石榴在高效節水灌溉中的需水量計算分析

李明杰

(瑪納斯縣水利局，新疆 瑪納斯 832200)

1 引言

本工程屬于中低產田地改造農業高效節水灌溉項目，計劃實施600 畝的石榴種植基地。該地降雨少、蒸發量大，干旱缺水，現狀農業灌溉仍然采用深灌、串灌等大水漫灌形式，造成水資源不必要的浪費。近年來，隨著農業生產的發展，灌溉用水量增加，供需水矛盾日益尖銳，形勢迫使農業必須走高效節水的道路。項目區石榴需要水分最多的時期是花芽分化期、開花坐果期、果核硬化后的果實膨大和油脂形成期，占總需水量的70%左右。石榴與其他落葉果樹不同，一旦缺水，并不及時從樹葉或果實的形態上顯露出開始缺水的確切癥狀。可是當出現樹葉萎靡或果皮皺縮等缺水癥狀時，果樹的生長和果實發育已受到嚴重損害，即使有條件及時灌水，也不能恢復其正常的生長發育，不僅當年產量欠收，也影響到下一年產量。因此，正確的灌水時期和灌水量，主要根據石榴的需水規律、年降水量和土壤水分狀況等綜合而定[1]。

2 灌溉設計

2.1 設計參數

根據石榴作物生長情況，制定設計參數如下：

土壤容重1.40 g/cm3，田間持水率30%，適宜土壤含水率上限θmax取田間持水量的90%，下限θmin取田間持水量的70%，灌溉水利用系數η 取值0.9。

2.2 作物需水量

依據《灌溉與排水工程設計規范》[2]及《水工設計手冊（第2版）》（第9 卷灌排、供水），作物需水量受氣候條件、土壤含水量與農業措施等因素的影響，各地相差懸殊，應直接采用當地或自然條件類似的鄰近地區的灌溉試驗資料確定。在缺乏實測資料的地區，可利用當地氣象資料采用下式計算[3]：

式中：ETc為階段日平均作物需水量，mm/d；Kw為土壤水分修正系數；Kc為作物系數；ET0為階段日平均參照作物需水量，mm/d。

參照作物需水量ET0按修正的彭曼公式計算：

式中：P0為標準大氣壓，P0=1013.25 hPa；P 為計算地點平均氣壓，hPa；Δ 為平均氣溫時飽和水汽壓隨溫度的變率；γ 為溫度計常數，0.66 hPa/℃；Rn為太陽凈輻射，以所能蒸發的水層深度計，mm/d；Ea為干燥力，mm/d。

根據所在縣城氣象資料，代入修正的彭曼公式計算出每月ET0，計算結果見表1。

表1 1 月～12 月ET0 計算值

2.3 作物耗水強度

2.3.1 設計耗水強度

依據《水工設計手冊(第2 版)》(第9 卷灌排、供水)，作物耗水強度為：

式中：Ea為作物耗水強度，mm/d；ETc為作物需水量，mm/d；Kr為作物遮陰率對耗水量的修正系數，若計算出Kr大于1 時，取Kr=1；Gc為作物遮陰率，又稱作作物覆蓋率。

2.3.2 灌溉補充強度

當有其他來源補充作物耗水強度時，滴灌只是補充作物耗水不足部分，即：

式中：Ia為灌溉補充強度，mm/d；Ea為設計耗水強度，mm/d；P0為有效降雨量，mm/d；S 為根層土壤或地下水補給的水量，對干旱地區S=0。

《微灌工程技術規范》(GB/T 50485-2009)規定[4]，設計耗水強度應取典型年灌溉季節月平均作物耗水強度的峰值作為設計耗水強度。經計算，石榴種植最大補充灌溉強度見表2。

表2 石榴灌溉最大補充強度計算表

2.4 灌水定額

2.4.1 土壤濕潤比

影響土壤濕潤比的因素很多，如毛管的布置方式、灌水器的類型和布置形式、土壤種類和結構等。毛管和灌水器的布置方式為單行直線毛管布置，土壤濕潤比采用下式計算：

式中：p 為土壤濕潤比，%；Dw為土壤水分水平擴散直徑或濕潤帶寬度，m；Sc為灌水器或出水點間距，m；Sl為毛管有效間距，m。

2.4.2 最大灌水定額

式中：mmax為最大灌水定額，mm；γ 為土壤容重，1.4g/cm3；z 為計劃土壤濕潤層深度，m，大田作物為0.4 m～0.6 m，果樹為1.0 m～1.5 m；p 為計劃土壤濕潤比，經濟林果100%；θmax、θmin分別為土壤適宜含水率的上下限(占干土重量的百分比)，一般為田間持水率W 的85%、60%(田間最大持水率25%)。石榴種植最大灌水定額計算見表3。

表3 石榴種植最大灌水定額計算表

2.4.3 設計灌水周期

式中：mmax為最大灌水定額，mm；Tmax為最大灌水周期，d，取整數；Ia為作物耗水強度，mm/d。項目區各種作物灌水周期計算及取值見表4。

2.4.4 設計凈灌水定額

式中：m 為設計凈灌水定額，mm；T 為取整后灌水周期，d；石榴種植設計灌水定額計算結果見表4。

表4 石榴種植灌水周期及設計凈灌水定額計算表

2.5 灌溉制度成果

2.5.1 一次灌水延續時間一次灌水延續時間采用下式計算：

式中：t 為一次灌水延續時間，h；m 為設計凈灌水定額，mm；Sc為灌水器間距，m；Sl為毛管間距，m；η 為灌溉水利用系數，η=0.9；q 為灌水器流量，L/h。

一次灌水延續時間取整數。計算結果見表5。

表5 一次灌水延續時間計算取值表

2.5.2 灌溉制度

通過計算的耗水強度Ia、灌溉周期T 及灌水定額m，確定每種作物月灌水次數及作物一年的凈灌溉定額。灌溉定額為作物全生育周期或一年內各次灌水量的總和。計算公式如下：

式中：M 為作物全生育期或一年的灌溉定額，m3/畝。

在確定作物年灌水總和時，應充分考慮該地區降雨對作物的水量補充，根據《微灌工程技術規范》（GB/T 50485—2009），高效節水項目區設計保證率為90%，故需對所在縣降雨量數據進行排頻，選取P=90%的代表年份進行降雨量分析。根據所在縣氣象站資料，選取1975 年、1984 年、2009 年、2012 年四個典型年的降雨數據進行分析計算該縣P=90%時的平均降雨量。所在地區P=90%平均降雨量見圖1。

圖1 所在縣P=90%年平均降雨量

根據各個時段的降雨量，求得該時段內的有效降雨，有效降雨其值與一次降雨量、降雨強度、降雨延續時間、土壤性質、地面覆蓋及地形因素等有關。在無實測資料地區，有效降雨可以根據《水工設計手冊》(第二版第9 卷灌排、供水)中的推薦參數取值[5]。當降雨量小于5 mm 時，有效降雨量為0 mm；當降雨量在5 mm～50 mm 時，降雨入滲系數按0.8 考慮；當降雨量在50 mm～100 mm 時，降雨入滲系數按0.75 考慮。通過分析，該地區P=90%有效降雨見圖2。

圖2 該地區P=90%有效降雨量

根據有效降雨量，分析作物各個時段的灌溉需水量，不同種作物的灌水次數及作物一年的灌溉定額見表6。

表6 石榴灌溉制度表

2.5.3 萬畝綜合用水定額

灌溉用水量是灌溉面積上需要水源供給的灌溉水量[6]，與灌溉面積、作物組成，各種作物的灌溉制度、水利用系數等因素有關。灌區內作物種植種類僅為石榴，作物種類單一。根據公式計算的石榴種植基地萬畝綜合用水凈定額為135.0 m3/畝。

3 灌溉供需水量分析

3.1 灌溉需水量分析

石榴種植基地高效節水灌區種植面積為600 畝，萬畝綜合用水凈定額為135.0 m3/畝，灌溉水利用系數為0.90，可計算出石榴P=90%的毛灌溉需水量為7.29 萬m3，需水量過程值見表7。

表7 石榴P=90%的灌溉需水量過程值 單位：m3/畝

3.2 灌溉供水水源

現狀2019 年，項目區主要供水水源為上干壩乍水庫。水庫位于上干壩乍村小組上游2.0 km 處，水庫所在流域屬金沙江水系蜻蛉河支流拉麥河，徑流面積3.59 km2。水庫總庫容為19.2 萬m3，興利庫容18.0 萬m3，調洪庫容1.2 萬m3。水庫目前實際灌溉面積250 畝，為常規作物灌溉。常規作物凈定額參照石榴種植基地高效節水灌溉項目中的成果，為135 m3/畝，灌溉水利用系數為0.6，P=75%時可供灌溉供水量14.4 萬m3，P=90%時可供灌溉供水量17.28 萬m3。

實施高效節水后，灌區內常規作物改種高效節水作物石榴，種植面積600 畝，P=90%的毛灌溉需水量為7.29 萬m3。現狀供水水源的供水能力有保障。

4 結論及建議

現狀作物灌水形式粗狂，對水資源浪費嚴重，灌溉水利用率較低，為了節約水資源，是經濟作物石榴得到更好的生長，保持農業與經濟作物的可持續發展，推廣高效節水灌溉是十分必要的，本文結合600 畝石榴作物，進行微灌灌溉設計，求得了石榴全生長期的灌溉水水量，從而進行供需水量分析，旨在為更好的推進該地區高效節水項目建設提供理論支持，也促使了該地區經濟繁榮發展。