玛纳斯河流域灌区间歇节水灌溉研究

周晓浩

(新疆白杨河流域管理局，新疆 乌鲁木齐 830000)

玛纳斯河流域平原灌区是我国第4大灌溉农业区和重要的棉花生产基地[1]，随着新疆城市发展，水资源不合理的开发利用方式导致出现灌溉水资源效率低，水资源浪费，配置不合理等问题[2]。为延缓地区生态环境恶化，流域运用多重节水措施，包括工程措施、农业措施、管理措施[3]。节水灌溉作为节水措施中最重要的一环，一直作为节水技术研究的核心课题被学者们研究。国外的节水灌溉技术起步较早，从早期的人为控制向智能控制转型，如在美国灌溉水平较高的地区，开始利用“3S”技术获取、传输、处理各类农业灌溉信息[4- 5]。近年来随着生态化建设的推进，国内的节水灌溉技术也得到了一定的发展。司马震[6]提出了基于水势调控的农田灌排节水增效控制方法，模拟农田作物对水分影响情况，构建基于水势调控农田灌排节水增效控制模型，揭示作物节水增效机理；杨波等[7]针对传统节水灌溉系统用水率和灌溉效率低的问题，进行基于神经网络的智能化节水灌溉系统设计研究；马千雅[8]开展了管渠灌溉系统试验研究，有效解决了水资源利用率不高的问题，缓解了新疆盆地农业用水紧张；高金花等[9]用MatLab软件计算由AHP-熵权法确定的综合权重值，应用线性加权法实现不同节水灌溉技术的综合效益测度；菅毅等[10]基于TOPSIS方法，对比膜下滴灌、渗灌、地下滴灌和分根区交替地下滴灌4种节水灌溉方式作用，并得出交替地下滴灌的综合效益最好。本文以玛纳斯河流域平原灌区为研究对象，以实施间歇灌溉新型节水灌溉技术为研究手段，建立了间歇灌溉运行模型，并确定了灌溉供水间隔和灌溉水量的计算模型。研究成果可为相关工程提供参考。

1 工程概况

从地理位置上来看，玛纳斯河流域主要处于准噶尔盆地南侧，具体经纬度分别是85°01′～86°32′E、43°27′～45°21′N。总长度和流域面积分别达到了324km、19800km2，包括清水河以及呼斯台郭勒河2条支流，具体可以划分为中高山区、低山区以及平原区，各个区域的基本特征如下所示。中高山区：海拔高程3500～5000m，较多的岩石裸露，受到气候等因素的影响常年积雪，山体陡峭。冰川面积达到了1085km2，该区域保持了500～1000mm的年降水量，夏季降水较多，占比超过六成，以6—8月为主。中山区海拔高程1500～3500m，山峦叠嶂、沟谷纵横，降雨充沛，植被发育，以云杉灌木为主。在气候方面，全年温度不高，最高、最低温度分别是15℃、-10℃，分别为夏季、冬季，年气温均值保持在2℃上下。低山丘陵区：高程总体保持在500～1500m之间，主要包括佛子茅、三叶草等植被，覆盖率接近于一半，受到植被稀少等因素的影响，水土流失问题严峻。平原区：上部为冲积洪积扇区，海拔高程380～600m，以砾石为主，上覆薄层壤土。下部为平原区，由南到北。年气温变化显著，最高、最低分别是43.1℃、-43.2℃，均值保持在6～6.6℃之间。平原区内良田万顷、条田成行、渠路纵横，一派绿洲景观，盛产粮、棉。风积沙漠区：接近于古尔班通古特大沙漠，以典型的沙丘景观为主，存在多种类型的植被，例如有沙拐枣等。

2 灌溉算法模型

本文所建立的灌溉运行管理模型是一个数学模型，用于确定灌溉用水的供应间隔和灌溉水量，首先从规划种植模式开始。在灌溉运行管理模型的开发过程中，除了种植计划模式外，假设同一土壤类型的土壤处理方法和土壤物理性质数据相同。水的供应是基于土地中水的含量变化的，当水的含量值低于设定值时，水的供应基于植物的年龄确定(见表1)。间歇灌溉供水量计算方法如下式：

ATn=ATn-1+In-1+HEn-1-ETn-1-Pn-1

(1)

ATn=ATn-1-Dn-1+HEn-1-ETn-1-Pn-1

(2)

式中，ATn—第n天观测时的可用水量；ATn-1—第n-1天的可用水量；Dn-1—第n-1天的排水量；In-1—灌溉第n-1天的有效降雨量；HEn-1—灌溉第n-1天的有效降雨量；ETn-1—第n-1天的蒸散量；Pn-1—第n-1天的渗滤量；Kn—可用水量。如果ATn>Kn，取Dn；ATn

In=Kn-ATn

(3)

3 数据分析

本文进行的数据分析包括气候条件分析，灌溉需水量的计算分析，以确定研究地点的气候、含水量和渗透值。含水量和渗透值可基于土壤试验获得。在计算灌溉用水需求时，假设植物栽培期间一定时期的渗滤值相同。

Jensen(1968)提出了作物潜在蒸散发的概念，即在理想的农作物灌溉条件下蒸散发的上限值，首次将潜在蒸散发引入农业。潜在蒸散既是水分循环的重要组成部分，也是能量平衡的重要部分，它表示在一定气象条件下水分供应不受限制时，某一固定下垫面可能达到的最大蒸发蒸腾量，也称为参考作物蒸散。本文采用的蒸散量计算公式如下：

ET0=p(0.46T+8.13)

(4)

式中，p—平均日照时数的百分比，其大小取决于纬度；T—是气温。灌溉需求量计算如下：

(5)

式中，Δθ—土壤水分的变化；Δt—时间的变化，d；R—降雨量，mm/d；Q—灌溉量，mm/d；Kc—植物系数；ETo—潜在蒸散量，mm/d；P—渗透量mm/d；Δz—根部区域的深度，mm。

玛纳斯河流域平原灌区一年内的降雨量如图1所示。由图可知，该区域连续4次出现湿月(降雨量>200mm/m)，3次出现旱月(降雨量<100mm/m)，4～6次潮湿月份出现在12月、2月、3月和4月，而干燥月份出现在6月、7月、8月、9月和10月。4月降雨量最高，为282.45mm，7月降雨量最低，为11mm。

图1 玛纳斯河流域平原灌区一年内的降雨量

4 结果分析

灌溉网络运行是指通过打开和关闭灌溉水分配量、收集数据、监测和评估灌溉效率，来调节灌溉用水，从而有效、高效、均匀地利用灌溉水，也是编制种植计划、建立群体系统、制定间歇灌溉运行管理模式的基础性工作。本文根据当地作物特点，综合土壤特性，对当地3个季度的灌溉用水量进行了分析，其中每个季度分3组数据进行计算。第一季度每隔3d灌溉用水量如图2所示。由图可知，第3组灌溉用水量为1.19L/(s·ha-1)，第2组为1.29L/(s·ha-1)，第1组为1.43L/(s·ha-1)，第一组连续提供灌溉水为29次，第2组27次，第3组30次。第二季度每隔3d灌溉用水量如图3所示。由图可知，第3组灌溉用水量为1.38L/(s·ha-1)，第2组为1.38L/(s·ha-1)，第1组为L/(s·ha-1)，第一组连续提供灌溉水为29次，第2组28次，第3组29次。第三季度每隔3d灌溉用水量如图4所示。由图可知，第3组灌溉用水量为1.10L/(s·ha-1)，第2组为1.14L/(s·ha-1)，第1组为1.03L/(s·ha-1)。总之，在同一个季节，不同群体之间的灌溉水供应存在差异，这是由于不同群体在种植季节开始时的差异，以及土壤特性的差异，这些差异会影响土地上水分有效性的下限设定值，但与1L/(s·ha-1)的常规灌溉水相比，间歇灌溉水的需求更少。

图2 第一季度每隔3d灌溉用水量

图3 第二季度每隔3d灌溉用水量

图4 第三季度每隔3d灌溉用水量

5 结论

为提高玛纳斯河流域平原灌区水资源有效利用率，本文建立一种间歇灌溉新型节水灌溉模型。该模型考虑了灌区的作物种植模式、植物的年龄、研究地点的气候、土壤含水量和渗透值等多种因素，可以较为精确地确定灌溉用水的供应间隔和灌溉水量。最后通过对该地区3个季度的灌溉用水量进行分析表明，与1L/(s·ha-1)的常规灌溉水量相比，本文提出的间歇灌溉方法的水需求更少，灌溉效率更高，能够在该地区进行推广应用。但由于不同群体之间的灌溉水供应存在差异，会影响土壤水分的下限设定值，因此建议平均群体之间的供水量从而保证灌区供水效率。