天津市纯井灌区灌溉水有效利用系数测算分析技术研究

张艳芬 王剑波 陈 韬

(天津市水利科学研究院，天津 300061)

灌溉水有效利用系数(以下简称系数)是指灌溉面积上作物实际有效利用水量与渠首进水总水量的比值[1]，是表征灌溉用水效率、灌溉效益的重要指标[2]。研究纯井灌区灌溉水有效利用系数可直接揭示该地区地下水灌溉工程技术水平、管理水平和地下水用水效率[3]，对该地区的国民经济发展用水效率至关重要[4]。

近年来，天津市地下水资源严重短缺，2021年天津市纯井灌区有效灌溉面积77.7万亩，占全市有效灌溉面积的17.32%，纯井灌区实际灌溉面积占全市实际灌溉面积的21.12%，纯井灌区毛灌溉用水量为19132.86万m3，占全市毛灌溉用水量的22.85%，纯井灌区毛灌溉用水量为246.24m3/亩，相对于其他类型灌区，纯井灌区灌溉面积占比较小，但纯井灌区亩均毛灌溉用水量大于中型、小型灌区，表明纯井灌区耗水量仍然较高。因此，天津市开展纯井灌区灌溉水有效利用系数测算的分析研究非常重要，可为节约地下水资源、加强纯井灌区严格管理、制定节水宏观政策提供技术支撑[5]，特别是对“十四五”期间天津市实现整体系数水平提高、制定可靠节水举措提供科学依据[6]。

1 基本概况

天津市位于华北平原东北部，海河流域的下游，北依燕山，东临渤海，南北长186.0km，东西宽101.3km，海岸线长155.0km。全市总面积11916.86km2，其中平原占93.9%，山区和丘陵占6.1%。天津市多年平均年降水量574.9mm，降水量由北向南递减，多年平均蒸发量约900～1200mm，由北向南递增，干旱指数为2.20～2.08。2021年年降水量达984.1mm，比多年平均年降水量增加71.2%，为特丰水年。2021年全市有农业灌溉机井22544眼，其中：浅层地下水机电井21656眼，深层承压水机电井888眼。全市农作物播种面积628.80万亩，其中：粮食面积525.30万亩，棉花面积11.70万亩，油料面积1.20万亩，蔬菜面积79.35万亩，其他农作物面积11.25万亩。

2021年天津市共有灌区9136处(涉及天津市10个涉农区)，全部为提水灌溉。灌区有效灌溉面积448.68万亩，实际灌溉面积367.84万亩，农业毛灌溉用水量83718.24万m3，节水工程面积395.12万亩。其中：纯井灌区8071处，有效灌溉面积77.7万亩，实灌面积为77.7万亩，毛灌溉用水量19132.86万m3，纯井灌区毛灌溉用水量占全市用水量的22.85%；节水面积69.66万亩(包括渠道防渗面积12.53万亩，低压管灌面积52.23万亩，喷灌面积3.21万亩，微灌面积1.69万亩)，节水面积占全市节水面积的17.63%；纯井灌区低压管道灌溉占纯井灌区节水面积的74.97%，纯井灌区以低压管道节水形式为主。

2 测算方法

2.1 纯井样点灌区选择

按照《全国农田灌溉水有效利用系数测算分析技术指导细则》要求[7]，纯井灌区以单井控制灌溉面积作为一个样点灌区，按照土质渠道地面灌、防渗渠道地面灌、管道输水地面灌、喷灌、微灌5种灌溉类型分别选择代表性样点灌区，具体要求是：在上述5种灌溉类型中，同种主要土壤类型、同种主要作物至少选择2个样点灌区，且要在省级区域范围内分布均匀，作物种类应选择当地该灌溉形式下的主要类型。对于纯井灌区某种类型灌区有效灌溉面积占该省级区域纯井灌区有效灌溉面积30%及其以上时，该类型灌区样点灌区数量须按上述选取数量要求的2倍选取。

根据天津市纯井灌区的实际情况，2021年纯井灌区选择14个，综合考虑地形地貌、灌区分布、工程设施、种植作物、水源条件、面积数量比例、管理水平等各种因素，选择14个纯井灌区作为2021年的样点灌区，样点灌区位于天津市南部、西部和北部，分布在天津市除宁河区、滨海新区压采区外的4个农业大区，覆盖范围广。所选样点灌区种植作物种类多样，包括小麦、玉米、棉花、蔬菜、草皮。所选样点灌区首部均配备量水设施，具备一定代表性、可行性和稳定性。

2.2 典型田块选取

典型田块选取要求为：ⓐ典型田块要边界清楚、形状规则、面积适中；ⓑ综合考虑作物种类、灌溉方式、畦田规格、地形、土地平整程度、土壤类型、灌溉制度与方法、地下水埋深等方面的代表性；ⓒ有固定的进水口和排水口；ⓓ配备量水设施。对于播种面积超过灌区总播种面积10%以上的作物种类，须分别选择典型田块。

纯井样点灌区按照土质渠道地面灌、防渗渠道地面灌、管道输水地面灌、喷灌、微灌5种类型进行选取，在同种灌溉类型下每种需观测的作物至少选择2个典型田块。因此，14个纯井灌区共选择56个典型田块，选择结果见表1。

表1 2021年纯井灌区典型田块选择情况

2.3 纯井灌区灌溉水有效利用系数测算方法

2.3.1 纯井样点灌区灌溉水有效利用系数测算

a.典型田块作物年亩均净灌溉用水量测定。在典型田块灌溉前后，计划湿润层取40cm或80cm内土壤，采用Trime-TDR土壤剖面水分测量仪，分别在20cm、40cm、60cm、80cm土壤深度，直接测定某次典型田块作物计划湿润层内土壤体积含水率，按照《灌溉试验规范》(SL 13—2015)中公式计算得出典型田块作物某次亩均净灌溉用水量，进而累加各次用水量得出该典型田块不同作物年亩均净灌溉用水量。不同作物测定深度不同，小麦、玉米、棉花、豆类等作物测定深度为0～80cm，蔬菜测定深度为0～40cm[8]。

b.净、毛灌溉用水量测算。根据以上计算得出的某种作物典型田块的年亩均净灌溉用水量，根据灌区内不同作物种类实际灌溉面积，计算得出纯井样点灌区年净灌溉用水总量。

纯井样点灌区毛灌溉用水总量是指灌区全年从机井首部取用的灌溉总水量，主要通过直接量测法确定。

c.灌溉水有效利用系数测算。样点灌区灌溉水有效利用系数即直接用灌入田间可被作物吸收利用的水量(净灌溉用水量)与灌区从水源取用的灌溉总水量(毛灌溉用水量)的比值来计算[9]。

采用日历年(2021年1—12月)对天津市纯井样点灌区进行测算分析。

2.3.2 纯井灌区灌溉水有效利用系数测算

以测算14个纯井样点灌区灌溉水有效利用系数为基础，采用算术平均法分别计算土质渠道地面灌、防渗渠道地面灌、管道输水地面灌、喷灌、微灌5种类型样点灌区的灌溉水有效利用系数；然后，按不同类型灌区年毛灌溉用水量加权平均，计算得出天津市纯井灌区的灌溉水有效利用系数，计算公式为

(1)

式中：η土、η防、η管、η喷、η微分别为土质渠道地面灌、防渗渠道地面灌、管道输水地面灌、喷灌、微灌5种类型样点灌区的灌溉水有效利用系数；W省土、W省防、W省管、W省喷、W省微分别为省级区域土质渠道地面灌、防渗渠道地面灌、管道输水地面灌、喷灌、微灌5种类型纯井灌区的年毛灌溉用水量，万m3。

3 结果与分析

3.1 14个纯井样点灌区

3.1.1 系数成果

依据纯井样点灌区净灌溉用水量、纯井样点灌区毛灌溉水量，通过以上测算方法计算得出14个纯井样点灌区系数成果。再以14个纯井样点灌区系数为基础，采用算术平均法分别计算得出土渠、渠道防渗、低压管道、喷灌、微灌5种类型样点灌区灌溉水有效利用系数。经计算：土渠、渠道防渗、低压管道、喷灌、微灌5种类型纯井样点灌区灌溉水有效利用系数分别为0.8301、0.8107、0.8572、0.8808、0.9217。见表2～表6。

表2 天津市纯井灌区土渠样点灌区净灌溉用水量与灌溉水有效利用系数计算

表3 天津市纯井灌区防渗渠道样点灌区净灌溉用水量与灌溉水有效利用系数计算

表4 天津市纯井灌区低压管道样点灌区净灌溉用水量与灌溉水有效利用系数计算

表5 天津市纯井灌区喷灌样点灌区净灌溉用水量与灌溉水有效利用系数计算

表6 天津市纯井灌区微灌样点灌区净灌溉用水量与灌溉水有效利用系数计算

经调研，天津市纯井灌区现状土渠灌溉中，原有开挖农田土渠仍保留，由于纯井灌区地下水资源短缺而宝贵，随着塑料小白龙软管的普遍使用，农民灌溉时，习惯在机井首部出水管处直接安装临时小白龙软管，延伸到田间地头进行灌溉，采用从地尾到地头后退时分段进行灌溉，小白龙软管价格合理，可连续多年多次使用，因此纯井灌区土渠灌溉方式实际上为移动式软管灌溉，可大大节约地下水资源，经测算得出纯井土渠灌溉水利用系数为0.8301，其大于以往土渠灌溉系数的经验值是合理的。由于2021年水利统计年鉴中此灌溉方式仍按土渠统计，故统计口径仍然为纯井灌区土渠灌区，这是目前天津市纯井灌区土渠形式的普遍情况。

3.1.2 14个纯井样点灌区成果年际纵向对比分析

2021年14个纯井样点灌区灌溉水有效利用系数为0.8087～0.9331，与2020年比较，变化范围在-0.0100～0.0463之间，变幅较大的有：蓟州区下仓镇何各庄村土渠样点灌区增加0.0463，蓟州区别山镇岗上村防渗渠道样点灌区增加0.0108，蓟州区许家台镇大石峪村喷灌样点灌区增加0.0206，蓟州区东施古镇东安村微灌样点灌区减少0.0175，武清区大王古镇水活铺村低压管道样点灌区减少0.0126，武清区下伍旗镇齐庄村低压管道样点灌区减少0.0100，其余样点灌区灌区变幅很小或基本不变。

经调研分析原因如下：

a.蓟州区下仓镇何各庄村、别山镇岗上村主要为平原浅层地下水区域，2021年降水量充沛，为特丰水年，该区域浅层地下水充沛。受天津市农业综合水价改革以及最严格水资源制度实施等管理措施影响，3个系数增加样点灌区非常重视节水管理工作，机井首部均配套了计量设施，加强用水管理，对农户加强灌水方式的管控，农民节水意识增强。

b.下仓土渠灌区采用小白龙软管输水至畦田的最远端，再由人工拉着软管由远及近倒退式灌溉的模式，这种精细化的管理极大地提高了灌溉水利用系数。

c.许家台镇大石峪村喷灌灌区主要种植小麦，采用喷灌灌水方式，灌水技术员较好地执行了定额灌溉，净灌溉定额较小，一定程度上提高了灌溉水有效利用系数。

d.3个系数增加样点灌区内基本都是实施农机深松整地作业，农作物全部进行秸秆粉碎还田、离田等农艺措施，农民的土地平整、农作物水源涵养意识大幅提升，一定程度上促进了系数提高。

e.蓟州区东施古镇东安村微灌减少0.0175，其原因是灌区提高了复种指数，扩大了叶菜种植面积，苗期采用地面畦田灌溉次数多，影响了灌溉水有效利用系数。

f.武清区大王古镇水活铺村管灌减少0.0126，武清区下伍旗镇齐庄村管灌减少0.0100，两灌区种植结构不变，2021年灌区的作物灌水定额较2020年偏大，无效水量增加，影响了灌溉水有效利用系数。

可见，节水管理制度严格把控、灌溉模式精细化管理、按照定额严格灌溉、种植作物类型等因素对样点灌区的灌溉水有效利用系数均有影响。

3.1.3 14个纯井样点灌区成果横向对比分析

14个纯井样点灌区灌溉水有效利用系数在0.8087～0.9331之间，从不同类型灌溉方式分析，微灌为0.9217、喷灌为0.8808、低压管道为0.8572、土渠(实际为小白龙软灌溉)为0.8301、防渗渠道为0.8107，系数值依次降低，是符合灌溉水有效利用系数科学规律的。2021年14个纯井灌区灌溉水有效利用系数见图1。

图1 2021年14个纯井样点灌区灌溉水有效利用系数柱状图

具体分析如下：

a.土渠灌区：均种植冬小麦和夏玉米，蓟州区下仓镇何各庄村系数为0.8481，田间采用小白龙送水到4m宽畦田的远端，由远及近倒灌的灌溉模式，净灌水量较少；而宝坻区方家庄镇马营系数为0.8120，田间采用小白龙从畦田中间开始分别向两边灌溉，净灌水量较大。

b.防渗渠道灌区：蓟州区别山镇岗上村、前楼村灌区系数分别为0.8087、0.8127，种植冬小麦和夏玉米，系数差别不大。

c.低压管道灌区：6个低压管道灌溉的纯井灌区系数为0.8252～0.8764，其中蓟州区别山镇秀金屯村最高，灌区机井首部用IC卡计量，实施定额配水节水奖励政策，该灌区管道完好，管道出水口接小白龙输水到畦田最远处，小白龙由远及近倒灌，相当于田间小畦灌溉。武清区高村镇北国之春最低，田间采用从畦田首部漫灌，从出水口处灌溉至最远端，水的利用率偏低。

d.喷灌、微灌同类型灌区系数差别不大。经分析可知，在相同灌溉方式下，田间灌溉时，采用划分畦田灌溉，实施精细化管理灌溉可有效提高用水效率。

3.2 纯井灌区

3.2.1 纯井灌区系数成果

按照式(1)，在5种类型纯井灌区毛灌溉用水量基础上，经加权平均计算得出2021年纯井灌区灌溉水有效利用系数为0.8428，与2020年纯井灌区系数0.8439比较降低了0.0011，可见纯井灌区系数年际间变化很小。2006—2021年天津市纯井灌区灌溉水有效利用系数为0.7313～0.8440，系数走向呈现提升后趋于稳定的趋势。2006—2021年天津市纯井灌区灌溉水有效利用系数散点图见图2。

图2 2006—2021年天津市纯井灌区灌溉水有效利用系数散点图

3.2.2 纯井灌区成果对比分析

2021年纯井灌区系数变化规律和节水工程与投资、管理水平等方面有关，具体分析如下：

a.节水工程与投资。近年来，由于天津市纯井灌区节水工程占有率达到了89.66%，土渠仅占10.34%，经调研核实纯井灌区均实现计量收费，农民深知地下水源珍贵，节水意识较强，纯井土渠灌溉时基本采用了小白龙软管进行灌溉，相当于移动的低压管道，故纯井灌区节水占有率实际达到了90.00%以上，年际间几乎没有节水潜力。同时2021年天津市在纯井灌区没有新增节水工程，没有工程投资。从节水工程和投资角度讲，没有提高纯井灌区系数。

b.管理水平。纯井灌区以1眼机井为灌溉单元，由于管理单元小，每眼井均能实现个人负责制，田间灌溉管理水平相对较高，而且大部分机井首部安装了IC智能控制柜，同时近年来政府主管部门对地下水资源开采管理较严格，地下水节水宣传力度较大。与2020年相比，2021年管理水平变化不大，故从管理水平角度讲，管理水平年际间变化不大，基本保持稳定，没有提高纯井灌区系数。

c.降水量突增以及时空分配不均。2021年为特丰水年，降水时空分配极其不均，春季干旱少雨，3—6月比2020年同期降水量减少60.00%，由于3—6月正值作物生长灌溉季节，蔬菜、冬小麦灌溉水量较大，导致3—6月农民抢水灌溉现象较多。然而降水主要集中在7—9月，又正值蔬菜夏季休种期，因此，并不能缓解全年蔬菜、小麦用水缺乏现象。经统计2021年纯井灌区单位面积灌溉用水量增加，且单位面积毛灌溉用水量增加幅度大于单位面积净灌溉用水量，可见降水量时空分布不均等气候条件造成了农民用水恐慌，抢水灌溉，地头间浪费水严重现象，农民灌水方式在一定程度上造成了单位面积灌水量增加，纯井灌区的灌溉水有效利用系数降低。

d.单位面积灌溉用水量增加。2021年纯井灌区实灌面积77.70万亩，亩均毛灌溉用水量246.24m3，亩均净灌溉用水量207.53m3；2020年纯井灌区实灌面积77.52万亩，亩均毛灌溉用水量226.47m3，亩均净灌溉用水量191.13m3；和2020年比较，2021年纯井灌区亩均毛灌溉用水量增加了8.73%，亩均净灌溉用水量增加了8.58%。

综上，纯井灌区灌溉水系数变化与2021年春季干旱少雨、降水量时空分配不均、农民抢水灌溉、单位面积灌溉用水量增加等各种因素有关。

4 结 语

本文选择14个纯井样点、56个典型地块，对2021年天津市纯井灌区灌溉水有效利用系数进行了测算与分析，发现2021年天津市纯井灌区灌溉水有效利用系数测算值为0.8428，高于2021年天津市灌溉水利用系数值0.7210，和其他大、中、小类型灌区相比，纯井灌区灌溉水有效利用系数最高，表明纯井灌区节水效率相对较高，对天津市灌溉水利用系数值的提升起到了促进作用。目前，纯井灌区管理水平较高，节水面积已达到纯井灌区有效灌溉面积的89.66%，今后纯井灌区灌溉水有效利用系数提升空间有限。“十四五”期间要想实现天津市灌区灌溉水有效利用系数值的稳定或提升，建议纯井灌区系数值保持稳定，即对纯井灌区保持现有节水管理水平，并持续加强小型、中型灌区的节水工程建设、田间节水管理工作。