农田灌溉用水效率系数法与首尾测算法对比研究

刘立云

（辽宁省朝阳市朝阳县水务局，辽宁 朝阳 122000）

0 引言

灌溉用水是农田水利工程消耗水资源量最大的项目，一般利用人工提供充足的水量维持林草、农作物的生长需求。为充分利用有效的水资源，在保证农作物用水需求的情况下必须切实提升灌溉用水效率，即被作物吸收利用的田间灌入水量与渠首取用的总水量之比，直接反映了农田灌水技术水平和渠系工程的运行情况，对于实现水资源的高效利用和高标准农田建设具有重要意义[1]。

目前，水利部门推荐的首尾测算分析法仍然是灌溉用水效率测算的主要方法，虽然该方法能够解决传统的物力、人力消耗问题，由于难以保证测试条件、测算工作量大等因素使得测算结果误差较大[2-4]。因此，本文针对首尾测算法存在的问题，提出灌溉用水效率系数法及其计算要点，可为提升灌溉用水效率和设计农田水利工程方案提供数据参考。

1 首尾测算方法

1.1 样本灌区的选择

综合考虑灌溉渠系防渗条件、灌区类型与面积、水利工程状况和灌区自然环境等因素，合理选择能够反映区域整体特征的样本灌区。对于不同规模的灌区，可依据表1 选择合适的样本。

表1 灌区样本的选择

根据表1 中的数量要求和灌区选择的约束条件，采用随机抽样的方式确定样点灌区，并详细掌握样本区域内的地形地貌、农作物种植结构以及水源类型等条件。

1.2 田块样点布置

在选择的灌区内设置田块样点并测定其平均净灌溉用水量，田块样点要形状规则、边界清晰、面积使用，为便于观测用水数据按照图1 的方式布置田块测点[5]。

图1 田块测点布置

按照图1 的布置方式，一般在地下低压管灌单井控制区的一角设置安装地下水井，采用1 条输水干管将从井室连接到田间。考虑控制区范围，也可利用多条支管作为干水管向田间输水，为确保完成灌溉任务将几条滴灌带安装于每个支管上。对试验田块以支管控制域进行各部阶段取水，并把2 个土壤水分观测点设置在试验场地的上下部位。低压管灌的关键就是科学布置试验点，对固定试压块实施灌水前必须测定土壤含水率，以达到90%的田间土壤持水率为目标计算每次灌水所需水量，在此基础上计算出单位水井出水量。因此，对生育期灌水量已知的作物即可确定每次灌水时间。

1.3 土壤物理参数测定

灌区田块样点面积利用全站仪测量，将全站仪安装在田块样点位置测量其面积。首先，把带有棱镜的对中杆竖立在样片边缘的起点上，棱镜对准全站仪测定该点坐标；然后，将测量设备按一定的方向移动到田块边缘，并测定相应的坐标；最后，利用全站仪测量第1 个点的最后1 个角的坐标，点击功能键结束测量，田块面积测量结果以可视化的方式显现。

土壤水分含水量是农田土壤的主要物理参数，每次灌水前1 天和灌水后分别采取土样，每个土样共4 层，每层厚15cm，每层取两点利用烘干法平行测定土壤含水量。具体而言，先对土样称重并记录初始质量为Mfront，然后将土样置于180℃的烘箱内烘干3min，烘干后再次称重并记录处理后的质量Mafter，计算Mfront与Mafter的差值，并将差值与Mfront的比值作为土壤含水率。同理，依次计算各土层深度的土壤含水率，最终测定结果取所有土层含水率平均值。

1.4 量水设备选型

试验选用的水资源计量设施或设备要符合渠道流量条件要求，在测算分析灌溉用水效率系数时应遵循以下原则选择量水设施或设备[6]：①量水设备应与渠道的水流流态、过流能力及适当范围内水流变化相适应；②量水设备所引起的水头损失要尽量小，力求下游不发生冲刷且上游不产生明显淤积；③为了满足渠道流量变化要求能够测量的流量范围应尽可能大，并具有足够的灵敏度可以及时、准确地反映水量的变化情况。根据以上原则和要求，最终选用HD6685 型量水器。该设备可以精准地测定流动条件下的灌溉用水，但利用该量水器无法直接计量出土壤以及农作物吸收的水。

1.5 田间水观测参数

为更加直观地揭示田间土壤水分的变化特征，建立地下水补给量、降水量等要素在任意时段内的转化关系[7]，采用水平衡方程反映灌区土壤水量状况如图2 所示，即：

图2 灌区土壤水量平衡图

式中：λrain、λNet为有效降水量和灌溉总用水量；λleakage、λETc为田间渗透量和农作物蒸发量；Δλground、Δλdrainage、Δλlayer为地下水补给量、地表排水量和土层渗水量。

在农田灌溉充分的情况下，灌溉用水效率主要受作物蒸发和区域降水的影响，灌溉充分时的有效降雨均为稻格田蓄纳的降雨[8,9]。作物蒸发量和有效降水量是计算田间水的主要参数，其中农作物的枝条、叶片等在生长过程中呼吸散发的水分就是作物蒸发量，作物生育期水深、雨前水深以及降水量等因素与农作物有效降水量有关，采用下式计算不同测点位置上的田间水观测参数：

式中：λrain-0为一次降水量；hmax、hi为灌区最大水深控制标准和降水前水深为灌区作物参考日蒸发量和生长期间的作物系数。

1.6 灌溉用水量观测

针对不同灌溉方式，从净灌溉和毛灌溉的角度计算用水量。其中，毛灌溉一般适用于井灌区，将水量观测点设立在每个井出口处，井出水口流量和一次灌溉总水量利用超声波检测确定，对样点灌溉用水量利用直接观测法和测量法确定。根据作物生长状况和灌区土壤特点，分水稻生育期和泡田期分别计算净灌溉用水量，可利用下式计算水稻生育期灌水量λGrowth和泡田期灌水量λBubble[10]：

式中：χi、ΔV为灌区有水层和无水层时的用水量；L'、L0为灌溉前和灌溉后的水位置；φ0、φ2为作物生长和干燥阶段的土壤含水率；H、H0为作物底层深度及其种植期间所需水层深度；µ0、µ1为土壤初始含水率和测算期平均含水率；β为指定位置的土壤容重。最后，将水稻生育期灌水量λGrowth和泡田期灌水量λBubble求和得到灌溉用水总量测算结果。

1.7 用水损失量计算

由于农作物要保持一定的水深使得水分经常以渗透的方式流失，并且作物间接耗水量以田间渗漏为主，故排水和渗漏是引起灌溉用水损失的主要途径。大田适度渗水有利于排除积累的还原性物质，加快土壤氧化速度，但渗水过多因造成土壤养分和作物水分的流失。实际测量时可以利用田块样点中安设的蓄水设备，结合蓄水设备在灌溉前、后计量的水位差统计确定渗漏量。一般利用量水设备直接测算排水量，通过读取设备监测数据确定。因此，最终的用水损失量计算结果就是渗漏量与排水量两者之和。

1.8 灌溉用水效率系数测算

考虑用水效率系数的具体内涵，可以将作物吸收利用的田间灌入水量与水源引出水量的比值看作是灌溉用水效率系数δ计算结果，其计算公式如下：

式中：λGross为毛灌溉数据。

2 实例应用

2.1 项目区概况

以朝阳县农田水利高效节水灌溉项目为例，工程设计灌溉方式为管灌、提灌、自流引灌、微灌和喷灌，种植作物为玉米及果树，建设面积30000亩。新建水源井115 眼，维修水源井61 眼，新建井房共计137 座，维修井房39 座；新增各型水泵176 台套，新增变压器74 台套，铺设低压线路共计35.2km，高压线路8.8km，铺设主管路5.14 万m，支管路20.57 万m，PE 软带3 万m，滴管带225 万m。

2.2 样点数量与分布

根据田块样点的选择原则，在项目区内随机选择8 个样点进行测量，样点参数如表2 所示。考虑样点灌区布设情况划分多个组别，通过测算分析检验了用水效率系数测算法的可信度与可行性。

表2 样点布设情况

2.3 用水数据样本

收集整理测算期间的水蒸发量、降水量和农田的实际灌溉用水量，直接利用硬件设备可以测量出水蒸发量和降水量，考虑到选取的各个样点属于统一项目，故所有蒸发量和降水量数据相同，统计数据如图4 所示。各测点区域内的毛灌溉和净灌溉用水量可利用人为添加的方式确定，通过公式(5)和已获取的样点数据可以确定用水效率系数真实值，并以此为基准验证测算精度。

图4 样点降水量和蒸发量统计数据

2.4 设施效果测试参数

针对试验目标合理确定量化测试指标为用水效率系数测算误差值其中δcal、δact为用水效率系数测算值和实际值，经计算误差值ε越小则用水效率系数测算法的性能越好。

2.5 结果与分析

在对比测算方法和设计系数测算方法中分别代入农田水利工程样本数据，经一系列计算确定灌溉用水效率系数及其平均测算误差，如表3 所示。结果显示，首尾测算法和用水效率系数测算法的平均测算误差分别为0.0019、0.0004，用水效率系数测算法可以明显提高测算精度。

表3 灌溉用水效率系数测算结果

3 结论

农田灌溉是“用水大户”，在满足作物用水需求的情况下，各级政府和管理部门要最大程度地减少和控制灌溉用水量。灌溉用水效率测算是评价农田水利工程的有效途径，测算成果的准确性和测算方法的简便性在很大程度上决定了农田水利工程的后评价结果。研究表明，用水效率系数测算法可以大幅度提高农田水利工程灌溉用水测算精度，有效保证测算结果精准度，具有一定的推广和应用价值。