時間尺度對農田灌溉設計保證率的影響

宰松梅，馮雪芳，仵 峰※，李陸生

（1. 華北水利水電大學水利學院，鄭州 450046；2. 河南省節水農業重點實驗室，鄭州 450046）

0 引 言

隨著灌溉水資源供需矛盾的加劇，農業節水備受關注。降水的時空分布不均極大地影響著農業節水工作，康紹忠等[1-2]提出應該加強對農田尺度水分高效利用方面的研究。針對農業節水灌溉的尺度問題國內外進行了一系列的研究，“灌溉水文學”這一概念隨之產生[3-4]。目前，在空間尺度效應研究方面已取得了很多有用的成果[5-9]。在時間尺度效應方面的研究，大部分從作物蒸散發角度進行[10-13]，或選用小尺度（日、小時、分鐘）分布式水文模型進行流域水文模擬[14]，或采用旬降雨尺度結合降雨中短期預報制定灌溉制度[15]，對于時間尺度效應與灌溉設計保證率之間的關系研究較少。

灌溉設計保證率是灌溉設計工作的基礎，是反映灌區效益的一個重要技術指標。灌溉設計保證率的選定，將影響著整個灌區灌溉工程建筑物的規模和灌溉面積的大小，取值太高或太低都是不經濟的[16]。目前，根據中國《灌溉與排水工程設計規范》（GB 50288—99）[17]（以下簡稱“規范”）規定，灌溉設計保證率可根據不同地區、不同灌水方法及不同種植作物種類查表選擇，極大地方便了灌溉工程設計工作。隨著農業水資源緊缺狀況的加劇，對灌溉設計保證率的要求越來越精確。

傳統的灌溉設計保證率通常采用典型年法來確定，典型年的選擇通常僅考慮降水的數量，并沒有考慮降水的時間分布不均問題，而灌溉制度的制訂需要精確到月或旬，甚至是周、日。尹正杰等[18]指出，現行的灌溉保證率按年進行評價，而作物的灌溉是按月或旬來管理，二者在時間步長上不同步。針對于此，周潮生等[19]將季調節與連晴天數結合起來計算灌溉設計保證率，以此彌補灌溉設計保證率選定時降雨在時間上的分布不均問題。蔡甲冰等[20]為了消除降雨的時空分布不均問題，提出用作物靜灌溉需水量進行頻率計算選定設計典型年。羅高榮[21]在考慮實際上游來水、天然降水及作物需水量的隨機性的前提下，提出 1種計算灌溉設計保證率的數學模型，以此來提高灌溉設計保證率的保證程度。鄒谷泉等[22]采用水利經濟分析方法選定灌溉設計保證率。

在審查和參與全國各地小型農田水利工程的過程中，發現傳統的典型年法確定灌溉設計保證率在時間尺度上與小型農田水利工程實際存在較大偏差，需要審視現行灌溉設計保證率及其選取方法。本文針對季風氣候區夏季降水多、冬季降水少的季節分布不均勻特征[23-24]，以河南省鄭州市為例，研究不同時間尺度對灌溉設計保證率的影響，并將不同時間尺度下的降雨量進行對比分析，通過不同時間尺度下的節水效果探討合適的時間尺度，以期完善灌溉設計保證率的選定方法，推動中國節水灌溉事業的發展。

1 材料與方法

1.1 數據來源

以河南省鄭州市為例，鄭州市氣象基準站站號為57083，位于東經 113.65°，北緯 34.72°，海拔高度為110.4 m。氣象數據來自中國氣象數據網，取1951—2015年的逐日數據。

按研究目的，將氣象數據分為降雨數據和用于修正彭曼公式計算ET0的數據2大部分，該公式所需的主要逐日氣象資料包括平均氣溫、水氣壓、日照時數、2 m高處風速等。

式中ET0為參考作物需水量，mm/d；Rn為輸入冠層靜輻射量，MJ/(m2·d)；G為土壤熱通量，MJ/(m2·d)；T為 2 m高處日平均溫度，℃；u2為2 m高處風速，m/s；es為飽和水汽壓，kPa；ea為實際水汽壓，kPa；D為飽和水汽壓與溫度關系曲線在某處的斜率，kPa/℃；γ為干濕溫度計常數，kPa/℃：式中各變量的計算方法具體參考文獻[25]。

1.2 灌溉設計保證率

灌溉設計保證率是指灌區用水量在多年期間能夠得到充分滿足的幾率，一般以正常供水的年數或供水不破壞的年數占總年數的百分數表示[25]，利用經驗頻率公式計算

式中P為灌溉設計保證率，%；m為按設計灌溉用水量供水的年數，a；n為總年數，a。

灌溉設計保證率是灌溉工程參數之一，是規劃設計的一個基礎指標，其所定數值合理與否將直接影響到工程的規模及效益。

1.3 典型年選擇方法

對一個給定灌區，由于降雨量的年際變化，在進行灌溉工程規劃時，需要確定一個特定的水文年份，作為規劃設計依據，根據設計典型年的氣象資料來計算“設計灌溉制度”。

常規典型年的選擇采用配線法，其時間尺度為年尺度。該方法從以往的年份中，通過對年尺度下的降雨資料系列排頻計算，得到 1條皮爾遜Ⅲ型理論頻率曲線，從該曲線上選出2～3個符合灌溉設計保證率的年份，按“年內分配最不利”原則確定典型年，并以此作為擬定灌溉制度的依據。

研究中，首先以年降雨為計算尺度選擇典型年，再對相同保證率下不同年份的月、旬降雨進行比較分析。然后以作物需水關鍵期對應的月、旬的降雨為計算時間段，選出相應保證率時的典型年，并分析其降雨變化。

按照上述擬定的計算時間尺度，運用水文頻率計算中的配線法，對鄭州市1951—2015年的年降雨量、月降雨量及旬降雨量分別進行排頻計算。

1.4 灌溉制度

河南是國家糧食主產區，以冬小麥-夏玉米連作為主，根據多年來的生產經驗，4月是冬小麥灌漿期，7月、8月分別為玉米拔節和灌漿期，是以上 2大農作物的關鍵生育時期[26]。為簡化分析，在典型月及典型旬的選擇時，重點考慮作物需水關鍵期，即選擇4月、7月和8月進行分析。

在制訂作物灌溉制度時，按降雨的年尺度進行排頻，選擇不同保證率時對應的降水資料，按1.3所述的方法，分別計算不同降雨計算時間段（季尺度、月尺度、旬尺度、日尺度）對應的降雨量，作為農田水量平衡分析中的降雨量，有效降雨參考文獻[25]的方法進行計算。

作物需水量計算時，以河南省節水農業重點實驗室的試驗地為例，其土壤最大含水率為 35%，最小含水率為 16%（均為體積含水率），因當地的地下水埋深超過8 m，地下水補給量暫不計。作物系數查文獻[26]得到。冬小麥和夏玉米各生育期內計劃濕潤層深度如表1所示。

表1 作物各生育期計劃濕潤層深度及作物系數Table 1 Planned wetted soil depth and crop coefficient in different growth periods

參考作物需水量采用修正彭曼公式，利用EXCEL自編計算程序進行計算，按水量平衡法進行作物灌溉制度的推求。

2 結果與分析

2.1 時間尺度降雨量分析

用皮爾遜Ⅲ型曲線對鄭州地區1951—2015年的年降雨數據進行擬合，選出在對應不同灌溉設計保證率下（P=25%、50%、75%、90%）的各典型年，結果如下。

2.1.1 年尺度降雨量

1）典型年降雨量計算

對1951—2015年的年降雨量進行排頻計算，當降雨頻率與灌溉設計保證率差值在±5%以內，即可選定為典型年。選出的典型年及其降雨量見表2。從表2可以看出，相同灌溉設計保證率下各典型年的年降雨量數值相差較小。

2）典型年的月降水分布

以灌溉設計保證率為 25%為例，在年降雨量相差不大的情況下，將對應的月降雨量進行對比，結果如圖 1所示。

從圖 1可以看出，在相同灌溉設計保證率下，雖然各典型年的降雨量相差較小，但各典型年對應的月降雨量數值相差較大。如5月份的降雨量最大值是1985年的227.4 mm，最小值是1994年的42.4 mm，相差5倍以上；而8月份的降雨量最大值為2009年的270.2 mm，最小值為1994年的54.2 mm，相差接近5倍，說明灌溉設計保證率按年尺度來選擇時，對降雨的時間分布不均問題考慮不足，作物不能很好地利用降雨資源，甚至一部分降雨是無效的，從而造成水資源的浪費。

3）典型年的旬降水分布

對比灌溉設計保證率為 25%時各典型年下對應的 4月、7月、8月的上中下各旬的降雨量，4月上旬降雨量的最大值和最小值分別為1963年的17.8 mm、2009年的0 mm；4月中旬降雨量的最大值和最小值分別為1994年的82.6 mm、2005年的0 mm；4月下旬降雨量的最大值和最小值分別為1963年的5.0 mm、1994年的0 mm和2005年的0 mm。相同頻率下各典型年的旬降雨量差值較大，極值分布年份也不同。7月、8月的旬降雨量極差規律與4月相似。

表2 灌溉設計保證率下典型年的年降雨量Table 2 Annual rainfall of typical year under probability of irrigation water requirement

對于作物而言，生長期通常在1 a以內，而且其關鍵生長期需要精確到月或旬，故在灌溉系統中按年尺度來選定灌溉設計保證率，對于作物而言并不具有代表性，其保證程度也較低。另外，規范[17]中選擇典型年按“年內分配最不利”原則，若恰巧選擇的典型年在作物生育期內降水較少，為滿足作物生長的需要，依靠灌溉系統向作物供水量就多。這樣帶來的負面影響有 2個方面，一是不利于作物生長期中對降水的充分利用；二是造成灌溉設計工程投資大，與當地生產實際需要脫節。

2.1.2 月尺度降雨量

分別對1951—2015年4月、7月、8月的月降雨量進行排頻計算，仍按頻率上下浮動5%選出月尺度對應的典型年。灌溉設計保證率相同，根據不同時間尺度選擇的典型年年份不同。對比不同時間尺度下4月、7月、8月的降雨量極差，如圖2所示。

在灌溉設計保證率分別為25%、50%、75%和90%時，4月、7月和8月的降雨量極差，年尺度大于月尺度（除P=75%的情況，此時由于典型年只有1 a，故年尺度下4月、7月、8月的極差為0），這表明按年尺度選擇典型年，其月降雨量值極差大于相應月尺度下的降雨量極差，則降雨量的不均勻程度最高。由于灌溉工程預先根據典型年確定相應的灌溉規模及灌溉量，在灌溉量一定的情況下，作物需水能否得到滿足就取決于降雨的保證程度，故典型年選擇的時間尺度合理與否將影響到灌溉設計保證率的保證程度。

圖2 不同時間尺度下的降雨量極差Fig.2 Range of rainfall under different time scales

2.1.3 旬尺度降雨量

通過對1951—2015年4月、7月、8月的上中下各旬的降水排頻計算，設計時段為旬時，在頻率分別為25%、50%、75%、90%的情況下，4月、7月、8月的極差變得更小。從圖 2可以看出，降水極差由大到小依次為年尺度、月尺度、旬尺度。對于不同的作物，其作物需水敏感期及灌水周期也不同，故在確定典型時段時需要結合作物的實際情況選擇不同的設計時段。

2.2 時間尺度對灌溉設計保證率的影響

依據自然條件、經濟狀況、灌水方式和作物種類等，不同國家（地區）有不同的規定。國外的灌溉設計保證率一般在 75%以上，甚至有的國家達到 98%[27-28]。中國的規范[17]規定，灌溉設計保證率需在50%～95%之間。其他相關規范及導則有對規范[17]中灌溉設計保證率的定義及要求的完全引用[29-32]，也有單獨規定[33-35]，其設定值的大小主要是依據灌溉設施、種植作物及水源條件等變化。如缺水地區以旱作物為主時，灌溉設計保證率取值可以低一些；豐水地區以水稻為主時，其值需要高一些；同一地區，水田的灌溉設計保證率比旱田高一些。利用先進的灌溉設施灌溉經濟作物時，灌溉保證率高一些；對于園林綠地植物，選定中等干旱年作為設計標準，在保證工程較強的適應能力的同時，也使得工程具有合理的投資。在具體計算灌溉設計保證率時，還需考慮灌溉取水工程有、無徑流調節措施。

從各種規范、標準、導則中可以看出，灌溉設計保證率較少涉及其時間尺度，多以年降雨量排頻進行分析，選擇了年作為計算時間尺度，默認了來水量可以在不同計算時段內實現完全調節，使得來水量完全能夠被灌溉所利用。事實上，當以年為單位時，來水量的計算就是以年調節為前提條件，而作物灌溉則以作物生育期、季或旬為時間單位，其需水調節也達不到年調節，這就出現了典型年選擇的時間尺度與作物灌溉需要不匹配的矛盾。

同時，在沒有工程調節措施時，作物的需水量調節是以根區土壤有效庫容為基礎，結合作物需水量、氣象條件、灌水周期等實現灌溉水量的有限調節，與上述同時段的來水量也不能完全保持一致。因而，利用降雨或來水量進行灌溉設計保證率計算，存在供需水時間尺度不同步的現象。

2.3 時間尺度對灌溉制度的影響

在制訂河南省節水農業重點實驗室試驗田的冬小麥和夏玉米的灌溉制度時，依然用典型年法來確定其典型年。P=25%時，典型年分別為2005、1985和1994；P=50%時，典型年分別為1982、1961和1976；P=75%時，典型年為1989；P=90%時，典型年分別為1959、1966和1988。將典型年中的降雨分成不同時間尺度（由大到小依次為季尺度、月尺度、旬尺度、日尺度），利用不同的降雨尺度來擬定各自的灌溉制度。

根據水量平衡法計算得出不同典型年冬小麥及夏玉米的灌溉制度，由小麥各生育期的計劃濕潤層深度計算土層允許儲水量的上下限，作物灌溉定額、生育期內的降水利用量及作物需水量（該處定義需水量為作物灌溉定額和生育期內的降水利用量之和）見圖3。

由圖 3可知，灌溉設計保證率相同時，不同時間尺度下，典型年各年份的需水量差異均不大，但灌溉定額和降雨利用量均有差異。在不同灌溉設計保證率下，隨著時間尺度的減小，冬小麥和夏玉米灌溉定額呈現下降趨勢，相應的降雨利用量呈現增長趨勢。這表明冬小麥和夏玉米的灌溉定額與降雨利用量是一種互補關系，即降雨利用量少，灌溉定額就多；反之，降雨利用量多，相應的灌溉定額就少。

不同時間尺度下的年灌溉定額及年降雨利用量如表3所示。采用方差分析研究時間尺度對灌溉定額和降雨利用量影響的顯著性，檢驗水平α為0.05。

由表3可知，在灌溉設計保證率為25%時，季尺度下的年灌溉定額顯著高于日尺度下的年灌溉定額，日尺度下的年灌溉定額較季尺度、月尺度和旬尺度分別降低了34%、23%和3%。季尺度和月尺度下的降雨利用量均顯著低于日尺度下的降雨利用量。這說明在制定灌溉制度時，豐水年采用季尺度有可能造成降雨量浪費，降雨計算的時間尺度不適合采用季尺度。在偏枯水年（P=90%），隨著時間尺度的減小，年降雨利用量呈上升的趨勢，季尺度均明顯低于旬、日尺度，年灌溉定額呈下降趨勢，但差異不明顯。說明隨著降雨的計算時間尺度減小，降雨越來越充分得到利用，將會節省一定的灌溉水量。

圖3 不同時間尺度下作物需水量、灌溉定額及降雨利用量Fig.3 Crop water demand, irrigation quota and rainfall utilization under different time scales

表3 不同時間尺度下年灌溉定額及年降雨利用量均值Table 3 Average annual irrigation quota and annual rainfall utilization under different time scales

但是，采用的降雨計算時間尺度并不是越小越好。由于降雨的隨機性，未來降雨在選定的尺度下可能發生提前或推遲的現象，尺度越小，對應降雨區間越小，降雨發生在該區間的可能性越小，故降雨計算時間尺度越短，降雨時間精準性程度越低，從而使得灌溉設計保證率的保證程度降低。故在缺乏調節措施時，要兼顧降雨利用率和灌溉設計保證率的實現程度，建議小規模的小型農田水利工程的計算時間尺度可以增加旬或月分析。

3 結 論

利用河南省鄭州市1951—2015年的降雨資料，按年降雨量和作物需水關鍵期對應的月降雨量、旬降雨量，分析了灌溉設計保證率的時間尺度效應。同時按照規范，選出不同灌溉設計保證率對應的典型年，分析了不同的降雨計算時間尺度下對應的典型年；采用水量平衡法，制定了作物灌溉制度，對比分析不同典型年的灌溉定額及降雨利用量的差別。得出以下主要結論：

1）針對中國大部分地區位于季風氣候區，降水季節性明顯，年內分布不均等特點，采用月、旬等小尺度選擇典型年，在一定程度上解決了降雨的時間分布不均問題，可以提高作物生育期內降雨利用率。

2）不同時間尺度下，河南鄭州地區典型年冬小麥-夏玉米連作的灌溉制度存在差異。隨著時間尺度的減小，年灌溉定額呈下降趨勢，而年降雨利用量表現出上升趨勢。在 25%灌溉設計保證率下，季尺度下的年灌溉定額顯著高于日尺度，日尺度下的年灌溉定額較季、月和旬尺度分別降低了34%、23%和3%；偏干旱年灌溉定額隨降水計算尺度減小而減小，但差異不明顯。

3）灌溉設計保證率選擇的依據是各相關規范、標準、規程、導則等，各規范對灌溉設計保證率的規定主要參照《灌溉與排水工程設計規范》（GB50288—99）的要求，雖然有明確灌溉設計保證率定義、選擇及計算，但總體上對時間尺度效應考慮不足。在大力推動節水灌溉事業的今天，時間尺度的長短會影響其保證程度，且不同的時間尺度具有不同的節水潛力與效果。若能選擇合適的時間尺度，既能保證灌溉設計保證率的保證程度，又能很好的利用各種水資源，對于促進節水灌溉事業發展大有幫助。

4 展 望

目前，對灌溉設計保證率的理解和認識尚不完善，如采用作物生育關鍵期的月尺度或旬尺度來制定灌溉制度，重點需要從以下幾個方面來考慮：1）灌溉設計保證率與作物需水敏感期相結合，保證在作物需水敏感期的灌水；同時，從作物對水的反應機制上入手，考慮調虧灌溉，協調土壤-植物-大氣之間的關系，提高水分利用效率。2）灌溉設計保證率與作物的灌水周期相結合，以便于指導灌溉管理工作；3）考慮灌水方式和灌水技術等的影響；4）經濟性評價，如何選擇灌溉設計保證率使得經濟效益最佳，需要利用經濟分析的方法。

同時，在天氣預報日益精準的今天，能否結合其中、短期預報成果來制定灌溉制度，以使得小尺度的降雨量及降雨時間更精準，有待深入研究。

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