南方多水源型灌區灌溉水利用系數確定方法研究

2016-03-26 07:31:22王士武鄭世宗

中國農村水利水電 2016年8期

王士武，鄭世宗

(浙江省水利河口研究院，杭州 310020)

0 引言

農田灌溉水利用系數是國家實行最嚴格水資源管理制度“三條紅線”“四項制度”的重要內容。根據《國務院關于實行最嚴格水資源管理制度的意見》(國發〔2012〕3號)，到2015年全國農田灌溉水利用系數提高到0.53以上；到2030年農田灌溉水利用系數提高到0.6以上。國務院辦公廳《關于印發實行最嚴格水資源管理制度考核辦法的通知》(國辦發〔2013〕2號)明確了各省農田灌溉水利用系數2015年目標值，隨后按照有關文件要求，各省(市、區)建立了覆蓋省、市、縣三級的2015年農田灌溉水利用系數目標值；該通知第四條明確規定，考核內容最嚴格水資源管理制度目標完成、制度建設和措施落實情況，其中水資源管理制度目標完成情況就包括灌區灌溉水利用系數。

灌溉水利用系數是指以年為分析尺度，灌入田間可被作物利用的水量與灌溉系統取用的灌溉總水量的比值，它反映灌區渠系輸水和田間灌溉用水狀況，是衡量灌區從水源引水到田間作物水分利用過程中灌溉水的利用程度的一個關鍵指標，也是反映灌區自然條件、工程狀況、用水管理水平、灌溉技術等因素的一個綜合性指標。為跟蹤灌溉水利用系數變化情況，科學評價節水灌溉發展成效與節水潛力，根據水利部的要求，自2006年起，全國各省(區、市)連續多年在全國范圍內開展了灌溉水利用系數測算分析工作，取得的成果為有關部門研究制定相關政策和規劃提供了依據。從我省多年灌溉水利用系數測算實踐情況分析，南方灌區灌溉水利用系數與相關規范標準、大學教材之間差異較大，主要體現在其水源多樣性、差異性和復雜性，因此，研究南方多水源型灌區灌溉水利用系數確定方法具有非常重要的現實意義。

1 南方多水源型多用戶灌區特點分析

特定的地理位置和氣象條件，南方山丘區面積大于平原區面積的地形地貌條件，決定了我國南方地區大多數為多水源型灌區，并具有如下特點。

(1)水源復雜性：灌區內水源工程既有水庫、山塘等具有調蓄能力的蓄水工程，也包括堰壩引水工程，還有提水泵站工程。這些工程根據河流水系布局分布在灌區內，由于其工程規模、集雨面積、調蓄能力等差異，為灌區提供的灌溉用水量也存在明顯差異。以浙江省為例，一般3.333 hm2(5萬畝)以上的重點中型灌區其水源工程數量約50個，一般大型灌區其水源工程數量超過100個；而且在大多數年份主要水源的供水量不超過50%，個別灌區甚至不超過30%。

(2)多水源多用戶配置復雜性：灌區內的多種水源，用途上顯著差異。一般情況下，山塘和堰壩引水主要用于灌溉或部分工業用水；大中型水庫除了具有灌溉功能外，還承擔供水、發電等；小型水庫大多以灌溉為主，部分水庫以供水為主?；谶@些原因，在灌區實際調度運行中，一般優先使用河道水和山塘水，其次是區域內小型水庫(小二型、小一型水庫)，再次是中型水庫，最后是大型水庫。

(3)輸配水工程復雜性：由于有多種水源，經過歷史上長期的建設與改造，灌區內輸水、配水工程較為復雜。部分灌溉面積僅是單一水源，部分灌溉面積是多水源聯合灌溉、互相補充。對于水源單一的灌溉面積，由于其灌溉輸配水系統具體明確，其輸配水損失比較明確；對于具有多水源的灌溉面積，由于不同水源的輸配水系統不同，有的水源輸配水距離近，有的則遠，因此，其相應的灌溉水利用系數也不同。

(4)隨機性引起的復雜性：灌區有多種水源，并且在調度運行過程中有優先順序。由于每個水源的水資源量具有隨機性和不確定性，而且作物需水也有隨機性和不確定，因此每一個水源工程每年的供水量、供水流量過程存在差異，其相應的輸配水損失、管理損失以及灌溉水利用系數存在差異。理論上來說，對于特定的灌溉系統，由于農作物不同生育階段需水量不同，灌溉系統地輸配水流量也不同，其相應的灌溉水利用系數也存在差異。

基于以上分析可以看出：南方灌區(尤其是大型和重點中型灌區)，絕大多數是由若干個相對獨立的小灌區、多水源灌溉區域(通過骨干輸配水系統實現主水源和其他水源相互補充的灌溉區域)等組成的多水源型灌溉系統。在該系統內，連接主水源的骨干輸配水系統一般不能覆蓋整個灌區；部分灌區以天然河道為輸配水渠道。這樣灌區既無法采用相關規范標準上的“灌溉水利用系數等于渠系水利用系數與田間水有效利用系數之積”的方法，也無法采用“正向遞推”或“逆向遞推”的方法，而應該從灌區灌溉水利用系數的基本概念出發去尋找確定方法。

2 灌區灌溉水利用系數確定方法

根據《全國農田灌溉水有效利用系數測算分析技術指導細則》1關于采用“首尾測算分析法”的規定，灌溉水利用系數是指灌區1年時段內，直接灌入田間可被作物吸收利用的水量(凈灌溉用水量)與灌區從水源取用的灌溉總水量(毛灌溉用水量)的比值。計算公式如下：

η水=W凈/W毛

(1)

式中：η水為灌區灌溉水利用系數；W凈為灌區凈灌溉用水總量，m3；W毛為灌區毛灌溉用水總量，m3。

對于南方多水源型灌區，其灌溉水利用系數的核心問題是如何確定灌區的凈灌溉用水量和毛灌溉用水量。

2.1 凈灌溉用水量確定方法

依據《全國農田灌溉水有效利用系數測算分析技術指導細則》1的規定確定，具體步驟如下：

(1)典型田塊選擇：典型田塊要邊界清楚、形狀規則、面積適中；綜合考慮作物種類、灌溉方式、畦田規格、地形、土地平整程度、土壤類型、灌溉制度與方法、地下水埋深等方面的代表性；有固定的進水口和排水口；配備量水設施等。

(2)量測方法選擇：采用直接量測方法或觀測分析方法確定典型田塊畝均凈灌溉用水量。

(3)凈灌溉用水量確定：根據觀測與分析得出的某種作物典型田塊的年畝均凈灌溉用水量，計算灌區同區域或同種灌溉類型第i種作物的年凈灌溉用水量，計算公式如下：

(2)

式中：wi為灌區同片區或同灌溉類型第i種作物的凈灌溉用水量，m3/hm2；w田凈l為同片區或同灌溉類型第i種作物第l個典型田塊凈灌溉用水量，m3/hm2；A田l為同片區或同灌溉類型第i種作物第l個典型田塊灌溉面積，hm2；N為同片區或同灌溉類型第i種作物典型田塊數量，個。

再根據灌區內不同分區不同作物種類灌溉面積，結合不同作物在不同分區的年每公頃凈灌溉用水量，計算得出灌區年凈灌溉用水總量W樣凈，計算方法如下：

(3)

式中：W樣凈為灌區年凈灌溉用水總量，m3；wij為灌區j個片區內第i種作物凈灌溉用水量，m3/hm2；Aij為灌區j個片區內第i種作物灌溉面積，hm2；m為灌區j個片區內的作物種類，種；n為灌區片區數量，個。

2.2 毛灌溉用水量確定方法

《全國農田灌溉水有效利用系數測算分析技術指導細則》1的規定：灌區毛灌溉用水總量是指灌區全年從水源(一個或多個)取用的用于農田灌溉的總水量，該水量應通過實測確定。樣點灌區年毛灌溉用水總量的計算公式如下：

(4)

式中：W毛為灌區年毛灌溉用水總量，m3；W毛i為灌區第i個水源取水量，m3。n為灌區水源數量，個。

對于南方多水源型灌區來說，不僅水源工程數量多，而且類型也較多，在實際運行管理中，絕大多數水源工程由用水戶或村委會指定專人管理，故在目前的運行體制下，全部通過實測確定各類水源的毛灌溉用水量是不可能完成的任務。因此有必要對其灌溉水利用系數確定方法進行簡化。

3 南方多水源型灌區灌溉水利用系數計算模型

3.1 總體思路

基于南方多水源型灌區特點，其灌溉水利用系數計算的總體思路為：以全年為分析計算時段；根據灌區灌溉系統結構將其分為若干個片區，在每個片區范圍內，各類水源工程、相應的灌溉面積以及輸配水系統清晰明確；以各類水源工程、相應的灌溉面積以及輸配水系統為分析對象，結合管理機構和管理現狀，優選其中的典型性、代表性“小尺度”灌溉系統，詳細分析其毛灌溉用水量，進而通過控制面積加權方法確定全灌區的毛灌溉用水量；再根據凈灌溉用水量計算結果，得出全灌區灌溉水利用系數。本方法不分析計算全年內每次灌溉的灌溉水利用系數，直接用灌區的全年凈灌溉用水量和毛灌溉用水量計算求得。

3.2 南方多水源型灌區灌溉水利用系數計算概化模型

基于上述總體思路，根據灌區內灌溉系統結構將灌區劃分為若干個片區，每個片區內有多個水源，每個水源有它單獨控制的灌溉面積，還有與其他水源共同控制的灌溉面積。對于每個水源單獨控制灌溉面積，其相應的灌溉水利用系數與其相應的水源工程、灌溉需水量、灌溉系統和管理等情況有關。對于多個水源控制的灌溉面積，其相應的灌溉水利用系數比較復雜，每一個水源由于其相應的灌溉系統和管理方式等原因，灌溉水利用系數差異明顯；對于整個多水源控制的灌溉面積而言，由于不同水文年份，各水源工程的灌溉用水量存在差異，進而影響其灌溉水利用系數。南方多水源型灌區灌溉水利用系數概化模型見圖1。

圖1 南方多水源型灌區灌溉系統概化圖

3.3 數學模型

(1)灌區凈灌溉用水量。凈灌溉用水量：為各片區內各種作物年凈灌溉定額與其相應種植面積的乘積。即：

(5)

式中：i,k分別為片區序號和作物序號；Ni,Nk分別為片區序號、作物序號的上限值；wik為第i區域第k種作物年凈灌溉定額，m3/hm2；Aik為第i區域第k種作物的種植面積，hm2。

(2)灌區毛灌溉用水量。灌區毛灌溉用水量為各片區內各種水源的毛供水量之和。各片區內某一水源的毛供水量為其供水范圍的凈灌溉用水量與其相應的灌溉水利用系數之商。即：

(6)

式中：ηij為第i片區第j水源灌溉水利用系數，該參數根據相應的灌溉系統工程與管理情況，結合相關成果綜合確定。其他符號意義同前。

基于上述模型，灌區灌溉水利用系數的關鍵是確定兩個參數，一是wik，二是ηij，其他參數可以通過調查方法得出。這兩個參數，前者可以采用典型田塊實際觀測方法予以解決；后者主要通過典型調查分析方法確定，根據典型灌溉水源及其配套的灌溉系統以及管理方式等選擇若干個典型，再根據實測資料或調查資料，確定其灌溉水利用系數，詳細方法見實例應用。

4 實例應用

4.1 灌區概況

某灌區位于浙江省中部，灌區范圍涉及6個鎮(或街道)191個行政村。灌區屬典型的亞熱帶季風氣候。境內氣候溫和，四季分明，光照充足，雨量充沛，無霜期長。多年平均氣溫為17.5 ℃，全年日照時數為1 900 h，平均無霜期245 d。多年平均降雨量為1 480 mm，多年平均徑流深795 mm。地貌特點為丘陵盆地，地質構造比較復雜，河流大都發源于周圍山地，為山區性河流，源短流急，洪水暴漲暴落。

灌區內溪流較多，有中型水庫1座，總庫容6 000余萬m3，該水庫原功能為灌溉為主結合發電，現功能為供水為主，兼顧灌溉、發電；小型水庫14座，正常庫容為1 100余萬m3，其中兩座小(1)型水庫供水和灌溉功能兼顧；山塘443座，總容積280余萬m3，主要功能是灌溉，部分具有供水功能；引水堰壩2座，灌溉功能；提水泵站91座，裝機1 014 kW，功能為灌溉。

灌區渠道由總干渠、南、北干渠及支渠組成，總長108 km。渠系建筑物：渡槽10處，總長度8.31 km；隧洞3處，總長度2.72 km；倒虹吸9處，總長度513 m；水閘26座；涵洞560處等。

4.2 灌區概化

基于以上分析，結合灌區灌溉系統、地形地貌以及灌區近年來實際調度運行情況，本研究將該灌區分為7個片區，每個區域內山塘和小二型水庫概化為一個水源，提水泵站概化為一個，小(1)型以上水庫為單獨節點，區域內用水量概化為一個節點，概化成果見圖2。7各片區內小型水庫、山塘、堰壩、泵站等數量見表1，每個水源工程均有其相應的單獨控制面積。

表1 各片區水源工程數量統計表

4.3 主要參數分析計算

(1)凈灌溉定額。根據灌區種植結構和《浙江省農業用水定額標準》(DB33/T 769-2009)，結合2013年度灌區降水量采用內插或外延方法確定灌區凈灌溉定額。2013年相當于50%水文年，確定灌區2013年不同作物凈灌溉定額取值見表2。

表2 2013年灌區不同作物凈灌溉定額成果表 m3/hm2

(2)各類水源工程灌溉水利用系數。

①山塘水源(包括小二型水庫)的灌溉水利用系數率定。統計本灌區各片區內的山塘控制灌溉面積，平均每個山塘控制灌溉面積約為3.33 hm2。灌溉時，基本通過一級農渠直接到田。受可收集資料影響，項目組收集到山塘毛灌溉用水量成果見表3。根據各山塘控制區作物種植結構(這里略)、和表2、表3，可以確定每個山塘的灌溉水利用系數，進而確定平均灌溉水利用系數。經計算，山塘控制灌溉面積平均灌溉水利用系數為0.73。結果表明：山塘由于功能單一，水量充足，灌溉用水缺乏約束和激勵機制，總體相對粗放。

圖2 某灌區灌溉系統概化圖

表3 灌區典型山塘毛灌溉用水量調查成果表

②機埠水源的灌溉水利用系數率定。統計各機埠的控制灌溉面積情況，每處機埠的控制灌溉面積約為13.33 hm2，灌溉時基本通過一級農渠直接到田間，目前灌區農渠襯砌率達到100%。根據典型調查，項目組收集到機埠毛灌溉用水量成果見表4。根據各機埠控制區作物種植結構(從略)、和表2、表4，可以確定每個機埠灌溉水利用系數，進而確定其平均灌溉水利用系數。經計算，機埠控制灌溉面積平均灌溉水利用系數為0.70。結果表明：用水總體粗放。

表4 灌區典型泵站毛灌溉用水量調查成果表

③堰壩水源的灌溉水利用系數率定。本灌區有引水堰壩2座，實際控制灌溉面積分別為200和266.67 hm2。經現場調查，控制灌溉面積266.67 hm2堰壩2013年引水量為110萬m3(通過引水時間和率定引水流量方法確定)，根據種植結構分析計算，堰壩灌溉水源的灌溉水利用系數為0.65。

④干渠水源的灌溉水利用系數率定。干渠水源為小一型水庫和中型水庫，其灌溉水量通過干渠進入片區內的支渠，然后由支渠供到農渠進入到田間。其計算方法為：首先，收集各片區支渠、農渠的工程參數(如設計流量、渠系長度、渠系襯砌率等)，采用經驗公式法2(式7)確定支渠以下(含支渠)的灌溉水利用系數；其次根據各片區輸水干渠的工程參數采用經驗公式方法2(式8)，確定各片區干渠水源的渠道水有效利用系數，進而計算其灌溉水利用系數，結果見圖3；基于圖3成果，計算2013年灌區干渠水源的供水量成果見表5，表中同時給出了2013年灌區實際毛灌溉用水量。表5的結果表明：圖3結果可行。

η支水=-0.437 5Q支+2.053 1L-0.504 4+

0.541 8λ1.656 9+0.610 9

(7)

η干=0.979Q0.012干

(8)

式中：η支水為支渠以下灌溉水利用系數；Q支為支渠設計流量；L為渠系長度；λ為渠系襯砌率；η干為干渠渠道水利用系數；Q干為干渠設計流量。