渠井结合灌区多尺度灌溉水利用效率评价

李星瑜，陈欣欣

（河南省开封水文水资源勘测局，河南 开封 475000）

0 引言

灌区不仅仅是粮食生产的主要基地，在中国经济和现代农业发展中灌区也有着举足轻重的地位。但因引水量有限，多采用渠井结合的方式进行灌溉，因此合理规划灌溉制度是提高水资源利用效率的关键。鉴于不同时空尺度灌区水分运动的差异，导致了节水灌溉效果会产生一定的尺度效应。针对其特殊灌溉条件及节水灌溉要求，对不同尺度下的灌溉水利用效率进行评价，以便调整节水措施。文章以典型渠井结合灌区-柳园口灌区为研究对象，评价其不同尺度下的灌溉水利用效率，指导其灌溉节水措施，为类似工程提供经验，为实施井渠结合提供参考。

1 尺度及尺度效应

尺度分为时间尺度与空间尺度。受监测和资料收集所限，不同尺度工程分析可为相应尺度工程设计提供参考。文章研究对象主要为空间尺度。空间尺寸变化从灌溉水文学来讲，指从微观尺度（10e-5～10e-2m）—中观尺度（10e-2～1 m）—宏观尺度（1～104 m）—全球尺度（104～108 m）。按常规灌溉水管理对空间尺度进行单元划分，可划分为小尺度（田间尺度）、中等尺度（干渠或斗渠所控制的尺度）以及大尺度（灌区或流域子域及其流域所控制的尺度）。

节水灌溉应用于不同尺度上的节水表现称为节水灌溉尺度效应，以及一种尺度的节水效果对其他尺度节水效果的影响。

2 灌溉水利用效率评价指标及其获取

2.1 灌溉水利用效率评价指标

评价灌溉水利用效率的指标通常分为两种：第一种是灌溉效率、灌溉水利用效率、水分生产率、作物水分利用效率、水分消耗百分比；第二种是灌溉水利用系数。

因灌溉制度与水分生产率、灌溉效率息息相关，两者都高效，灌溉行为才高效。为体现二者联系，根据灌溉水利用效率评价指标，分别采用毛入流量、灌溉水分生产率、水分生产率以及作物蒸发蒸腾量水分生产率对灌溉水水分生产率进行衡量。水分消耗比例为总消耗水量与研究区域内毛入流量及可利用水量的比值。其中，可利用水量指毛入流量扣除储水变化量和调配水量。

2.2 多尺度评价指标的获取手段

为了进行不同尺度的对比，一般灌区通常进行田间和灌区尺度试验监测，并获取相应评价指标。评价指标需要进行水量平衡计算，测出或估算出水量平衡各组成部分，如入流量包括降雨、灌溉水量、地下水补给量；出流量包括排水量、蒸发蒸腾量、渗漏量等。对于不同的计算范围有不同的计算内容。田间尺度的水量平衡计算各组成部分及测量方法如表1。

表1 田间尺度的水量平衡计算各组成部分及测量方法表

3 柳园口灌区灌溉水利用效率多尺度评价

3.1 尺度试验设计

柳园口灌区的田间尺度、中等尺度试区选在开封市杜良乡，距惠北试验站约5 km。中等尺度试验区从东干渠引水。中等试验区总面积为410.63 hm2，稻田面积384.24 hm2。在田间尺度上，从中等试区分别选出三块农田做田间试验，根据田间到附近水源距离的差异，各选用一块上游、中游、下游典型田。

为做水量平衡计算，在各尺度试区边界处的进水口与出水口处设置涵管、三角堰、无喉段量水槽等测流设备，以测出计算范围内所有进出口水量。并且为监测田间渗漏量以及田间水层深度，在每块田区安装测渗筒、塑料筒以及木桩等设备。上游试验田共有19块大小不等的田块、总面积为12 900 m2，周边仅有1个进口和1个出口；中游试验4块田、总面积为7 247 m2，周边进口与出口各设置3个；下游有17块田，总面积为27 130 m2，周边设置有3个进口和2个出口。

3.2 田间尺度灌溉水利用效率评价

在田间尺度的水量平衡计算中，需要考虑在农作物种植期间试验田内所有流进与流出的水量，其中包含降雨量、排水量。灌溉水量、土壤储水变化量等因素。柳园口灌区田间尺度2012-2014年的水量平衡结果见表2。

表2 柳园口灌区典型田水量平衡计算表

分析田间尺度实验结果可知，由于降雨量的不同导致各年份的灌溉水量有所差别，特别在如2014 年这类降雨量较大的年份，其灌溉水量仅是2012年和2013年的一半，但三年间降雨量与灌溉水量的总和较为接近（约为1 000 mm）。此外，受到气象条件的影响三年间的水稻蒸发蒸腾量的差异较大，如2012年水稻蒸发蒸腾量高于2013年20%，高于2014年18%，以此可证明气象条件是水稻腾发耗水量的决定性因素。由田间试验结果可以看出，淹灌的灌水方式在此条件下的田间出流量最大，所以，运用节水灌溉技术限制排水量和渗流量以减少灌溉水量的方法是有效的。

在产量上，三年的田间试验结果有较大的差别，2013年水稻产量高于2012 年22%，并且2013 年水稻产量高于2014 年14%，其主要原因为2014年的年降雨量较高，气象原因而导致作物光照少。

表2 为水量平衡评价指标计算结果，分析计算结果可知，各年份间毛入流量水分生产率WPgross较为接近，但2014年的灌溉水分生产率WP1最大，2012 年与2013 年的灌溉水分生产率WP1无较大差别。2012年与2013年间的蒸发蒸腾量水分生产率WPET较为接近，但2014 年的蒸发蒸腾量水分生产率较小。PFgross 指田间毛入流量占水稻蒸发蒸腾量的百分数，在不同水文年份PFgross 值约为50%，这说明灌溉水量与降雨量多半消耗在水稻蒸发蒸腾。

3.3 中等尺度灌溉水利用效率评价

实验中中等尺度水量平衡的计算时间是以泡田开始至收割结束为周期（约四个月），表3 为2012-2014 年水量平衡结果。可知：除2013 年黄河冲沙实验灌区禁止引水的特殊情况外，中等尺度的水稻灌溉定额较大，约为1 000 mm，说明决定灌区上游田间引水量大小的主要因素为是否引入黄河水，而降雨量、作物需水等因素对饮水量的影响较小。

表3 中等尺度水量平衡计算表

在中等尺度试区94%的面积种植有水稻，因此水稻蒸发蒸腾量占总耗水量的占比PFdepleted最高（约为97%）。而总消耗水量占毛入流量的比例DFgross、可利用水量的比例DFavailable变化的幅度较大（介于0.28～0.71）。因此在中等尺度试区上，毛入流量中各因素所消耗水量仅占比50%，另外的50%流出了中等试区和补充了地下水。

在中等尺度上，2013 年的灌溉水分生产率WP1数值最大，约为2012 年和2014 年的两倍，其主要原因为该年中等试区引水量较少。但2012-2014 年之间水稻蒸发蒸腾量水分生产率WPET的差异较小，特别的，受灌溉水量和降雨量的影响，引水量和降雨量较小的2013 年的毛入流量水分生产率WPgross 值最大，而2014 年的WPgross 值最小。相比之下，中等尺度的灌溉水分生产率WP1较田间尺度较小，但中等尺度的灌溉定额较大。根据气象条件，选用彭曼-蒙特斯方程计算两种尺度的水稻蒸发蒸腾量。结果表明，两种尺度上的水稻腾发量水分生产率相近并且田间尺度的水稻腾发量占毛入流量的比例（约为0.51）高于中等尺度（约为0.43）。由此说明在两种尺度中水稻所消耗水量的水量均较低，有大量出流现象的存在。

4 结论

文章通过对中国灌溉水利用效率指标及其尺度分析的基础上，针对典型渠井结合灌区柳园口灌区，开展农田尺度、中等尺度试验。设置不同灌溉措施，分别监测其地下水补给量；设置不同作物处理小区，分别监测各小区潜水蒸发量；选择典型区域，监测自然降水和径流条件下入渗过程，分析降水和径流对地下水补给规律；监测不同地下水埋深条件下基流和径流形成的形成过程；同时监测灌区气象、引黄水量、产量等因素，进而对田间及中等尺度的水量平衡分析，获取两种尺度灌溉水利用效率评价指标-灌溉水分生产率、蒸发蒸腾量水分生产率及毛入流量水分生产率。结果可知，中等尺度灌溉定额较大，故灌溉水分生产率较小；中等尺度与田间尺度间的水稻腾量水分生产率水平差异较小；田间尺度的水稻腾发量占毛入流量比率高于中等尺度，由此说明在两种尺度中水稻所消耗水量的水量均较低，有大量出流现象的存在。