溫香中型灌區節水潛力研究

滕 凱

(海城市水務事務服務中心，遼寧 海城 114200)

0 引 言

調查顯示，我國總用水量的70%來源于農業用水，其中農業灌溉又占農業用水的90%以上，所以我國用水大戶仍以農業為主。相關研究表明，我國農業用水效率低、用水比重大且存在巨大的節水潛力。目前，關于節水潛力學術界尚未給出普遍適用、統一完善的概念和定義。傳統意義上的節水潛力是指相對于未實施節水措施，實施多種或一種節水措施后某地區、行業(或作物)、單個部門所需水量的減少量。通過節水潛力分析和有關實驗研究，我國學者提出了適用于不同地區的節水潛力估算方法，如傅國斌等[1]綜合考慮多種因素和作物需水量情況，提出了一種預測節水潛力的理論方法；裴源生等[2]從耗水節水、用水節水的角度提出了真實的節水潛力估算方法，并認為區域真正的節水潛力體現于耗水節水量；段愛旺等[3]從廣義、狹義的層面上解釋了真實節水潛力，即灌溉用水在一定技術和條件下的減少量等于狹義節水潛力值，而基礎用水量以田間節水措施的減少數值等于廣義節水潛力值；有學者系統闡述了灌溉節水量、取水量中不可和可回收水的概念，并對加州的節水灌溉潛力進行了預測分析；田玉青等[4]歸納總結了灌區節水潛力的內涵，即在可預見的技術條件下，與基準年相比同等規模的灌區采取一系列節水技術措施，其減少預期的灌溉用水量，定義理論的節水潛力等于最大可能節水量，并以大型自流灌區為例利用分項法和整體法估算其節水潛力。崔遠來等[5]提出尺度效應能夠在一定程度上決定節水潛力，將不同尺度下的節水潛力利用同一方法估算會存在一定差異；周振民[6]、周華[7]等以河南人民灌區和寧夏河套灌區為例，運用灰色理論預測分析了灌區水資源供需狀態，在此基礎上確定了灌區節水潛力；湯英等[8]對灌區農業節水潛力利用情景分析法，從田間系統和輸水系統的角度進行預測；李英能等[9]借鑒相關研究資料，通過概化模型參數提出了一種簡易計算灌溉節水潛力的公式。此外，為有效解決節水潛力估算時傳統方法存在的問題，“真實節水”的概念被越來越多的用于農業節水研究；尹劍等[10]對流域大尺度和灌區或田間尺度的節水潛力利用效率型、資源型節水潛力衡量，并對渭河流域關中段典型灌區在四種水文頻率年下(90%、75%、50%、25%)的節水潛力進行了計算；王海龍等[11]對資源型節水潛力進行了界定，并對農業水資源合理開發、渠道襯砌工程建設繼續擴大、不改變作物種植面積情況下的節水潛力進行估算。

本研究以溫香灌區為例，對劉坨子排灌站、高坨子排灌站、桑樹排灌站、東高排灌站的主要作物灌溉需水量利用資源型節水潛力法進行計算，在此基礎上估算出資源節約型的溫香灌區節水潛力，這不僅有利于提高農業水資源利用率、優化作物種植結構和發展節水技術灌溉，而且對灌區節水灌溉規劃以及促進區域農業生產的持續發展等都具有科學的指導意義。

1 溫香灌區概況

溫香灌區位于海城市西北方向，灌區灌溉以引太子河、渾河水為主要水源，屬于多水源灌區，多年平均可利用量為1.4億m3，75%年可利用量為1.05億m3。溫香灌區總灌溉面積4467hm2，包括劉坨子、高坨子、桑樹和東高4個排灌站，其中高坨子和劉坨子排灌站共灌溉耕地2867hm2，占到整個灌區的64%。溫香灌區此處遼河平原南部，為北溫帶季風半濕潤半干旱氣候區，四季分明，光照充足，雨熱同季，非常適宜水稻等農作物的生長。灌區多年平均降雨量650mm，降水量在年際和時空上分布很不均勻，冬春少、夏秋多，年平均氣溫8.3℃，相對濕度81%，日照時數2663h，無霜期為166d。根據多年觀測資料，土壤開始結凍最早為11月下旬，最晚解凍日期為3月下旬，穩定解凍日期為3月中旬，標準凍深1.2m。

溫香灌區渠道運行時間長、加之年久失修，整個干渠滲漏及渠系建筑物老化嚴重，干渠普遍存在滲水量大、局部沖刷、淤積現象，灌區工程的現狀已嚴重制約了當地農業和農村經濟的發展。此外，隨著農村產業結構的調整，農作物種植結構根據農業綜合開發的需要也做了重大調整，經濟作物面積不斷擴大，所有這些都對灌區工程提出了更高的要求，通過渠道防滲襯砌及渠系建筑物改造對于提高水資源使用效率、節約水資源有著重要的意義，溫香灌區節水配套改造是大勢所趨，勢在必行[12,13]。

現階段，干渠的襯砌工程是灌區節水灌溉的重要保障措施，有效解決了現狀干渠滲漏造成的灌溉水源利用率低、水源浪費問題；襯砌后的渠道抗沖刷能力提高，過流斷面經過優化后輸水能力得到改善，將提高灌區灌溉管理效率、灌溉保證率以及確保灌區渠系供水能力。此外，渠道防滲有利于解決長期灌溉導致的地下水下降問題，渠系改造逐漸轉變了用水、排水不合理的情況，改善了農業生態環境[14]。

2 灌區節水潛力預測

參考相關文獻資料，按照以下流程估算及分析溫香灌區的節水潛力：在滿足作物需水量的條件下實施渠道襯砌等改造工程，通過節水灌溉技術改造、田間基礎工程建設和作物種植結構優化，以提高灌溉水利用系數和減少灌溉用水量，在此基礎上對溫香灌區引太子河、渾河水量的減少量進行準確估算。所以，應先確定溫香灌區耗用灌溉水以外的水量及其主要農作物需水量，然后考慮用水系數求解凈灌溉和毛灌溉需水量，資源型節水潛力就等于現狀水平年灌溉需水量與毛灌溉需水量的差值。

2.1 作物需水量ET

目前，研究農業節水與灌溉的關鍵指標為作物需水量，一般利用P-M公式測定和估算其數值，表達式為：

ET=kcET0

(1)

式中：ET0為參考作物騰發量；kc為作物系數。

2.2 凈灌溉需水量In

為滿足作物的正常生長需要用灌溉方式提供的部分水量就等于凈灌溉需水量，估算凈灌溉需水量時假定土壤水分條件在作物生育期起始階段只是發生微量變化或不發生變化，則其計算式為：

In=ET-αP-G

(2)

式中：P、G為作物生育期內的實際降水量及其直接耗用的地下水量；α為降水有效利用系數。

有效降水通常是指作物根層土壤實際儲存的自然降水，一般利用降水有效利用系數與實際降水量的乘積來確定?？紤]到溫香灌區降水較少的實際情況，結合相關文獻資料，可認為有效降水與所有降水相等，這與實際情況也基本相符。灌溉水入滲為地下水補給水源，由于溫香灌區灌溉水與地下水存在較為復雜的關系，為便于計算假定溫香灌區地下水被作物直接耗用的量為零，并在此條件下估算灌區節水潛力。

2.3 毛灌溉需水量Ig

從水源地輸送到被作物吸收利用灌溉水不可避免的存在著滲漏、蒸發損失，所以凈灌溉需水量要遠低于從水源處的實際引水量，輸水過程中的損失量與凈灌溉需水量之和等于毛灌溉需水量，對此可以利用灌溉水利用系數η水和凈灌溉需水量確定，表達式為：

Ig=In/η水

(3)

在數值上，渠系水與田間水利用系數的乘積一般等于灌溉水利用系數。

2.4 農業灌溉節水潛力△W

根據以上計算結果，采用下述公式求解△W，即：

△W=W0-W1

(4)

(5)

式中：Ai、kci為第i種作物的種植面積以及作物系數；W0、W1現狀年和規劃年的灌溉需水量；其他字母同上。

2.5 溫香灌區節水潛力估算

設溫香灌區現狀、近期和遠期規劃水平年為2020年、2025年和2030年，灌區現狀年引太子河、渾河灌溉水量1.4億m3，相關數據參考溫香中型灌區節水配套改造項目初步設計報告。

1)規劃年溫香灌區灌溉水、渠系水和田間水利用系數。結合溫香中型灌區節水配套改造項目初步設計報告明確規劃年灌溉水、渠系水和田間水利用系數，如表1。

表1 水資源利用系數

2)作物種植結構。近些年，隨著農村產業結構的調整，農作物種植結構根據農業綜合開發的需要也做了重大調整，經濟作物面積不斷擴大，所以作物種植結構在規劃年應做適當調整。

3)作物需水量。采用文中所述公式(1)計算溫香灌區主要作物需水量，如表1。

表2 溫香灌區的作物需水量 mm

4)有效降水量。溫香灌區多年平均降雨量為650mm，在年際和時空上降水量分布極不均勻，冬春少、夏秋多，其中夏秋季降水占全年的80%左右。依據文中所述，合理確定生育期內主要作物的有效降雨量，如表3。

表3 生育期內主要作物有效降雨量 mm

5)規劃水平年灌溉需水量。根據計算公式(5)和表1-3中的數據，經數學計算估算出不考慮灌溉面積擴大條件下溫香灌區的灌溉需水量，如表4。

6)規劃年溫香灌區的節水潛力值。設定基準年為2020年，結合溫香灌區劉坨子、高坨子、桑樹、東高4個灌排站的引水量資料，可以確定基準年溫香灌區引太子河、渾河水量10500萬m3，利用公式(4)可以求解出基于資源節約型的溫香灌區2025年、3030年的節水潛力值為696.92萬m3和1266.72萬m3。

此外，通過對不同環節的農業灌溉節水潛力分析可知，節水潛力最大的為輸水渠道襯砌，其次為作物結構的優化調整。

3 結 論

根據溫香灌區實際調研資料和序列統計數據，并借鑒相關文獻資料，系統估算和分析了該灌區規劃年的節水潛力，主要結論如下：

1)設定基準年為2020年，基于資源節約型的溫香灌區2025年、3030年規劃年的節水潛力值為696.92萬m3和1266.72萬m3，該灌區具有較大的節水潛力。

2)溫香灌區節水潛力最大的為輸水渠道襯砌，其次為作物結構的優化調整，因此可以將配套改造農業灌溉輸水系統作為灌區節水改造的重點，從而提高農業灌溉水和渠系水的利用效率。

3)因農業灌溉水入滲為補給溫香灌區淺層地下水的主要水源，所以在灌溉水利用系數提高的同時也使得地下水的補給量有所減少，并使得地下水位不斷下降。此外，仍需進一步深入研究溫香灌區復雜的水文過程及其變化特征。

表5 規劃年溫香灌區主要作物灌溉需水量 萬m3