浙江省山丘区灌区农业用水计量监测与总量统计方法

2023-10-07王筱俊王贺龙杨辉斌苏龙强

浙江水利科技 2023年5期

王筱俊，王贺龙，杨辉斌，苏龙强

（1.浙江省水资源水电管理中心，浙江杭州 310020；2.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋规划设计研究院），浙江杭州 310017）

0 引言

浙江省地处南方丰水地区，农业用水量较大，占用水总量的比例达44%。开展农业用水计量监测和分析统计是提升水资源监控能力的重要组成部分，也是支撑水资源和节水管理的重要基础。而浙江省灌区数量众多，大中型灌区有122处，小型灌区约35 000余处。同时，浙江省灌区具有典型的多水源特征，水源类型包括水库、山塘、河道引水堰坝、河道提水泵站等。据2011年水利普查数据粗略统计，全省水库有1 800余座、山塘148 000余座、泵站28 000余座、堰坝30 000余座。由此可见，采用直接监测灌溉取水口的统计方式，投资巨大，经济上基本不可行[1]。同时浙江省灌区一般分布在人类活动密集的河谷平原地带，灌区水源大多承担供水、灌溉、发电、生态环境用水等多项兴利任务，水源端放水量一般包含多种用途供水，灌溉用水量分离计量存在一定难度[2]。目前只能通过对典型田块的计量监测来推算灌区灌溉用水量，但是受限于样点灌区的代表性不足、水源多种用途放水量无法有效分离、灌溉回归水重复利用量无法定量统计等问题，上述统计方法难以满足实际管理需求。

针对上述问题，结合浙江省山丘区灌区特点，基于自然—人工二元水循环理论[3]，提出灌区农业用水计量监测设施布局方法和基于水循环模拟的农业用水量统计方法[4]。以浙江省安吉县赋石水库灌区为例，开展农业用水计量监测设施布局安装以及农业灌溉用水量的分析统计，验证本方法的合理性与统计精度。

1 农业用水计量监测设施布局

1.1 布局原则

为精确掌握灌区自然—社会二元水循环规律，根据灌溉用水的循环过程（水源放水—干渠引水—支渠分水—田间用水—田间退水），在灌溉用水的取供用排等主要水循环节点布设农业用水计量监控设施，具体水循环节点包括：

1）典型水源渠首：通过监测典型水源工程渠首放水量，可掌握灌区主要水源的灌溉放水过程。典型水源包括灌区龙头控制性水库和渠系较为完整的代表性小型水库、山塘及堰坝、机埠。

2）典型支渠分水口：通过监测典型灌溉支渠分水量，可掌握各支渠灌片的灌溉放水过程。典型灌溉支渠为干渠的一级支渠。

3）典型灌片：通过监测典型田块的灌溉进水量及排水量，可精确掌握该灌片的实际灌溉用水量及亩均灌溉定额，作为整个灌区灌溉用水量统计结果的校核标准。

4）流域总出水口：为掌握灌区所在流域总出水口的出流过程，需要对流域总出水口进行监测。当总出水口附近建有流量监测站时，可不用重复建设计量监控设施。

1.2 布局结果

安吉县赋石水库灌区水库型水源包括赋石水库、天子岗水库、石冲水库和16座小（2）型水库，河道型水源包括西溪、里溪和浑泥港。灌区主干渠赋石干渠全长43.2 km，连接赋石水库与天子岗水库，并通过55条支渠向灌区灌溉。根据灌区水源工程、渠系工程分布现状和灌区供用水特点，按照上述布局原则，在灌区共布设30套农业用水计量监测设施，其中灌溉取水口14套，分水口15套，排水口1套。有20套设施位于赋石水库灌溉渠道上，监测水库渠首及各支渠水量；有1套设施位于天子岗水库灌溉渠道上，监测水库南干渠水量；有3套设施位于河道取水堰坝灌溉渠道上，监测堰坝灌溉水量；有2套设施位于河道提水机埠上，监测机埠灌溉水量；有2套设施位于小（1）型水库灌溉渠道上，监测小型水库灌溉水量；有1套设施位于山塘灌溉渠道上，监测小山塘灌溉水量。赋石水库灌区监测设施布局结果见图1。

2 灌区水循环模型构建

2.1 SWAT模型简介

SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型是一个基于物理过程并有时间序列模拟的模型，能便捷地模拟气候条件变化、土地利用调整和农业管理措施等对水循环各要素的长期影响，比较适用于面向水资源管理的长时段的分布式水文过程模拟[5-6]。为满足灌区水循环模拟需要，本次采用改进SWAT模型[7-8]开展模型构建。

2.2 河网提取与子流域划分

基于中国科学院国际科学数据服务平台提供的30 m分辨率的数字高程数据（ASTER Global DEM），采用SWAT 2012软件，首先通过DEM数据的拼接、剪切、投影及最小集雨面积阈值设置等步骤，生成密度合适的河网。并以此生成子流域，使其满足灌区不同区域农业用水量的模拟要求。进而根据赋石水库灌区水库工程分布情况，将灌区小（2）型及以上水库、和尚洼山塘均添加到SWAT模型。针对赋石水库灌区内城镇集中式污水排放、河道内生态环境补水、渠道水力发电等活动，根据排、放水口的位置添加点源。最后根据灌区所处流域情况，确定赋石水库灌区SWAT模型设定3个流域出口，分别为西溪出口、里溪出口和浑泥港出口。经过上述步骤，赋石水库灌区SWAT模型共划分得到82个子流域，划分结果见图2 a）。

图2 赋石水库灌区SWAT模型HRU离散过程图

2.3 HRU离散化

水文响应单元（Hydrological Response Units）是SWAT模型模拟的最小基本单元，具有统一的水文相似性。SWAT模型主要根据土地利用类型、土壤类型及地形数据进行HRU离散。

1）土地利用数据加载。将赋石水库灌区所处流域现状年土地利用类型数据通过格式或投影转换、裁剪、土地利用类型重分类、新建土地利用索引表等操作加载到当前SWAT模型。统计灌区不同土地利用类型面积见表1，土地利用类型分布见图2 b）。

表1 赋石水库灌区土地利用类型统计表

2）土壤数据加载。首先根据赋石水库灌区所处流域边界，对世界土壤数据库（HWSD）数据进行裁剪，得到灌区土壤数据，加载到当前SWAT模型。然后根据HWSD数据库参数，计算研究区土壤的HYDGRP、SOL_ZMX、ANION_EXCL、CMPPCT等参数，将计算得到的参数导入到SWAT2012数据库usersoil表中。土壤类型分布见图2 c）。

3）HRU离散。SWAT模型中HRU离散可选择同一子流域划分单个HRU、多个HRU两种方式。本文选用同一子流域划分多个HRU的分配方法。然后通过设置土地利用面积阈值为15%、土壤类型面积阈值为15%、坡度阈值为10%等操作，完成HRU离散化，共得到212个HRU。

2.4 数据文件输入

1）水文气象数据。降雨量数据：天锦堂、坟岱、杭垓、双舍等16个站点1986—2017年逐日雨量；气温数据：安吉站1986—2017年日最高气温、日最低气温；相对湿度：安吉站1986—2017年日相对湿度；太阳辐射：安吉站1986—2017年日太阳辐射，需根据日均气温、最高气温、最低气温、日均风速、日照时数、相对湿度、降水量等数据，采用Penman-Monteith公式计算得到；日均风速：安吉站1986—2017年日均风速。

2）水稻生育期划分。赋石水库灌区作物种植类型主要为单季稻，生育期划分为泡田期、返青期、分蘖前期、分蘖末期、拔节孕穗期、抽穗开花期、乳熟前期、乳熟后期以及黄熟期共9个阶段。参考平湖灌溉试验站试验资料，确定各生育期时间，结果见表2。

表2 赋石水库灌区水稻生育期划分表

3）其他数据文件：除上述数据之外，模型还需输入水库基本信息、点源排放数据、山塘基本信息、田间管理措施、流域配置信息、灌溉水源指定信息等[9-10]。

3 参数率定与用水量统计

3.1 模型参数率定

3.1.1 SWAT模型参数率定

SWAT模型参数众多，在进行参数率定之前需先对各参数敏感性进行分析，找出对模型模拟结果影响较为显著的参数，可提高模型率定的效率。以横塘村水文站1990—2006年逐月流量资料为基础，采用SWAT-CUP软件中的SUFI_2算法对赋石水库灌区SWAT模型进行参数敏感性分析，得到敏感性前10位的参数。以此为基础，采用SWAT-CUP软件，辅以手动调参的方法，对模型敏感性参数进行率定，直至模型模拟效果评价参数达到合理取值范围。最后以西溪、里溪、浑泥港等3个出口2007—2017年逐月流量资料为基础，采用SWAT-CUP软件对模型进行验证，检验经过参数率定模型的适用性及稳定性[11-12]。

赋石水库灌区SWAT模型率定期及验证期精度见表3。由表3可见，经过参数率定的赋石水库灌区SWAT模型验证期模拟结果相对误差的评价等级为优，线性回归系数的评价等级为良，纳什系数的评价等级为优，模型精度较高，稳定性良好。

表3 SWAT模型率定期及验证期精度一览表

3.1.2 改进SWAT模型参数率定

改进SWAT模型新增参数包括田间损失系数ξ、河道灌溉用水控制系数β、山塘灌溉用水控制系数ζ，用于校正模型对灌溉取用水过程的模拟精度。采用赋石水库灌区新建农业用水计量监测设施2017年11月—2018年9月实测数据，对上述参数进行率定，得到ξ=0.93、β=0.3，ζ=0.2。率定效果见图3。

图3 农业用水计量实测数据与模拟数据对比图

3.2 农业用水量统计

1）水循环模拟结果分析。以赋石水库灌区SWAT模型对灌区1990—2017年水循环过程进行模拟，进而提取灌区不同类型水源的来水量、供水量过程，结果见图4。对比分析可知：多年平均情况下，灌区河道来水量2.57亿m3，水库来水量3.06亿m3；灌区水源向农业灌溉供水量0.28亿m3，城乡生活供水量0.33亿m3，农村生态环境供水量0.27亿m3，河道内生态环境供水量0.77亿m3。

图4 赋石水库灌区供水量统计结果图

2）灌溉用水量统计。根据赋石水库灌区水循环模型1990—2017年模拟结果，从水源端统计赋石水库灌区子流域内部河道、山塘、小型水库、大中型水库（赋石、天子岗水库）等不同类型水源提供的灌溉用水量。不同水文年份统计结果见表4。

表4 赋石水库灌区农业灌溉用水量统计结果表

3）统计结果合理性。从灌溉用水量的年际变化和各水源灌溉用水量的变化规律2方面分析统计结果的合理性。首先分析灌区农业灌溉用水量与灌溉期降雨量年际变化关系，结果见图5。由图5可知，赋石水库灌区农业灌溉用水量与灌溉期降雨量呈反比关系，即灌溉期降水量较大的年份灌区农业灌溉用水量较小，反之较大，此项变化规律与实际吻合。

图5 灌区农业灌溉用水量与降雨量关系图

然后统计灌区本地河道、本地山塘、小型水库及大中型水库等各类型水源工程不同来水频率下农业灌溉用水量，结果见图6。由图6可知，本地河道、山塘及小型水库等灌区本地水源工程灌溉用水量随着降水量的减少，灌溉用水量呈现先增后减的趋势；而赋石水库、天子岗水库等灌区大中型水库为灌溉补充水源，其灌溉用水量呈现丰水期少、枯水期多的变化规律，此项变化规律也与实际吻合。