基于CROPWAT模型的灌溉需水分析

张志坚 钱俊

摘要：为研究西非基础资料匮乏地区的灌溉需水预测，提出了基于CROPWAT模型的灌溉规划设计思路与方法，从作物需水量、降雨模型、土壤参数、种植规划以及灌溉流量设计等方面展开了分析，提出了项目灌溉设计流量。结果表明：①对于资料匮乏的国际工程项目，利用CROPWAT开展分析工作具有较充分的理论基础和较高的计算精度，具有一定的实用性;②作物种植计划的变化对于灌溉毛需水量峰值（GIWRpeak）的影响较大，而灌溉系数、工作时间等参数对于设计流量的影响较大，在实际设计过程中，应根据项目实际情况调整优化。

关键词：灌溉需水;CROPWAT模型;干旱地区;西非

中圖法分类号：S274 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.02.011

文章编号：1006 - 0081（2022）02 - 0063 - 05

0 引 言

研究项目所在地区北部为热带沙漠气候，从20世纪70年代开始的干旱导致该地区的自然资源遭到严重破坏，农业和畜牧业发展受到限制。水资源时空分布不均衡性导致该地区干旱缺水问题已持续多年，采取工程措施进行合理的水资源调配是解决区域性水资源短缺，有效缓解区域干旱缺水问题，改善区域农业生产条件的重要举措。灌溉需水量、灌溉设计流量等是确定引水工程规模的重要指标，但该地区经济相对落后，缺乏一般灌溉设计[1-2]所需的各种观测数据及实验资料。CROPWAT模型目前比较广泛应用于各类作物的需水预测[3-4]、单个作物灌溉制度分析[5-7]及区域蒸发量的分析研究等，鉴于中国已有比较完善的灌溉定额、灌溉制度等，直接采用CROPWAT模型进行工程规划设计的情况比较少。因此，本文提出利用基于FAO的CROPWAT模型开展灌溉需水预测与规划设计的思路。本文结合西非地区的工程实际，按照作物需水量、作物系数、降雨、土壤、种植规划等步骤分析净灌溉需水量（NIWR），利用灌溉系数计算灌溉毛需水量峰值（GIWRpeak），依据灌溉面积、灌溉工作时间等最终确定灌溉设计流量，可为类似地区引水工程的规划设计研究提供思路。

1 研究区域概况

1.1 基本概况

项目位于非洲西部地区，属于沙漠草原气候，年平均气温29 ℃，年均降雨量约314 mm。项目所在国为全球最不发达国家之一，农业是其主要支柱产业之一，该国超过50%的人从事农业。拟建工程从河道引水，利用渠道、湖泊以及疏浚河道作为输水通道，并在输水通道末端修建泵站和渠道为规划灌区进行灌溉，工程疏挖河道约87 km，新建主干渠约150 km。

1.2 灌区现状及存在问题

项目所在地区为平原地形，平均高程约25 m，平均坡度约0.1‰，高程逐渐向西和西北方向降低。平原受树状河网（现状无水）切割，形成面积多样的扇形条带，区域现状大部分为灌木草原和裸地。地区约90%的人口从事农业和畜牧业，农业主要种植花生、小米等。由于该地区处于撒哈拉沙漠边缘地带，属于沙漠草原气候，降雨量少、农田产量低。此外土壤质量较差、有机肥料施用少、农药使用量低、农田设备设施不足，以及耕种技能缺乏也是制约农业发展的主要因素。按照联合国粮农组织标准，目前该区域粮食无法自给。根据研究，因水资源缺乏，该区域现状农田较少，呈零星斑块状分布。

2 研究方法与参数

研究项目地处非洲西部的干旱地区，缺乏各种基础水文气象及灌溉实验数据等，综合考虑各种因素，拟采用FAO（世界粮农组织）开发的CROPWAT模型进行需水预测分析，主要研究方法与工作步骤如图1所示。

2.1 作物需水量

采用FAO-56号文[8]中单作物系数方法计算作物需水量，计算步骤如下：①计算参考作物蒸发蒸腾量ETo;②确定作物的生长发育阶段及各发育阶段的长度，选定作物在此阶段的作物系数Kc（可参考FAO-56），并根据区域的气象条件调整;③ETo乘以Kc得到ETcrop。

2.1.1 参考作物蒸发蒸腾量ETo

CROPWAT模型是在Penman-Monteith方程的基础上建立的，该方程以能量平衡和水汽扩散理论为基础，考虑了作物的生理特征和空气动力学参数的变化，具有较充分的理论基础和较高的计算精度，经过多年研究改进，FAO-56号文推荐使用的公式形式为

式中：ETo 为 参考作物蒸发蒸腾量，mm/d;[Δ]为饱和水汽压-温度曲线斜率，KPa/℃;Rn 为冠层净辐射，MJ/（m2 ·d）;G为土壤热通量，MJ/（m2 ·d）;T为日平均气温，℃;u2 为 2 m高度处的风速，m/s;es为饱和水汽压，kPa;en为实际水汽压，kPa。

CROPWAT模型计算需要的参数数据包括温度、湿度、日照时间、蒸发、风，上述气象数据依据FAO提供的CLIMWAT模型导出，再输入CROPWAT模型中，项目所在区域的ETo计算结果如表1所示。

2.1.2 作物系数

作物系数Kc反映作物和参考作物之间需水量的差异，体现了作物本身的生物学特性，主要取决于作物冠层的生长发育。作物系数可用一个系数来综合反映，也可用两个系数分别来描述蒸发和蒸腾的影响，即所谓的单作物系数和双作物系数，一般设计可采用单作物系数，FAO建议将作物的生育期划分为4个阶段：初期、发育期、中期和后期，本项目主要依据FAO-56号文提供的作物系数，并适当调整。

2.1.3 作物需水量

作物需水量（ETcrop，mm/d）定义为作物在整个蒸散过程中所需的水的深度，可用作物系数（Kc）乘以参考作物蒸发蒸腾量（ETo）得出，具体公式如下：

式中： ETo 为参考蒸发蒸腾量，mm;Kc 为计划耕作作物的作物系数，取自FAO-56号文。

将作物系数输入CROPWAT模型，即可计算出作物的需水量ETcrop，项目典型作物（玉米）的作物需水量（ETcrop）计算结果如表2所示。

2.2 降雨参数

国外项目一般采用P=80%频率的降雨进行灌溉设计，依据当地1962～2016年降雨统计资料，按经验频率公式，采用频率曲线分析P=80%的年均降雨量，并利用式（3）计算设计枯水年份的月均降雨量，作为程序输入数据。经分析，项目所在地区年平均降雨量为314.8mm，P=80%的年降雨量为234.4 mm。设计枯水年（P=80%）降雨计算结果见图2。

式中：Piav 为月均降雨量，mm;Pidry 为设计枯水年月均降雨量，mm; Pav 为年平均降雨量，mm;Pdry 为设计枯水年平均降雨量，mm，P=80%。

有效降雨量（effective rainfall），即考慮了地表径流和深层渗透的降雨损失后可供作物有效利用的降雨量。CROPWAT模型中提供了多种有效降雨量分析方法，本项目有效降雨采用FAO的AGLW公式进行计算，经计算有效年降雨量为102.6 mm，模型输出计算结果如表3所示。

式中：Pe为有效降雨量，mm;Ptot 为平均月降雨量，mm。

2.3 土壤参数

2.3.1 土壤情况

项目所在河谷地区为沙漠草原气候环境，土壤中松散层厚度超过0.6 m，且不存在土质差、卵石多、板结、含盐、风蚀或水蚀敏感、较大坡度等限制因素，评估认为该区土壤适合种植及灌溉。对河谷两侧各20 km的带状区域进行研究，发现大部分的研究区域都是潜在的适合耕种和灌溉的土壤，初步勘测了区域适合、一般、不适合发展农业灌溉的土地范围，河谷原河道两岸区域大部分土地都适合耕种和灌溉。

2.3.2 土壤参数

CROPWAT模型土壤数据参数分为水稻和非水稻作物两种，本项目主要作物为非水稻作物，土壤数据模块参数包括，总可用水量 （TAW）、最大渗透率（maximum infiltration rate）、最大生根深（maximum rooting depth）、初始土壤水分（initial soil moisture depletion），依据项目地区土壤情况选定。

2.4 种植规划

收集地区已有作物及相关研究资料，初步拟定项目规划灌区的主要种植作物为玉米、土豆、甘蔗、番茄、洋葱等，主要作物种植计划如表4所示。

3 结果分析与讨论

依据上述气象、降雨、土壤以及种植规划等参数，CROPWAT模型可以计算出项目净灌溉需水量（NIWR），利用模型计算结果进一步分析项目灌溉设计流量。

3.1 净灌溉需水量

ETcrop 和有效降雨量（Pe） 的差额为净灌溉需水量（NIWR），计算见式（6）所示，通过CROPWAT模型可自动输出计算结果，如表5所示。

式中：ETcrop为作物需水量，mm/d;Pe 为有效降雨量，mm。

3.2 毛灌溉需水量

毛灌溉需水量（GIWR）即满足作物的蒸发蒸腾需求，以及不可避免的损失水量和渗漏水量，计算公式如下：

式中：Ep 为项目灌溉系数，%。

Ep主要考虑灌溉方法、渗流损失、渠道和相关结构的损失以及取水口与田间的损失，本项目灌溉系数取为60%。

3.3 灌溉设计流量

依据CROPWAT程序计算结果，分析各月中的峰值灌溉需水量作为灌溉设计流量（m3/s），计算公式如下：

式中：A 为灌溉面积，hm2;GIWRpeak 为 灌溉毛需水量峰值，mm/d;h 为每天的工作小时数（项目取16 h）;v为每周的工作日（项目取6 d），若用月天数，则v为每月工作日。

结合模型计算结果，项目灌溉净需水量峰值为2.6 mm/d，据此估算灌溉毛需水量峰值GIWRpeak为4.33 mm/d，项目灌溉面积24 348 hm2，分析项目设计流量Q设=21.4 m3/s。

3.4 讨 论

CROPWAT模型有效降雨公式有4种，有效降雨计算结果为102.6～207.7 mm，对于作物需水量有一定影响，本文选择偏保守的公式;由于项目灌溉高峰月在旱季，有效降雨量的变化对于最终设计流量影响不大。种植计划的变化特别是作物的起始种植时间的变化对灌溉毛需水量峰值有一定影响，需要依据项目实际情况调整。灌溉设计流量对于灌溉系数、工作时间的变化较为敏感，若灌溉系数在0.55～0.65变化，则相应设计流量变化幅度约为15%;工作小时数若在16～24 h间变化，相应设计流量变化幅度约为33%，规划设计过程应合理选取各类参数。

4 结 论

（1） 国际项目工程灌溉规划设计面临各种困难，特别是非洲等国别农业发展需求迫切，但难以获取各种农业灌溉的试验资料、土壤以及作物灌溉制度等资料，为工程规划设计带来了诸多实际困难。

（2） CROPWAT是FAO开发的软件，可用于作物需水量预测、灌溉工程设计以及灌溉制度分析等工作，对于在资料缺乏地区开展规划设计工作具有重要意义，工作过程中发现很多国外咨询机构也经常采用该模型开展规划设计工作。

（3） CROPWAT程序中的气象、作物系数、降雨资料以及土壤资料数据是重要的输入数据，应尽可能地依据当地实际情况获取或者调整;种植计划变化对于灌溉毛需水量峰值有一定影响，而灌溉设计流量对于灌溉系数、工作时间的变化较为敏感，在实际设计过程中，应根据项目实际情况调整优化。

参考文献：

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（编辑：江 文）