出，两种方法得到的3次灌水水流推进时间的均方根误差(RMSE)分别为8.11、13.89、7.73 min，水流消退时间的RMSE分别为15.03、20.51、11.30 min；尽管这些误差对于其他畦田灌溉系统可能略有偏高，但是对于在本研究中的典型田块(砂土规格2 000 m2左右，灌水时间210～300 min)中误差是可以接受的。

表3为典型田块3次灌水质量指标实测值与模拟值精度对比情况，从表中可以看出，两种方法得到的灌水效率(AE)、灌水均匀度(DU)和储水效率(AD)的相对误差不大于4.84%、3.95%、5.00%，表明利用WinSRFR模型对灌水质量进行评价可行，结果可靠。并且在当地灌水条件下，由于畦田规格较大并且土壤入渗较快，使得水流推进过程中深层渗漏损失增加，灌水时间延长，3次灌水AE分别为62%、52%、59%， DU分别为0.84、0.76、0.81，AD分别为1.26、1.40、1.34，灌水效果始终较差。

表3 典型田块灌水指标实测值与模拟值精度对比Tab.3 Accuracy comparison between measured and simulated values of irrigation indicators in typical fields

3.2 改进方案评价与优选

改进方案的优选是基于不同单宽流量水平下对不同灌溉设计方案灌水质量评价分析基础上进行的，尽管灌水质量评价时有多个指标，但参照ARIF等[26]方法评价灌水质量，将最大权重分配给灌水均匀度，灌水均匀度不低于0.7；其次尽可能控制储水效率，避免超量灌溉的发生，灌水效率和水流推进指标所占权重最低，这是由于它们受深层渗漏损失、表面粗糙度以及田面坡度影响较大，但由于土壤特性及灌区农田布置等现状因素影响使得灌水损失无法避免。

3.2.1灌水时间设计方案

通过WinSRFR模型模拟典型田块(80 m×25 m)在现有单宽流量水平下通过改变灌水时间Tco可能获得的灌水质量指标，结果如表4所示。结果表明只有在较大单宽流量(Q为26～30 L/s、q为1.04～1.20 L/(m·s))情况下，采用适当灌水时间(对应Tco分别不低于210 min和150 min)，才能获得适宜的灌水均匀度(DU大于等于0.7)，此时灌溉水能填满整个田块，但由于砂土入渗较大，水流推进过程中渗漏损失偏大，并且农民始终保持着 “大水漫灌”的灌水习惯，造成农田过度灌溉(AD大于1.0)，灌水效率AE普遍不高，并且随着蓄水时间的延长，畦尾聚集大量灌溉水，渗漏损失增多，灌水效率显著下降。该方案显示在中等和偏小单宽流量水平下，改变灌水时间得到的灌水质量指标均较差，并且可以看出，在现有中等单宽流量(Q=20 L/s、q=0.80 L/(m·s))水平下减少尾部25%的畦田面积(改水成数从1.0减少至0.75)可节省40%的灌水时间，使得水流推进过程中的渗漏损失较典型较大田块减少16%以上，节水效果显著。

从表4可以看出，在q=1.04 L/(m·s)、Tco=210 min和q=1.20 L/(m·s)、Tco=150 min情况下可以获得最佳灌水方案，该方案表明砂土较大田块灌溉时只有保持较大单宽流量情况下才能获得最佳灌水质量，而在其他单宽流量水平下改变灌水时间难以获得较优的灌水效果。

表4 典型田块灌水时间设计方案性能指标Tab.4 Performance indicators of typical field irrigation time design schemes

3.2.2田块规格+灌水时间设计方案

2种畦田分割方式(垂直(80 m×12.5 m)和水平(40 m×25 m))与不同灌水时间设计方案的畦田灌水质量指标结果在大、中、小不同入畦流量下具有相同的变化规律。由图3可以看出，水平分割畦田灌水效果整体优于垂直分割畦田，这是由于畦田长度的缩短，使得田面水流分布更加均匀。并且只有在较大单宽流量水平下灌水均匀度较大，这是由于在砂土土壤条件下，增大单宽流量会减小畦首灌溉入渗水深，使得入渗水深分布更加均匀，灌水均匀度得到改善。

对比不同入畦流量水平下灌水指标可以发现，较大流量(垂直和水平分割畦田q分别不低于2.08、1.04 L/(m·s))水平下随着灌水时间的延长，渗漏损失增加，导致灌水效率逐渐降低，当灌水时间大于135 min时， AE不超过50%，渗漏损失超过总灌水量的50%以上，但DU始终保持较高水平，有利于土壤盐分淋洗及作物产量的形成。中等流量(垂直和水平分割畦田q分别为1.60、0.80 L/(m·s))水平下，当灌水时间大于120 min时，AE不超过70%，渗漏损失占到总灌溉水的30%以上，并且灌水时间低于75 min时，灌溉水甚至不能充满整个田块。流量较小时(垂直和水平分割畦田q分别不超过1.28、0.64 L/(m·s))，缩短灌水时间会导致水流推进提前结束，灌水深度达不到作物需水水深，此时灌水效率随着灌水时间的缩短而增大，灌水均匀度和储水效率等灌水质量指标整体较差。对于大流量和极大流量水平，灌水时间为60 min时，两种畦田灌溉设计方案灌水质量最优；中等流量水平下，灌水时间为90 min时，灌水质量最优；对于小流量和极小流量，灌水时间不低于135 min。

3.2.3田块规格+入畦流量设计方案

垂直(80 m×12.5 m)和水平(40 m×25 m)分割田块在0.5Q和Tco灌溉设计方案的灌水质量模拟结果具有相同的变化规律并且各处理之间差异变化不显著，表5为不同田块规格和入畦流量设计方案情形下的灌水指标变化情况。对于每个小田块而言，尽管畦田规格缩小1/2，但由于土壤入渗较快，流量较小时，造成水流推进较慢，q低于0.40 L/(m·s)，灌溉水在有限时间内均不能充满整个田块，并且造成渗漏损失较大，为获得最佳灌水性能指标，需适当提高入畦单宽流量。并且从表中可以看出，极大流量(0.5Q=15 L/s，垂直和水平分割田块q分别为1.20、0.60 L/(m·s))水平下灌水时间为150 min，以及大流量(0.5Q=13 L/s，垂直和水平分割田块q分别为1.04、0.52 L/(m·s))水平下灌水时间为210 min时，灌水质量达到最优，此时灌水均匀度大于0.7，有效避免农田过度灌溉，节水效果显著。

3.2.4最佳方案优选

表6为3种设计方案在不同流量水平下获得最佳灌水效果时的单宽流量和灌水时间的灌水组合推荐值及其对应的灌水质量指标结果，从表中可以看出，田块规格+灌水时间设计方案能产生更高的灌水质量指标值，结合毛渠来水流量实际大小，根据田块规格选择适宜的灌水时间可以获得最佳灌水性能。图4对比了在3种灌溉设计方案下入畦流量Q和灌水时间Tco最佳组合对应的灌水质量指标变化情况。显然，与其他灌溉设计方案相比，灌水效率、灌水均匀度以及储水效率在田块规格+灌水时间设计方案中得到了显著改善。结合实际情况可知，水平分割田块时为保证同时进行灌溉需要开挖一条新的灌水渠道，但是新型毛渠的常年维修会造成农民种植成本的增加，并且渠道输水过程中的渗漏损失不可忽略不计，因此，综合考虑灌区现状灌溉水平暂时不考虑水平分割畦田的灌溉设计方案，只分析垂直分割畦田相关内容。

与典型较大田块(80 m×25 m)灌水时间设计方案未能实现所有灌水质量指标的可接受组合不同，垂直分割田块(80 m×12.5 m)的3个灌水质量指标在较大单宽流量水平(Q为26～30 L/s、q为2.08～2.40 L/(m·s))下具有良好表现，灌水效率从67%～80%提升至97%～99%，灌水均匀度从0.59～0.79提高至0.84～0.95，储水效率从1.17降低至0.76，并且至少可以节省当前灌水时间的20%以上，中等单宽流量(Q=20 L/s、q=1.60 L/(m·s))情况下在获得更优灌水质量的同时可以节省40%的灌水时间，节水效果显著。

3.3 敏感性分析

为确定不同流量水平下改变设计参数对最佳畦田布置方案(80 m×12.5 m)灌水指标的敏感性变化情况，明确不同变量因素对灌水质量的影响规律，通过WinSRFR模型模拟分析了计划需水水深、田面坡度以及畦田长度等变量因素对灌水质量指标的影响。不同变量参数如下：计划需水水深为60、70、80、90、100、110、120、130 mm，田面坡度为0.05%、0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%、0.35%、0.40%、0.45%、0.50%，畦田长度为50、70、90、110、130、150 m。大、中、小单宽流量水平下不同参数对灌水质量的敏感性分析如图5所示。

表5 田块规格+入畦流量设计方案灌水质量指标对比Tab.5 Comparison of irrigation performance indicators for field specifications and border flow design scheme

从图5可以看出，不同参数对灌水质量评价指标具有相同的变化规律。计划需水水深Dreq对灌水质量具有明显的变化规律，大、中型单宽流量期间，Dreq<80 mm时过度灌溉，而Dreq>90 mm时灌溉不足。小流量时期，Dreq<100 mm时发生过度灌溉，而Dreq>110 mm时灌溉不足。由于Dreq不是定义DU的主要参数，因此可以观察到DU并未随Dreq的变化而变化。大、中、小单宽流量期间，随着田面坡度的增大，灌水效率、灌水均匀度和储水效率均呈现先增加后减少的变化趋势，田面坡度分别超过0.15%、0.25%、0.35%时，灌溉水快速推进至畦尾，造成畦尾灌溉水聚集，而畦首入渗水深减少，灌水效率、灌水均匀度和储水效率均开始降低，但变化不显著。畦田长度对灌水均匀度及储水效率影响明显，均随畦田长度的增加而减少，灌水效率受畦田长度影响不大，并且当单宽流量较小时，水流推进减慢，造成渗漏损失增加，灌水效率较大、中型单宽流量时期显著降低。当畦田长度不变时，灌水均匀度随着单宽流量的减小而减小，储水效率随着单宽流量的减小而增大。

表6 不同设计方案最佳灌水组合推荐值Tab.6 The best irrigation combination of different design schemes

4 讨论

本研究发现，单纯提高灌水效率并不能改善灌溉的充分性和均匀性，这与XU等[27]研究结果一致。通过一系列模型模拟结果可以看出，在灌区现有灌溉方案中，畦灌灌溉水渗漏损失超过总灌水量的40%，水资源浪费严重，这一方面与农民灌水习惯有关，农民节水意识较差；另一方面现有畦灌灌水方案未考虑灌区常见畦田规格、来水流量以及灌水时间等因素对灌水质量的综合影响，造成部分方案节水性能较差。并且史海滨等[28]提出由于灌溉水大量补给地下水，造成地下水水位上升，随着土壤蒸发及作物蒸腾影响，盐随水走，造成地表盐分聚集，造成灌区土壤盐渍化加剧，对此必须对灌区现状灌水方案进行调整，以缓解由于过度灌溉带来的土壤盐渍化及水资源浪费等问题。

本研究发现，田块规格和灌水时间是影响灌水质量的主要因素，这与GILLIES等[29]结果略有差异，其建议将较大入畦流量作为改善畦灌灌溉质量的一种主要改进手段。本研究发现，当田面坡度超过一定值后，不同单宽流量水平下灌水质量评价指标基本不受田面坡度影响，这与GONZALEZ等[30]研究成果略有不同，其提出在极小单宽流量条件下灌水均匀度基本不受田面坡度影响。

结合上文可知，畦灌灌水质量受诸多因素影响，同时各因素之间又具有明显的变异性[31]，各个技术要素和参数变化直接影响了灌水质量的形成，但完全消除这些影响是不现实的。因此，进行灌水质量评价及其敏感性分析是提高农田灌溉管理水平、改善灌溉质量的重要依据[32]。本文对灌水质量评价指标进行敏感性分析时，只分析了计划需水水深、田面坡度、畦田长度等因素对灌水质量的影响，其他影响因素(糙率、单宽流量、田面精度等)需要进一步研究。研究发现计划需水水深会影响灌水质量形成，本文仅考虑了砂土土壤情况下常见玉米作物灌溉时灌水质量变化及相关灌水设计方案优劣情况，存在一定局限性。河套灌区土壤类型复杂，种植作物多样，由于种植方式或其他因素的变化而导致的Dreq的任何变化都需要建立新的灌溉设计方案，这与ISHAK等[33]研究结果一致。

本研究提出的最佳灌水方案可以认为是针对不同流量水平下的后适应措施，具体措施包括：缩宽缩块、增加进水口等。根据毛渠实际来水流量，通过缩小畦田规格、增加单宽流量等方式提高灌水质量，减少灌溉过程中的渗漏损失，最终达到缩短灌水时间、降低农民劳动成本的目的。研究结果对于改善农民用水习惯、提高水资源利用效率具有重要意义。

5 结论

(1)在现状研究基础上研究了3种灌溉设计方案，即灌水时间设计方案、田块规格+灌水时间设计方案以及田块规格+入畦流量设计方案。与其他灌溉设计方案相比，第2种灌溉设计方案灌水效果更佳。垂直分割田块(80 m×12.5 m)在较大单宽流量(Q为26～30 L/s、q为2.08～2.40 L/(m·s))情况下可以节省当前灌水时间的20%以上，在中等流量(Q=20 L/s、q=1.60 L/(m·s))情况下在获得更优灌水质量的同时可以节省40%的灌水时间，节水效果显著。

(2)砂土畦田规格(80 m×25 m)较大时，中等单宽流量(Q=20 L/s、q=0.80 L/(m·s))水平下，减少尾部25%的田块面积(改水成数从1.0降低至0.75)可节省40%的灌水时间，并可减少16%的灌溉水在水流推进过程中的渗漏损失，节水效果显著。单宽流量较小(Q为10～16 L/s、q为0.40～0.64 L/(m·s))时，减小田块规格能显著减少畦首灌溉入渗水深，但灌水性能指标整体不佳，不建议采用。

(3)通过对灌域砂土典型田块不同灌溉设计方案畦田灌水质量结果对比分析得出，缩小田块规格后灌水质量得到显著改善，考虑到当前农业耕作水平和现状灌溉技术等限制因素影响，建议灌区采用的砂土畦田规格为80 m×12.5 m，并且根据实际来水流量选择畦灌所需的最佳单宽流量和灌水时间组合。