不同空間尺度下灌區灌溉水利用效率研究
----以察爾森灌區為例

黃永江，屈忠義

(內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院，呼和浩特 010018)

0 引 言

灌溉水利用效率是灌入田間對作物有效的水量與從水源引入的取水總量(扣除經排水渠排除的水量)之比，是評價灌區農業用水效率的重要指標，也是灌區水利工程建設及用水管理的基本參數，一個區域灌 溉水利用效率的高低直接影響著該區域農業灌水量的多少和水資源的配置，合理測算及評價不同空間尺度下灌溉水利用效率是進行區域水資源合理配置和制定節水灌溉發展宏觀決策的重要依據，在農業節水工作中具有非常重要的地位[1-4]。2005年底，水利部啟動了全國農業灌溉水利用效率的測算與分析工作。各省、區、市的水利管理部門和科研院所紛紛開展了農業灌溉水利用效率的測算工作，其中張芳等[5]依據河南省己有的灌溉用水管理、觀測與灌溉試驗等資料，按照不同類型灌區的灌溉用水量進行加權平均，從而推算出河南省平均灌溉水利用率為55.4%；王小軍等[6]對廣東省的灌溉水利用率進行了測算分析，推算出全省平均灌溉水利用率為39.9%；張亞平[7]對陜西省的現狀灌溉水利用率進行了測算分析，推算出陜西省的灌溉水利用率平均值為50.3%；梁天雨等[8]對內蒙古黃河南岸灌區灌溉水有效利用系數進行了測算，推算出內蒙古黃河南岸灌區的灌溉水利用系數為0.535。所有這些測試分析大多依據首尾測算分析法，由于首尾法強調以年為水量分析的時段,并且無法直觀反應水量在各個環節的損失率, 為使灌區建設和節水工作更具有針對性和有效性，許多專家和學者都認為對灌區灌溉用水不同環節的水利用效率進行測試分析是非常必要的，而目前針對某一灌區不同空間尺度下灌溉水利用效率的變化分析研究還較少[9-12]，特別是針對內蒙古東部地表水灌區的灌溉水利用效率系統測試分析與研究尚鮮見報道。

本文以內蒙古自治區察爾森灌區2013-2014實測數據為依據，分析察爾森灌區不同空間尺度下灌溉水利用效率變化規律，合理評價察爾森灌區現狀工程條件下不同尺度灌溉水利用效率，科學指導察爾森灌區節水改造工程建設，提高灌溉水資源綜合利用效率與效益，同時為內蒙古東部其他地表水灌區進行灌溉水利用效率分析與評價提供參考。

1 察爾森灌區基本情況

察爾森灌區位于內蒙古自治區東部興安盟境內洮兒河的河谷平原中，北起察爾森水庫壩下科爾沁右翼前旗察爾森鎮，南至吉林省白城地區邊界，東西兩翼為低山丘陵區，灌區南北長74 km，東西寬2～15 km，地理坐標為東經121°51′～122°35′，北緯46°26′～45°45′。灌區年平均降水量408 mm，年平均蒸發量1 836～1 960 mm，多年平均引水量為4.215億m3，灌區由好田、義勒力特、烏蘭哈達、斯力很、國光、哈達那拉、生態草原(不灌溉)等7個灌域組成，設有總干渠、干渠、支渠及斗渠共4級渠系級別，現有總干渠6條，干渠16條，支渠7條，斗渠212條，各類渠系建筑物194座，經過多年建設，灌區渠系工程狀況較好，渠道襯砌率高。灌區總土地面積7 531 hm2，總耕地面積4 711 hm2，草場面積3 187 hm2。

2 灌溉水利用效率測算

2.1 觀測內容

現狀條件下，察爾森灌區主要作物為水稻，種植比例高達95%以上。本次測試，在灌區上、中、下游選擇6個典型田間測試點，在作物生育期各個階段及灌水前后量測水面高度及土壤參數，每天早、晚8點觀測滲漏桶和蒸發桶桶內水位，在試驗田塊取水口設置梯形堰量水設施，在實際灌水條件下量測試驗田塊的每輪毛灌水量，逐日測試田間雨量筒、蒸發皿(早晚8點測試)數值。

2.2 田間水利用效率測算

2.2.1 實測法

通過灌前灌后測試典型田塊的田面水位變化，計算凈灌溉定額(表1，表2)，計算公式如下：

M=10 005(h2-h1)/1 000

(1)

式中：M為凈灌水定額，m3/hm2；h1為灌水前測定的田面水位，mm；h2為灌水后測定的田面水位，mm。

表1 察爾森灌區水稻生育期凈灌溉定額(實測法)Tab.1 The net irrigation norm in rice growth period in Chaersen irrigation district(the practical measurement method)

表2 察爾森灌區田間水利用效率(實測法)Tab.2 The field water use efficiency in Chaersen irrigation district(the practical measurement method)

2.2.2 水量平衡法

察爾森灌區各灌域主要分布在烏蘭浩特市周邊，各灌域的氣象條件變異不大，因此，本次采用烏蘭浩特氣象站的水文氣象資料計算參考作物蒸發蒸騰量ET0，ET0乘作物系數Kc得到實際作物蒸發蒸騰量。采用FAO-56中降雨量與有效降雨量的經驗公式計算灌區有效降雨量。地下水補給量依據《內蒙古河套灌區灌溉排水與鹽堿化防治》給出的經驗公式計算[13]。再根據其他觀測值，依據水量平衡原理計算得出水稻的凈灌溉定額(表3，表4)。

mi=ETc+S+m0-Pe-Ge

(2)

式中:mi為凈灌溉定額，mm;ETc為蒸發蒸騰量，mm;S為滲漏量，mm;m0為泡田定額，mm;Pe為有效降雨量，mm;Gg為地下水利用量，mm。

表3 察爾森灌區水稻生育期凈灌溉定額(水量平衡法)Tab.3 The net irrigation norm in rice growth period in Chaersen irrigation district(the principle of water balance)

表4 察爾森灌區田間利用水效率(水量平衡法)Tab.4 The field water use efficiency in Chaersen irrigation district(the principle of water balance)

根據表3，表4測算結果可知，實測法得出的田間水利用效率為85.6%，水量平衡法得出的田間水利用效率為85.4%，兩種方法的測算結果相近，這說明所得結果可信。

2.3 渠道水利用效率測算

本次試驗采用典型渠道測試法[14]，根據所選典型渠道測流斷面的實測資料,首先計算典型渠段的損失水量δ典渠段、根據流量加權計算典型渠段不同過水流量下的單位長度輸水損失率σ典渠段、然后通過修正得到典型渠道單位長度損失率σ典渠道，利用該級各典型渠道的長度L典渠道加權平均，得到該級渠道的渠道水平均單位長度輸水損失率σ渠道，進而計算各級渠道的渠道水利用系數η渠。具體計算公式如下：

δ典段=W損失/W首

(3)

σ典渠道=[k2+(k1-1)(1-k2)]δ典渠段/L典渠段

(4)

σ渠道=∑σ典渠道jL典渠道j/∑L典渠道j

(5)

δ渠=σ渠道L渠

(6)

η道=1-δ渠

(7)

式中：W首為測試渠段首部流量，m3/s；W損失為測試渠段損失流量，m3/s；L典渠段為典型渠段的長度，km；k1為輸水系數，k1=1+Qe/Q0，Q0為渠首流量，Qe為渠尾出流流量；k2為分水系數，實際渠道的分水情況是很復雜的，為便于應用,簡化為線性分水，即假定換算到單位渠長上的分水量自渠首至渠尾呈直線變化，如果實際渠道接近均勻分水，即上下游控制面積區別不大，則k2=0.5，測算中，k2均取0.5；L典渠道j為典型渠道的長度，km；L渠為該級渠道的平均長度，km。

根據典型渠段的實測數據，求得各級渠道的渠道水利用效率見表5。

表5 察爾森灌區渠道水利用效率Tab.5 The channel water use efficiency in Chaersen irrigation district

2.4 不同空間尺度下灌溉水利用效率計算

察爾森灌區各灌域渠系并非全為四級分布，有些灌域存在越級取水現象，因此，本次在灌溉水利用效率進行空間尺度轉化時，首先由田間尺度的灌溉水利用效率計算值，根據各灌域的實際渠系分布級別，應用表5所得各級別渠道的渠道水利用效率，采用連乘方式分別得到斗渠、支渠以及干渠尺度的灌溉水利用效率和各灌域尺度的灌溉水利用效率，將所得各灌域尺度的灌溉水利用效率按各灌域的實際毛灌溉引水量(扣除排水量)加權得到灌區尺度的灌溉水利用效率，計算結果見表6和表7。

表6 察爾森灌區各灌域灌溉水利用效率 %

3 不同空間尺度下兩種方法測算結果的對比分析

兩種方法所得不同空間尺度之間數據表明(如圖1)，隨著空間尺度的減小，灌溉水利用效率逐步提高，符合一般的規律。從不同尺度間灌溉水利用效率變化率的比較表明，灌區(總干)到干渠尺度變化較小，支渠到斗渠尺度次之，變化較大的在斗渠到田間尺度以及支渠到干渠尺度，其中以斗渠到田間尺度變化最大，這表明目前影響察爾森灌區灌溉水利用效率的主要因素是斗渠及干渠工程的建設質量和管理運行水平。

表7 察爾森灌區不同空間尺度下灌溉水利用效率 %

為了驗證察爾森灌區典型渠道測試法所測算灌溉水利用效率的合理性，應用《全國灌溉用水有效利用系數測算分析技術指南》所推薦的首尾測定法對察爾森灌區的灌溉水利用效率進行了計算，計算結果見表8。

表8 察爾森灌區灌溉水利用效率(首尾法)Tab.8 The irrigation water use efficiency in Chaersen irrigation district(the head-tail method)

從表8可看出，首尾法的計算結果略大于典型渠道測試法，這主要是因為察爾森灌區各灌域之間存在回歸水的多次利用，即某一灌域從渠首引入的總水量在流經該灌域時并非全部被利用，會有部分水通過該灌域的輸水渠道進入與之相鄰的下一灌域而被利用，首尾法在一定程度上考慮了回歸水的利用，而典型渠道測試法不能考慮回歸水的利用。

4 結 語

(1)本文應用典型渠道測試法分析了察爾森灌區不同空間尺度下灌溉水利用效率的變化規律，得出了察爾森灌區今后提高灌溉水利用效率關鍵在于提高斗渠及干渠的襯砌率。

(2)察爾森灌區各灌域之間回歸水利用明顯，在今后的監測過程中，應加強各灌域灌排水量的監測，以便能更準確的評價察爾森灌區不同空間尺度下的灌溉水利用效率。

(3)察爾森灌區地下水位埋深淺，田間滲漏量大，田間滲漏水在地下水位埋深較淺的耕地中，還可以被作物利用，因此，由灌溉滲漏反過來又被作物利用的水量應該算作有效的，其規程和理論有待完善，灌溉水利用效率到底如何計算，有待深入系統地開展研究。

(4)灌區灌溉水利用效率是一個動態變化的指標，它與灌區建設投資、管理水平、節水技術應用、種植結構變化以及水文年型均有一定的關系。在現有測試基礎上，應進行不同水文年的數據監測，摸清不同水文年型與灌溉水利用效率之間的關系，為察爾森灌區提出一套合理的引灌水模式。

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