肇源縣中心灌區灌溉水有效利用系數測算分析

張恩江，李芳花，孫雪梅，于艷梅

(1.湯原縣湯旺河灌區灌溉試驗站，黑龍江 湯原 150010；2.黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

灌溉水有效利用系數作為表征農業灌溉取用水效率的重要指標，是國家“十三五”規劃綱要目標之一，是最嚴格水資源管理制度“三條紅線”的考核指標之一。灌溉水有效利用系數[1]的定義是指灌入田間可被作物利用的水量與渠首引進的總水量的比值。該系數不僅可以集中反映灌區的工程質量，衡量農業用水水平；也能反映灌溉技術如節水灌溉技術程度等技術層面；還能反映用水管理等非工程情況[2-3]。灌溉水有效利用系數與灌區的自然條件、工程狀況、用水管理水平和灌水技術等因素有關，是各級水行政主管部門制定計劃、加強管理的重要依據，也是政府主管部門編制規劃、調整政策措施的重要依據。

灌區用水水平研究工作是一項長期而緊迫的任務，跟蹤分析農田灌溉水有效利用系數變化規律，合理評價國家投入、節水潛力和節水灌溉技術發展成效，對實現經濟社會發展與人口、資源和環境相協調具有深遠意義[4]。黑龍江省作為農業大省，近幾年，隨著糧食產量的不斷提高，農田灌溉用水量已占全省行業用水總量的74.8%[5]，加強農業用水管理、提高農業用水效率是黑龍江省水資源管理的重中之重。為了實施最嚴格的水資源管理制度，掌握和了解灌區農業灌溉用水水平，按照黑龍江省水利廳的統一部署，以大慶市肇源縣中心灌區作為典型灌區，開展灌區灌溉水有效利用系數研究工作，對加快建設資源節約、環境友好型灌區建設，促進先進節水灌溉技術應用與健康發展具有重要的指導作用。

1 典型試驗區概況

1.1 基本情況

肇源縣中心灌區管理站位于肇源縣肇源鎮，地理坐標為125°07′E，45°32′N，高程為137.62 m。該管理站地處松花江肇源段上游左岸，始建于1958年，1960年投入運行，受益鄉鎮有肇源縣二站鎮、和平鄉和古恰鄉三個鄉鎮。灌區內土地面積2.57萬hm2，耕地面積1.52萬hm2，水田0.65萬hm2，區內總人口14.40萬人，其中農業人口9.02萬人，年均生產水稻1億斤，水稻年產值1.5億元。灌區取水水源為松花江水，取水方式為泵站提水，多年引水量在0.7～1.2億m3之間，設計流量22.0 m3/s，設計灌溉水田面積1.29萬hm2，實際灌溉水田面積0.65萬hm2，屬于中型灌區。灌區渠系發達，分干、支、斗三級，其中總干1條、分干4條，長47.37 km；支渠40條長78.25 km；斗渠345條長191 km。渠道建設尚不完善，襯砌率不高，排水主要通過強排站將降雨和剩余水量排入松花江。中心灌區現有工程建筑物總數191座，其中節制閘7座，進水閘35座，泄水閘2座，橋涵139座，渡槽8座。

1.2 典型測試區選定

依據黑水1文發〔2013〕7號文件《2013年典型灌區取用水研究任務書》的要求，以及2013年3月測試項目組在肇源縣中心灌區調查、勘察、調研工作結果，根據肇源縣中心灌區的地質土壤、工程狀況、灌排設施和地理位置等條件綜合分析，選定肇源縣中心灌區四方山村作為本次測試工作的典型測試區，以四方山村測試區為基地，同時在全灌區范圍內進行各項任務的測試研究工作。

1.3 典型渠道及田塊的選擇

肇源縣中心灌區一般5月份春灌時期水稻耗水量最大，8月中旬水稻生育期轉變，是生理用水需水量較大的時期，因此選擇在5月份和8月份進行渠系水有效利用系數測定。渠系水有效利用系數的測定嚴格按照《灌溉渠道系統量水規范》(GB/T 21303—2007)[6]要求進行設置，根據實地勘測調查情況，在中心灌區內選定了渠道流態、流量穩定的干、支、斗渠共12個渠段，設置24個測流斷面進行流量測驗，在進行渠段流量測驗前后，認真勘察測試渠道受工程構造物影響的渠段，避開渠道水流出或外水流入的渠段。

典型田塊按照《全國農田灌溉水有效利用系數測算分析技術指導細則》(辦農水﹝2013﹞248號，以下簡稱《細則》)[7]的要求選擇，在所選測試區內選擇可代表灌區總體用水水平的典型田塊3塊。

2 測定方法與結果分析

2.1 基本方法與步驟

肇源縣中心灌區灌溉水有效利用系數測算與基礎資料收集整理同步進行，采用傳統測定法與首尾測定法測定灌區灌溉水有效利用系數。

(1)傳統測定法是通過實測獲得灌區干、支、斗、農不同級別典型渠道的渠道水利用系數，與田間水利用系數連乘得出該灌區綜合灌溉水有效利用系數，其測量步驟如下：

①在選擇的典型渠道上、下游，布設測流斷面，采用多線多點精測法施測。

②通過實測渠段首、尾兩端的流量，計算各級渠道渠系水有效利用系數。

③在所選定的典型田塊上，通過測量典型田塊灌水前后田面水層深度或土壤含水量的變化計算得到典型田塊凈灌溉用水量，通過水表計量灌入典型田塊的毛灌溉用水量，通過典型田塊毛灌溉用水量與凈灌溉用水量計算田間水利用系數。

④根據渠系水有效利用系數與田間水有效利用系數，計算得出灌區灌溉水有效利用系數。

(2)首尾測定法即直接用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)的比值來計算灌區灌溉水有效利用系數，其測量步驟如下：

①監測灌區整個灌溉期渠首的引水量，即毛灌溉用水量。

②利用直接量測法測定作物生育期凈灌溉用水量，即測定每次灌水前后田間水層的變化或土壤含水量的變化得到每次凈灌溉用水量，生育期所有灌次凈灌溉用水量之和，即為作物凈灌溉用水量。

2.2 灌溉水有效利用系數測定

2.2.1 傳統測定法

(1)渠系水有效利用系數測定。肇源縣中心灌區本次渠系測流作業分別在2013年5月17日—27日和8月13日—15日，干、支、斗渠共有12個選定測驗渠段，其中干渠3條、支渠3條、斗渠6條，布設了24個流量測驗斷面。測速垂線按精測法布設，當水深≥1.00 m采用五點法，0.60 m≤水深<1.00 m采用三點法，0.40 m≤水深<0.60 m采用二點法，0.16≤水深<0.40 m時采用一點法，水深<0.16 m時采用淺水流速儀施測。

渠道水利用系數計算公式如下：

η=1-(Q1-Q2)/Q1

(1)

式中：η為某級渠道水利用系數；Q1為渠段上游斷面流量，m3/s；Q2為渠段下游斷面流量，m3/s。

中心灌區采用流速儀法進行干、支、斗渠流量測定，渠道水有效利用系數數據統計情況見表1～表3。

渠系水有效利用系數計算公式如下：

η渠系=η干渠×η支渠×η斗渠

(2)

式中：η渠系、η干渠、η支渠、η斗渠分別為渠系、干渠、支渠、斗渠的灌溉水利用系數。

通過資料整理、統計并進行數理分析，計算得出干渠水利用系數為0.9071，支渠水利用系數為0.7535，斗渠水利用系數為0.8331。將干渠、支渠和斗渠水利用系數代入公式(2)計算，得出中心灌區渠系水有效利用系數為0.5694。

表1 肇源縣中心灌區干渠渠道水利用系數統計表

表2 肇源縣中心灌區支渠渠道水利用系數統計表

表3 肇源縣中心灌區斗渠渠道水利用系數統計表

(2)田間水有效利用系數測定。肇源縣中心灌區種植作物為水稻，采用淺曬深淺方式灌溉。所選定的典型田塊面積分別為0.213 hm2、0.300 hm2和0.200 hm2，通過實地實測灌水前后田間水層的變化得到典型田塊凈灌溉用水量；利用水表記錄灌入典型田塊的毛灌溉用水量。

田間水有效利用系數計算公式如下：

η田間=10(h2-h1)A/W

(3)

式中：h1、h2分別為灌水前后田間水層，mm；A為實灌面積，hm2；W為實灌水量，m3。

在選定的典型田塊進行測量，田面水位變化用鋼尺測量，精確到mm，每個田塊取三次測量進行計算，結果見表4。

表4 田間水利用系數計算表

根據田間水有效利用系數計算公式，計算出典型田塊田間水有效利用系數的平均值為A區0.7489，B區0.7419，C區0.7253，A、B、C三個區平均值為0.7387。

(3)灌溉水有效利用系數推求。傳統測定法灌溉水有效利用系數計算公式如下：

η灌溉水=η渠系×η田間

(4)

根據計算，利用傳統法測定的中心灌區灌溉水有效利用系數為0.4206。

2.2.2 首尾測定法

首尾測定法使用中心灌區渠首引水總量和凈灌溉用水量計算灌溉用水有效利用系數，無需測定灌溉輸水及配水、灌水過程中的損失。計算公式如下：

η灌溉水=W凈/W毛

(5)

式中：η灌溉水為灌溉用水有效利用系數；W凈為田間凈灌灌溉用水量，m3；W毛為灌區渠首總引水量，m3。

灌區渠首引水總量利用流速儀法測定，2013年中心灌區渠首引水量為11 385萬m3。灌區凈灌溉用水量通過測定典型田塊作物生育期灌水前后田面水層的變化確定，具體方法如下[7]：

根據典型田塊灌溉前后田面水深的變化來確定某次凈灌溉用水量，計算公式如下：

w田凈i=10(h2-h1)

(6)

式中:w田凈i為典型田塊某次凈灌溉用水量，m3/hm2；其他符號意義同前。

在各次凈灌溉用水量w田凈i的基礎上，推算該作物年凈灌溉用水量w田凈，即：

(7)

式中:w田凈為某典型田塊某作物年凈灌溉用水量，m3/hm2；n為典型田塊年內灌水次數，次。

根據式(7)中得出的典型田塊的年凈灌溉用水量w田凈，將三個典型田塊的年凈灌溉用水量取平均后與灌區實灌面積相乘得到灌區年凈灌溉用水量，結果見表5。按首尾測定法計算灌區灌溉水利用系數為0.4208。

2.3 結果分析

(1)利用傳統測定法得出中心灌區灌溉水有效利用系數為0.4206，其中：渠系水有效利用系數為0.5694，田間水有效利用系數為0.7387。中心灌區灌溉水有效利用系數為0.4206，體現出水資源浪費量大于有效利用水量，反映了中心灌區渠道輸水損失情況的總體水平，具體表現在投入少、改造少，工程老化，年久失修，主體工程和田間工程不配套，串灌、串排、大水漫灌等方式普遍存在，灌溉模式為粗放式，灌區的運行機制與管理模式落后，農業水費低于成本收取，灌區缺乏足夠的資金用于工程大修和日常維修養護，使既有工程惡性循環，從而造成水資源嚴重浪費。

表5 肇源縣中心灌區凈灌溉用水量計算表

(2)采用首尾測定法得出灌區灌溉水有效利用系數為0.4208，與傳統測定法相比，誤差在0.05%，充分說明本次測算結果科學準確，真實合理。該結論反映出中心灌區灌溉水有效利用水平較低，是受所處地域的地理地質構造、建筑物工程老化與渠系防滲率低滲漏量大、管理水平和灌溉技術水平低等客觀實際情況影響造成的。

3 結論與建議

(1)中心灌區灌溉水有效利用系數測算結果表明，通過傳統測定法與首尾測定法推算得出灌溉用水有效利用系數相比符合性高，誤差僅為0.05%。

(2)利用傳統測定法測得肇源縣中心灌區灌溉水利用系數為0.4206，其中渠系水有效利用系數為0.5694，田間水有效利用系數為0.7387。灌溉用水有效利用水平較低，主要受所處地域的土壤、地質結構、建筑物工程老化與渠系防滲率低滲漏量大、管理水平和灌溉技術水平低等客觀影響，表明水資源浪費量大于有效利用水量，反映了中心灌區渠道輸水損失情況的總體水平。

(3)灌區具有很大的節水空間和節水潛力。建議今后加強灌區工程建設與改造，需要通過資金多方投入，大幅度的縮減農業取用水量，實現節水工程改造后的灌區節水目標。

[1] 王小軍，張強，易小兵，等．不同措施對灌溉水有效利用系數的驅動力貢獻分析[J]．中國農村水利水電，2014(6)：33-38．

[2] 楊芳，鄭江麗，李興拼．省級灌溉水有效利用系數測算工作評估方法探討[J]．節水灌溉，2016(9)：129-132．

[3] 馮保清．我國不同分區灌溉水有效利用系數變化特征及其影響因素分析[J]．節水灌溉，2013(6)：29-32．

[4] 孟玉清，李世月，豐莎，等．三義寨灌區灌溉水利用系數首尾法測算研究[J]．人民黃河，2017，39(6)：29-32．

[5] 黑龍江省水利廳.2014年黑龍江省水資源公報．哈爾濱：黑龍江省水利廳，2015．

[6] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.灌溉渠道系統量水規范：GB/T 21303—2007[S]．北京：中國標準出版社，2007．

[7] 全國農田灌溉水有效利用系數測算分析專題組.全國農田灌溉水有效利用系數測算分析技術指導細則[Z].哈爾濱：黑龍江省水利廳，2016．