農田灌溉水有效利用系數測算分析

鄢文生

(盤州市水務局，貴州 盤州 553537)

隨著我國社會經濟的發展，水資源緊缺形勢日益緊張，根據現有水資源的使用分配情況來看，農業灌溉用水占比達到80%，其灌溉方式總體較為粗放，灌溉水利用效率較低，由此如何實現水資源的合理開發與高效利用十分關鍵。為充分挖掘農田節水潛力、科學指導節水改造，科學開展灌溉水有效利用系數測算分析與評估備受關注，這也是本文分析的重點所在。

1 農田灌溉水有效利用系數概念

灌溉水有效利用系數是表征灌溉用水效率的重要指標，在區域農業水資源的管理、節水農業技術措施的實施效果評價中發揮著關鍵性的作用，為灌溉系統優化提供了可靠依據[1]。

本文主要針對農田灌溉水有效利用系數展開具體分析，其指的是田間所需凈流量(水量)與渠首引入流量(水量)之比，根據灌溉水整個流經過程，可將其分解為兩部分：渠系水有效利用系數、田間水有效利用系數。在農業發展中，通過灌溉水有效利用系數的科學測算分析，有利于全面掌握農業灌溉中不同環節用水情況，明確灌區節水潛力，真正找出節水核心環節，制定合理的、可行的節水灌溉發展規劃，切實緩解區域水資源供需矛盾，促進農業可持續發展[2]。

2 農田灌溉水有效利用系數測算的方法

現階段農田灌溉水有效利用系數測算方法主要有兩種，一種是首尾測定法，另一種是典型渠段法。

2.1 首尾測定法

首尾測定法，即：只測定被作物吸收利用的水量W田凈與灌區渠首引入水量W總，灌溉水有效利用系數η計算公式如下：

(1)

式中：η為灌溉水有效利用系數；W總為灌區渠首引入水量，m3；W田凈為被作物吸收利用的水量，m3。

在實際測算中，W總根據灌區當年用水量資料確定，W田凈的確定方法較多，據此可將首尾法分為以下幾種。

2.1.1 直接計算法

此方法利用灌區灌水定額M、灌區總灌溉面積A(單位：畝)相乘獲得W田凈，具體計算公式如下：

W田凈=M·A

(2)

式中：M為灌區灌水定額，m3/畝；A為灌區總灌溉面積，畝。

2.1.2 田間試驗法

此方法通過測定灌溉前后土壤濕潤層內土壤含水率獲得W田凈，具體計算公式如下：

(3)

式中：H為土壤計劃濕潤層深度，cm；γ為土壤干容重，g/cm3；θgi為第i次灌水前土壤含水率，%；θ0i為第i次灌水后土壤含水率，%；i為灌水次數，次。

2.1.3 作物需水量法

無降水、地下水埋深大地區，可直接將作物需水量ET當作W田凈；有降水或是地下水補給地區，可以用ET減去有效降水量P0、地下水補給量K獲得W田凈，具體計算公式如下：

W田凈=(ET-P0-K)·A

(4)

式中：ET為作物需水量，m3/(畝·d)；P0為有效降水量，m3/畝；K為地下水補給量，m3/畝。

在實際測算中，ET主要根據作物、氣象資料，通過Penman-Monteith公式估算，并結合當地已有試驗資料驗證。

2.2 典型渠段法

典型渠段法，灌區內選擇代表性渠段，測定渠段水有效利用系數，并做好修正工作，通過其與田間水有效利用系數相乘獲得灌溉水有效利用系數[3]。

2.2.1 測定方法

(1)田間水有效利用系數。此系數為W田凈與末級農渠進入田間水量W末級之比，具體公式如下：

(5)

式中：W末級為末級農渠進入田間水量，m3。

在實際測算中，W田凈的測定與首尾法一致，W末級可通過在渠尾設量水建筑物、流速儀測定。

(2)渠系水有效利用系數。此系統為灌水期間同時工作各級渠道水有效利用系數的乘積，需對干、支、斗、農渠等分別進行測算，具體方法如下：

(6)

式中：η渠道為渠道水有效利用系數；ΔL為代表性渠段長度，m；Δt為沖水時間，s；ΔV為充水水量，m3；A為渠道截面積，m2；V為通過渠道流量，m3/s。

②動水測定法。此方法主要是對上下游過水斷面流量進行測定，經計算后獲得相應的渠段水利用系數，具體公式如下：

(7)

式中：Q上為渠段上斷面流量，m3/s；Q下為渠段下斷面流量，m3/s。

在實際測定中，有流速法、水工建筑物法兩種方法，前者主要是采用浮標、流速儀進行測量；后者主要是根據壩址處水力條件等，選擇量水建筑物，如：巴歇爾量水槽、梯形量水堰。

2.2.2 計算方法

(1)渠道水利用系數計算及修正。各級渠道(干、支、斗、農)η渠道計算公式如下：

η渠道=η渠段L/ΔL

(8)

式中：η渠道為渠段水有效利用系數；L為渠道長度，m；ΔL為代表性渠段長度，m。

灌區中輸配水渠道較復雜，即使是同一級渠道對于水的利用效率也是存在差異的，因此必須做好η渠道修正工作，具體公式如下：

(9)

式中：η為未修正渠道水利用系數；η修為修正后的渠道水利用系數；n為下一級渠道條數。

(2)灌區渠系水利用系數。

η渠系=η干η支η斗η農

(10)

式中：η渠系為渠系水利用系數；η干、η支、η斗、η農為干、支、斗、農渠修正后各級渠道水利用系數。

(3)全灌區灌溉水利用系數。此系數主要由η渠系、η田間相乘所得，具體公式如下：

η灌區=η渠系η田間

(11)

式中：η灌區為全灌區灌溉水利用系數。

3 實例探析農田灌溉水有效利用系數的測算

本文僅以某灌區灌溉水利用系數首尾法測算為例展開具體分析。

3.1 項目背景

本文僅以某特大型灌區為例展開分析，其在工程尚未形成時出現大水漫灌的情況，導致大面積土地次生鹽堿災害，被迫停灌，多次改造后設計引水能力減至141 m3/s，后基于水資源管理要求，灌區續建配套與節水改造工程建設。此灌區主要采用渠灌、井灌以及井灌與渠灌結合的灌溉模式，以旱作物種植為主，夏糧作物、早(晚)秋作物分別為小麥、棉花、玉米，少量種植大豆、花生。

3.2 灌區灌溉水利用系數測算

3.2.1 選取計算時段

綜合考慮灌區作物生育期(小麥：上年10月—當年5月；棉花：當年4—10月；玉米：當年6—9月)，最終選定計算時段上年10月—當年10月。

3.2.2 測算灌區農業灌溉凈用水量

本項目采用首尾法中的作物需水量法進行計算。

(1)采用參考作物法(單作物)計算獲得作物需水量ETC，具體公式如下：

ETC=KCET0

(12)

式中：KC為參考作物的作物系數；ET0為參考作物的騰發量，mm。

根據灌區規劃報告，確定小麥、棉花、玉米KC值，ET0采用彭曼修正公式計算，氣象數據依據相關觀測計算，具體計算結果如表1所示。

(2)采用有效降水系數與次降水量相乘獲得有效降水量，本項目結合以往降水資料，確定有效降水系數，具體取值參考表2。本灌區有效降水量逐旬計算結果見表3。

(3)采用灌區地下水利用量經驗公式與地下水埋深觀測資料計算獲得地下水補給量，此區域地下水埋深絕大多數超過2.8 m，地下水補給量基本為零，綜合考慮后決定忽略地下水補給量。

表1 灌區主要農作物全生育期需水量 mm

表2 有效降水系數確定

表3 灌區有效降水量逐旬計算結果 mm

(4)采用灌區綜合作物全生育期需水量(見表4)減去有效降水量獲得灌區灌溉凈用水量為203.48 mm，以此值乘以當年實際灌溉面積15.84萬hm2，可得灌區灌溉凈用水總量32 231.84萬m3。

表4 灌區綜合作物全生育期需水量

3.2.3 測算灌區毛灌溉用水總量

(1)采用明渠測流的方法確定渠道總引水量，并通過橋測或纜道測量過水斷面面積和斷面流速的方法獲得過水斷面流量。對上年10月—今年10月渠道水量進行監測，最終測定計算得到灌區渠道總引水量30 245.53萬m3。

(2)采用水表計量的方法確定灌區工業生產和城市生活用水量，上年10月—當年10月共計1293.81萬m3。

(3)采用渠道總引水量減去灌區工業生產和城市生活用水量獲得灌區渠道農業灌溉引水量為28 951.72萬m3。

(4)采用調查統計的方法獲得灌區機電井提水灌溉水量為41 654.00萬m3。

(5)采用引水與提水相加的方法獲得灌溉毛用水量為70 605.72萬m3。

3.2.4 灌溉水利用系數計算

根據上述計算結果，可得灌區灌溉水利用系數為0.457，近年來隨著節水改造工程的持續推進，灌溉水利用系數逐年提高，本次計算結果與往年數據相比較為合理。

4 結 語

面對我國水資源短缺、工業(城市)用水量急劇增加這一形勢，用水效率成為全社會的關注焦點之一。在各地農業發展中，必須科學開展灌溉用水有效利用系數計算，以采取針對性的措施提高灌溉用水有效利用系數，充分挖掘農業節水潛力，實現有限水資源合理配置和高效利用，促進農業增產、農民增收。