河套灌区畦灌灌水方案比选与优化

刘媛媛

（山东省临沂市兰山区水务局,山东 临沂 276000）

1 引言

随着水资源危机的不断加重,农业作为水资源消耗较大的组成部分,农业节水的同时可以有效提高生态环境的质量,在平衡节约水资源与农作物丰收的前提下,采用合理有效的节水措施逐渐被重视起来,如改善水资源空间分布、采用新型灌溉方式、采用新产品、新技术、新方法达到节水、保水的效果。史海滨等[1]针对灌区引水量逐年减少的问题,通过分析冻融条件下土壤水盐运移、土壤水盐时空分布特征、微咸水灌溉农田-作物效应研究、土壤水盐运移规律、秋浇制度、盐碱地改良与土壤结构改善等,达到改善农田用水结构；张义强等[2]为了解决河套灌区水资源利用效率低的问题,研究了灌区的成本、水流流态、灌水效果等问题；付雯琪等[3]分析了河套灌区多年来的各水量平衡要素变化情况,并研究了农作物结构对水量平衡要素的影响；白美健[4]对畦灌关口时间在不同条件下（田面平整度、畦长、坡度、土质）进行优化；郑和祥等[5]采用SIRMOD模型、田间实测以及SRFR模型的研究方法,分析了灌水效率和灌水均匀度的变化规律。本文以某地河套灌区为研究对象,通过对三种灌水方案的分析,并以灌水效率（AE）、储水效率（AD）、灌水均匀度（DU）作为评价指标,分析三种方案的最优模型。

2 区域概况

雨量,年蒸发量为2300 mm,灌溉用水中泥沙含量较高,偏弱碱性,分布的土体主要含有砂土,该耕地用土的容重为1.585 kg/m3。

3 布置方案设计

根据相关的耕地情况调查,该区域内的砂土灌溉面积大于2001 m2占总灌溉面积的58%,结合实际的工程状况,本研究的砂土地块选取该区域较为典型的80 m×25 m地块作为研究对象。根据当地的实际情况,设计了三种灌溉方案布置,见图1,入畦流量是影响灌溉性能较为重要的影响因素,入畦流量值是由毛渠流量、灌水闸门规格决定的,根据统计资料表明,入畦流量值为10 L/s~30 L/s之间,表1 为设计的不同入畦流量值与不同灌溉方案灌溉参数的设计值。

表1 计算模型参数

图1 灌溉方案布置图

本研究以某地河套灌区为研究对象,该地处于干旱温带大陆性季风气候区,灌溉用水主要来源为黄河水资源,该地年平均降雨量为142.0 mm,而该地的水资源蒸发量远大于降

在农作物播种前,在畦长度方向上每间隔10m布置2~4个监测点观测水流推进与消退,同时在畦长度方向上布置5个土壤含水率监测点,每间隔10 d、灌水、将与前后取样,入畦流量通过水流流量计测得,相关参数估算采用Kostiakov估算所得。

3.1 灌水时间设计方案

该方案主要是在80 m×25 m畦田规格下,改变入畦流量值（10 L/s、16 L/s、20 L/s、26 L/s、30 L/s）,单宽下的水流流量q为0.38 L/（m·s）、0.63 L/（m·s）、0.75 L/（m·s）、1.04 L/（m·s）、1.16 L/（m·s））以及灌水时间TCO值（120 min、150 min、180 min、210 min、240 min、270 min、300 min）研究灌溉效果的变化。

3.2 田块划分+灌水时间设计方案

该方案主要是在80 m×12.5 m、40 m×25 m两种畦田规格下,小畦田的入畦流量值与原大畦田的入畦流量值相同,灌溉时间在两块田地进行均分,改变入畦流量值（10 L/s、16 L/s、20 L/s、26 L/s、30 L/s,单宽下的水流流量q为：垂直分割（80 m×12.5 m）为0.76 L/（m·s）、1.28 L/（m·s）、1.50 L/（m·s）、2.08 L/（m·s）、2.32 L/（m·s）、水平分割（40 m×25 m）为0.38 L/（m·s）、0.63 L/（m·s）、0.75 L/（m·s）、1.04 L/（m·s）、1.16 L/（m·s））以及灌水时间0.5TCO值（60 min、75 min、90 min、105 min、120 min、135 min、150 min）研究灌溉效果的变化。

3.3 田块划分+入畦流量设计方案

该方案主要是增加了一个进水口,分析80 m×12.5 m、40 m×25 m两种畦田规格下,灌溉时间均为TCO,分析在改变入畦流量值0.5Q（5 L/s、8 L/s、10 L/s、13 L/s、15 L/s,单宽下的水流流量q为：垂直分割（80 m×12.5 m）为0.76 L/（m·s）、1.28 L/（m·s）、1.50 L/（m·s）、2.08 L/（m·s）、2.32 L/（m·s）、水平分割（40 m×25 m）为0.38 L/（m·s）、0.63 L/（m·s）、0.75 L/（m·s）、1.04 L/（m·s）、1.16 L/（m·s））以及灌水时间TCO值（120 min、150 min、180 min、210 min、240 min、270 min、300 min）研究灌溉效果的变化。

4 结果与分析

本研究对灌水效果的评价主要采用以下三个评价指标：灌水效率（AE）、储水效率（AD）、灌水均匀度（DU）,水流流动采用零惯星（WinSRFR）模型模拟。

4.1 常规灌水效果分析

图2为80 m×25 m畦田常规灌水规格下,进行三次计算得到实测值与WinSRFR模型的模拟曲线对比图,三次测算得到的结果均方根误差值（RMSE）分别为：水流推进曲线8.10 min、13.88 min、7.72 min；水流消退曲线15.02 min、20.50 min、11.29 min,误差值相较实测值误差较小,在本研究中是可以接受的。

图2 实测值与模拟曲线对比图

表2为三次计算所得到的灌水效果的评价指标与实测值的误差对比,分析表中的数据,3次测算结果的三种指标（灌水效率（AE）、储水效率（AD）、灌水均匀度（DU）误差分别为：4.83%、4.99%、3.94%,误差值较小,表明采用水流流动采用零惯星（WinSRFR）模型模拟较为可靠。结合当地的实际状况,由于当地土壤为砂土结构,渗透系数较大,灌溉用水水资源损失较多,3次灌溉水试验的灌水效率（AE） 分别为61%、58%、51%；储水效率（AD） 分别为0.83、0.80、0.75；灌水均匀度（DU）值分别为1.25、1.39、1.33,灌水效果均表现较差。

表2 灌水指标实测值与模拟值对比

4.2 优化方案灌水效果分析

4.2.1 灌水时间设计方案

在该方案中,当单宽流量值较大时（即入畦流量值Q的变化区间为26 L/s~30 L/s、单宽下的水流流量q变化区间为1.04~1.16）,且灌水时间保持在较为合理的水平时（TCO值分别不大于210 min与150 min）,灌溉评价指标中的灌水均匀度（DU）较大,均大于0.7,可以保证灌溉的水资源可以充满整个试验田块的范围,但储水效率（AD）值均大于1.0,主要是由于渗透损失较大,进而导致灌水效率（AE）也偏低。当单宽下的水流流量q=1.04 L/（m·s）、TCO=210 min以及q=1.20 L/（m·s）、TCO=150 min时,灌溉的效果最好,该模拟结果表明,当砂土含量较多的田块,只有当单宽下的水流流量值较大时,灌溉效果才能保持较高水平,而当单宽下的水流流量值较小时,改变其它参数对于提高灌溉效果的作用有限,无法使得灌溉指标值得到最优优化。

4.2.2 田块划分+灌水时间设计方案

对于两种不同的田块划分模式（80 m×12.5 m、40 m×25 m两种畦田）,两种田块随着不同的灌水时间、入畦流量值下具有相同的变化规律,且水平划分模式（40 m×25 m）下的整体灌溉效果优于垂直划分模式（80 m×12.5 m）,分析其原因主要是由于畦田长宽比增大,导致水流覆盖整个田块面的均匀系数较小,且单宽下的水流流量q越大,均匀系数越大。

对于不同灌溉时间的影响规律,当入畦流量较大时,灌水时间越长,水资源渗透损失量越大,当灌水时间大于135 min时,AE值保持在50%以下,渗透损失量大于50%,但对于灌溉的灌水均匀度（DU）较大,灌溉均匀性较好；流量保持中等水平时,当灌水时间大于120 min时,AE值保持在70%以下,渗透损失量大于30%,但对于灌溉的灌水均匀度（DU）较小,且当灌水时间小于70 min时将无法保证水资源灌溉至整个田块范围；流量处于较低水平时,灌水时间越短,灌水效率越高,在该灌水量下,储水效率（AD）、灌水均匀度（DU）均保持较低水平。

对于大流量和极大流量的灌溉水量下,当灌溉时间为60 min时,灌溉农田的灌溉效率最高；对于中等流量的灌溉水量下,当灌溉时间为90 min时,灌溉农田的灌溉效率最高；对于小流量和极小流量灌溉水量下,当灌溉时间大于135 min时,灌溉农田的灌溉效率才能满足正常水资源需求。

4.2.3 田块划分+入畦流量设计方案

对于这两种工况模拟下的灌溉效率结果随着其他参数变化具有相同的变化趋势,且不同田块划分（水平划分模式（40 m×25 m）、垂直划分模式（80 m×12.5 m））对于灌溉效率的影响较小,当灌溉流量为极大流量时,灌溉时间为150 min,灌溉效率最高,灌水均匀度（DU）均大于0.8,可以有效提高水资源的利用效率。

4.3 方案优化选择

对于田块划分+灌水时间设计方案可以有效提高灌水效率（AE）、储水效率（AD）、灌水均匀度（DU）三项指标,对于田块的划分,采用垂直划分模式（80 m×12.5 m）更加符合当地的水渠流动特征,且该种模式导致的灌溉用水渗透损失量也较小,对于水流流量,选用入畦流量值Q=20 L/s,单宽下的水流流量q=1.60 L/（m·s）,灌溉效率最高。

5 结论

本研究以某地河套灌区为研究对象,通过对三种灌水方案的分析,并以灌水效率（AE）、储水效率（AD）、灌水均匀度（DU）作为评价指标,分析出了最优模型,田块划分+灌水时间设计方案可以有灌溉效果,对于田块的划分,采用垂直划分模式（80 m×12.5 m）更加符合当地的水渠流动特征,且该种模式导致的灌溉用水渗透损失量也较小,对于水流流量,选用入畦流量值Q=20 L/s,单宽下的水流流量q=1.60 L/（m·s）,灌溉效率最高。