基于首尾測(cè)算法的太湖縣灌溉水利用系數(shù)測(cè)算研究

李建國(guó)，黃夢(mèng)婷，賈冬梅

（1.安徽省水利部淮河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院，安徽 合肥 230088；2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210009）

0 前言

灌溉水有效利用系數(shù)是衡量作物田間水利用效率的一項(xiàng)重要指標(biāo)，在實(shí)際應(yīng)用中通常被定義為灌入田間實(shí)際可被作物利用的水量與灌溉水源取水口引水量之比。傳統(tǒng)測(cè)定灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)的方法，是先測(cè)定求出渠系水利用系數(shù)和田間水利用系數(shù)，然后兩者相乘得到灌區(qū)的灌溉水有效利用系數(shù)。然后在實(shí)際操作中，測(cè)定渠系利用系數(shù)通常難度較大，這給工程實(shí)踐帶來(lái)一定困難。為解決這一問(wèn)題，部分專(zhuān)家學(xué)者提出采用首尾測(cè)算法測(cè)定田間灌溉水利用系數(shù)。所謂的“首尾測(cè)算法”是指，不考慮渠道輸水過(guò)程中的水量損失，而直接用最終達(dá)到的結(jié)果來(lái)確定，即只測(cè)定灌區(qū)渠首引進(jìn)的水量和最終貯存在作物計(jì)劃濕潤(rùn)層的水量，從而繞開(kāi)了測(cè)定渠系水利用系數(shù)這個(gè)環(huán)節(jié)，大大減少了工作量和不穩(wěn)定因素，成為當(dāng)前灌溉水利用系數(shù)測(cè)算中較為可靠的方法[1-3]。

1 研究方法

“首尾測(cè)算分析法”，就是將田間凈灌溉用水總量除以渠首引進(jìn)的毛灌溉用水總量，從而得到灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)。根據(jù)區(qū)域內(nèi)樣點(diǎn)灌區(qū)系數(shù)，結(jié)合區(qū)域灌溉用水情況，按照一定點(diǎn)面轉(zhuǎn)換關(guān)系，計(jì)算分析出區(qū)域系數(shù)。其主要步驟包括：樣點(diǎn)灌區(qū)選擇→典型田塊選擇→典型田塊畝均凈灌溉用水量觀測(cè)與計(jì)算→樣點(diǎn)灌區(qū)凈、毛灌溉用水總量計(jì)算→區(qū)域大、中、小、純井灌區(qū)系數(shù)計(jì)算→區(qū)域系數(shù)計(jì)算。具體技術(shù)路線圖如下。

圖1 樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)測(cè)算技術(shù)路線圖

2 樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)測(cè)算

2.1 研究區(qū)概況

太湖縣位于安徽省西南部，大別山南麓，長(zhǎng)江北岸，隸屬于安徽省安慶市。全縣多年平均降水量為920.6mm，但降水在年際和年內(nèi)極不均勻，主要集中在6～9月，約占全年60%。2017年太湖縣耕地有效灌溉面積49.73萬(wàn)畝，其中大型灌區(qū)9.5萬(wàn)畝，中型灌區(qū)8.95萬(wàn)畝，小型灌區(qū)0.75萬(wàn)畝。各類(lèi)灌區(qū)4159處，其中大型灌區(qū)1處，中型灌區(qū)10處，小型灌區(qū)6處，井灌區(qū)4142處。據(jù)統(tǒng)計(jì)，太湖縣2017年農(nóng)田灌溉用水 3446 萬(wàn) m3。

2.2 樣點(diǎn)灌區(qū)的選取

太湖縣下轄的花涼亭灌區(qū)作為全省農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算樣點(diǎn)灌區(qū)之一，可作為本次灌溉水利用系數(shù)測(cè)算的樣點(diǎn)灌區(qū)。中型、小型及井灌區(qū)樣點(diǎn)灌區(qū)的選擇主要根據(jù)全縣地形特征、作物種植以及灌溉習(xí)慣等因素綜合考慮。目前試點(diǎn)區(qū)共有中型灌區(qū)10處，其中5～15萬(wàn)畝1處（兩河口站灌區(qū)，有效灌溉面積2萬(wàn)畝），1～5萬(wàn)畝9處，故選擇兩河口站灌區(qū)及另外3處一般中型灌區(qū)。由于試點(diǎn)區(qū)小型灌區(qū)較少，故選取6處全部作為樣點(diǎn)灌區(qū)。井灌區(qū)按照不同灌溉方式，選擇軟管輸水灌溉、噴灌、微灌分別為12、6、2處。樣點(diǎn)灌區(qū)選取方案如表1所示。

2.3 毛灌溉用水總量的確定

灌溉用水總量是指灌區(qū)全年用于農(nóng)田灌溉的從水源地引入（取用）的總水量，其等于從水源地取水總量扣除由于工程保護(hù)、防洪除險(xiǎn)等需要的渠道（管路）棄水量。其值是根據(jù)灌區(qū)從水源地實(shí)際取水測(cè)量值統(tǒng)計(jì)取得，而非其它如計(jì)收水費(fèi)等目的收費(fèi)計(jì)量水量數(shù)值。

2.4 凈灌溉用水量的確定

不同灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)、灌溉水源、灌溉方式等均有不同，本文主要針對(duì)充分灌溉、非充分灌溉、水稻灌區(qū)等幾種主要灌溉情況，提出相應(yīng)的凈灌溉用水量測(cè)算方法。對(duì)灌區(qū)范圍較大，區(qū)域氣候氣象條件、灌溉用水實(shí)際情況差異明顯，則在灌區(qū)內(nèi)分區(qū)域進(jìn)行典型分析測(cè)算，再以分區(qū)結(jié)果為依據(jù)匯總分析整個(gè)灌區(qū)凈灌溉用水量。

3 樣點(diǎn)灌區(qū)測(cè)算結(jié)果分析

3.1 大型灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)測(cè)算

太湖縣大型灌區(qū)只有花涼亭灌區(qū)1處。根據(jù)首尾測(cè)算分析法對(duì)大型自流灌區(qū)計(jì)算分析，花涼亭灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)為0.4815。其中灌區(qū)凈灌溉用水量計(jì)算詳見(jiàn)表1，灌溉水利用系數(shù)測(cè)算結(jié)果如表2所示。

3.2 中型灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)測(cè)算

太湖縣中型灌區(qū)全部為自流灌區(qū)。根據(jù)首尾測(cè)算分析法的計(jì)算出太湖縣中型自流灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)為0.5218～0.5240，各中型灌區(qū)各作物凈灌溉用水量詳見(jiàn)表3，灌溉水有效利用系數(shù)計(jì)算詳見(jiàn)表4。

以中型樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)為基礎(chǔ)，然后依據(jù)匯總得出的灌區(qū)年毛灌溉用水量對(duì)灌溉水有效利用系數(shù)進(jìn)行加權(quán)平均得出全區(qū)中型灌區(qū)的灌溉水有效利用系數(shù)。計(jì)算公式如下[4]：

式中：η中——中型灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)；

η中自、η中提——分別為中型自流和中型提水樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)；

W中自、W中提——分別為中型自流和中型提水灌區(qū)年毛灌溉用水量，萬(wàn)m3。

大型灌區(qū)年度凈灌溉用水量計(jì)算表 表1

大型灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)測(cè)算表 表2

中型灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)測(cè)算表 表4

經(jīng)計(jì)算，全縣樣點(diǎn)中型灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)為0.5229。

3.3 小型灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)測(cè)算

太湖縣小型灌區(qū)全部為自流灌區(qū)，共有53處，灌溉水源為水庫(kù)、塘壩等，本次測(cè)算選取4處作為樣點(diǎn)灌區(qū)。根據(jù)首尾測(cè)算分析法的計(jì)算公式計(jì)算出小型提水灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)0.5816～0.6074，各小型提水灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)計(jì)算詳見(jiàn)表5。

以測(cè)算分析得出的各個(gè)小型灌區(qū)樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)為基礎(chǔ)，采用算術(shù)平均法計(jì)算縣級(jí)區(qū)域小型灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)[5、6]。計(jì)算公式如下：

式中：η小——小型灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)；

η小i——第i個(gè)小型灌區(qū)樣點(diǎn)灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)；

n——小型灌區(qū)樣點(diǎn)灌區(qū)數(shù)量。

經(jīng)計(jì)算，全縣樣點(diǎn)小型灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)為0.5908。

3.4 全縣灌溉水利用系數(shù)測(cè)算

區(qū)域灌溉水有效利用系數(shù)η是指該區(qū)域年凈灌溉用水量W凈與年毛灌溉用水量W毛的比值。在已知各規(guī)模與類(lèi)型灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)和年毛灌溉用水量的情況下，區(qū)域灌溉水有效利用系數(shù)按下式計(jì)算[7-9]：

式中：W大、W中、W小、W井——分別為區(qū)域大、中、小型灌區(qū)和純井灌區(qū)的年毛灌溉用水量，萬(wàn)m3；

η大、η中、η小、η井——分別為區(qū)域大、中、小型灌區(qū)和純井灌區(qū)的灌溉用水有效利用系數(shù)。

根據(jù)以上方法計(jì)算，太湖縣2017年農(nóng)田灌溉總用水量19005.8萬(wàn)m3，全縣灌溉水有效利用系數(shù)為0.506，不同規(guī)模與水源類(lèi)型灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)平均值詳見(jiàn)表6。

3.5 全縣灌溉水利用系數(shù)測(cè)算對(duì)比分析

由圖2可知，太湖縣2017年度全縣畝均用水量691.4m3/畝，大型灌區(qū)畝均用水量707.1m3/畝，中型灌區(qū)畝均用水量695.5m3/畝，小型灌區(qū)畝均用水量607.6m3/畝?？傮w趨勢(shì)表現(xiàn)為隨灌區(qū)規(guī)模的增加，灌區(qū)畝均用水量呈上升趨勢(shì)，而灌溉水利用系數(shù)則隨灌區(qū)規(guī)模的增加表現(xiàn)為逐漸降低的趨勢(shì)。分析其原因，主要是因?yàn)樾⌒凸鄥^(qū)相比大型灌區(qū)輸水距離小，各級(jí)渠道總長(zhǎng)度較短，因此，在作物種植結(jié)構(gòu)、降雨等條件基本一致的情況下，規(guī)模較小的灌區(qū)畝均灌溉用水量通常小于規(guī)模較大灌區(qū)，而農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)通常是前者大于后者，該測(cè)算結(jié)果也是符合常規(guī)趨勢(shì)[10]。

小型自流灌區(qū)各作物凈灌溉用水量及灌溉水有效利用系數(shù)計(jì)算表 表5

全縣不同規(guī)模與水源類(lèi)型灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)測(cè)算表 表6

圖2 太湖縣不同規(guī)模灌區(qū)畝均用水量比較

圖3 太湖縣不同規(guī)模灌區(qū)灌溉水有效利用系數(shù)比較

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于首尾測(cè)算法實(shí)證分析了2017年度太湖縣不同灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)，通過(guò)計(jì)算得出全縣平均灌溉水利用系數(shù)為0.506，按照國(guó)家發(fā)改委、水利部、住建部聯(lián)合印發(fā)的《水利改革發(fā)展“十三五”規(guī)劃》要求，到2020年，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)提高到0.55以上。因此，全縣應(yīng)進(jìn)一步完善各大灌區(qū)節(jié)水改造與續(xù)建配套工程建設(shè)，特別是大、中型灌區(qū)當(dāng)前灌溉水利用系數(shù)相較國(guó)家要求仍有一定差距，應(yīng)作為下一階段節(jié)水改造工作的重中之重，力爭(zhēng)在2020年全面實(shí)現(xiàn)灌溉水有效利用系數(shù)的全面提升。