祁县高效节水灌溉工程中灌溉水利用系数的测算

赵晓栋

（山西万水水利勘测设计咨询有限公司，山西 太原 030024）

0 引言

灌溉水利用系数取值大小往往与灌区自然地理条件、用水管理制度、灌溉技术水平等有关，也是评价灌区灌溉水利用程度和效率的基本指标。通过科学测算和分析灌溉水利用系数，有助于合理评价灌区灌溉水利用程度及节水潜力，为灌区灌溉水资源节约使用及灌区可持续发展提供借鉴指导。

1 工程概况

祁县地处山西省太原盆地中部以东的汾河东侧，祁县高效节水灌溉示范区主要包括城赵镇灌区和东观镇灌区，其中城赵镇高效节水灌溉项目区位于汾河及昌源河以南，京昆高速路以东，其南北长约5.45 km，东西宽约2.32 km，属河谷盆地，灌区内地形整体平坦，并主要呈现出北高南低，东高西低的渐变趋势。区内海拔753～763 m，地面坡度基本在0.13%～0.40%。目前项目区内水利设施大多存在标准低，老化失修，输水能力低等问题，并且灌溉基础设施建设年代久远、与现状供水需求极不匹配，灌溉技术落后，缺乏科学有效的管理，导致灌区水资源在灌溉过程中漏损、浪费较为严重，既严重影响了当地农作物产量和质量，更严重阻碍了灌区农业经济结构调整及可持续农业的发展。

2 数据与方法

2.1 基础数据

祁县城赵镇丰固村、苗家堡村、修善村、原东村、城赵村、城赵庄6村及东观镇白圭村通过采用高效节水灌溉技术改善灌溉面积867.13 hm2。工程设计水平年确定为2020年。通过高效节水灌溉技术的应用，并严格遵守《灌溉与排水工程设计规范》的相关技术要求，设计灌溉保证率按照低压管灌75%，小管出流灌、滴灌、微喷灌85%进行控制。

2.2 研究方法

主要采用首尾测算法进行城赵镇高效节水灌溉项目区灌溉水利用系数测算，该方法仅进行最终灌溉至作物计划润湿层水量和渠首总引水量测算，无需测算输配水及灌溉过程中灌溉水量损失，从而计算灌区灌溉水利用系数。应用该方法能避开渠系水有效利用系数测算这一难题，大大减少测算工作量。结合灌区特殊的自然条件和作物种类，选择典型区域直接进行渠首引入或取用的毛灌溉水量、实际田间灌溉用水量等的测量，并通过下式进行灌区灌溉水有效利用系数计算：

式中：ηw—城赵镇高效节水灌溉项目区灌溉水有效利用系数；Wj—城赵镇高效节水灌溉项目区净灌溉用水总量（m3）；Wa—项目区毛灌溉用水总量（m3）。

3 过程与结果

灌区规模、地理位置、管理水平、工程现状、实际可供水量等因素均对灌区灌溉水有效利用系数有不同程度的影响，为准确确定灌区灌溉用水实际利用程度，在进行其灌溉水利用系数测算的过程中必须确定典型样点灌区，通过首尾测算法测算出典型样点灌区灌溉水有效利用系数，再通过加权平均进行全部灌区灌溉水有效利用系数的测算。

城赵镇高效节水灌溉项目区地处暖温带季风气候区，项目区内灌溉水资源主要为地下水资源，基本无地表水资源可利用。全区农业用水主要是梨树田用水，所以，此次灌区灌溉水利用系数测算以梨树田灌溉用水为主要对象，测定时间为4-11月，即梨树的一个全生育周期。

结合灌区灌溉设施现状、水源条件、种植结构、作物种类、管理水平及灌区分布情况，将典型样点灌区选择在修缮村北和苗家堡村东的梨树集中种植区，修缮村北种植区地块南北宽200 m，东西长420 m，面积8 hm2；苗家堡村东地块南北宽176 m，东西长470 m，面积8.9 hm2。工程所在区域土质主要为中壤土，根据地质勘查资料，土壤实际容重1.40 g/cm3，田间土壤持水量取值在24%～26%之间，冻土层深度均值为0.80 m。两个地块主要种植梨树，部分地块夹杂大田作物，梨树种植方向为南北向，行距3.50 m，株距2.50 m；根据调查，梨树耗水高峰期在每年的7月份，且每年7月梨树日耗水量均值在4～5 mm/d范围。项目区西南向现有蓄水池可提供水源。

3.1 毛灌溉用水总量

灌区在一个灌溉年度内从水源地取用于农业灌溉的总水量即为毛灌溉用水总量，其值为水源地总取水量中减除因防洪抢险、工程保护等原因而发生的渠道弃水量、灌区退水量等的余额。在进行城赵镇高效节水灌溉项目区典型样点灌区毛灌溉用水量测算时，必须借助渠首流量实测值进行渠首水量估算，对于通过节制闸控制自流引水的情况下，必须进行开关闸时间及对应水位记录，基于此进行不同水位差所对应过闸流量率定以及毛灌溉水量推算。

3.2 净灌溉用水总量

典型样点灌区梨树灌水方式均为田间水层淹灌，故其净灌溉需水量由坐果需水量、泡田需水量、全生育周期蒸发水量、渗漏量等构成。以梨树需水量标准灌溉用水定额与实测灌溉用水定额两者测定值的定额评比结果为典型灌区净灌溉用水总量。

3.2.1 标准灌溉用水定额

通过田测和坑测相结合的方法测试梨树标准灌溉定额，并主要采用灌区常用且高产的浅湿调控灌溉技术。灌区梨树不同生长期内土壤水分及水层控制指标详见表1。

表1 灌区梨树土壤水分及水层控制指标表

灌区梨树全生育周期内净灌溉定额按照下式确定：

式中：M—梨树全生育周期内净灌溉定额（mm）；ETc—梨树蒸腾需水量（mm）；Fd—梨树全生育周期内渗漏量（mm）；M0—泡田水量（mm）；Pe—梨树全生育周期内有效雨量（mm）；Ge—梨树全生育周期内地下水利用量（mm）。

以上各参数中，①泡田水量定额通常应用设置于泡田试验田块进水口处的三角量水堰，进行泡田用水全过程测定后的数据进行测算。②田间设置水层的情况下，梨树蒸腾量以灌区附近蒸发站所在日蒸发量数据为准；田间未设置水层情况下，每日进行灌区周围地下水位井观测，间隔5 d进行1次土壤含水率观测，如遇降雨、灌水及生育阶段转换期，必须加测。通过取土钻按照20 cm厚度分层取土，直至地下水埋深，并通过烘干法进行土壤水分消耗量计算，据此推算典型样点灌区梨树实际蒸腾量，公式如下：

式中：ET1-2—典型样点灌区梨树实际蒸腾量（mm）；Ri—第i层土层所对应的土壤干容重（g/cm3）；Hi—第i层土层土壤的实际层厚（cm）；Wi-1—第i层土层在检测初的实际含水率（%）；Wi-2—第i层土层在检测完毕的实际含水率（%）；M—时段内灌水量定额（mm）；P—时段内降水量（mm）；K—时段内地下水补给量（mm）；C—时段内排水量（mm）。

③观测时段内有效雨量按照农田灌溉水量平衡原理及下式确定：

式中：P0—研究时段内有效雨量（mm）；ET—研究时段内蒸腾量（mm）；F—灌区灌溉水量渗漏量（mm）；h1—研究时段开始时水层深度（mm）；h2—研究时段结束时水层深度（mm）。

3.2.2 实测灌溉用水定额

通过水位变化法进行典型样点灌区实测灌溉用水定额测算，公式如下：

式中：h1—灌区灌水深度（mm）；he—灌溉结束后田间水深（mm）；hs—灌溉开始时田间水深（mm）。

该灌区典型区域灌溉前必须将木桩打入各田块中适当位置，并使木桩上端头与起始水位齐平，待灌溉完毕1/2 h后进行木桩上端头与实际水面线之间距离H1的测定，结果就是灌溉水深度。灌溉开始前在各田块另外确定测点，并将无底圆柱形铁筒埋在地面以下20 cm处，使铁筒侧壁与土壤密切贴合。灌溉开始前在铁筒内打入木桩，并使木桩上端头与铁筒上端齐平，超出地面的高度就是灌区灌水深度设计值H。在测量出H实际值后应迅速加水直至水面线与木桩顶端齐平后结束灌水，并在灌水结束1/2 h后测定木桩上端头到铁筒内实际水面线距离，该距离就是土层渗水量H2。根据以上测量结果，该灌区特定土壤条件下灌溉水实际深度H为H1和H2之和。

3.2.3 净灌溉用水量

通过标准灌溉定额评价法进行典型灌区灌溉用水量计算，具体而言，就是比较灌区内测点灌溉定额实际值和标准值，如果实际值低，则应采用灌溉定额实际值，相反，则采用灌溉定额标准值。根据所确定出的灌溉应用水定额，通过下式进行典型灌区净灌溉用水总量计算：

式中：W—典型灌区第i种作物单位面积净灌溉用水量（m3/hm2）；Mi—典型灌区第i种作物灌水量定额（mm）；Ai—典型灌区第i种作物实际灌溉面积（hm2）。

根据以上方法可以进行2021年城赵镇高效节水灌溉项目区各典型灌区灌溉水有效利用系数值，结果详见表2。

表2 典型样点灌区2021年灌溉水利用系数表

3.3 全灌区灌溉水利用系数

根据前述首尾测算法基本原理，城赵镇高效节水灌区灌溉水利用系数应当为全项目区净灌溉用水量和毛灌溉水量之比，公式表示如下：

式中：ηW′—城赵镇高效节水项目区灌溉水利用系数；W′j—项目区净灌溉用水量（万m3）；W′a—项目区毛灌溉用水量（万m3）。

应用以上方法所得到的城赵镇高效节水灌区2021年灌溉水利用系数为0.58，该结果表明灌区灌溉水利用水平提升空间较大，必须通过完善管理制度、优化灌溉措施等提升灌区灌溉水利用程度。

4 结论

综上所述，采用首尾测算法测算具体灌区灌溉水利用系数的过程中仅需要已知灌区渠首引进水量、典型作物最终消耗水量，从而使测算过程大大简化，测算结果可信度可基本保证。为保证测算过程的严谨性，必须结合灌区实际情况合理选择典型样点灌区，保证其具有代表性，并通过单个权重体现其代表性的变动程度；净灌溉定额的确定必须准确，以确保在此基础上所测算出的灌溉水利用系数的准确性。